地鐵無人駕駛場段設(shè)計研究

張文景

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司天津分院，天津 300073）

目前，國內(nèi)很多設(shè)計院、科研機(jī)構(gòu)和地鐵建設(shè)單位都在組織開展關(guān)于無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)的研究。據(jù)統(tǒng)計，采用無人駕駛系統(tǒng)后大部分土建設(shè)計變化在于場段，設(shè)計時應(yīng)充分考慮無人駕駛的運(yùn)營場景、運(yùn)用檢修規(guī)則及操作流程，完善無人駕駛區(qū)工藝設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)安全、高效的運(yùn)維目標(biāo)。無人駕駛場段工藝研究是我國城市軌道交通工程目前最迫切的需求之一，是各工程參建單位提升核心技術(shù)水平，適應(yīng)未來城軌市場發(fā)展需求的必經(jīng)之路。

1.無人駕駛概述

地鐵無人駕駛技術(shù)是沒有司機(jī)和乘務(wù)人員參與，列車在控制中心的統(tǒng)一控制下自動實(shí)現(xiàn)列車休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動運(yùn)行、停車和開關(guān)車門以及故障自愈等功能的高度智能的運(yùn)營組織模式。司機(jī)所承擔(dān)的全部職責(zé)將全部由設(shè)備系統(tǒng)或控制中心人員承擔(dān)。在無人駕駛項(xiàng)目中，核心機(jī)電設(shè)備如車輛、通信（CCTV、PIS、廣播等）、信號、綜合監(jiān)控、站臺門等均有相應(yīng)的變化，控制中心新增車輛調(diào)度和乘客調(diào)度。國際公共交通協(xié)會將列車運(yùn)行的自動化等級（Grades of Automation）劃分如表1。

自動化等級的定義實(shí)際上規(guī)定了運(yùn)營人員和系統(tǒng)之間對列車運(yùn)行基本功能的責(zé)任。當(dāng)人對以列車為主體的運(yùn)行不再承擔(dān)責(zé)任，而由管理和控制系統(tǒng)承擔(dān)時，就實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通全自動運(yùn)行（FAO）即所謂的“無人駕駛”。國內(nèi)通常將自動化等級3（GOA3）—有人值守列車自動運(yùn)行（DTO）和自動化等級4（GOA4）—無人值守列車自動運(yùn)行（UTO）的線路都?xì)w為全自動運(yùn)行（FAO），實(shí)際上自動化等級3（GOA3）中雖然不設(shè)置司機(jī)，但列車車門的關(guān)閉和安全離站仍需運(yùn)營人員操作完成，當(dāng)然，后期也可升級由管理和控制系統(tǒng)來完成。

2.場段無人駕駛模式場景分析

對于無人駕駛而言，無需人工激活列車進(jìn)入運(yùn)營、退出運(yùn)行，無需人工控制或監(jiān)督列車的在線運(yùn)行，這種高自動化程度的列車運(yùn)行模式隨之而來的是嶄新的運(yùn)營場景，運(yùn)營場景和運(yùn)營規(guī)則是無人駕駛系統(tǒng)的前置條件。與場段運(yùn)維生產(chǎn)組織相關(guān)的運(yùn)營場景主要包含：早間上電、喚醒、出庫、回庫、休眠、清掃、洗車、自動調(diào)車、救援、日檢與維修等。無人駕駛場段相較于傳統(tǒng)場段運(yùn)用檢修規(guī)則及管理操作流程均發(fā)生了改變，具體差別對比分析見表2。

表2 無人駕駛與傳統(tǒng)駕駛場段場景對比

根據(jù)無人駕駛場段運(yùn)營場景，場段的建設(shè)在滿足常規(guī)場段所具備的基本功能的基礎(chǔ)上，必須滿足無人駕駛功能要求，通過修正檢修體系、調(diào)整調(diào)度派班流程，同時進(jìn)一步分析細(xì)化無人駕駛場段建設(shè)及后期運(yùn)營過程中的功能需求等，完善具體的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和方案。

3.無人駕駛場段設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)無人駕駛運(yùn)營場景需要，場段的建設(shè)在滿足常規(guī)場段所具備的基本功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)將站場中一束或幾束與正線運(yùn)營緊密相關(guān)的線群納入正線列車運(yùn)營自動控制系統(tǒng)，使得正線對列車的運(yùn)營控制權(quán)由接軌站延伸至車場的無人駕駛區(qū)域，有效提高列車運(yùn)行使用效率。無人駕駛場段關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，必須以全自動運(yùn)行車輛為服務(wù)本體，以滿足無人駕駛功能要求為基本導(dǎo)向，通過劃分無人區(qū)與有人區(qū)、設(shè)置轉(zhuǎn)換軌、增加信號安全保護(hù)距離、無人區(qū)的安全防護(hù)措施等，完善具體的設(shè)計方案。

3.1 運(yùn)行區(qū)域的劃分

停車列檢線、洗車線，完成車輛日常檢查、內(nèi)部清掃和外皮洗涮等作業(yè)，具有規(guī)律性和周期性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此劃歸無人駕駛區(qū)域。大架修線、定修線、臨修線、雙周三月檢線、靜調(diào)線、吹掃線、鏇輪線、調(diào)機(jī)及工程車庫線、平板車線、試車線等線群，在這些線群上完成的車輛檢查、檢修作業(yè)必須依靠專業(yè)檢修人員和專用工裝設(shè)備，而且作業(yè)過程中需列車移位轉(zhuǎn)線，不宜采用無人駕駛模式，因此劃至非無人駕駛區(qū)[1]。

需要特別說明，非無人駕駛區(qū)、無人駕駛區(qū)均應(yīng)分別設(shè)置專用的牽出線，同時在工程應(yīng)用中牽出線亦可兼用做轉(zhuǎn)換軌；對于采用簡單檢修工藝的雙周三月檢庫線可劃歸無人駕駛區(qū)；由于試車線需進(jìn)行無人駕駛測試，所以應(yīng)按照無人駕駛區(qū)設(shè)置防護(hù)措施。

3.2 安全防護(hù)需求

（1）無人駕駛區(qū)與非無人駕駛區(qū)間的防護(hù)。

無人駕駛區(qū)域與非無人駕駛區(qū)域設(shè)置圍欄隔離，并在必要的聯(lián)通處設(shè)置門禁，信號分區(qū)入口處設(shè)置信號鎖定按鈕SPKS開關(guān)（見圖1）。

圖1 信號鎖定開關(guān)

（2）無人駕駛區(qū)內(nèi)安全防護(hù)設(shè)施。

為方便停車列檢庫管理，停車列檢庫應(yīng)采用隔離網(wǎng)（見圖3）等劃分為若干防護(hù)區(qū)（每區(qū)宜為4～6列位），工作人員必須通過庫內(nèi)橫向地溝才可進(jìn)入防護(hù)區(qū)[2]。從地溝通往該區(qū)域的出口（見圖2）設(shè)置門禁，人員需進(jìn)入?yún)^(qū)域時，必須先取得行車調(diào)度與電力調(diào)度的許可。行車調(diào)度將該分區(qū)信號鎖閉、電力調(diào)度切斷該分區(qū)牽引供電并進(jìn)行確認(rèn)后門禁才能被激活打開。人員進(jìn)入分區(qū)時需按下信號鎖定按鈕SPKS，鎖閉該區(qū)域信號[3]。被信號鎖閉的區(qū)域禁止列車移動，該分區(qū)也不能接、發(fā)車或調(diào)車。

圖2 地下通道出入口

圖3 防護(hù)區(qū)間隔離網(wǎng)

（3）停車列檢庫、洗車庫大門均宜設(shè)置為自動門，與信號系統(tǒng)聯(lián)鎖，并具有車庫門故障旁路功能，大門所在線路列車進(jìn)路開放時，大門應(yīng)由車輛段行車調(diào)度觸發(fā)遠(yuǎn)程控制按鍵開啟或由系統(tǒng)自動觸發(fā)開啟。當(dāng)氣候條件允許時，可不設(shè)庫門，避免車庫門與信號連鎖，頻繁開啟庫門將影響行車安全以及發(fā)車效率[4]。

3.3 轉(zhuǎn)換軌設(shè)置

對于常規(guī)的車輛段來說，由于車輛段不納入正線信號系統(tǒng)的控制范圍，因此車輛段與正線間要有一段信號過渡區(qū)段，即轉(zhuǎn)換軌，通常轉(zhuǎn)換軌設(shè)置在出入段線與正線的聯(lián)絡(luò)線間。

無人駕駛車輛段的無人駕駛區(qū)依然屬于正線信號控制范圍，出入段線與正線的聯(lián)絡(luò)線不再需要設(shè)置轉(zhuǎn)換軌，場段的無人駕駛區(qū)控制權(quán)在OCC，非無人駕駛區(qū)的控制權(quán)在DCC，車輛由無人駕駛區(qū)駛?cè)敕菬o人駕駛區(qū)或進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)線作業(yè)都需要進(jìn)行信號模式轉(zhuǎn)換。因此無人駕駛場段相當(dāng)于把出入線的轉(zhuǎn)換軌調(diào)整至段內(nèi)兩分區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線處設(shè)置。

轉(zhuǎn)換軌設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：轉(zhuǎn)換軌長度按信號專業(yè)要求計算，并應(yīng)有站場道路通向轉(zhuǎn)換軌。轉(zhuǎn)換軌按無人駕駛區(qū)的要求設(shè)置防護(hù)圍欄，圍欄出入口處設(shè)置門禁。考慮人工駕駛模式，轉(zhuǎn)換軌上應(yīng)設(shè)置登乘平臺，平臺應(yīng)有遮雨設(shè)施。

3.4 信號安全距離要求

根據(jù)無人駕駛的需求，無人駕駛區(qū)線路長度應(yīng)考慮滿足信號系統(tǒng)動態(tài)測試防護(hù)及ATO精確停車防護(hù)的安全距離要求。由于各線車輛、信號系統(tǒng)性能參數(shù)的差異所計算的安全防護(hù)距離亦存在差異，工程實(shí)施時如場段規(guī)模允許，經(jīng)研究，設(shè)計階段可選用如下安全保護(hù)距離：

（1）停車列檢庫內(nèi)兩列位之間安全距離不宜小于20m，末端列位與車擋之間安全距離不宜小于15m。

（2）洗車機(jī)前股道安全保護(hù)距離不宜小于40m，洗車機(jī)后股道安全保護(hù)距離不宜小于15m。

（3）牽出線以及轉(zhuǎn)換軌安全保護(hù)距離不宜小于40m。另外，根據(jù)信號計算分析，如工程條件受限，可采用設(shè)置可碰撞車檔、限制車輛加速度、限制常用制動減速度等方式進(jìn)一步縮短保護(hù)距離。

4.無人駕駛相關(guān)工藝設(shè)備

4.1 全自動列車清洗機(jī)

全自動洗車機(jī)系統(tǒng)組成與傳統(tǒng)場段要求相同，主要新增與信號系統(tǒng)的信息接口，接口信息分為安全信息和非安全信息。安全信息采用硬線直連方式，實(shí)現(xiàn)洗車機(jī)和目標(biāo)控制器（OCS）的接口，主要傳輸列車零速相關(guān)信息。非安全信息采用繼電器和PLC共用方式，實(shí)現(xiàn)洗車機(jī)和軌旁列車自動駕駛系統(tǒng)（RATO）的接口，主要傳輸洗車模式、請求、各類中間狀態(tài)信息等[5]，信號系統(tǒng)與洗車機(jī)主要交互信息詳見圖4。

圖4 信號系統(tǒng)與洗車機(jī)信息接口

4.2 列檢機(jī)器人

由于無人駕駛場段人員進(jìn)入無人區(qū)相關(guān)管理流程要求，進(jìn)一步壓縮了列檢時間，對列檢效率提出了更高要求。可采用智能列檢機(jī)器人代替部分人工檢查，可節(jié)省列車庫停時間，提高運(yùn)作效率，同時可保障人員安全。作業(yè)人員車內(nèi)檢修和列檢機(jī)器人車底車側(cè)作業(yè)（見圖5）同時進(jìn)行，車內(nèi)檢修作業(yè)完成后，作業(yè)人員根據(jù)手持終端報送的疑似故障點(diǎn)進(jìn)行人工復(fù)核與處理，并將復(fù)核結(jié)果反饋至智能診斷平臺。采用人機(jī)聯(lián)控的列檢作業(yè)策略后，2人列檢小組對6B列車進(jìn)行列檢作業(yè)的時間可由50min降至25min，效率、準(zhǔn)確率均高于純?nèi)斯ぃ铱晒?jié)省列檢作業(yè)人力成本。廣州地鐵應(yīng)用的2臺列檢機(jī)器人輔助實(shí)現(xiàn)了檢修周期由四日檢轉(zhuǎn)變?yōu)榘巳諜z的要求，節(jié)省10人（列檢為4日檢）列檢人員，每年節(jié)省人力成本費(fèi)用40余萬。每日檢或隔日檢可借助巡檢機(jī)器人優(yōu)化檢修周期，估計人力成本每年可節(jié)省近百萬。

圖5 智能列檢機(jī)器人車底檢測

4.3 調(diào)度生產(chǎn)自動化管理系統(tǒng)

調(diào)度生產(chǎn)自動化管理系統(tǒng)應(yīng)能滿足場段DCC現(xiàn)場生產(chǎn)的所有流程，為場調(diào)、檢調(diào)、信號值班員、派班員等提供自動化管理平臺，實(shí)現(xiàn)由分散調(diào)度與控制變?yōu)榧姓{(diào)度與控制，將車輛檢修運(yùn)用業(yè)務(wù)和地面設(shè)備一體化，從而縮短車輛調(diào)車、收發(fā)車時間，保障人員和列車在各場景下的安全運(yùn)行，提高人員工作效率。

5.結(jié)語

無人駕駛技術(shù)通過在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域近幾年的發(fā)展，已初步積累了相關(guān)建設(shè)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，但目前仍未形成完善的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，筆者通過在各地工程中的設(shè)計實(shí)踐，初步歸納總結(jié)了無人駕駛場段的設(shè)計需求，為新線及改造工程提供參考建議。