城市軌道交通全自動駕駛車輛基地創(chuàng)新研究*

徐德培 史時喜 楊子亮

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥第一作者，助理工程師)

2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡稱《綱要》)，構建了“1-8-1-1”智慧城軌發(fā)展藍圖，指導和鼓勵各城市有序推進智慧城軌建設。為此，城市軌道交通車輛基地可從智能列車運行、智能運維安全、智能基礎設施等3個方向進行創(chuàng)新。

1 智能列車運行

智能列車運行方面，《綱要》提出完善、優(yōu)化、推廣列車全自動運行系統(tǒng)，建立中國標準的智能全自動列車運行體系。FAO(全自動運行)系統(tǒng)，是基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)。根據(jù)城市軌道交通列車通信與運行控制國家工程實驗室和城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室聯(lián)合發(fā)布的《城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)建設指南》，將FAO系統(tǒng)由正線引入至車輛基地后，對車輛基地的建設提出新的要求。

1.1 FAO系統(tǒng)對車輛基地的要求

按全自動車場進行車輛基地設計，與正線系統(tǒng)配合，實現(xiàn)列車全自動運行。車輛基地分類如表1所示。

表1 車輛基地分類Tab.1 Vehicle base classification

1)通過ATO(列車自動運行)系統(tǒng)提高出入段行車速度，通過ATS(列車自動監(jiān)控系統(tǒng))自動排進路，不需要出入段信號轉換，提高收發(fā)車的效率。

2)提高段場內列車轉線效率，防止司機操作失誤造成事故，如冒進信號等。

3)通過列車自動休眠、自動喚醒、自動自檢及自動洗車等措施，提高FAO系統(tǒng)運行的可靠性，減輕司機勞動強度。

4)實現(xiàn)列車運行狀態(tài)信息自動傳輸，配合檢修信息化技術，提高列車檢修效率，縮短故障處理時間。

1.2 全自動駕駛車輛基地功能變化

根據(jù)FAO系統(tǒng)對車輛基地的要求，全自動駕駛車輛基地劃分為全自動駕駛區(qū)和非全自動駕駛區(qū)［1］。與人工駕駛車輛基地相比，其主要功能存在如下變化。

1.2.1 新增功能

1)新增全自動駕駛區(qū)域，由信號系統(tǒng)實現(xiàn)列車的全自動駕駛。正線服務的列車自“喚醒”至“休眠”應全部納入ATS時刻表管理與控制。

2)新增全自動駕駛區(qū)域與非全自動駕駛區(qū)域的隔離設施，并增設門禁系統(tǒng)。人員及車輛通過門禁進入全自動駕駛區(qū)域時，必須得到控制中心授權。

3)新增全自動駕駛區(qū)域若干防護分區(qū)的劃分，并增設通往各防護分區(qū)的地下通道(當采用接觸軌供電時為人行天橋)。停車列檢庫應設在全自動駕駛區(qū)域內，檢查坑按100%設置。為方便管理，停車列檢庫應按每2股道劃分1個防護分區(qū)，以減少列檢作業(yè)對其他股道的影響。

4)新增全自動駕駛區(qū)域SPKS(人員防護開關)與信號、行車自動化的聯(lián)鎖功能。檢修和清掃作業(yè)人員須通過庫尾打開SPKS開關及門禁才可進入無人防護分區(qū)作業(yè)，多職能人員(兼司機)可從庫中地下通道打開門禁通往指定列車登車隨車上正線。

5)新增列車自動喚醒、自檢、起動列車并自動運行至正線等全自動駕駛新要求的功能。

6)新增列車清洗機與信號系統(tǒng)的接口，實現(xiàn)全自動洗車功能。

7)新增試車線全自動無人駕駛測試，包括列車休眠、喚醒、對位停車、自動開關門、列車自動換端等。

8)新增全自動駕駛區(qū)車庫內照明遠程控制功能。

9)新增段內調車信號轉換功能。在全自動駕駛車輛基地，需要有1段軌道用于列車往返全自動駕駛區(qū)至非全自動駕駛區(qū)時的駕駛模式轉換，通常可利用常規(guī)車輛基地的牽出線作為信號轉換軌。

1.2.2 增強功能

1)增強全自動駕駛區(qū)域火災報警系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等功能，并增加各系統(tǒng)的聯(lián)動功能。

2)全自動駕駛區(qū)域車庫大門增強為自動門，增加根據(jù)行車進路自動開閉功能。

2 智能運維安全

智能運維安全方面，《綱要》提出建立智能運維和安全保障體系，以提高列車日常檢修效率，降低列車運維成本。實現(xiàn)高等級智能運維需要數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、分析診斷智能化、管理系統(tǒng)信息化、工業(yè)生產(chǎn)自動化。其體系架構如圖1所示［2-3］。

圖1 車輛基地智能運維體系架構Fig.1 Intelligent operation and maintenance architecture of vehicle base

2.1 車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)

全自動無人駕駛模式下，控制中心調度員不但需要實時了解列車的運行位置，還要對列車車載設備、車廂環(huán)境等進行實時監(jiān)控。設置TISCS(車載綜合監(jiān)控系統(tǒng))，承擔包括設備監(jiān)控、車廂監(jiān)控、乘客溝通、應急指揮在內的功能。

2.2 軌旁綜合檢測系統(tǒng)

軌旁綜合檢測系統(tǒng)由全車360°視覺檢測、輪對尺寸檢測、踏面損傷檢測、走行部溫度檢測、受電弓/集電靴檢測等功能模塊組成。在車輛基地入段線檢測棚內軌道旁安裝基于機器視覺、紅外線、激光、超聲探傷、聲學等傳感技術的檢測裝置，車輛經(jīng)過時可自動檢測車輛的外表故障、磨耗件尺寸和內部損傷、走行部溫度、車體外觀等日常維保所需檢測的信息，并將檢測數(shù)據(jù)上傳至控制中心智能運維專家平臺。

也可在車輛基地運用庫檢查坑設置智能檢修機器人輔助人工列檢作業(yè)。利用機器人技術、機器視覺技術等多種控制技術及其先進算法，采集車底、車側高清圖像，通過圖像處理技術提供故障判斷和故障預警，提高檢修質量及效率。系統(tǒng)包括檢修機器人、配套設備(充電機、服務器、軌道等)及軟件平臺。

2.3 智能檢修信息化管理系統(tǒng)

智能檢修信息化管理系統(tǒng)通過對現(xiàn)場的檢修、人員、設備、物料、備件、車輛履歷等相關信息進行實時采集與控制，實現(xiàn)對車輛基地檢修作業(yè)的全程可視化管控;通過大數(shù)據(jù)專家分析技術得到相關結論，并將其應用于現(xiàn)場作業(yè)指導、工藝優(yōu)化、決策分析，達到控制檢修成本、提高檢修效率、保證檢修質量的目的。該系統(tǒng)包括服務器、機柜、手持機、工作站、射頻識別電子標簽、監(jiān)控大屏等配套設備和軟件平臺。

2.4 自動駕駛區(qū)作業(yè)綜合管理系統(tǒng)

在列車自動出入庫及庫內作業(yè)的過程中，必須確保檢修人員和設備安全。作業(yè)區(qū)是被隔離的區(qū)域，應將該區(qū)域與信號聯(lián)鎖，當列車靜止時，才允許檢修人員進入作業(yè)區(qū);在整個作業(yè)過程中，必須對庫內的作業(yè)區(qū)進行安全聯(lián)鎖控制，對隔離開關的開閉狀態(tài)進行全程安全監(jiān)控，確保作業(yè)區(qū)人員安全。

在車輛基地自動駕駛區(qū)設置作業(yè)綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集作業(yè)手續(xù)辦理、接觸網(wǎng)/軌綜合接地、門禁管理、作業(yè)范圍管理、實時監(jiān)控、作業(yè)流程管理及評價、人員防護等功能于一體。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 自動駕駛區(qū)作業(yè)綜合管理系統(tǒng)功能組成Fig.2 Functional composition of the comprehensive operation management system for automatic driving area

2.5 智能運維專家平臺

通過在控制中心配置相應數(shù)據(jù)中心服務器及遠程監(jiān)控平臺，可實現(xiàn)智能運維各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲、分析及展示功能等，方便地面人員掌握列車狀態(tài)信息，以便快速做出應對反應。該平臺包括機柜、服務器、監(jiān)控大屏等配套設備及平臺軟件。

2.6 智能運維對既有運維模式、運維制度的改變

國內地鐵車輛的維修制度通常采用定期計劃性維修+臨時故障性維修模式。車輛檢修修程分為大修、架修、定修、三月檢、雙周檢、列檢共6級。目前亦有部分城市正在探索精益修、均衡修模式。

智能運維系統(tǒng)已在上海軌道交通17號線實現(xiàn)落地實施。通過MVB(多功能車輛總線)數(shù)據(jù)實時監(jiān)視建立車輛設備狀態(tài)遠程可視化管理平臺;通過車載視頻遠程監(jiān)視建立應急指揮調度技術平臺，輔助多職能人員快速排除故障，縮短故障解決時間;完善智能故障診斷策略、豐富預警規(guī)則，及時將故障消除在萌芽狀態(tài)，進一步提高列車可靠性，減少清客、晚點發(fā)生的次數(shù);通過軌旁智能檢測將日檢改進為8日檢，降低日檢頻率和檢修維護成本;由設備檢代替人工檢，顯著提高檢修作業(yè)效率。智能運維系統(tǒng)為逐步探索取消日檢，為開展計劃修向狀態(tài)修轉變提供數(shù)據(jù)基礎和技術條件。

3 智能基礎設施

智能基礎設施方面，《綱要》提出運用各種類型傳感、視頻系統(tǒng)、周界防范系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感等檢測、監(jiān)測技術，形成完整的智能監(jiān)測感知體系。車輛基地在基礎設施方面可從通風、照明、消防、安防等方面提升智能化水平。

3.1 智能通風

運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和自動化技術，實現(xiàn)通風空調系統(tǒng)分析決策與聯(lián)動調控的全程自動控制，即實現(xiàn)智能通風。例如，當有列車進行檢修作業(yè)時，由BAS(環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng))根據(jù)列車停車位置動態(tài)開啟對應的排風機，其他單體的通風機可采用溫控型風機，通過監(jiān)測室內溫度控制風機間歇運行，實現(xiàn)無人化管理和低能耗運行。

3.2 智能照明

在智慧照明中，Air Lamp(商用物聯(lián)網(wǎng)智能照明技術)主要提供人工本地控制、自動照明控制、集中控制和定時控制等4種控制方式。這些控制方式既可以實現(xiàn)無人干預、全自動、不依賴上位機(或上層業(yè)務應用)的控制，也可以通過WF-IoT(融合物聯(lián)網(wǎng)技術)云管控平臺進行個性化的大規(guī)模控制。

3.3 智能消防

車輛基地設置有車站級FAS(火災報警系統(tǒng))，該系統(tǒng)可將其監(jiān)控結果傳輸至本線的運營控制中心。FAS系統(tǒng)目前尚未實現(xiàn)系統(tǒng)的深度集成自動化管理，在一定程度上不同線路車輛基地間的消防資源是孤立存在的，無法達到資源的有效整合。因此，有必要統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，集中、實時監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)單位消防安全狀態(tài)，實現(xiàn)資源共享、統(tǒng)一調度。

3.4 智能安防

智能安防系統(tǒng)通過圖像傳輸、圖像存儲、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、圖像識別等模塊，實現(xiàn)自動報警、監(jiān)控和智能門禁等功能。該系統(tǒng)可有效彌補傳統(tǒng)安防技術過渡依賴人工視覺判斷等不足之處，推動車輛基地向智慧管理邁進。

4 結語

車輛基地智慧化解決方案的應用效益主要體現(xiàn)在提高檢修作業(yè)效率、保障運維安全、提升車輛運營可靠性、降低檢修維護成本、提升智能化水平等方面。全自動運行和智慧化場段的應用是城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展趨勢。本文的研究成果可為車輛基地的智慧化和智能化設計提供參考。