地鐵全自動運行系統故障軟化技術

陳麗君

(上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海∥高級工程師)

地鐵全自動運行(FAO)系統具有安全性高、可靠性高、靈活性高、能提高服務質量、能優化人力配置及降低運營成本等諸多優勢。截至2020年年末，國內已運營、在建及規劃中的城市軌道交通線路中采用FAO系統的有北京、上海、深圳、廣州、成都、鄭州、太原等26座城市，共計76條線路，總長達2 414.24 km。國內的在建城市軌道交通線路中，采用自動化等級最高的設計等級GoA4(自動控制等級4)級的有北京、上海、深圳、廣州、武漢等13座城市，共計32條線路，總長達988.81 km，占所有在建線路規模的59.51%。由此可見，目前各城市地鐵選擇采用GoA4級的占絕大多數。從GoA4來看，中國內地已運營的FAO線路中，設計等級為GoA4的有北京、上海、廣州、成都、太原等5座城市，共計12條線路［1］。由此可見，FAO線路尤其是采用GoA4的線路將會成為城市軌道交通系統的主流，代表著城市軌道交通運行系統自動化水平的發展趨勢。

根據IEC(國際電工委員會)62290和國際公共交通協會(UITP)的規定，目前信號系統的列車運行分為GoA0、GoA1、GoA2、GoA3、GoA4共5個自動化等級，GoA3和GoA4即為FAO。GoA4為無人值守的列車運行(UTO)，列車的起動、停車、車門操作及緊急情況的處理全部實現自動化，無需人員隨車。在1個GoA4的FAO系統中，因無工作人員在列車上，所以故障可能會嚴重影響運營。因而，提高系統的可靠性，以及在降級和異常情況下弱化故障，降低而不是完全喪失系統的自動化功能，以便于救援工作的開展，是一個值得研究的問題。

1 FAO系統故障處理機制

由于GoA4的FAO線路不設置司機，因此FAO系統必須能替代司機完成其在有人駕駛模式中的職責，甚至要比司機做得更好，才有可能實現無人值守的全自動運行。FAO系統在正常情況下具備全自動的全部功能，在異?；蚪导壡闆r下會喪失部分全自動功能。為了提高FAO系統的可用性，通常采用兩種防范措施:①提高系統的可靠性;②在極小概率的異常和降級場景下，根據具體的故障情況保留部分全自動的功能。

為了提高系統的可靠性，對于FAO系統的核心子系統，如車輛、信號、站臺門等采用成熟的、具有高可靠性的元器件。但一般來講，無論硬件所采用的元器件如何可靠，1個系統的隨機硬件故障是不可避免的，所以還需要采用冗余設計的方法。如信號系統的關鍵子系統的核心設備(車載控制器、區域控制器、計算機聯鎖等)采用二乘二取二或三取二的冗余架構;ATS(列車自動監控)采用熱備的冗余架構;對于FAO線路，還可設置有備用的控制中心。此外，連接這些關鍵子系統的數據通信網絡通常采用完全獨立的A、B網構成冗余。信號系統的架構設計需要充分體現冗余設計的理念，通常的信號系統架構圖如圖1所示。

圖1 信號系統架構圖Fig.1 Diagram of system architecture

圖1中的車載設備，不僅核心設備OBCU包含的ATP(列車自動防護)、ATO(列車自動運行)和休眠喚醒單元應采用冗余配置;而且其外部設備，如應答器查詢單元和天線、測速設備、車載無線天線、安全網關和車載中級設備及車載人機界面(DMI)等也應做到冗余設置，具體如圖2所示。

圖2 車載設備架構圖Fig.2 Diagram of on-board equipment architecture

FAO系統在異?；蚪导壡闆r下，為了盡量減少區間救援以及避免對系統運營造成重大影響，故需要弱化故障，適當降低而不是完全喪失系統的自動化功能，可采用故障軟化處理技術，例如遠程重啟、遠程旁路、降級運營模式等來提供有限制的自動化功能［1］。FAO系統的場景和功能設計也應重點考慮如何保證乘客安全和實現乘客服務的目的，以盡量避免區間疏散。針對意外情況下的應急處理，FAO系統應做到:

1)輕微故障，如車門或站臺門故障不影響系統運營。

2)中等故障下盡量避免迫停區間。對于無人值守列車，無論是地下線路還是高架線路在區間都要花費較長的時間才能上車救援，因此對運營影響較大。這就要求在區間運行的列車發生故障或異常情況下，在調度人員干預或不干預時能運行到站臺，而不要迫停在區間;同時，在前方區間有故障或異常情況時，要保證列車不進入區間。

從運營的全局來看，要著重于故障后如何做到更安全。這除了與行車密切相關的信號專業以外，其他如車輛、站臺門等專業也需要有同樣的故障處理機制。

2 FAO系統故障軟化技術

當設備或系統的局部發生故障時，設備或系統的某些功能會減弱，但整體上仍能使設備或系統持續執行一定降級功能的技術叫做故障軟化技術。FAO系統由于取消了司機，對整個系統(包括信號、車輛、站臺門等)的可靠性提出了更高的要求，在極小概率不可避免的異?；蚪导壡闆r下，要盡可能降低故障對運營的影響，盡量避免發生區間救援的情況。這就要求系統在降級和異常情況下弱化或軟化故障，降低而不是完全喪失系統的自動化功能，如采用輕微故障不影響系統運營、中等故障不迫停區間等故障軟化處理技術。FAO系統典型的故障軟化技術有:

1)CAM(蠕動模式)下的精準對位。當車輛與信號車載設備發生通信故障時，由控制中心人工確認后，信號系統啟動CAM模式;列車以蠕動模式運行時，車輛根據來自信號系統的牽引制動無極控制極位命令，實現CAM模式下的列車進站精準對位及停車后打開車門，以便工作人員上車處理故障;系統支持多次連續CAM命令，以應對調度在某種情況下不安排工作人員救援，而直接將故障列車存放在存車線，或站后折返列車折入過程中發生此類故障，而蠕動到折返線停車不再前進，此時站后折返列車應連續蠕動到發車站臺，以便工作人員上車處理故障。

2)車載設備故障后重啟策略。列車處在正常運營中，列車中的一系車載設備故障是由故障系車載設備自動重啟或OCC(運營控制中心)通過遠程人工重啟命令進行車載設備重啟而造成;此外，工作人員可以登車，在任意一端進行重啟故障系的操作，以恢復車載的冗余熱備。

3)門對位隔離。當站臺門或車門中的某扇門發生故障，列車或站臺門都會將具體故障的信息發送給對方，采取故障門的隔離措施，并通過車載PIS(乘客信息系統)和廣播告知車上乘客，在站臺側對位隔離門的指示燈和PIS顯示屏上顯示門隔離信息，以引導上、下車的乘客避開被隔離的車門、站臺門。停站對準開門時，被隔離的門和對應的門不再打開［2］。

4)任意點折返應對故障場景。當某區間發生故障或下一站臺存在危險的情況，列車不能按原計劃繼續前行時，系統支持在任意地點以FAM(全自動駕駛模式)折返，進行反向運行。該功能為反向行車提供了與正向運行一致的安全和效率保障，為運營提供了更大的靈活性和更為便捷的故障調整手段，從而確保線路快速安全恢復運營，可整體提升事故處理效率和運營恢復能力。

5)停站再對位控制策略。在FAM模式下，若列車進站停車時過標或欠標不大于5 m，系統可自動控制列車進行停站再對位。在停站再對位過程中，采用了對標目標點的距離一次調整的控制策略，而不是采用按照固定距離進行跳躍調整，以減少停站再對位的調整次數。

6)遠程限制人工駕駛模式(RRM)。RRM為列車以FAM/CAM運行，列車丟失定位或位置有效但移動授權無效時，由控制中心遠程授權列車緩解緊急制動，以一定限速值繼續向前運行一定距離的一種駕駛模式。當軌旁某個應答器故障時不影響列車的正常運行;當連續2個應答器同時故障時，經過該故障區域的所有列車的車載設備產生報警、實施緊急制動。車地通信正常情況下，系統將該區段轉換為降級運營模式，列車轉換為RRM;當列車越過故障區域、重獲定位后，可在不停車的情況下將列車轉換至FAM下運行?？刂浦行脑诖_定列車前方區段空閑、道岔位置正確且鎖閉信號已開放后，可授權列車緩解緊急制動以RRM向前以一定限速值移動;列車根據授權可在限速條件下繼續運行，重新獲得移動授權，從而降低對運營的影響。

7)自動扣車。為了避免FAO下列車在區間迫停，在供電軌失電、區間軌道封鎖、區間或下一站臺存在危險情況、相鄰CBI間和ZC間通信中斷、從CBTC(基于通信的列車控制)區域進入后備區域等情況下，應在相應的站臺自動進行扣車;在從CBTC區域進入后備區域的情況下，要提示工作人員及時登車處理，順利以降級模式進行跨區交接通過故障區域。

8)制動重故障。對于制動重故障，信號系統與車輛有兩種不同的接口，即制動重故障的硬線接口以及TCMS(列車控制管理系統)網絡接口，且網絡接口可以明確給出轉向架不可用的個數。為了避免FAO下列車在發生此類故障時在區間迫停，系統可根據制動故障的情況進行不同的處理，如1個轉向架空氣制動不可用時，列車可采用FAM運行至下一站，然后轉有人駕駛至終點站退出運營;2個轉向架空氣制動不可用時，緊急制動停車，退出FAM/AM(自動駕駛模式)，按CM(列車自動防護下的人工模式)駕駛列車，至終點站退出運營，ATS提示調度按照一站一區間運營;3個轉向架空氣制動不可用時，緊急制動不緩解，退出FAM/AM，限速運營至下一站清客退出運營。

9)遠程旁路和遠程復位車輛輕微故障。對于FAO系統，車輛的輕微故障可以通過調度員在OCC的ATS上發送遠程復位和旁路命令(如車輛輔助逆變器復位命令、車輛蓄電池充電機復位命令、車輛牽引逆變器復位命令、所有制動緩解監控旁路命令和停放制動緩解監控旁路命令等)進行恢復，以減少對運營的影響。

3 結語

目前國內已開通運營的FAO項目還不多，運營時間也不長，已出現和已識別的故障和降級場景還不夠，相關的經驗積累還不夠充分。太原軌道交通2號線信號系統采用富欣自主研發的JeRail CBTC全自動運行系統，支持GoA4全自動運行，在項目實施的過程中采用了一系列故障軟化技術，使這些技術在實踐中得以驗證。本文分析了提高FAO系統可靠性的方法，并介紹了適用于異常和降級場景下的故障軟化技術，對于故障軟化技術不應該止步于此，要利用新技術來開拓思路，不斷完善現有技術、提出新的技術方法，以實現異常和降級情況下服務乘客、降低救援難度、對運營影響最小的目標。