上海城市軌道交通全自動運行系統列車蠕動駕駛模式接口控制電路優化方案

許 琰

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥工程師)

在城市軌道交通全自動運行模式下，列車依賴車載控制器、軌旁設備給予的移動授權，與車輛牽引、制動設備協同配合，共同確保列車全自動運行的安全、可靠。由于大部分與行車控制相關的指令經由ATO(列車自動運行)接口，并通過車輛網絡傳輸至各執行單元，一旦車載信號模塊、車輛與車載信號的接口設備發生故障(如通信故障、電流環故障)，或車輛網絡出現故障(如車輛與牽引、制動系統間的通信故障，或牽引、制動系統網絡故障)，列車不僅無法實現全自動運行，而且不具備自動降級運行至就近車站的能力，此時需要采用應急駕駛模式中的蠕動駕駛模式。

1 全自動運行線路ATO接口故障下應急駕駛的概述

全自動運行線路ATO接口故障時，若無有效的處理手段，會產生以下問題：① 列車長時間停在區間，影響正常運營秩序；② 需要在采取一系列安全措施后，才能授權司機在區間登乘列車，并進行應急處置，處置的效率較低；③ 列車長時間滯留在區間內，容易引起車內乘客恐慌。

因此，為了提高信號車載系統以及信號-車輛ATO接口部分的可用性，降低設備故障對運營的影響，有必要在ATO接口設備故障時提供遠程控制手段，使列車進入應急駕駛的蠕動駕駛模式，列車自動運行至就近站臺，其安全防護仍應處于GoA 4(無人干預列車運行)。若需實現上述需求，應具備的基本功能如下：① OCC(運營控制中心)有明確的報警提示，供調度選擇是否需要采用應急駕駛模式；② 列車有移動授權；③ 具有對列車方向、牽引、制動等的控制功能；④ 具有超速防護功能；⑤ 具有安全接口防護功能；⑥ 盡可能地對標停車；⑦ 到站后信號車載系統自動扣車。

2 ATO接口故障下蠕動駕駛功能的實現方案

信號區域控制系統、車載控制器、列車控制電路、列車控制單元和列車牽引/制動單元是實現上述蠕動駕駛模式的基礎。如何設計車載控制器和車輛電路的硬線接口，是實現上述7項功能的關鍵。在進行功能及接口設計時，應使蠕動駕駛功能滿足運營場景需求，同時設計方案需具有一定的經濟性和可擴展性。

2.1 列車蠕動駕駛模式的傳統方案

以既有全自動運行項目為例，通過車載控制器檢測信號設備和車輛設備之間的通信狀態，如在既定周期內生命信號計數器不再跳變，則判斷發生了通信故障。

在列車發生緊急制動后， OCC授權執行蠕動駕駛模式，車載控制器向列車發出進入蠕動駕駛模式的命令。列車進入蠕動駕駛模式，列車的牽引/制動系統接收到車載控制器的硬線級位信號，信號系統控制列車運行至前方車站后停車，如對標停車則打開車門。車載控制器和列車控制電路之間的接口如圖1所示。

注：ATC——列車運行控制；TCMS——列車控制和管理系統。

各信號接口的定義和功能如下：

1)蠕動駕駛模式是列車全自動運行的降級模式，此模式下列車主要接口防護功能保持不變，如緊急制動，列車車門防護、完整性防護、脫軌、防撞等。

2)牽引、制動命令分別用于蠕動駕駛模式下列車的牽引、制動。

3)蠕動命令用于授權列車進入蠕動駕駛狀態，牽引、制動系統不響應車輛網絡單元發來的任何關于列車牽引、制動、控制力的命令，而是采用固定級位施加牽引和制動[1]。

2.2 列車蠕動駕駛模式的優化方案

上海軌道交通15號線、18號線在既有方案的基礎上，對蠕動駕駛模式下車載控制器和列車控制電路接口作了進一步的優化，如圖2所示。與既有方案相比，優化方案在車輛側增加了“蠕動命令申請”和“目標加速度控制”2項功能。

圖2 蠕動駕駛模式下車載控制器和列車控制電路接口的優化方案

2.2.1 蠕動命令申請

在全自動運行模式下，若車輛網絡內部故障，引起制動系統通信故障(2個網關閥通信故障)或牽引系統通信故障(4個及以上牽引系統通信故障)，車輛系統可主動向信號系統申請進入蠕動駕駛模式。車載控制器施加緊急制動停車后向OCC申請進入蠕動駕駛模式，經過OCC確認后，車載控制器向列車發出進入蠕動駕駛模式的命令。

2.2.2 目標加速度控制

在蠕動駕駛模式下，列車依然需要平穩起動、剎車，以及實現車門與站臺門的對位，以確保乘客的安全及后續清客處置的效率，因此，車載控制器仍需要通過某種方式對列車的牽引和制動系統進行控制。如表1所示，在既有的硬線模式下，列車牽引/制動控制的目標加速度控制方法通常有單一硬線碼位、電流環、PWM(脈沖寬度調制)信號、硬線碼位分級控制等，這些控制方法均存在著一定的局限性。

表1 硬線模式下列車目標加速度控制方法的特性比較

1) 單一硬線碼位：無法實現列車在站臺的精準對位，往往會導致清客時乘客的安全性及清客的效率受到影響。此外，列車在起動/剎車階段對乘客的乘坐舒適性有所影響。

2) 電流環：信號車載設備輸出的模擬量信號(電流/電壓)往往無法直接到達執行器，需要借助額外的信號適配模塊，用以滿足不同信號標準之間的轉換，大大增加了接口實現的成本。

3) PWM信號：該接口方式對于輸入源的需求差異較大，信號系統車載設備與車輛控制設備往往都需要額外增加PWM編碼器和解碼器，導致接口成本大幅增加。

4) 硬線碼位分級控制：控制級位信號與TCU(牽引控制單元)、BCU(制動控制單元)進行硬線連接，信號系統利用不同級位信號的高/低電平形成不同的真值組合，用以控制列車按級位在區間內平穩行駛、在站臺精確對標。目前上海軌道交通15號、18號線采用硬線碼位分級控制方案。

3 ATO接口故障下蠕動駕駛功能的安全性和可用性分析

基于上述的方案描述，在ATO接口故障下采用蠕動駕駛模式，列車的安全防護等級仍處于GoA4。此時列車的移動授權由軌旁控制器和車載設備實現，列車的各項接口監控防護(如車門狀態、脫軌、防撞等)由車載控制器和列車硬件電路實現，均不影響列車ATP(列車自動防護)的安全性和可用性。

上述蠕動駕駛模式下，因列車硬線接口監控均正常， ATO的相關防護仍處于可用狀態，且可在行車調度界面予以顯示。列車可通過車輛-綜合監控-LTE(長期演進)的綜合承載通道，主動推送車輛的系統實時狀態信息，調用兩路攝像頭信息，以實時觀察列車，判斷列車是否可繼續運行或應立即停車。如需要，行車調度還可通過ATS(列車自動監控)界面操作區域封鎖或單車遠程制動，以便等待工作人員登車處理。

優化后的蠕動駕駛模式可由信號系統、車輛系統分別根據邏輯判斷，在確保設備性能、參數滿足安全運行的前提下，向OCC行車調度申請進入蠕動駕駛模式，有效提升蠕動駕駛功能的可用性、擴展性。

采用優化后的蠕動駕駛模式時，列車的目標加速度控制所采用的編碼控制方式可很好地解決牽引/制動控制精度問題，達到精準停站的目標，為蠕動駕駛狀態下提高應急處置效率提供了有力的支撐。本優化方案采用的接口形式在不需要增加不同型號的信號轉換設備或不同設計的轉換電路情況下解決了信號接口的適配問題，既解決接口通用性的難題，又大大降低了實施的經濟成本[2]。

4 結語

蠕動駕駛模式下，本文所述的既有方案和優化方案均能確保列車安全防護等級，安全防護最大程度由信號車載系統接管，以盡可能地提高應急場景下的行車安全。優化方案的應急操作處理過程簡單、可用性強，只需OCC在遠程進行一步操作即可完成，大大減少了列車迫停區間的時間，提高了故障應急處置效率。與既有方案相比，優化方案的可用性有大幅度的提升，同時為遠期應急駕駛模式適用場景的調整預留了擴展空間。為實現本文所述的優化方案，信號、車輛系統均需增加相應的軟件設計和列車線電路，成本略有增加。

蠕動駕駛模式是城市軌道交通全自動運行線路列車運行的重要備用模式，深化對ATO接口故障下蠕動駕駛模式的研究并形成應用方案，對于完善全自動運行系統的功能、提升運營管理水平、促進相關技術發展均具有積極意義。