上海城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)列車蠕動(dòng)駕駛模式接口控制電路優(yōu)化方案

許 琰

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司， 200235， 上海∥工程師)

在城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行模式下，列車依賴車載控制器、軌旁設(shè)備給予的移動(dòng)授權(quán)，與車輛牽引、制動(dòng)設(shè)備協(xié)同配合，共同確保列車全自動(dòng)運(yùn)行的安全、可靠。由于大部分與行車控制相關(guān)的指令經(jīng)由ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)接口，并通過(guò)車輛網(wǎng)絡(luò)傳輸至各執(zhí)行單元，一旦車載信號(hào)模塊、車輛與車載信號(hào)的接口設(shè)備發(fā)生故障(如通信故障、電流環(huán)故障)，或車輛網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障(如車輛與牽引、制動(dòng)系統(tǒng)間的通信故障，或牽引、制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障)，列車不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，而且不具備自動(dòng)降級(jí)運(yùn)行至就近車站的能力，此時(shí)需要采用應(yīng)急駕駛模式中的蠕動(dòng)駕駛模式。

1 全自動(dòng)運(yùn)行線路ATO接口故障下應(yīng)急駕駛的概述

全自動(dòng)運(yùn)行線路ATO接口故障時(shí)，若無(wú)有效的處理手段，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：① 列車長(zhǎng)時(shí)間停在區(qū)間，影響正常運(yùn)營(yíng)秩序；② 需要在采取一系列安全措施后，才能授權(quán)司機(jī)在區(qū)間登乘列車，并進(jìn)行應(yīng)急處置，處置的效率較低；③ 列車長(zhǎng)時(shí)間滯留在區(qū)間內(nèi)，容易引起車內(nèi)乘客恐慌。

因此，為了提高信號(hào)車載系統(tǒng)以及信號(hào)-車輛ATO接口部分的可用性，降低設(shè)備故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，有必要在ATO接口設(shè)備故障時(shí)提供遠(yuǎn)程控制手段，使列車進(jìn)入應(yīng)急駕駛的蠕動(dòng)駕駛模式，列車自動(dòng)運(yùn)行至就近站臺(tái)，其安全防護(hù)仍應(yīng)處于GoA 4(無(wú)人干預(yù)列車運(yùn)行)。若需實(shí)現(xiàn)上述需求，應(yīng)具備的基本功能如下：① OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)有明確的報(bào)警提示，供調(diào)度選擇是否需要采用應(yīng)急駕駛模式；② 列車有移動(dòng)授權(quán)；③ 具有對(duì)列車方向、牽引、制動(dòng)等的控制功能；④ 具有超速防護(hù)功能；⑤ 具有安全接口防護(hù)功能；⑥ 盡可能地對(duì)標(biāo)停車；⑦ 到站后信號(hào)車載系統(tǒng)自動(dòng)扣車。

2 ATO接口故障下蠕動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)方案

信號(hào)區(qū)域控制系統(tǒng)、車載控制器、列車控制電路、列車控制單元和列車牽引/制動(dòng)單元是實(shí)現(xiàn)上述蠕動(dòng)駕駛模式的基礎(chǔ)。如何設(shè)計(jì)車載控制器和車輛電路的硬線接口，是實(shí)現(xiàn)上述7項(xiàng)功能的關(guān)鍵。在進(jìn)行功能及接口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使蠕動(dòng)駕駛功能滿足運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求，同時(shí)設(shè)計(jì)方案需具有一定的經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性。

2.1 列車蠕動(dòng)駕駛模式的傳統(tǒng)方案

以既有全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目為例，通過(guò)車載控制器檢測(cè)信號(hào)設(shè)備和車輛設(shè)備之間的通信狀態(tài)，如在既定周期內(nèi)生命信號(hào)計(jì)數(shù)器不再跳變，則判斷發(fā)生了通信故障。

在列車發(fā)生緊急制動(dòng)后， OCC授權(quán)執(zhí)行蠕動(dòng)駕駛模式，車載控制器向列車發(fā)出進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛模式的命令。列車進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛模式，列車的牽引/制動(dòng)系統(tǒng)接收到車載控制器的硬線級(jí)位信號(hào)，信號(hào)系統(tǒng)控制列車運(yùn)行至前方車站后停車，如對(duì)標(biāo)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(yùn)行控制；TCMS——列車控制和管理系統(tǒng)。

各信號(hào)接口的定義和功能如下：

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

2)牽引、制動(dòng)命令分別用于蠕動(dòng)駕駛模式下列車的牽引、制動(dòng)。

3)蠕動(dòng)命令用于授權(quán)列車進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛狀態(tài)，牽引、制動(dòng)系統(tǒng)不響應(yīng)車輛網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)來(lái)的任何關(guān)于列車牽引、制動(dòng)、控制力的命令，而是采用固定級(jí)位施加牽引和制動(dòng)[1]。

2.2 列車蠕動(dòng)駕駛模式的優(yōu)化方案

上海軌道交通15號(hào)線、18號(hào)線在既有方案的基礎(chǔ)上，對(duì)蠕動(dòng)駕駛模式下車載控制器和列車控制電路接口作了進(jìn)一步的優(yōu)化，如圖2所示。與既有方案相比，優(yōu)化方案在車輛側(cè)增加了“蠕動(dòng)命令申請(qǐng)”和“目標(biāo)加速度控制”2項(xiàng)功能。

圖2 蠕動(dòng)駕駛模式下車載控制器和列車控制電路接口的優(yōu)化方案

2.2.1 蠕動(dòng)命令申請(qǐng)

在全自動(dòng)運(yùn)行模式下，若車輛網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部故障，引起制動(dòng)系統(tǒng)通信故障(2個(gè)網(wǎng)關(guān)閥通信故障)或牽引系統(tǒng)通信故障(4個(gè)及以上牽引系統(tǒng)通信故障)，車輛系統(tǒng)可主動(dòng)向信號(hào)系統(tǒng)申請(qǐng)進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛模式。車載控制器施加緊急制動(dòng)停車后向OCC申請(qǐng)進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛模式，經(jīng)過(guò)OCC確認(rèn)后，車載控制器向列車發(fā)出進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛模式的命令。

2.2.2 目標(biāo)加速度控制

在蠕動(dòng)駕駛模式下，列車依然需要平穩(wěn)起動(dòng)、剎車，以及實(shí)現(xiàn)車門與站臺(tái)門的對(duì)位，以確保乘客的安全及后續(xù)清客處置的效率，因此，車載控制器仍需要通過(guò)某種方式對(duì)列車的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。如表1所示，在既有的硬線模式下，列車牽引/制動(dòng)控制的目標(biāo)加速度控制方法通常有單一硬線碼位、電流環(huán)、PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)、硬線碼位分級(jí)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(biāo)加速度控制方法的特性比較

1) 單一硬線碼位：無(wú)法實(shí)現(xiàn)列車在站臺(tái)的精準(zhǔn)對(duì)位，往往會(huì)導(dǎo)致清客時(shí)乘客的安全性及清客的效率受到影響。此外，列車在起動(dòng)/剎車階段對(duì)乘客的乘坐舒適性有所影響。

2) 電流環(huán)：信號(hào)車載設(shè)備輸出的模擬量信號(hào)(電流/電壓)往往無(wú)法直接到達(dá)執(zhí)行器，需要借助額外的信號(hào)適配模塊，用以滿足不同信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，大大增加了接口實(shí)現(xiàn)的成本。

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

4) 硬線碼位分級(jí)控制：控制級(jí)位信號(hào)與TCU(牽引控制單元)、BCU(制動(dòng)控制單元)進(jìn)行硬線連接，信號(hào)系統(tǒng)利用不同級(jí)位信號(hào)的高/低電平形成不同的真值組合，用以控制列車按級(jí)位在區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)行駛、在站臺(tái)精確對(duì)標(biāo)。目前上海軌道交通15號(hào)、18號(hào)線采用硬線碼位分級(jí)控制方案。

3 ATO接口故障下蠕動(dòng)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(dòng)駕駛模式，列車的安全防護(hù)等級(jí)仍處于GoA4。此時(shí)列車的移動(dòng)授權(quán)由軌旁控制器和車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)，列車的各項(xiàng)接口監(jiān)控防護(hù)(如車門狀態(tài)、脫軌、防撞等)由車載控制器和列車硬件電路實(shí)現(xiàn)，均不影響列車ATP(列車自動(dòng)防護(hù))的安全性和可用性。

上述蠕動(dòng)駕駛模式下，因列車硬線接口監(jiān)控均正常， ATO的相關(guān)防護(hù)仍處于可用狀態(tài)，且可在行車調(diào)度界面予以顯示。列車可通過(guò)車輛-綜合監(jiān)控-LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))的綜合承載通道，主動(dòng)推送車輛的系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，調(diào)用兩路攝像頭信息，以實(shí)時(shí)觀察列車，判斷列車是否可繼續(xù)運(yùn)行或應(yīng)立即停車。如需要，行車調(diào)度還可通過(guò)ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)界面操作區(qū)域封鎖或單車遠(yuǎn)程制動(dòng)，以便等待工作人員登車處理。

優(yōu)化后的蠕動(dòng)駕駛模式可由信號(hào)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)分別根據(jù)邏輯判斷，在確保設(shè)備性能、參數(shù)滿足安全運(yùn)行的前提下，向OCC行車調(diào)度申請(qǐng)進(jìn)入蠕動(dòng)駕駛模式，有效提升蠕動(dòng)駕駛功能的可用性、擴(kuò)展性。

采用優(yōu)化后的蠕動(dòng)駕駛模式時(shí)，列車的目標(biāo)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(dòng)控制精度問(wèn)題，達(dá)到精準(zhǔn)停站的目標(biāo)，為蠕動(dòng)駕駛狀態(tài)下提高應(yīng)急處置效率提供了有力的支撐。本優(yōu)化方案采用的接口形式在不需要增加不同型號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備或不同設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路情況下解決了信號(hào)接口的適配問(wèn)題，既解決接口通用性的難題，又大大降低了實(shí)施的經(jīng)濟(jì)成本[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

蠕動(dòng)駕駛模式下，本文所述的既有方案和優(yōu)化方案均能確保列車安全防護(hù)等級(jí)，安全防護(hù)最大程度由信號(hào)車載系統(tǒng)接管，以盡可能地提高應(yīng)急場(chǎng)景下的行車安全。優(yōu)化方案的應(yīng)急操作處理過(guò)程簡(jiǎn)單、可用性強(qiáng)，只需OCC在遠(yuǎn)程進(jìn)行一步操作即可完成，大大減少了列車迫停區(qū)間的時(shí)間，提高了故障應(yīng)急處置效率。與既有方案相比，優(yōu)化方案的可用性有大幅度的提升，同時(shí)為遠(yuǎn)期應(yīng)急駕駛模式適用場(chǎng)景的調(diào)整預(yù)留了擴(kuò)展空間。為實(shí)現(xiàn)本文所述的優(yōu)化方案，信號(hào)、車輛系統(tǒng)均需增加相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)和列車線電路，成本略有增加。

蠕動(dòng)駕駛模式是城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路列車運(yùn)行的重要備用模式，深化對(duì)ATO接口故障下蠕動(dòng)駕駛模式的研究并形成應(yīng)用方案，對(duì)于完善全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的功能、提升運(yùn)營(yíng)管理水平、促進(jìn)相關(guān)技術(shù)發(fā)展均具有積極意義。