從運營角度談城市軌道交通全自動運行系統設計和建設中的關鍵問題

李 冰 蔡鵬飛 談逸文 朱 杰

(蘇州市軌道交通集團有限公司運營二分公司, 215001, 蘇州∥第一作者，工程師)

城市軌道交通全自動運行系統具備自動化程度高、安全防護完善、冗余配置充分及中央遠程功能豐富等優點，有較強的適應性和靈活性，已成為現代城市軌道交通發展的趨勢。全自動運行系統在提供高效準點運營的同時，由于缺少列車司機的現場把控，對其系統功能設計和性能提出了更高的要求，也對線路的設計規劃和運營管理提出了更加嚴苛的要求。

很多運營管理單位并未參與前期的設計建設，只能根據最終接管線路的實際情況來確定相應管控方法。而規劃設計部門也未實現對設計可用性標準化考量，故而很多設計仍參照傳統的設計理念執行，沒有充分考慮運營管理的實際需求。因而，全自動運行線路設計能否有效提高其系統可用性，以及在出現嚴重的安全事件時能否高效應對，都將是未知數[1]。因此，在建設階段，運營單位應該深度參與線路建設，根據運營場景需求，對相關安全設計及功能設計把關，并積極參與全自動運行系統測試，加強對全自動運行系統性能和RAMS(可靠性、可用性、可維修性和安全性)指標的驗證與管理[2]。

1 全自動運行線路運營面臨的問題

我國城市軌道交通全自動運行線路的建設剛剛起步，相關經驗較少，其線路設計與運營管理仍處于摸索階段。本文總結了新建全自動運行線路運營面臨的一系列問題。

1.1 運行安全壓力大的問題

自動化程度高，是全自動運行線路最大的優勢，也是最影響運營安全的因素之一。隨著城市軌道交通網絡化運行的發展，運行安全問題日益突出[2]，尤其是全自動運行線路投入運營后，換乘車站的客流組織、設備設施故障后的運輸組織，以及突發事故情況下的應急管理等，都會給線路運營帶來更大壓力[3]。

1.2 應急處置效率低的問題

在非全自動運行線路上，司機不僅負責駕駛工作，還是現場應急處置的關鍵角色。當列車因故障停在區間時，司機須根據故障處理指南及時處置，以保證線路的暢通。在列車火災、疏散、救援等運營異常場景下，司機還要兼作安全員，在第一時間進行現場確認，并進行乘客安全疏導。

在全自動運行線路上，當列車各子系統或核心設備發生故障時，由于沒有司機第一時間處置，故會延長故障排除時間，擴大影響范圍。

列車在全自動運行線路運行過程中，甚至會因為一些小故障的應急處置效率低而擴大故障影響范圍，導致運營事故的發生。

1.3 指標考核難的問題

全自動運行線路的安全運行離不開設備的穩定。鑒于此，與非全自動運行系統相比，全自動運行系統的RAMS指標要求更高。

但從運營角度來看，全自動運行系統的RAMS指標并非等同于運營指標，設備故障率指標也非等同于運營早晚點指標。而合同文件通常僅會基于設備RAMS指標提出約束考核，卻未從運營指標角度提出約束考核，從而導致在運營階段難以根據運營指標來對相關設備廠家進行考核。

1.4 運營培訓難度大

全自動運行系統具有全新的設計理念，其設備功能設計及人員架構都與傳統模式不同。全自動運行系統要求相關工作人員具有更高的專業素養，基本要“一崗多能”。這需要運營單位對全自動運行系統上的工作人員投入更多更全面的培訓。

2 設計和建設中的關鍵問題

新建全自動運行線路運營面臨的問題，大多需在設計和建設階段予以全盤考慮。經歸納總結，在全自動運行線路設計和建設階段，運營方需重點關注的關鍵問題包括統籌設計運營場景、獨立第三方安全評估、功能設計需兼顧安全與效率、RAMS指標需滿足運營要求、聯調聯試應充分全面等。

2.1 統籌設計運營場景

全自動運行系統由信號、車輛、綜合監控、通信等子系統組成。每個子系統的設計一定程度上都需考慮正常、非正常和緊急情況下的功能需求。

全自動運行系統的運轉需各子系統緊密協作，才能發揮全自動運行的優勢。在傳統運行模式下，各子系統大多各自為營，無論是功能設計還是運營管理，都沒有考慮各子系統之間的聯動需求。因此，在建設前期，統籌設計適用于全自動運行線路運營的場景文件至關重要。

蘇州軌道交通5號線(以下簡為“5號線”)自2017年開始籌備建設。在正式招標前，由運營分公司牽頭完成了該線路運營場景文件的編制，并在招標時將其作為招標文件的附件，為后期全自動運行功能設計提供依據。該線路的場景目錄見表1。

由表1可見，整個運營場景包括列車特定功能、全自動正常運行、故障運行、應急處置、運營調整及維修施工等部分，可覆蓋線路上所有的運營相關場景，能充分體現運營方對全自動運行系統的功能需求。

表1 5號線的全自動運行場景目錄

2.2 獨立第三方安全評估

為了給全自動運行系統工程提供足夠的安全保障，應聘請獨立第三方安全認證機構，對工程項目核心系統的初步設計、詳細設計，設備的生產和制造、國產化，以及全自動運行系統調試等工作進行安全評估，并適時提交安全評估報告。

5號線項目已聘請里卡多認證(北京)有限公司為獨立第三方安全認證單位。信號系統集成商作為全系統運行評估工作管理的牽頭方，配合獨立第三方安全認證單位，完成該線核心機電系統(含信號、車輛、綜合監控、站臺門、通信等專業)工程的安全評估。各子系統的安全完整性等級(SIL)如表2、表3、表4所示。

表2 車輛子系統的安全完整性定義

表3 信號子系統的安全完整性定義

表4 其他子系統的安全完整性定義

由上述表格可以看出，車輛專業的緊急制動子系統，以及信號專業的ATP(列車自動保護)子系統、CBI(計算機聯鎖)子系統及計軸子系統均需達SIL 4級，而TCMS(列車控制和管理系統)、ATO(列車自動運行)及ATS(列車自動監控)等子系統也需達SIL 2級。

2.3 功能設計需兼顧安全與效率

全自動運行系統雖自動化程度高，但在故障或緊急情況下，其先期處置會因沒有司機而變得較為被動。因此，其功能設計要充分考慮異常場景處置的需求，須全力保障全自動運行安全。對此，5號線的全自動運行系統設計中增設了運營異常處理模式，如表5所示。

表5 5號線全自動運行系統的運營異常處理模式

一旦全自動運行系統判定運行場景為異常場景，則自動進入異常處理模式，觸發相關系統間的聯動，進而激活信號系統安全防護功能，從而有效保障行車安全。

此外，全自動運行系統的功能設計還要充分考慮應急處置效率。例如，對于列車丟失定位、道岔故障、車地通信故障、ATP故障、計軸故障等信號系統常見故障，全自動運行系統功能應能滿足應急處置運營手段的需求，以盡量保障運營效率。

2.4 RAMS指標需滿足運營要求

為使城市軌道交通更高效、更安全、更可靠，需對全自動運行線路的運營指標和設備指標提出更高要求。與有人值守模式相比，全自動運行系統UTO(無人值守全自動運行)模式下的故障響應時間會有所增加，很可能使故障造成的列車晚點情況更嚴重。

鑒于上述情況，并參考CoMET(國際地鐵聯盟)組織成員運營指標情況，結合蘇州軌道交通線網的運營指標特點，建議5號線的運營指標為：列車正點率≥99.96%，列車兌現率≥99.98%，5 min晚點指標≥170萬車km/次，清客事件數≤3次/年，救援事件數≤1次/年。這些指標可根據運營開通后的實際情況進行調整。

為了提高運營對RAMS指標的管控能力,促使RAMS滿足全自動運行的運營要求，本文建議：

1)在合同文件中增加相關運營指標相關的約束條款。以5號線信號專業為例，其合同要求：由軌旁信號設備造成的降低運行等級的故障≤3次/年；對于車載信號設備故障，能執行遠程指令運行至下一站臺、但不能通過遠程指令恢復到全自動運行等級的故障率≤0.5次/(百萬列km)，無法執行遠程指令繼續運行的故障率≤0.2次/(百萬列km)。

2)在線路具備條件的情況下配合使用智能運維系統，實時計算統計信號系統整體及各子系統的MTBF(平均故障間隔時間)及MTTR(平均修復時間)等指標，盡量由預防修轉變為狀態修。

3)設備應盡可能具有自檢和自診斷功能，以及遠程檢測和診斷功能。

2.5 聯調聯試應充分全面

聯調聯試是全自動運行線路開通前進行的系統測試，為了順利開通，全自動運行系統的聯調聯試必須要充分全面。

為此，5號線專門搭建了1條場外測試線，旨在測試全自動運行系統中的核心功能實現情況，測試各系統間的接口關系及聯動功能實現情況。

聯調聯試分為廠家組織的多系統測試和運營單位牽頭組織的綜合測試。由于全自動運行線路聯調聯試的周期相對較長，故工期安排時須預留充足的聯調聯試時間。運營單位也需更全面深入地參與調試。

3 結語

綜上所述，全自動運行線路的建設在思想上要有適度的超前意識，在功能設計上要有統籌的運營場景功能需求作為輸入；在安全方面要有嚴格的第三方安全把控，對工程項目核心系統的初步設計、詳細設計、設備的生產和制造、國產化、系統調試等工作進行安全評估；在指標上要有更嚴格的要求，保證設備性能的同時提高運營對RAMS指標的管控能力；聯調聯試應全面充分，運營單位應更全面更深入地參與綜合調試。在設計和建設階段，運營方須重點關注上述關鍵問題，并實施相關措施，以利于全自動運行線路的開通和運營。