西安地鐵16號線全自動運行系統(tǒng)設計研究

李文慧，李珂豫

目前，國內軌道交通全自動運行系統(tǒng)建設處于起步發(fā)展階段，系統(tǒng)建設的全過程技術管理尚未形成統(tǒng)一認識，全自動運行系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)功能等正逐步趨于標準化、規(guī)范化。全自動運行系統(tǒng)是多專業(yè)集成的系統(tǒng)，信息化、自動化程度高，涉及接口多。其目的是在確保系統(tǒng)安全的前提下，提高運營效率，構建一個高度自動化、服務人性化、運行自動化的系統(tǒng)；構建一個減輕運營人員工作強度、垂直調度、運維一體的科學管理體系。其底層設計邏輯是運營需求要融合到全自動運行系統(tǒng)場景文件中［1］；全自動運行系統(tǒng)運營場景功能及分配要貫穿于全自動核心專業(yè)系統(tǒng)設計過程中；運營規(guī)章制度、管理模式等要能夠涵蓋所有場景功能，實現全自動運行系統(tǒng)安全、高效運行［2］。

軌道交通設計、建設和運營單位大多以全自動運行系統(tǒng)的某一項功能展開研究分析［3］，很少基于技術邏輯關系全方位分析系統(tǒng)的建設管理，本文以西安地鐵16號線全自動運行線路設計為基礎，結合近幾年行業(yè)發(fā)展現狀及建設管理情況，論述全自動運行系統(tǒng)組成、施工圖設計、系統(tǒng)集成及運營組織架構，并揭示其技術邏輯關系，為建設管理、設計和系統(tǒng)調試組織提供積極的啟示。

1 全自動運行系統(tǒng)組成

廣義的全自動運行系統(tǒng)包含土建工程、全自動運行系統(tǒng)集成和配套運營規(guī)章制度體系；狹義的全自動運行系統(tǒng)僅指全自動運行系統(tǒng)集成。土建工程指車輛基地及車站的建筑設計須支持全自動運行系統(tǒng)的設備安裝和運維管理；全自動運行系統(tǒng)集成主要是信號、車輛、通信、綜合監(jiān)控、站臺門及場段工藝設備的系統(tǒng)聯(lián)動集成，是行車控制、通信、視頻監(jiān)控、機電一體化的綜合集成，能夠實現進路命令和控制、乘客上下車、列車運行及調車，以及列車運行全過程自動化等；運營規(guī)章制度指全自動運行系統(tǒng)在各工況下的安全管理、行車作業(yè)、客運服務、設備維護及操作作業(yè)流程和要求，也是全自動運行系統(tǒng)設計需考慮的重要因素［4］。

1.1 土建工程

車輛基地土建工程設計主要應考慮基地工藝布局及功能劃分，相較于傳統(tǒng)自動運行車輛基地，全自動運行車輛基地分為全自動作業(yè)區(qū)（無人區(qū)）和非全自動作業(yè)區(qū)（有人區(qū)），2個作業(yè)區(qū)之間進行物理隔離，在進入全自動作業(yè)區(qū)時，需要增設門禁和人員防護開關（Staff Protection Key Switch， SPKS）［5］；牽出線應考慮設置信號轉換軌，以滿足車輛在全自動作業(yè)區(qū)和非全自動作業(yè)區(qū)之間的調車作業(yè)；列檢庫停車線需考慮全自動運行系統(tǒng)休眠喚醒、動調檢查等功能，比傳統(tǒng)自動運行線路的設計長度更長［6］。

車站土建工程設計應考慮設備區(qū)與軌行區(qū)的隔離，在進入軌行區(qū)時，需增設門禁和人員防護開關［7］。

1.2 全自動運行系統(tǒng)集成

1.3 運營規(guī)章制度

參照《城市軌道交通初期運營前安全評估技術規(guī)范》（交辦運〔2019〕17號）、《城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法》（交辦運〔2019〕8號）、《城市軌道交通客運組織與服務管理辦法》（交運規(guī)〔2019〕15號）和《城市軌道交通服務質量評價規(guī)范》（交辦運〔2019〕43號）等要求，結合線網及線路運營公司實際需求，編制安全管理類、行車管理類、服務管理類、維護維修類等全自動運行系統(tǒng)運營規(guī)章制度。在全自動運行系統(tǒng)設計過程中，遵循全自動運行系統(tǒng)運營規(guī)章制度，體現運營需求［9-10］。

2 西安地鐵16號線全自動運行系統(tǒng)設計

西安地鐵16號線是西安軌道交通線網中第一條建設的全自動運行線路，也是西北地區(qū)第一條全自動運行線路，面臨運營管理經驗不足、運營需求相對不明確、項目建設方與運營方是2個獨立法人主體、運營公司對系統(tǒng)建設介入晚、項目建設周期短等困難。全自動運行系統(tǒng)設計主要包括施工圖設計、全自動運行系統(tǒng)集成、運營規(guī)章制度建設等，需要一個交叉深化的過程。如，施工圖設計階段應與全自動運行系統(tǒng)集成階段交叉驗證，全自動運行系統(tǒng)集成應在運營場景、功能分配、系統(tǒng)接口的基礎上與運營規(guī)章制度交叉驗證，各階段的技術邏輯要保持一致。圖1為全自動運行系統(tǒng)設計導圖，整體上，工程技術管理從外向內正向推進，外場測試和現場調試階段是對前期施工圖設計和系統(tǒng)集成的成果校核和檢驗［11］。

圖1 全自動運行系統(tǒng)設計導圖

2.1 施工圖設計

施工圖設計的前期階段是工程初步設計，它是工程設計的重要環(huán)節(jié)，是全自動運行系統(tǒng)設計的基礎。在該階段有針對性地開展了西安地鐵16號線一期工程全自動運行系統(tǒng)專題設計，分析項目采用全自動運行系統(tǒng)、運營組織管理模式及實施方案的必要性和合理性；同時，結合國內已開通或在建的全自動運行項目，對全自動運行系統(tǒng)接口、增加的調度崗位、功能，以及信號、通信、綜合監(jiān)控、車輛、車站及車輛基地設計原則等進行統(tǒng)籌考慮。

施工圖設計是工程設計的主體階段，其設計前提是已完成狹義的全自動運行系統(tǒng)設計。國內某些全自動運行線路建設采用“一致性協(xié)調方”咨詢服務模式，由信號系統(tǒng)承包商作為全自動運行系統(tǒng)集成總協(xié)調，負責工作計劃、技術協(xié)調、接口協(xié)調和技術實施方案協(xié)調等的建設管理咨詢服務，主要工作內容是完成信號、車輛、通信、綜合監(jiān)控、站臺門、部分場段工藝設備的全自動運行系統(tǒng)集成設計，即狹義的全自動運行系統(tǒng)設計咨詢服務，為施工圖設計奠定基礎；由施工圖設計單位完成全自動運行系統(tǒng)土建工程設計、機電設備安裝設計等；由承擔線路的運營公司完成全自動運行系統(tǒng)運營規(guī)章制度編制；由建設管理單位統(tǒng)籌三者，有機形成廣義全自動運行系統(tǒng)設計的全過程技術管理。

在西安地鐵16號線全自動運行系統(tǒng)設計管理中，“一致性協(xié)調方”除承擔狹義的全自動運行系統(tǒng)設計咨詢服務外，還組織編寫全自動運行系統(tǒng)運營場景及功能分配；完善全自動運行系統(tǒng)運營規(guī)章制度；參與全自動運行系統(tǒng)土建工程設計、機電設備安裝設計等的審查，對相應土建施工圖進行會簽，從技術上體現了土建工程設計為設備系統(tǒng)服務的建設理念，擴充了“一致性協(xié)調方”建設管理咨詢服務模式的內涵［12］。

2.2 全自動運行系統(tǒng)集成

較傳統(tǒng)的自動運行線路，西安地鐵16號線全自動運行系統(tǒng)通過各專業(yè)接口信息傳輸豐富了系統(tǒng)間的聯(lián)動，各專業(yè)系統(tǒng)間的接口關系見圖2。

圖2 各專業(yè)系統(tǒng)間的接口關系

1）WLAN采用IEEE802.11ax技術，工作在5 GHz頻段，負責車載CCTV、PIS多媒體信息、車輛聯(lián)動告警、車輛緊急對講視頻、車輛弓網關系和車輛智能運維等業(yè)務的傳輸，業(yè)務數據壓縮后總帶寬需求為115 MHz，按照車地鏈路的穩(wěn)定運行帶寬吞吐量為140 Mbit/s設計，可滿足業(yè)務傳輸需求，對應的軌旁AP應采用40 MHz（5 765～5 805 MHz）帶寬。

（2）稻作產業(yè)缺乏品牌，且售價低廉，無額外附加值，且土地多質次，病蟲害影響較大，約占當年產量的20%～30%。

2）數字集群通信系統(tǒng)TETRA共設基站11套（車站9套，車輛段1套，控制中心1套），為控制中心、車輛段/調度員、車站值班員、列車司機、防災人員、維修人員等地鐵公司運營人員提供語音調度業(yè)務。

3）LTE無線系統(tǒng)僅承載CBTC和車輛調業(yè)務。CBTC信息和車輛調業(yè)務通過同一個車載無線接入單元（TAU），分別與信號車載設備（CC）和列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）進行通信。上下行通信速率均不小于3 Mbit/s，LTE采用A網和B網，分別需要5 MHz帶寬即可滿足上下行容量需求，按照1 790～1 800 MHz申請頻率實施項目。

4）傳輸網絡主要負責將各種公務電話、專用電話、無線電話、視頻監(jiān)視、PIS、廣播、時鐘、辦公自動化（OA）等信息，以及其他運營管理所需信息，通過語音、文本、數據和圖像等方式進行綜合業(yè)務傳輸，采用上下行光纜構成自愈環(huán)網結構，支持復用段共享保護環(huán)、子網連接保護（SNCP）、傳輸網絡（OTN）、MPLS-TP環(huán)網保護倒接機制（MRPS）或其他類似的光纖自愈保護方式，并保證單環(huán)網業(yè)務有效承載能力不小于40 Gbit/s。

5）骨干環(huán)網采用IEEE802.3以太網標準，由工業(yè)以太網節(jié)點組成，通過骨干環(huán)網交換機劃分不同的VLAN，保證不同應用的通信通道相互隔離、互不干擾。主要負責骨干環(huán)網覆蓋范圍內來自LTE網絡的CBTC和車輛調業(yè)務傳輸。

車載設備、車站及區(qū)間地面設備、控制中心的遠程工作站等通過相互之間的通信接口，建立有效信息傳送通道，實現運營場景功能、系統(tǒng)聯(lián)動、遠程調度控制等。

2.2.1 全自動運行系統(tǒng)聯(lián)動

在全自動運行系統(tǒng)中，系統(tǒng)聯(lián)動是各專業(yè)功能分配、實現運營場景的基礎。現以“列車車門緊急解鎖裝置觸發(fā)”場景為例，介紹全自動運行系統(tǒng)各專業(yè)聯(lián)動、信息傳遞、場景功能分配等。乘客操作緊急解鎖裝置時，車門緊急解鎖告警信息通過信息流①，即列車門控制單元（EDCU）→TCMS→列車廣播系統(tǒng)（PA）→車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）→車地通信無線網（WLAN）→傳輸網絡→控制中心（OCC）PIS工作站→乘客信息調度，進行報警信息顯示；同時啟動視頻監(jiān)控，通過信息流②，即車載視頻監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV）→PIS→WLAN→傳輸網絡→OCC的PIS工作站→CCTV工作站，將視頻監(jiān)控信息復視到OCC大屏［9］。

2.2.2 調度管理設計

全自動運行系統(tǒng)與運營相關的設計核心是調度管理設計，包括遠程調度和就地級調度。遠程調度指通過OCC調度工作站實現對正線的行車組織、調度指揮、維修調度、應急處理及信息收發(fā)等，通過車輛段控制中心（DCC）調度工作站管理場段車輛（以入場信號機為界）的生產組織、行車組織、車輛檢修調車、應急處置、信息報送等作業(yè)；就地級調度指車站相關列控人員及多職能隊伍對行車進行輔助管理，承擔客流組織、客運服務列車巡檢、應急處置和一般性維護等管理工作［13］。

1）OCC調度設計

OCC調度工作站設有值班主任、行車調度、電環(huán)調度、乘客信息調度和車輛調度等崗位，其中乘客信息調度和車輛調度為新增崗位。

乘客信息調度負責正線車站的遠程輔助管理工作，監(jiān)視與乘客信息服務相關系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過CCTV、PIS、PA遠程為乘客提供信息等。乘客信息調度命令可通過網絡傳送至車站PIS顯示屏，輔助運營管理和引導乘客，也可經由車站地面設備通過WLAN傳送至車輛PIS 顯示屏，引導列車上的乘客。

車輛調度負責監(jiān)視正線車輛運行狀況，以及遠程作業(yè)車輛故障應急處理。其信息流為③：TCMS→LTE→骨干環(huán)網→數據通信子系統(tǒng)（DCS）→車輛調度工作站。

與傳統(tǒng)的自動運行線路相比，全自動運行系統(tǒng)的OCC遠程調度對行車相關操作、乘客信息遠程服務等功能進行了增強，車站現場執(zhí)行層人員減少，效率提高，服務更周全［14］。

2）DCC調度設計

DCC調度工作站主要有調度長、場段調度、檢修調度等崗位。其中調度長負責DCC總體管理，負責施工管理和監(jiān)管車輛基地行車調度；場段調度負責車輛段轄區(qū)內的行車組織（含洗車、出入段等）、調車作業(yè)等；檢修調度負責車輛檢查、維修、故障處理及工程車的管理，并按照時刻表組織上線車輛。

3）就地級調度設計

在全自動運行模式下，列車進出站全部實現自動控制，通過OCC工作站調度管理、站臺門與列車車門故障對位隔離控制、站臺門與列車縫隙障礙物檢測納入信號安全回路，以及CCTV和PIS輔助等多專業(yè)聯(lián)動，實現車站站控；車站車控室行車值班員及多職能隊伍組成站控服務人員，通過各系統(tǒng)在車站的就地控制端執(zhí)行站控及系統(tǒng)降級操作［15］。

2.3 運營組織管理架構設計

運營組織管理是貫徹執(zhí)行全自動運行規(guī)章制度的基礎，采用兩層管理、兩級控制的架構，見圖3。兩層管理指線路管理層和車站現場執(zhí)行層：線路管理層通過OCC調度工作站負責全線的行車組織、調度指揮、應急指揮等遠程業(yè)務操作；車站現場執(zhí)行層接收線路管理層指令，負責客流組織、客運服務、設備維修、列車巡檢及應急處置等，在站控模式或系統(tǒng)降級運行時，站控服務人員進行車站行車作業(yè)相關工作。兩層管理與信號系統(tǒng)對正線列車的中央和本地（包含緊急站控）兩級控制保持一致。中央控制時，OCC調度員操作、干預列車運行，在車站對列車進行監(jiān)視，列車自動監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)顯示列車自動運行信息；本地控制時，站控服務人員獲得OCC調度控制權，僅在授權聯(lián)鎖區(qū)域進行人工操作，辦理該線路區(qū)域的進路或取消業(yè)務，控制列車運行，OCC進行監(jiān)視，不能辦理進路［16］。這種運營組織管理設計既體現全自動運行系統(tǒng)管理特點，又結合了西安軌道交通既有線路的“運維一體管理模式”架構。全自動運行系統(tǒng)運營管理規(guī)章制度基于該組織管理架構，結合各崗位職責進行編制，滿足系統(tǒng)兩級調度、兩級控制管理、客運組織、應急指揮和系統(tǒng)維護要求，各業(yè)務模塊既獨立分工又存在信息交叉?zhèn)鬟f和作業(yè)配合［17］。

圖3 全自動運行系統(tǒng)運營組織管理架構

從線網角度考慮，結合西安已開通的地鐵線路運營管理組織模式，在地鐵16號線建成的基礎上，隨著后續(xù)全自動運行系統(tǒng)線路逐步開通，將建設全自動運行線路運營中心。后期，隨著西安市軌道交通線網規(guī)劃的調整，還會建設形成中低運量軌道交通運營中心。在線網層面將會存在自動運行線路中心、全自動運行線路運營中心和中低運量線路運營中心，實現同屬性線路區(qū)域管理和控制，以提高管理效率。

3 結束語

由于西安地鐵16號線全自動運行系統(tǒng)建設的外部條件比較獨特，在全自動運行系統(tǒng)設計中，由“一致性協(xié)調方”編制全自動運行系統(tǒng)運營場景及功能分配，并在此基礎上逐步完善全自動運行規(guī)章制度，保證了全自動運行系統(tǒng)的正常使用。在機電設備安裝調試階段，運營單位陸續(xù)介入系統(tǒng)建設工作，逐個對前期全自動運行系統(tǒng)設計工作進行校核和驗證。西安地鐵16號線探索出一種新的全自動運行系統(tǒng)建設過程技術管理方法，即由全自動運行系統(tǒng)設計復核土建工程設計，由全自動運行系統(tǒng)運營場景及功能分配支持全自動運行系統(tǒng)集成設計，并逐步形成全自動運營規(guī)章制度，完善全自動運行系統(tǒng)設計，從技術上實現了土建工程為系統(tǒng)建設服務、系統(tǒng)建設為運營服務的軌道交通工程創(chuàng)新建設理念。