城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛移動(dòng)值乘輔助系統(tǒng)研究與應(yīng)用

裴加富，包亮強(qiáng)，林立，張炳鋒

隨著城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行（FAO）技術(shù)的蓬勃發(fā)展和趨于成熟，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的線路采用全自動(dòng)運(yùn)行建設(shè)和運(yùn)營(yíng)模式，顯著提高了城市軌道交通的自動(dòng)化水平和運(yùn)營(yíng)效率。全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛不再設(shè)置傳統(tǒng)的司機(jī)崗位，由高度自動(dòng)化的列控系統(tǒng)承擔(dān)相應(yīng)的職責(zé)，車(chē)輛監(jiān)督和遠(yuǎn)程應(yīng)急處置的職責(zé)也轉(zhuǎn)向運(yùn)營(yíng)控制中心，由車(chē)輛調(diào)度人員承擔(dān)［1］。從駕駛車(chē)輛的角度來(lái)講，全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛無(wú)需司機(jī)或值守人員［2］。

然而從全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展應(yīng)用的現(xiàn)狀來(lái)看，基于系統(tǒng)技術(shù)的完備程度、應(yīng)用線路的客流壓力，以及故障場(chǎng)景的復(fù)雜程度等因素綜合考慮，配置相應(yīng)的車(chē)輛值守人員還是行業(yè)內(nèi)普遍做法。例如：陳敏瑋等［3］提到考慮系統(tǒng)故障的偶發(fā)性及區(qū)間應(yīng)急處置的復(fù)雜性，初期運(yùn)營(yíng)及某一段時(shí)間內(nèi)全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)配備車(chē)輛值守人員（《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能測(cè)試驗(yàn)證指南》［4］稱之為“列車(chē)運(yùn)控員”）依然有必要，并在文中提到深圳地鐵20號(hào)線在全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)期間，每車(chē)配置1名值守人員；倪尉［5］提到為提高全自動(dòng)運(yùn)行列車(chē)在正線車(chē)站、區(qū)間及車(chē)輛基地故障或緊急情況下的處置效率、降低列車(chē)故障對(duì)運(yùn)營(yíng)延誤，北京和上海城市軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門(mén)都組建了綜合素質(zhì)較高的多職能隊(duì)伍，其中上海地鐵車(chē)輛值乘人員角色為多職能列控人員。此外，通過(guò)實(shí)際調(diào)研也了解到，目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)通的全自動(dòng)運(yùn)行線路雖設(shè)置了車(chē)輛值乘人員，但相比非全自動(dòng)運(yùn)行線路，車(chē)輛值乘人員的崗位職責(zé)發(fā)生了重大變化，不但要承擔(dān)值守角色，在列車(chē)中全程巡視、監(jiān)督列車(chē)運(yùn)行，還要同時(shí)負(fù)責(zé)乘客服務(wù)、應(yīng)急故障處置、降級(jí)模式下人工駕駛等工作［6］。

目前，從我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域已開(kāi)通全自動(dòng)運(yùn)行線路運(yùn)營(yíng)實(shí)際來(lái)看，由于全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛駕駛臺(tái)蓋板常態(tài)下是閉合的，車(chē)輛值乘人員無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)視車(chē)輛的運(yùn)行情況，只能通過(guò)集群調(diào)度系統(tǒng)無(wú)線對(duì)講設(shè)備，被動(dòng)地從線路中心獲取運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)和信息，被動(dòng)接收控制中心調(diào)度指揮人員的信息告知和遠(yuǎn)程指揮，車(chē)輛值乘人員缺乏主動(dòng)獲取車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、設(shè)備故障以及乘客求助信息的智能化、數(shù)字化技術(shù)手段，不利于多崗位人員高效協(xié)同處置故障。為此，通過(guò)深入分析全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛值乘人員的功能需求，研究全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛移動(dòng)值乘輔助系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)”）方案，為車(chē)輛值乘人員配置專用的移動(dòng)值乘設(shè)備，以提高車(chē)輛值乘監(jiān)督自動(dòng)化水平以及應(yīng)急處置效率，更好地保障全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全和乘客服務(wù)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 硬件架構(gòu)

為保持車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和獨(dú)立性，在線路車(chē)輛段基地單獨(dú)配置2臺(tái)專用的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器和2臺(tái)通信前置服務(wù)器；并配套增加接口交換機(jī)和防火墻，用于滿足后續(xù)新增外部接口接入需求。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢；應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)LTE核心交換機(jī)接入LTE綜合承載網(wǎng)，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、智能分析，以及各遠(yuǎn)程連接設(shè)備管理等；通信前置服務(wù)器用于采集嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)的車(chē)輛、信號(hào)、電力以及機(jī)電等關(guān)鍵故障和突發(fā)事件信息，包括車(chē)輛關(guān)鍵故障和運(yùn)行信息、信號(hào)行車(chē)信息、車(chē)載信號(hào)信息以及站臺(tái)門(mén)故障信息等。

為車(chē)輛值乘人員配置專用的移動(dòng)終端（移動(dòng)值乘輔助設(shè)備），并接入LTE-M綜合承載網(wǎng)（業(yè)務(wù)占用帶寬為1 Mbit/s）。車(chē)輛值乘人員依托該移動(dòng)終端可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)督、智能排除故障指導(dǎo)等功能。在控制中心為運(yùn)營(yíng)調(diào)度人員配置PC終端，用于提供全線路車(chē)輛監(jiān)督、應(yīng)急排除故障指揮、運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布等功能。車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)硬件架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.2 功能架構(gòu)

車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（Real Time DataBase，RTDB）技術(shù)構(gòu)建，采用Android原生技術(shù)開(kāi)發(fā)移動(dòng)值乘應(yīng)用；通過(guò)消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訂閱和推送；采用基于多叉樹(shù)的故障診斷分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛故障智能診斷和定位等功能。

車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)主要由采集層、服務(wù)層和展示層相關(guān)功能模塊構(gòu)成。其中，采集層實(shí)現(xiàn)與信號(hào)、車(chē)輛、綜合監(jiān)控以及站臺(tái)門(mén)等系統(tǒng)的接口功能，獲取車(chē)輛以及嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)的主要故障、事件信息；服務(wù)層負(fù)責(zé)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析功能；展示層用于為車(chē)輛值乘人員和中心運(yùn)營(yíng)指揮人員提供車(chē)輛和線路監(jiān)督、排除故障指導(dǎo)、運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布等功能。車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)功能架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)功能架構(gòu)

2 功能實(shí)現(xiàn)

1）全息感知。為全面監(jiān)督嚴(yán)重影響全自動(dòng)線路運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵設(shè)備故障和運(yùn)行信息，系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知采集相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。

2）智能分析。以運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)關(guān)聯(lián)算法進(jìn)行多專業(yè)數(shù)據(jù)智能化融合分析，為車(chē)輛值乘人員和控制中心車(chē)輛調(diào)度人員提供車(chē)輛和線路監(jiān)督、排除故障指導(dǎo)、運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布等功能。

3）值乘監(jiān)督。系統(tǒng)為值乘人員配置專用手持終端設(shè)備，值乘監(jiān)督相關(guān)功能在該終端設(shè)備中以APP方式運(yùn)行。車(chē)輛值乘人員既可以實(shí)時(shí)掌握車(chē)輛運(yùn)行情況和故障信息，提高故障處理效率；同時(shí)也可以第一時(shí)間獲取乘客求助信息，趕赴乘客求助位置，更好地進(jìn)行乘客服務(wù)和協(xié)助。以圖形化方式實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。顯示信息主要以車(chē)輛駕駛員顯示單元（Driver Display Unit，DDU）和車(chē)載信號(hào)人機(jī)界面（Driver Machine Interface，DMI）為主。車(chē)輛DDU實(shí)時(shí)監(jiān)督界面見(jiàn)圖3。

圖3 車(chē)輛DDU實(shí)時(shí)監(jiān)督界面

4）報(bào)警管理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警管理功能。實(shí)時(shí)報(bào)警時(shí)，以語(yǔ)言和振動(dòng)方式提醒乘務(wù)人員及時(shí)查看，并提供報(bào)警處置建議；歷史報(bào)警管理支持按時(shí)間段、車(chē)輛、狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢。

5）場(chǎng)景管理。系統(tǒng)建立以場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛監(jiān)督規(guī)則，場(chǎng)景管理包括設(shè)備嚴(yán)重故障類、應(yīng)急事件類2種。系統(tǒng)可依據(jù)場(chǎng)景實(shí)時(shí)分析應(yīng)急處置操作和防護(hù)措施是否到位，并及時(shí)提醒相關(guān)崗位人員進(jìn)行互控操作和防護(hù)。如車(chē)輛停靠站臺(tái)時(shí)發(fā)生夾人、夾物時(shí)，一方面應(yīng)提醒站務(wù)人員及時(shí)激活緊急關(guān)閉按鈕，避免危及乘客人身安全；另一方面提醒乘務(wù)人員及時(shí)到故障位置協(xié)助站務(wù)進(jìn)行應(yīng)急處置。

6）智能排除故障指導(dǎo)。車(chē)輛值乘輔助系統(tǒng)以運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)關(guān)聯(lián)算法實(shí)現(xiàn)多專業(yè)數(shù)據(jù)的智能化融合分析，為車(chē)輛值乘人員和控制中心車(chē)輛調(diào)度人員提供車(chē)輛和線路監(jiān)督、排除故障指導(dǎo)等功能。排除故障指導(dǎo)包括故障定位、原因分析、影響范圍、可視化操作指引等。車(chē)輛值乘人員可根據(jù)系統(tǒng)提供的排除故障指導(dǎo)，流程化、高效、可靠地進(jìn)行故障應(yīng)急處置。

7）運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布。基于LTE車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)值乘服務(wù)設(shè)備，將運(yùn)營(yíng)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給車(chē)輛值乘人員，并通過(guò)語(yǔ)音方式，提醒車(chē)輛值乘人員及時(shí)查看處理和確認(rèn)，并支持多車(chē)批量下發(fā)和信息模板定制功能，可以顯著提升運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)也叫內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合實(shí)時(shí)處理技術(shù)產(chǎn)生的用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等的重要支撐技術(shù)［7］。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和事務(wù)實(shí)時(shí)性［8］。本項(xiàng)目是以設(shè)備為單位進(jìn)行面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型管理，將采集的信號(hào)、車(chē)輛、綜合監(jiān)控等專業(yè)數(shù)據(jù)，以設(shè)備為單位更新到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，供控制中心調(diào)度工作站和各移動(dòng)值乘輔助設(shè)備以訂閱方式實(shí)時(shí)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)從采集到終端實(shí)時(shí)顯示控制在1 s內(nèi)完成，充分保證了數(shù)據(jù)并發(fā)訪問(wèn)的實(shí)時(shí)性和效率。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程如下。

Step 1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集服務(wù)相關(guān)進(jìn)程使用各種協(xié)議，同外部設(shè)備接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

Step 2外部接口數(shù)據(jù)先被寫(xiě)到數(shù)據(jù)采集生數(shù)據(jù)緩存，再由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)出事項(xiàng)通知。

Step 3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收到通知事件后，將采集生數(shù)據(jù)拷貝到處理生數(shù)據(jù)的緩存中；然后按時(shí)序?qū)ι鷶?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，并將處理結(jié)果更新至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

Step 4根據(jù)需要生成相應(yīng)點(diǎn)變位事件，驅(qū)動(dòng)其他處理進(jìn)程。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訂閱技術(shù)

MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議，構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，可以基于極少的代碼數(shù)量和極小的帶寬需求，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)、可靠的消息服務(wù)。MQTT協(xié)議中有發(fā)布者、代理和訂閱者3種身份。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器。MQTT協(xié)議主要特性包括：①使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合；②消息傳輸不需要知道負(fù)載內(nèi)容；③使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接；④有3種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量，包括最多一次，至少一次和只有一次；⑤小型傳輸、開(kāi)銷很小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量等。

由于全自動(dòng)運(yùn)行線路LTE車(chē)地?zé)o線通信帶寬資源有限，但車(chē)輛值乘監(jiān)督又對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，為此系統(tǒng)采用基于MQTT協(xié)議的主題訂閱推送技術(shù)［9］，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛和車(chē)載信號(hào)圖形化監(jiān)督和顯示。同時(shí)，采用定向?qū)崟r(shí)推送機(jī)制，只向登錄該車(chē)的移動(dòng)值乘設(shè)備推送報(bào)警信息，避免同時(shí)向全線車(chē)輛廣播發(fā)送，以充分保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

當(dāng)車(chē)輛值乘人員登錄并打開(kāi)車(chē)輛或車(chē)載信號(hào)監(jiān)督界面時(shí)，以車(chē)組號(hào)為主題，向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)顯示的訂閱請(qǐng)求；由應(yīng)用服務(wù)器維護(hù)各移動(dòng)值乘輔助設(shè)備的訂閱請(qǐng)求，并在數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)向特定的移動(dòng)值乘輔助設(shè)備推送更新的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶退出車(chē)輛和車(chē)載信號(hào)圖形監(jiān)督界面時(shí)，移動(dòng)值乘輔助設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送取消訂閱消息，應(yīng)用服務(wù)器收到該消息后，將不再向該設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。在有限可用帶寬條件下，該機(jī)制可保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訂閱流程示意見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訂閱流程示意

3.3 故障智能診斷技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜故障的追溯和診斷定位，該系統(tǒng)采用基于多叉樹(shù)分析模型的車(chē)輛故障定位方法［10］。本文以列車(chē)緊急制動(dòng)故障為例，建立多叉樹(shù)分析模型，見(jiàn)圖5。圖5中，最上層節(jié)點(diǎn)為故障觸發(fā)節(jié)點(diǎn)，將觸發(fā)故障的不同原因梳理為不同的分支，通過(guò)層層分解，確定不同類型故障的原因節(jié)點(diǎn)，最終將每個(gè)故障分析過(guò)程梳理為一個(gè)多叉樹(shù)。多叉樹(shù)分析模型是以計(jì)算表達(dá)式為核心的邏輯分析引擎，為每個(gè)多叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)一個(gè)邏輯分析表達(dá)式，并判斷該表達(dá)式配置節(jié)點(diǎn)是否滿足故障定位條件。若滿足，則故障分析定位至此節(jié)點(diǎn)；若不滿足，則繼續(xù)往下遞歸分析。表達(dá)式支持任意基礎(chǔ)四則混合運(yùn)算以及與或非等邏輯運(yùn)算，可以滿足所有分析條件的定義。

圖5 多叉樹(shù)分析模型示例

系統(tǒng)運(yùn)行后，加載各個(gè)故障多叉樹(shù)分析模型，最上層節(jié)點(diǎn)變位時(shí)，先觸發(fā)故障分析過(guò)程，然后通過(guò)邏輯分析引擎遞歸遍歷多叉樹(shù)，直至最終定位故障位置和原因。邏輯分析引擎支持大規(guī)模案例和分析邏輯并發(fā)運(yùn)行，能夠保證系統(tǒng)分析的實(shí)時(shí)性和效率。系統(tǒng)精準(zhǔn)定位故障處所后，會(huì)針對(duì)該故障提供可視的排除故障指導(dǎo)和流程［11］，并推送至車(chē)輛值乘人員移動(dòng)終端設(shè)備上，指導(dǎo)車(chē)輛值乘人員快速準(zhǔn)確地排除故障。同時(shí)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析車(chē)輛故障情況，并與全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛上/下線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比，為車(chē)輛調(diào)度提供車(chē)輛運(yùn)營(yíng)調(diào)整策略。

4 應(yīng)用效果

目前，該系統(tǒng)方案已于2022年底在上海地鐵某全自動(dòng)運(yùn)行線路全線試點(diǎn)應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用表明：車(chē)輛值乘人員在值乘作業(yè)過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)督車(chē)輛運(yùn)行、關(guān)鍵設(shè)備故障以及乘客動(dòng)態(tài)信息，并提供智能排除故障技術(shù)支撐。該系統(tǒng)信息獲取速度比既有方式至少提前20 s，車(chē)輛排除故障和乘客服務(wù)效率均有所提升。目前該系統(tǒng)成果也正逐步在上海其他全自動(dòng)運(yùn)行線路進(jìn)行推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛值乘現(xiàn)狀及需求分析，以全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集成信號(hào)、屏蔽門(mén)等專業(yè)關(guān)鍵及結(jié)合部信息，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、智能化分析等技術(shù)為依托，基于LTE綜合承載網(wǎng)，構(gòu)建了服務(wù)于全自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛值乘人員的移動(dòng)值乘輔助系統(tǒng)，具備信息全面、實(shí)時(shí)性好、排除故障效率高等優(yōu)點(diǎn)。

隨著全自動(dòng)運(yùn)行線路的快速發(fā)展以及智慧城軌的建設(shè)要求，城市軌道交通尤其是全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向和需求日益清晰和迫切，如何在技術(shù)快速迭代發(fā)展過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工效最佳結(jié)合，保證系統(tǒng)在故障場(chǎng)景下維持高水平、高可用運(yùn)行，該系統(tǒng)方案為此提供了有益的參考和指引。