地铁无人驾驶工程的匹配设计

（中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥高级工程师）

地铁无人驾驶工程的匹配设计

梁九彪

（中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥高级工程师）

地铁无人驾驶作为目前轨道交通现代化的先进技术是一系统工程,涉及信号、车辆、站台门、行车组织、车辆基地配置等多种因素,对设备的安全性、可靠性和可用性要求较高,实施过程中希望能完全实现相关匹配设计。通过分析实现无人驾驶的工程技术条件,要求无人驾驶的控制核心——信号系统满足功能需求和实施方案。提出了当前无人驾驶面临的技术难点并进行完善,从而保障无人驾驶系统安全运行和提高服务水平,对无人驾驶工程实施具有借鉴意义。

地铁;无人驾驶;匹配设计

Author’saddress China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

无人驾驶作为地铁的最先进技术,是地铁运营的发展目标之一。目前已投入无人驾驶运营的地铁的城市主要有温哥华、吉隆坡、新加坡、哥本哈根等。国内的上海、北京等城市虽已建成具备无人驾驶的线路,但由于无人驾驶是一系统工程,其涉及信号、车辆、站台门、行车组织、车辆基地配置等多种因素,对设备的安全性、可靠性、可用性要求较高,而且其在工程实施过程中未能完全实现匹配设计,安全保障方面还需进一步提高,因此目前国内还没有完全真正意义上实现按无人自动驾驶模式投入运营为目标的线路。

地铁完全无人驾驶一般不配置司机,列车驾驶员执行的操作完全由自动化的、高度集中的信号控制系统完成,对信号系统的可靠性、可用性、可维护性、安全性（RAMS）要求极高。为应付车辆、信号设备故障,在运营初期可在无人驾驶地铁列车上设巡视员。当列车运行正常时,巡视员在车上负责提高运营服务质量的工作;当列车发生故障或救援而需要人工驾驶时,由巡视员利用车内的人工操纵台承担驾驶职能。设巡视员的目的是为了在提高运营服务水平的同时积累运营经验,使无人驾驶技术逐步完善并得到推广。

目前设置司机的列车自动驾驶系统,在地铁工程应用中已经成熟。无人驾驶系统应在既有系统架构上进行构建,在线路配线设计、车辆与信号设备及系统集成、运营组织等方面进行完善提高,从而保证无人驾驶运营的安全可靠。

1 实现无人驾驶的工程条件

无人驾驶运营对相关系统及运营配套设备在既有有人自动驾驶的基础上有更高的要求。工程相关匹配设计主要包括以下几方面。

1.1 信号

信号系统作为无人驾驶系统的控制中枢,在具有很高自动化控制能力的前提下,应采取冗余措施,保证具有较高的可靠性、安全性。在目前实现有人自动驾驶的设置模式下,信号系统需在以下方面进行提高并提供保证：

（1）ATP（列车自动防护）地面/车载计算机设备需采用三取二或二乘二取二冗余安全结构,ATO（列车自动运行）设备需采用冗余结构,要求单个部件故障不会影响列车正常运营,同时具有向控制中心自动报警并能够及时得到维修。

（2）采用与正线信号设备相同配置的自动化的车辆段/停车场,主要设备按冗余结构设置,纳入正线ATS（列车自动监护）统一监控,实现列车出入车辆段、停车场等作业的无人自动驾驶;信号系统应能适应车辆段内的作业,依据作业性质的不同,分为无人驾驶区域和有人驾驶区域的作业;停车场可以全部设定为无人自动驾驶区域;车辆段及停车场自动作业应能实现包括唤醒列车起动自检、起动列车,以及列车送至正线,列车送回至预先分配的停车线、洗车线,列车休眠等自动控制功能。

（3）信号系统应有与列车障碍物监测系统的接口。列车障碍物包括异物侵限物体以及轨道上跌落的威胁列车运行安全的物体;信号系统可以更好感知列车障碍物,保证无人驾驶列车的安全性。

（4）车站发车时,列车起动应由信号系统自动控制完成。即列车出站时,司机确认信号、按压ATO按钮、开关车门、开关站台门的操作等程序由信号系统自动控制完成。

（5）车载设备应能将故障诊断与报警信息实时传输至ATS系统,便于控制中心调度人员掌握故障状况,更好地监控无人驾驶列车的运行。

（6）设置区域封锁开关,保护处理故障列车的工作人员。在无人驾驶系统中,对进入轨道工作人员的安全防护也是至关重要的。应在正线通向区间轨道入口处的门禁以及车辆段/停车场防护分区门禁边,设信号系统的区域封锁开关（SPKS）。工作人员进入区间轨道、停车场防护分区前,必须激活门边的SPKS,封锁其工作区域,取消该区域内无人驾驶列车的移动授权,禁止无人驾驶模式下的列车进入该区域;也可以使该区域内的接触轨断电,以更好保护工作人员。

1.2 车辆

车辆基地和载客列车是保证无人驾驶运营的基础条件,应保证以下几点：

（1）采用无人驾驶运行模式时,车辆基地设计应能实现车辆基地无人驾驶区域车站配线的运行畅通、独立和安全,包括出入车辆基地线、洗车线、正线和折返线的无人驾驶运行;车辆基地无人驾驶区域需设安全围栏,防止非操作人员进入,同时设置维修人员作业的安全防护控制装置,以保证人身安全。

（2）列车客室内应设置乘客与控制中心调度人员的直接通话设备或可视通话设备,满足紧急情况下调度人员直接与乘客通话的要求。

（3）在列车上配备能够实现控制中心（OCC）调度员直接进行人工广播功能的车载乘客广播信息设备。

（4）在列车每个车厢安装视频监控系统,控制中心可以随时了解行进中列车上发生的意外情况。每节车厢内设2～4个摄像头,监视车厢内的情况。车头/尾各设1个固定式摄像头,监视车厢外的情况。控制中心调度员可以通过车厢外的摄像头观察轨道上的意外情况,可以手动发出指令;遥控列车紧急停车;同时根据提供的轨道和隧道内图像,为紧急疏散或列车故障时提供隧道信息。视频图象信息可以通过专用的无线通道送给OCC。

（5）列车前端应装设防撞感应器或防撞装置。

（6）列车需设置紧急逃生门。在每列车车头配备紧急逃生门,当列车因故障停在隧道里且不能通过另一列车及时救援时,可通过该门执行乘客疏散。紧急逃生门能通过在列车内激活列车的紧急手柄或紧急开门按钮打开,供在紧急事件时乘客逃生。

1.3 站台门

（1）为阻止非工作人员进入和防止乘客跌落站台,站台必须完全封闭。车站站台应设置站台门,当列车靠站后,站台门与列车车门同步开启让乘客上下车。

（2）车站控制室值班人员应能通过视频监控系统监视各站台门区域状况。

1.4 其它

（1）区间必须设置用于疏散逃生的疏散平台。当运行中的无人驾驶车辆发生故障或出现危及车内乘客安全的火灾、爆炸等险情时,可将乘客疏散到疏散平台上避险、等待救援或沿着疏散平台进行疏散。

（2）为防止异物侵限或异物掉在设备限界范围内威胁列车运行安全,线路沿线应设置必要的列车障碍物监测设备。

2 无人驾驶信号系统应具备的功能

信号系统作为无人驾驶的控制中枢应适应无人驾驶列车运行的所有自动控制功能。在无人驾驶运行模式下,车载设备在 ATP和 ATS的监控下需完成下列功能：

（1）列车自动唤醒和自检。根据信号系统 ATS的地面指令,自动启动、激活停靠在车辆基地停车库或正线的列车及其车载ATC设备。信号系统自动进行列车出库前的日常检测,并向ATS系统传送测试结果及车辆状况信息。

（2）列车自动出入车辆基地。车载设备能够接收来自中央ATS的列车识别信息,接收列车运行图信息,自动控制列车驶出车辆基地进入正线;列车运营结束后,控制列车自动驶入车辆基地。

（3）列车正线自动运行。根据运行时刻表,起动列车驶入正线,根据接收到的地面固定和可变信息,在考虑与安全有关的各种限制和规定要求（包括线路情况、站台以及列车限速、安全及运营停车点防护和保持列车间的安全追踪间隔等）的前提下,自动控制列车的加速、巡航、制动等工况,实施列车运行的自动调整功能,自动控制列车正线运行。

（4）车站自动停车、出发及自动折返功能。在车站内,自动地控制列车安全、精确地停车,并控制车门和站台门的安全开关,管理停站时间、列车出发或起动折返运行模式进行无人驾驶自动折返。

（5）信息自动处理。通过车地间高速安全的信息传输,ATS不断地记录运行及维护数据,并向监控系统提供这些数据;接收远程控制和特定控制信息,并作出响应,对于故障信息应具有自动报警功能。

（6）列车自动休眠。列车停止服务自动进入车辆基地停车库或停靠在指定位置后,根据ATS系统的指令自动关闭车载设备,自动进入休眠状态。

（7）故障状况下的人工控制功能。对于系统中因故障不能正常运营的列车,能够采用降级运行模式,由OCC调度员向列车发出远程爬行控制指令,使列车进入蠕动模式以缓慢的速度运行至规定的停车位置。

3 无人驾驶工程信号实施方案

作为无人驾驶工程应用的核心技术,无人驾驶信号系统比具有成熟的有人自动驾驶的集成度和自动化程度更高,ATS、ATP、ATO各子系统需更好地自动和协调控制列车的运行。

信号系统应具有更高的可靠性和可用性,各子系统均应采用必要的冗余技术,并实现主、备系统的“无缝”切换。

车载设备应采用智能化程度高的接口,这对列车的牵引/制动特性提出了更高的控制精度要求和安全性、可靠性要求。列车应具有多重的控制方式,以保证在列车故障时的运行安全;列车车载 ATO设备应具有很高的停车控制精度。

信号系统应具有较强的自诊断功能、车载与轨旁设备的实时报警功能和车站/中央的远程监控功能。

为了实现对列车的实时监督和控制,车地之间应具备高速、安全、大容量的信息传输通道。

应实现整个地铁系统控制的一体化,正线、辅助线、车辆基地均需采用相同的控制系统,列车从出车辆基地车库,到正线运营,再进入车辆基地车库,均需满足无人驾驶运行的要求。

车载或地面信号设备故障时应具有可靠的应急运行方式,包括列车头部设置必要的人工驾驶控制/表示单元,并具有中央/车站远程监督和操作控制功能等。在列车或车载信号设备故障时,能够通过人工操作或远程遥控的方式,采用降级运行模式,使列车进入爬行模式,以缓慢的速度运行至规定的停车位置停车。

信号系统必须与防灾报警系统（FAS）及设备监控系统（EMCS）有接口,或通过综 合监控 系统（ISCS）接口获取火灾报警信息以及通过ISCS系统向机电设备控制系统提供列车运行信息,保证列车在灾害情况下的运营安全。

4 无人驾驶面临的技术难点

无人驾驶自动化程度要求高、技术复杂,保证安全是无人驾驶成败的关键。目前主要技术已成功解决,但仍需在以下方面进行完善：

（1）列车障碍物监测包括异物侵限系统对无人驾驶安全比较重要,但在目前地铁中还未真正实现。这也是无人驾驶技术未全面实施的重要原因,也是实现无人驾驶安全运营亟需解决的问题。可以参照无人驾驶汽车的避障传感器的微波雷达、激光雷达等技术,或高速铁路的防异物侵限技术进行解决。

（2）成熟有效的运营组织方案和设备故障下列车运行组织能力是目前实现无人驾驶的又一障碍。可先期积累经验,逐步解决。在地铁无人驾驶系统建设的初期,应研究制定出适用于国内轨道交通基本运营条件的运营目标、运营计划、运营功能、运营组织、运营维护和事故与灾害处理紧急预案等;同时借鉴国外的运营经验,培养专业技术队伍和多职能维护人员,加强OCC调度员的控制和指挥能力,提升中央集中实时控制的管理水平,为正确实现无人驾驶运营提供管理上的保证,并在应用中逐渐完善和成熟。

5 结语

无人驾驶系统代表了目前轨道交通现代化的最先进技术,它不仅能确保列车运行的安全性,同时可以提高旅行速度,节约乘客出行时间;在交通服务的供给方面也具有很强的适应性和灵活性,能够有效保证运营的准点性和舒适性,提高服务质量。应通过全面加强信号、车辆、运行组织的工程匹配设计,完善无人驾驶工程实施方案,以确保无人驾驶能够安全投入运营,从而真正实现无人驾驶的服务水平优于有人自动驾驶的服务水平。

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On Unmanned Metro Engineering Requirements for Matching Design

Liang Jiubiao

Unmanned metro driving system is an advanced technology in modern urban rail transit,this engineering contains signal,vehicle,platform door,traffic organization and vehicle depot configuration,with higher requirements for matching design in reliability,safety and applicability of the equipment.Through analysis of the engineering requirements for unmanned driving system,some technical difficulties and countermeasures are discussed,including the unmanned driving control signaling system and the implementation program,so as to safeguard the operation and service levels.This research will be a good reference for other unmanned driving projects in China.

metro;unmanned operation;matching design

U 231.6

2013-01-17）