城市轨道交通全自动无人驾驶信号系统功能分析

金 华

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037）

城市轨道交通全自动无人驾驶信号系统功能分析

金 华

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037）

文章介绍为实现城市轨道交通全自动无人驾驶功能，信号系统在CBTC基础上需增加的相应功能及接口，以及为提高可靠性和可用性，信号系统应增强的相应功能。

城市轨道交通；全自动无人驾驶信号系统；接口

近年来,自动化地铁在全球城市轨道交通领域日渐升温，巴黎、新加坡、洛桑、迪拜、纽伦堡、哥本哈根、香港等城市都已引入无人驾驶地铁。新加坡东北线是全世界第一条实现正线、车辆段全自动运行的重型地铁线路，采用ALSTOM的信号和车辆，2003年6月开通运营。德国纽伦堡地铁于2008年投入运营，采用SIEMENS的信号系统，兼容人工操作地铁列车，人工驾驶列车和无人驾驶列车在同一轨道运行。丹麦的哥本哈根M1，M2线，采用Ansaldo的车辆和信号系统，2007年运营。阿联酋迪拜的地铁红线是目前为止最长的无人驾驶线路，采用Thales的信号系统，于2009年开通运营。在中国，北京机场线、上海地铁10号线采用了ALSTOM全自动信号系统技术，但尚未正式投入全功能应用。此外，广州地铁引入了运量较小的全自动无人驾驶捷运系统，驾驶系统采用庞巴迪的CITYFLO650。国内全自动无人驾驶地铁系统正处于探索阶段。

城市轨道交通全自动无人驾驶系统是指没有司机参与，车辆在控制中心的统一控制下实现全自动运营，自动实现列车休眠、唤醒、准备、自检、自动运行、停车和开关车门，以及在故障情况下实现自动恢复等功能。为实现全自动无人驾驶，信号系统需要在原CBTC系统的基础上增加相应功能。

1 全自动无人驾驶系统中信号系统新增功能

1.1 休眠、唤醒功能

将正线服务的列车自“唤醒”至“休眠”全部纳入ATS时刻表的管理与控制。

ATS根据时刻表触发列车“唤醒”，列车上的各系统进行自检，在自检通过后进入正线服务工况，如不能进入正线服务工况则唤醒备用列车。ATS子系统在确认列车进入正线服务工况后，按照时刻表为列车触发出段进路及正线的相关进路，组织列车在正线运营。

同样，ATS子系统根据时刻表为退出正线运营的列车标记“停止正线服务”工况，并按照时刻表中确定的列车存放点，为列车触发回段进路及至存放点的相关进路，在列车到达存放点并停稳后，触发列车进入“休眠”。

1.2 自动无人驾驶车辆段/停车场的控制功能

全自动无人驾驶系统的车辆段/停车场按照全自动运行区域与非全自动运行区域进行严格分区，区域间采用围栏、建筑物或其它设施隔离，全自动运行区（含试车线、洗车线、车库等）纳入正线管理。信号系统在车辆段/停车场新增轨旁ATP/ATO子系统设备，增加ATS子系统对车辆段/停车场的控制功能，增加停车列位列车位置检测，增加与全自动运行区域的门禁系统、洗车机、车库大门、牵引供电设备的接口，实现全自动运行区域设备与列车运行的联锁。

1.2.1 列车在全自动运行区域的全自动驾驶功能

车辆段/停车场包括全自动运行区域和非全自动运行区域，由一套计算机联锁系统控制，信号系统在车辆段/停车场新增轨旁列车超速防护/列车自动驾驶（ATP/ATO）子系统设备，实现列车在全自动运行区域的自动运行防护及自动驾驶以及精确停车功能，同时，增加列车自动监督（ATS）子系统对全自动运行区域的控制功能，实现按照时刻表顺序唤醒列车并触发全自动区域内的出段进路。同样，按照时刻表顺序触发列车的至存车点的进路及休眠列车，或者通过为列车设定目的地（转换轨、洗车线或其他别的存车地点），自动触发相关进路，实现列车在全自动区域的调车作业。

1.2.2 列车在静止情况下的初始定位功能

信号系统在全自动运行区域中的牵出线、洗车线、库线增设车辆位置检测设备，确定列车位置。如果列车在全自动区域运行过程中因故降级，可以降级运行至牵出线、洗车线或者库线，能够快速恢复到正常状态；如果列车在牵出线、洗车线或者库线唤醒失败造成列车降级后，可以在不动车的情况下重新获得列车定位，快速升级到正常状态。

1.2.3 自动洗车功能

信号系统增加自动洗车模式，并增加与洗车机的接口。

洗车作业前，通过调度人员人工排列进路或设置目的地码将列车调到洗车线。停在洗车线上的列车由人工通过ATS工作站启动进入“洗车”工况。并由ATS的洗车程序控制列车完成洗车作业，列车在洗车过程中应保持3 km/h匀速运行，洗车作业完成后，再通过调度人员人工排列进路或设置目的地码将列车调入存车点。

1.2.4 与全自动运行区域中车库库门的联动联锁功能

信号系统增加与全自动运行区域中车库库门的接口，实时监测库门的状态，并向车库库门发送开门和关门命令。在库门完全打开后才能开放信号并允许列车通过，在库门未完全打开的情况下禁止开放信号，如果列车已经越过信号机则将移动授权移至库门前，不允许列车通过库门。在列车完全通过库门后才能进行关门作业，在列车通过库门的过程中不允许进行关门操作。

1.2.5 对全自动运行区域的防护

全自动运行区域需要分成若干防护分区，各防护分区间设置围栏隔离，在入口处设置门禁，信号系统与门禁系统进行接口，当门禁被激活时，信号系统封锁该分区，禁止该分区的列车移动，同时该分区也不能进行接车作业、发车作业或调车作业。

全自动驾驶区域与非全自动驾驶区域间设置围栏隔离，通道处设置门禁，信号系统与门禁系统进行接口，当门禁系统被激活时，信号系统封锁全自动运行区域，禁止全自动运行区域内的列车移动。

1.3 控制牵引供电停送电功能

信号系统增加与牵引供电设备的接口，或者通过与综合监控的接口实现对牵引供电设备的控制。信号系统根据时刻表在首列车出段前向牵引供电设备下达车场、正线的牵引送电命令，在末班车回段后下达正线、车场的牵引停电命令；根据时刻表在列车唤醒前向牵引供电设备下达相关股道的牵引送电命令，在列车休眠后向牵引供电设备下达相关股道的牵引停电命令。

1.4 与障碍物探测设备、脱轨检测设备的接口

信号系统增加与车辆障碍物探测设备、脱轨检测设备的接口，接收来自障碍物探测设备、脱轨检测设备的信息，当探测到障碍物或发生脱轨时，向车辆制动系统发出紧急制动指令。

1.5 蠕动驾驶模式

信号系统增加蠕动驾驶模式，在列车故障停车后，经中心操作员确认后人工启动蠕动模式，由ATO系统控制列车以20 km/h的速度行驶到待避线或者车站，ATP对超速实施保护。

2 全自动无人驾驶系统中信号系统增强的功能

2.1 信号系统各子系统均需要冗余

为满足全自动驾驶高安全性、可靠性的需要，信号系统需具备更高的冗余度和多重降级能力。需要增加车载ATO设备和休眠唤醒设备的主备冗余、热备份，出现故障的时候主备“无缝”切换，信号各子系统均需要保证冗余配置，并且实现勿扰切换。

2.2 信号系统需要具有自诊断及中央远程监督控制功能

信号系统需要增强诊断分析能力，车载与轨旁设备的实时报警功能，并通过增加与综合自动化系统的接口内容，将诊断信息汇总到控制中心，强化远程监控能力。

2.3 停车对位自动调整

信号系统需增强停车对位的自动化程度，增加停车对位控制逻辑，对于误差大于设定精度时，允许列车自动再启动对位停车或允许列车倒退一次，对位停车，如果误差仍大于设定精度,则直接控制列车运行至下一站停车。停车设定精度及对位调整允许倒退的次数可设置。

2.4 倒退防护功能

信号系统增强倒退防护功能，增加倒退防护控制逻辑，当误差大于设定精度时，不允许列车倒退，而直接控制列车运行至下一站停车。其中的设定精度可根据实际情况设置。

2.5 安全门、车门对位隔离功能

当个别安全门故障时，应人工将安全门关闭并锁定，通过安全门与综合自动化的接口及时报告被锁定安全门的位置（站台号或门编号），信号系统接收故障信息后，在列车到达站台前，应向列车发送故障安全门的位置信息，列车电气隔离对应的车门，使其在该站停站时不参与开、关门的动作。 当个别车门故障时，将故障车门关闭并锁定。通过信号与机电专业的接口及时电气隔离故障车门对应的安全门，使其在该站停站时不参与开、关门的动作。

2.6 增强备用控制中心

备用控制中心和主中心关联，当主控制中心发生故障时，备用控制中心接管整个系统，备用中心由原来的单套、冷备份、需要切换过渡过程才能工作改为双套、热备份和无缝切换。

2.7 增强应急运行方式

车载或轨旁设备故障时应具有可靠的应急运行方式，并且具有中央/车站远程监督和控制功能。需要增加与综合监控、车辆以及通信的接口。在列车或车载信号设备故障时，通过人工操作或远程遥控的方式，采用降级运行模式，使列车以安全速度接近车站。当列车故障时，故障信息通过信号系统的车地无线上传至车站ATS，再通过车站ATS上传至控制中心，中心控制模式下由中心统一处理故障信息并且联动相关设备。在中心故障系统降级模式下运行时，由车站处理上报的故障信息，并且进行相关联动。

3 信号系统与其他系统接口的变化

为满足全自动无人驾驶的功能需求，提高系统安全性和可靠性，综合监控系统需要与ATS、设备监控系统（BAS）等进行深度集成为行车综合自动化系统（TIAS），以行车调度为控制核心。同时各系统的状态参数和故障诊断参量的数据流需要从车辆、轨旁和车站上传至控制中心，从而引起信号系统与车辆和综合自动化系统的接口改变，增加与车辆段全自动区域洗车机、门禁系统、车库库门的接口。信号系统的接口示意图如图1所示。

图1 信号系统接口示意图

3.1 信号系统与车辆和综合自动化系统接口的变化

由于综合监控深度集成ATS，使信号和综合监控之间的接口位置也由控制中心变为车站和车辆段/停车场的信号设备室，ATS与ATP/ATO、 CI的接口由信号的内部接口变为信号与行车综合自动化专业的外部接口。

3.1.1 ATP/ATO子系统与车辆和综合自动化系统间的信息变化

原ATP/ATO子系统传输给ATS系统的信息改为传输给综合自动化系统，原ATS传输给ATP/ATO子系统的信息改为由综合自动化系统传输给ATP/ATO子系统，信息内容不变。除此之外，综合自动化系统需要收集列车的运行状态及故障信息，中心调度员根据这些信息决定列车继续运营或者退出运营。中心调度员的远程控制命令也需要下达给车辆，但车辆与综合自动化系统无直接传输的通道，需要ATP/ATO子系统作为这些信息传输的桥梁。车辆、信号和综合自动化系统的信息传输示意图如图2。

图2 车辆、信号和综合自动化系统的信息传输示意图

ATP/ATO子系统与车辆的接口信息增加车辆各系统的运行状态及故障信息，包括列车当前的车重、车门状态、牵引制动的施加与切除状态、障碍物探测状态、脱轨检测状态及故障等信息，并实时上传给综合自动化系统。同时ATP/ATO子系统实时接收综合自动化系统对列车远程控制的命令信息，包括休眠、唤醒、自检、车门隔离、停车断电、蠕动模式、洗车模式和开关车门等信息，并控制列车执行。

综合自动化系统接收到区间、车站或列车火灾报警后，将触发应急联动保护，控制相关列车停车，切断牵引供电，打开列车门并广播指导人员疏散。

3.1.2 联锁子系统与综合自动化系统之间的信息变化

原联锁子系统传输给ATS系统的信息改为传输给综合自动化系统，原ATS传输给联锁子系统的信息改为由综合自动化系统传输给联锁子系统，信息内容不变。除此之外，联锁子系统与综合自动化系统间增加车辆段中全自动运行区域库门的状态及开关门命令、洗车机的状态及洗车命令等信息。

3.2 联锁子系统增加与全自动运行区域车库门的接口

联锁子系统与车辆段/停车场全自动运行区域的车库门电机控制电路以硬线接口，联锁子系统接受车库门的状态，并传输给综合自动化系统；门电机接收联锁的命令控制车库门的开启与关闭。

3.3 联锁子系统增加与全自动运行区域门禁的接口

联锁子系统与车辆段/停车场全自动运行区域的门禁系统以硬线接口，了解人员活动的情况，对相关区域进行封锁，并传输给综合自动化系统。

3.4 联锁子系统增加与全自动运行区域洗车机的接口

联锁子系统与车辆段/停车场全自动运行区域的洗车机以硬线接口，接收来自洗车机的洗车线状态和清洗模式并传输给综合自动化系统。

4 结束语

为满足全自动无人驾驶系统高安全性、可靠性和可用性的需要，其核心的信号系统在CBTC系统的基础上需要增加（强）相关功能，在综合自动化系统和维护支持系统的保障下，使信号系统能够控制列车，实现唤醒、自检、出段、区间运行、精确停车、开关车门/安全门、折返、回段和休眠等功能，同时保证列车运行安全、有序、快速和舒适。

[1]任安萍. 浅谈我国全自动无人驾驶地铁的发展[J]. 科技视界，2012（9）：207-208.

[2]王曰凡. 全自动无人驾驶系统—全新理念的城市轨道交通模式[J]. 城市轨道交通研究，2006（8）：1-4.

[3]田学薇，刘晓娟. 全自动无人驾驶轨道交通列车定位技术[J]. 城市轨道交通研究，2007（12）：51-54.

责任编辑 杨利明

Analysis for function of Full Automatic Unmanned Signal System of Urban Transit

JIN Hua

( Beijing Urban Railway Construct Manage Ltd., Beijing 100037, China )

For implementing full automatic unmanned function of Urban Transit, and enhancing the reliability and availability, the paper introduced the increased and strengthen function of Signal System based on CBTC.

Urban Transit; Full Automatic Unmanned Signal System; interface

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0061-04

2013-11-12

金 华，工程师。