全自动运行系统地铁车辆技术

■ 饶东

1 概况

地铁车辆全自动运行是指负责运营管理的过程从司机轮换到车辆的唤醒、休眠、起停、开关门、车速控制等一系列车辆控制的自动化执行。自动化有不同程度的自动化等级，根据列车运行的基本功能是由员工还是系统进行实现并承担责任来区分。例如：GOA0等级对应于由司机观察操作有轨电车在公路上行驶；GOA4等级对应于车辆不靠司机的完全自动运行，也被称为全自动运行系统。

全自动运行系统地铁车辆技术的发展经历了概念形成、技术储备、尝试性应用和蓬勃发展4个阶段。1965年，美国西屋电气公司率先提出建设“无人驾驶的、高频率的、经济的公共交通系统”；1968年，英国Vic to ria Line成为世界第1条GOA2等级的线路；1970年，北美首条全自动运行系统“M o rgan tow n PRT”开建，并于1975年投入运营；1983年，里尔地铁1号线开通运营，该线路的VAL系统是第1条真正意义上的全自动无人驾驶中运量系统；1985年，美国西屋电气公司在迈阿密 M e tro M ove r（APM）实现了全自动运行系统；1986年，温哥华SkyTrain全长21.4 km的全自动运行系统线路开通运营；1998年，采用全自动运行系统的巴黎地铁14号线开通运营，成为第1条应用于大城市轨道交通地铁干线的全自动运行系统线路；2003年6月20日，新加坡东北线开通运营，成为第1条采用钢轮钢轨制式大运量的全自动运行系统线路。

在我国，采用自主化车辆与调度控制系统实现全自动运行系统的应用正处于探索阶段。北京机场线是国内首条引入全自动运行系统的线路，上海地铁10号线是国内首条按照GOA4等级建设的全自动运行系统线路。国内车辆厂家通过参与新加坡汤申线、中国香港南港岛线等项目的全自动运行系统车辆研制，取得了一定的技术储备，已经具备开展自主化的适应于全自动运行系统车辆的研制条件。北京机场线和上海10号线采用阿尔斯通全自动运行系统信号系统，其调度控制系统涉及的信号系统与综合监控系统相对独立，在国内适用于全自动运行系统的调度控制系统仍然停留在列车自动监控系统层面，尚未实现列车自动监控与机电、车辆等其他系统的高度集成及直接面向车辆、乘客的调度控制及整个运营设备维修信息的综合处理。

2 主要要求

2.1 设备系统高度自动化

驾驶设备系统的高度自动化主要体现在以下几方面。

（1）列车在全线自动化运行（含车辆段、停车场）。车辆可根据运营时刻表自动响应信号系统的指令进行自动唤醒、休眠，自动投入、退出运行，自动折返，自动停站、启动，自动控制车门及站台门的开闭，还能根据运营需要自动加减车，实现最佳的运行控制，满足节能、环保、高效的运营目标。

（2）自动施加紧急停车，并在确保安全后自动恢复运行。全自动运行系统车辆能够实施进行轨道监控，自动判断线路异物，遇到意外出现在车辆运行线路上的异物或发生车辆脱轨时自动施加紧急制动，并通过与调度中心的通信在异物排除后自动恢复运行。

（3）自动改变控制策略以适应天气和路况。在有人驾驶的运行模式下，出现雨雪天气，驾驶员能够第一时间采取措施，避免可能出现的危险。在全自动运行系统中，遇到恶劣天气，车辆系统能自动感知轮轨打滑的情况，自动实现增大摩擦力的措施及自动降低行驶速度，不影响运力自动增加发车密度。能够判断出系统需要退出全自动运行系统的条件，及时通知控制中心，改变运行模式或停止运行。

（4）乘客换乘的自动监视。全自动运行系统车辆将会监控车门、站台门和乘客换乘的过程。自动施加开关门并通过信号系统的通信完成站台门和车辆门的精确联动控制。对乘客换乘过程中进行实时监控，对车门或站台门夹人夹物、两门之间夹人夹物、乘客掉落等意外紧急事故进行自动处理，如进行联动车辆和站台广播对乘客进行广播引导，联动车辆牵引阻止动车，自动将事件发送OCC和站台工作人员请求配合等操作。

（5）列车状态的自动监控。重要信息的自动上传，紧急事件自动触发处理预案。全自动运行系统车辆能够实时监控车辆各系统运行状态并自动分析，将关键信息上传至地面指挥系统，工作人员可根据信息进行车辆的指挥、应急处理和维护维修，从而大大减少工作量，提高工作效率。车辆上配备无线电通信线路和高清全景摄像头，乘客可通过专用电话直接与控制中心通话。控制中心能清晰地看到车辆上每一个角落的当前状况，实现直接面向乘客的乘务服务，提高服务质量。

（6）特殊情况下自动应急救援处理。当遇到火灾、人员夹伤等突发事件时，列车会自动停止运行，并自动监视危害信息，调动监控、安防等系统，完成紧急情况下的救援作业。全自动运行系统车辆还具有自动呼叫、联系相关人员请求救援协助的功能。

2.2 设备系统高度安全化

由于列车运行作业在无司机监护的状态下，完全由设备系统保证安全。同时，高安全性就意味着监控环节增多，限制运行的条件增多，运营的可靠性也需要由全自动运行系统车辆保证。

（1）全自动运行系统车辆需加设障碍物、脱轨检测装置，以保证车辆可以自动判断线路异物和线路上的人，并保证车辆和意外进入线路人员的安全。同时，该系统需要具有与控制中心和车辆其他系统的自动联动功能，能够在判断出紧急状况出现时，自动触发车辆紧急制动，情况上报指挥中心，又能够在通过与运营维护人员的通信中确定紧急状况排除后自动恢复运行。

（2）全自动运行系统车辆走行部在线实时监测系统。该系统可监控车辆的电机、齿轮箱、轴承、轮对等关键走行部件，进行实时监控、数据自动上传、故障自动分析、危险提前预警并在危险时触发相关系统的应急动作。

（3）设计过程中需对车各个系统进行初系统危害分析、接口危害分析、运行及维护危害分析并登记到危害分析册进行管控，按照IEC 62267提出的全自动运行系统具体安全要求在设计过程中进行逐条对照。

（4）从管理、设计、测试三方面来进行电磁兼容控制以保证整车能够满足电磁兼容要求。确保在最不利的条件下，车辆各系统能保证高可靠性、高可用性和高安全性，并在故障时实现故障导向安全。

3 关键技术

（1）全自动运行系统车辆由于不需要人工驾驶，所以一般只设置简易司机台，司机台为全封闭方式，司机室内不能有任何开关、按钮等控制元器件外露。司机室内的设计要考虑与客室贯通后的效果。

（2）障碍物脱轨检测系统设计。障碍物及脱轨检测装置是为全自动运行系统地铁列车研发的新功能。在充分了解国外有关装置结构及性能的基础上，结合燕房线全自动运行系统地铁列车的技术特点，进行国产化设计。电气控制系统和电子传感器都采取冗余设计。

（3）更加强大而全面的列车检测及诊断功能。针对于全自动运行系统车辆的车辆自动控制特点，网络系统需要增加数据量，提升列车总线负载率，确保安全关键信息的实时性；全方位解决单点故障不会导致网络通信失败，足够的信息支持全自动运行系统模式下列车网络系统的自诊断以及车辆状态的自诊断功能。

（4）走行部安全监测和诊断。在转向架关键机械部件上进行嵌入广义共振故障信息敏感复合传感器的一体化设计，针对轴箱体设计、齿轮箱轴承座设计、电机轴承座设计时考虑复合传感器嵌入点满足轴承承载区要求、广义共振信息最小衰减路径传递的要求、部件结构强度要求、可维护性和互换性等要求。实现故障信息的实时敏感与采集，结合车载走行部健康监控系统实现高准确度、高实时性的转向架故障自诊断，并将采集、诊断数据进行分类存储。将要开发的车载系统嵌入式软件主要包括以下模块：系统调度软件、集中数据存储管理软件、M VB总线接口通信软件、维护以太网接口通信软件、基于样本立即决策和里程综合决策的报警输出软件等。

将精确诊断后得到的车辆状态信息和故障报警信息通过M VB网络承载实时传输到地面车辆调度系统，由车辆调度系统根据报警的严重程度实现远程控制列车的运行，保障运行安全。将车载系统采集到的振动、冲击、温度原始数据以及趋势记录数据等详细数据，通过回库后车地无线传输网络传送到走行部地面分析系统，由地面系统实现系统化可靠的走行、承载等部件的在途状态监测和专家诊断支撑。

（5）车地大数据传输技术。为实现本地车辆各系统控制、监视功能及远程车辆控制功能在全自动运行系统车辆的大数据通信，保证车辆复杂控制功能的实现，车辆传输给地面的数据为非全自动运行系统车辆的4倍，地面传输给车辆的数据为非全自动运行系统车辆的2倍。车辆与LTE以太网接口为后续车体数据传输通道接口唯一做技术准备。

（6）安全功能设计保障。由于车辆的安全要求高，在车辆设计过程中进行了初步危害分析、系统危害分析、接口危害分析、运行及维护危害分析共识别危害116条，无剩余风险等级为R1和R2的危害，所用危害通过危害登记册进行管控。针对全自动运行系统，危害分析按照IEC 62267提出的全自动运行系统具体安全要求在设计过程中进行逐条对照。

4 安全风险管理

全自动运行系统对车辆的安全性提出更高的要求。除了需满足EN 50126、EN 50128等安全相关标准外，针对全自动运行系统，IEC 62267提出了具体的安全要求。为了使最终的车辆满足标准、合同要求的可用性、可靠性，所以全自动运行系统车辆的安全管理工作至关重要。

安全管理工作首先要制定安全性与可靠性目标，根据已经建成的全自动运行系统项目的要求。一般的全自动运行系统车辆的安全性与可靠性目标有：（1）服务故障（救援、掉线、未出库）。每组车平均无故障时间6 000 h，每百万车千米1.1个。（2）大晚点故障（超过3 m in）。每组车平均无故障时间4 500 h，每百万车千米1.46个。（3）碎修、列检故障。每列车平均无故障时间200 h，每百万车千米32.89个。

与低级别自动运行车辆相比，全自动运行系统车辆增加了其他安全辅助设备，功能更全面、设计更复杂。在保证安全性的前提条件下，还需综合考虑车辆的可靠性与可用性。为达到与有人驾驶车辆同样的可靠性水平，需对各系统、主要设备甚至关键元器件提出更高的可靠性要求。

子系统供应商开展相应的RAM S分析工作，同时应开展元器件筛选、电路的可靠性设计，从设计源头上保证产品的基本可靠性。子系统供应商需要提交以下文件：系统保证计划、可靠性指标分配报告、危害登记册、FM ECA（故障模式影响及危害性分析）、可靠性建模与预计、可靠性关键件清单、安全性关键件清单、故障树分析报告，交车辆总体RM S负责团队审核。

对于整车集成的RAM S管理将从设计初期的RAM S分析工作开始渗透于设计过程的各个阶段（见图1）。

根据分析的结果进行各个系统的可靠性指标分配（见表1—表3）。

表1 各系统服务故障指标分配子系统 设备 服务故障分配比率/％ 服务故障率/％ 服务故障的MTBF/h牵引设备（含齿轮箱） 14.43 1.92E-03 51 975牵引系统 牵引电动机 2.10 2.80E-04 357 143牵引系统其他设备 12.33 1.64E-03 60 827受流器 受流器 4.50 6.00E-04 166 667制动及供风系统 制动及供风设备 12.80 1.71E-03 58 594风缸 0.10 1.33E-05 7 500 000制动系统B类件 制动控制模块 0.15 2.00E-05 5 000 000踏面清扫控制模块及受流器控制模块 0.35 4.67E-05 2 142 857辅助电源 7.56 1.01E-03 99 206辅助供电系统蓄电池 2.60 3.47E-04 288 462列车控制与管理系统 列车控制与管理设备 7.50 1.00E-03 100 000（TCMS） 门系统 16.23 2.16E-03 46 211客室门系统 客室车门 14.71 1.96E-03 50 986开门提示灯具 0.25 3.33E-05 3 000 000表2 各系统晚点故障指标分配子系统 设备 晚点故障分配比率/％ 晚点故障率/％ 晚点故障的M TBF/h牵引设备（含齿轮箱） 13.78 2.45E-03 40 820牵引系统 牵引电动机 1.30 2.31E-04 432 692牵引系统其他设备 12.48 2.22E-03 45 072受流器 受流器 2.38 4.23E-04 236 345制动及供风系统 制动及供风设备 16.78 2.98E-03 33 522风缸 0.20 3.56E-05 2 812 500制动系统B类件 制动控制模块 0.50 8.89E-05 1 125 000踏面清扫控制模块及受流器控制模块 0.20 3.56E-05 2 812 500辅助电源 6.15 1.09E-03 91 463辅助供电系统蓄电池 1.02 1.81E-04 551 471列车控制与管理系统 列车控制与管理设备 7.48 1.33E-03 75 201（TCMS） 门系统 18.00 3.20E-03 31 250客室门系统 客室车门 16.00 2.84E-03 35 156开门提示灯具 NA NA NA

表3 各系统维护故障指标分配子系统 设备 维护故障分配比率/％ 维护故障率/％ 维护故障的MTBF/h牵引设备（含齿轮箱） 5.13 2.05E-02 4 873牵引系统 牵引电动机 1.06 4.24E-03 23 585牵引系统其他设备 4.07 1.63E-02 6 143受流器 受流器 2.50 1.00E-02 10 000制动及供风系统 制动及供风设备 7.31 2.92E-02 3 420风缸 0.25 1.00E-03 100 000制动系统B类件 制动控制模块 0.20 8.00E-04 125 000踏面清扫控制模块及受流器控制模块 0.25 1.00E-03 100 000辅助电源 1.72 6.88E-03 14 535辅助供电系统蓄电池 1.20 4.80E-03 20 833列车控制与管理系统 列车控制与管理设备 4.12 1.65E-02 6 068（TCMS）门系统 11.26 4.50E-02 2 220客室门系统 客室车门 8.70 3.48E-02 2 874开门提示灯具 0.50 2.00E-03 50 000

对各个系统进行故障模式影响及危害性分析，利用Isog raph软件对各子系统进行可靠性建模。在设计阶段对各系统可靠性进行预计，对达不到可靠性要求的子系统提出整改要求或重点关注点。最后进行SIL（安全完整性等级）分析，SIL分析主要针对安全功能，对于硬件故障主要从故障率、M TBF或M DBF等方面进行控制。软件因无法准确地评估和限定其故障率，主要对软件提出SIL等级的要求。对不同软件SIL等级，EN 50128针对软件开发过程提出不同程度的要求，实际也是对软件的可靠性提出要求。

最后根据分析过程制定的危害分析表和安全评估表格对车辆各个系统从设计、实验两方面根据表格项目进行安全功能验证，以确定车辆的最终状态满足安全要求。