司机视角下的无线CBTC系统列车运行控制

赵晓峰（上海富欣智能交通控制有限公司，高级工程师，上海　201203）



司机视角下的无线CBTC系统列车运行控制

赵晓峰
（上海富欣智能交通控制有限公司，高级工程师，上海201203）

摘要：无线CBTC信号系统经过多年发展，列车运行控制的自动化等级不断提高，但其功能和人机接口却不尽相同。这里从司机的视角分析无人值守、无人驾驶、列车自动运行等各种驾驶模式下的自动控制和人工操作，描述ATO速度曲线、ATB控制电路原理、ATP速度曲线等区间相关功能，以及目的地管理、车门开关、发车授权等车站相关作业，针对某些车载功能的不足提出了建议，有助于业内正在推进的不同线路列车的司机驾驶操作程序统一工作。

关键词：无人值守；无人驾驶；惰行控制；自动折返；目标速度；目标距离；目的地管理；双侧站台开门模式

10.13572/j.cnki.tdyy.2016.02.005

无线CBTC信号系统是城市轨道交通线路正常运营的可靠保证，其操作人员主要有中央调度员、车站值班员、列车司机以及车辆段值班员。系统运营调整通常被认为是列车自动监控ATS的功能，但在实际执行时，也需要其他设备的紧密配合，尤其是车载信号设备提供的运行控制功能，这里从司机的视角详细分析列车运行过程中的相关问题。

1　列车运营模式

根据IEC 62290标准定义的城市导向交通控制系统的GOA（Grade of Automation）0～4自动化等级〔1〕，可以把列车运营模式分为4类：全自动驾驶、半自动驾驶、系统辅助人工驾驶、全人工驾驶。

表1　自动化等级与列车运营模式

全自动驾驶主要有无人值守模式UTO （Unattended Train Operation）和无人驾驶模式DTO （Driverless Train Operation）。UTO模式是要求最高的驾驶模式，运营过程中列车上没有任何工作人员，信号系统不仅要实现列车正常和故障运行时的全自动控制，还应至少具备轨道障碍物自动检测、站台屏蔽门和车门之间人员自动检测，以及列车客室内火灾和水浸自动检测等一系列涉及乘客人身安全的防护功能，同时还须提供列车乘客与中央调度员的紧急通信功能，以应对其他可能的安全风险〔2〕。DTO模式是指列车不需要任何驾驶操作就可以全自动运营，包括自动启动、车门自动开关、自动停站、远程休眠/唤醒、列车电喇叭远程控制、列车救援远程控制、逃生门远程控制等功能；该模式需要车载值守人员，且应在车头位置监督列车运行前方是否有障碍物，如：线路地下越江段是否有大面积渗水、线路地下折返线与正线隔离墙是否坍塌、台风季节线路高架段是否有不明物体坠落、列车运行过程中是否脱轨等〔3〕。值得注意的是，全自动驾驶运营模式往往配置自动化车辆段或停车场。目前国内已开通的支持全自动驾驶运营模式的线路有阿尔斯通/卡斯柯提供信号系统的北京机场线〔4〕（DTO，开放式司机室，钢轮钢轨，最高运行速度100 km/h）和上海10号线（DTO，封闭式司机室，钢轮钢轨，最高运行速度80 km/h），以及安装庞巴迪信号系统的广州珠江新城APM线〔5〕（UTO，无司机室，胶轮带导向，最高运行速度60 km/h）。

半自动驾驶主要有列车自动运行模式ATO （Automatic Train Operation）和无人驾驶自动折返模式ATB（Automatic Turn Back）。ATO模式是城市轨道交通最常用的驾驶模式，车头司机室配置驾驶人员，负责激活列车启动/发车按钮和关闭车门操作，并在必要情况下施加快速制动或触发紧急制动；其他列车运行控制则由系统依照ATO速度曲线自动完成，如：自动速度控制、停车点控制、打开车门、自动停站对准等。ATB模式是近些年兴起的一种半自动驾驶运营模式，已逐步成为城市轨道交通线路的标准配置，当列车在终端站完成上下客作业后，司机负责激活无人驾驶自动折返，系统控制列车自动完成进入折返线、换端、退出折返线、自动停站对准、自动打开车门。在ATB模式列车进入折返线时，司机应处于车头位置观察折返区域内是否有障碍物，确认正常后，方可前往另一端的司机室。

系统辅助人工驾驶主要有连续ATP防护人工驾驶模式ATPM（Manual ATP）、点式ATP防护人工驾驶模式IATP（Intermittent ATP）、限制人工驾驶模式RMF/RMR。无论是ATPM还是IATP模式，司机均根据系统计算出的允许速度、目标速度和目标距离驾驶列车，包括人工控制牵引和制动、人工开关车门等操作；系统则主要提供基于ATP速度曲线的超速防护、车门使能和牵引使能等功能。RMF和RMR模式均是人工驾驶列车，系统提供限速，分别是20 km/h和10 km/h。有些轨道交通线路还会配置洗车模式WASH，用于列车在车辆段洗车线的慢速前行，限速10 km/h。

全人工驾驶主要是切除模式（Cut-out）。通常做法是切除开关激活后，车载信号设备直接断电，司机全权负责目视行车，遵循土建限速和车辆限速。出于更高层面的运营安全考虑，有些城市的客户现在要求切除开关激活后，车载信号设备不断电，而只是切断信号输出，并要求车载司机显示单元和轨旁列车自动监控ATS人机界面尽可能追踪列车位置，以帮助操作员总揽全局。

目前，国内城市轨道交通最常用列车驾驶模式组合有ATO、ATB、ATPM、IATP、RMF/RMR、Cut-out，以及OFF（列车停放）。早期的驾驶模式转换一般要求列车静止，当目标模式可用时，司机人工操作司机控制器或模式开关进行转换。随着信号自主化线路的不断开通，驾驶模式转换有了较大改进，由较低级别（RM）升级到较高级别（如：IATP、ATPM、ATO）可以在满足条件时不停车自动完成，但是转换到较低级别时，鉴于模式限速的降低，必须停车且得到司机确认。

2　区间相关作业

区间相关作业主要是从列车离开站台开始，到停在下一站台过程中的自动或人工功能。驾驶模式因自动化等级不同，其功能侧重点会有所不同。

2.1 ATO行车当ATO模式列车在区间运行时，系统主要通过运行等级控制列车运行的速度和时间。运行等级由ATS发送给车载信号设备，当列车对准站台时接受新的运行等级，在车载数据库中选择相应的ATO速度曲线作为计算下一区间命令速度的基准。ATO速度曲线一般有5种：加速、正常、中间1、中间2、节能。加速等级的区间运行时间最短，正常等级是默认速度曲线，节能等级的区间运行时间最长。ATO速度曲线是离线计算的，从加速至节能，每条速度曲线对应的区间运行时间依次增加3%左右。

ATO模式的惰行控制是根据预先设定的参数进行实时控制。当列车实际速度超过35 km/h且列车所在轨道平均坡度在±20‰以内时，车载信号设备允许列车进入惰行状态；在惰行状态被允许时，如果当前速度曲线限速减去实际速度的差值小于等于0.5 km/h时，列车开始惰行，即不再施加牵引和制动。当列车惰行时，如果实际速度减去当前速度曲线限速的差值大于0.5 km/h，列车结束惰行，并开始施加制动；当列车惰行时，如果当前速度曲线限速减去实际速度的差值大于惰行结束限值，列车结束惰行，并开始施加牵引。不同的运行等级对应不同的惰行结束限值，加速等级没有惰行，节能等级的惰行结束限值最大（一般取20 km/h），因此惰行时间也最长。

当钢轨黏着细数大幅下降时，如：暴雨暴雪天气，ATS调度员通过设置湿轨命令，向车载信号设备发送加速率/制动率降低系数，减小列车运行时的加速度或减速度，从而减少列车打滑次数，有效提高列车测速测距的准确性。车载信号设备在列车静止时即可接受该系数，这意味着在区间停车后，列车就能改变加速率/制动率。

2.2 ATB行车ATB模式主要在站后折返站使用：当列车到达终端站台，在完成上下客作业后，司机将牵引/制动手柄和模式手柄置于0位，拔下驾驶室钥匙，然后通过司控台按钮ATR请求进入ATB模式，车载信号设备判定模式建立成功后励磁ATE继电器，如图1所示的04 K 25和04 K 26，并根据系统判定的折返方向输出FWDC或REVC，这2个命令的输出回路中都需要串接ATE使能继电器。在实际应用中，无人驾驶自动折返还需要激活车头（代替司机钥匙）、缓解车辆紧急制动回路和控制牵引使能列车线，所以每一端列车所需要的ATE使能继电器的数量会比较多〔6〕。

图1　无人自动折返控制原理

上述ATB模式的做法在整个折返过程中需要司机在列车。还有一种方式：当司机通过司控台ATR按钮建立ATB模式后下车，在站台上按下无人驾驶自动折返启动按钮，列车在无人值守的情况下自动进入折返线，并自动返回发车站台〔7〕。

2.3 ATPM和IATP行车当ATPM或IATP模式列车在区间运行时，由于是人工控制牵引和制动，系统主要通过允许速度、目标速度，以及目标距离来辅助司机驾驶列车。

允许速度，又称ATP限速，是在土建限速的基础上，减去安全余量（5 km/h或10 km/h）后得到的列车限速。车载信号设备实时比较实际速度与允许速度，当实际速度减去允许速度的差值大于超速容限后，列车会触发紧急制动。ATPM模式和IATP模式使用不同的ATP限速曲线：前者能够提供连续ATP防护，一般只须合并较短（小于列车长度）的限速区段即可，对应的限速曲线变化规律更贴近土建限速的变化；后者只能提供点式ATP防护，相对的运行间隔要求也较低，所以限速区段合并得更多，以保证列车在区间运行时出现更少的限速变化。

目标速度主要用于提醒司机提前减速。当限速曲线从高速段降至低速段时，为避免出现列车超速情况，车载信号设备对限速曲线变化点进行提前减速，实时计算制动曲线，并在制动开始点提前3 s（司机反应时间）预告目标速度，即下一段的限速值。其他情况下，目标速度等于允许速度。如果列车处于ATO模式，由于系统控制列车，一般不会发生紧急制动，但是在司机显示单元上还是会提示目标速度。

目标距离主要用于提醒司机距离下一停车点的距离，通常是距离停车点1 000 m时开始递减，直至列车停下。停车点包括安全停车点和非安全停车点，其中，安全停车点主要是移动授权终点；非安全停车点则有站台、红灯信号机、未清扫的故障计轴区段、进站限制点、GEBR（紧急制动保证率）变化点、风井等。只有ATPM模式和ATO模式计算和显示目标距离，IATP模式及其他模式则没有。

2.4紧急制动紧急制动是安全关键功能。车载信号设备通过2个继电器的2组接点控制车辆紧急制动环，正常情况下，继电器励磁吸起，紧急制动环闭合；当出现导致紧急制动的故障时，继电器失磁落下，紧急制动环断开，车辆触发紧急制动。紧急制动的恢复有2种做法：第1种是在列车静止后，如果触发紧急制动的条件消失，车载信号设备自动复位紧急制动；第2种是在列车静止后，且触发紧急制动的条件消失时，司机人工按下复位按钮，然后车载信号设备才会复位紧急制动。目前，信号行业内比较倾向第一种做法。车辆紧急制动环串接的功能至少应有信号紧急制动继电器、司机警惕开关（ATO模式下被旁路）、司机紧急制动按钮、车门关闭状态、激活驾驶室、列车完整性〔8〕。此外，司机也可以人工触发紧急制动，但会导致降弓，列车恢复起来比较慢。车载信号设备触发的紧急制动不会降弓。

3　车站相关作业

车站相关作业主要是指列车在站台停车时的作业，以及与站台相关的作业，包括目的地管理、车门开关、发车授权等。

3.1目的地管理车载信号设备使用的目的地有3个来源：ATS、轨旁信号设备和车载信号设备数据库。ATS根据时刻表或运行交路向列车发送目的地（下一站）和终端站；轨旁信号设备根据ATS命令办理移动授权，并发送给列车，其中包括目的地信息；车载的静态线路数据库中也有站台信息，车载信号设备会根据运行指示搜索目的地。

正常情况下，车载信号设备使用轨旁信号设备发送的移动授权中的目的地，并与车载数据库进行核对，验证通过后作为列车授权运行的目的地。由于ATS存在中央和车站两级，当中央ATS服务器故障后，车站ATS接管故障区域，此时车站ATS可能会给新驶入故障区域的列车分配不合适的运行班次，从而触发错误的移动授权或联锁进路。如果该故障区域恰好有Y型线路分叉点或大小交路套跑的交会点，就有可能造成列车驶向错误的目的地〔9〕。有些城市要求车站ATS也应具备时刻表功能，但这不能解决根本问题，笔者建议：从车载信号设备本身入手，当列车停在终端站时，系统可以要求司机通过司机显示单元人工确认下一趟运行任务的终端站，以保证在后续运行中目的地的正确性。之所以提出该建议，是因为城市轨道交通列车运行时往往要求司机随身携带每列车的派班计划，从中可以清楚知道每列车的终端站。

移动闭塞的CBTC系统支持的前后两列车最近距离只有十几米，为确保列车顺利停站，站台区域会增加一定限制。当前方站台空闲区域不能容纳一列车时，后车不应进入站台；当出站前方空闲区域不能容纳一列车时，当前站台列车不应发车。

3.2车门开关作业ATO模式下，车载信号设备支持自动开门和人工开门。关门功能一般都是人工操作，只在GOA 3和GOA 4级线路由系统控制。ATPM 和IATP模式下，车载信号设备只提供门使能，开/关门均由人工操作，而且当车地通信良好时，系统支持车门和屏蔽门联动。RM模式下，系统一般也会给出门使能，并支持车门和屏蔽门联动。

车门开关作业还有2个故障操作：车门使能旁路和车门状态旁路。前者用于车载信号设备无法给出门使能的情况，司机把列车转换至OFF模式，激活旁路开关即可；后者用于车门故障的情况，此时司机需要清客，且应使用ATPM或IATP模式发车。车门状态旁路时，ATO模式应不可用。

对于双侧站台的工况，最理想的情况是：系统允许ATS调度员根据客流情况进行开门方式的设置，包括单开左侧、单开右侧、先左后右、先右后左、同时开两侧。如果按这种方式实现，车载信号设备需要分别采集左右侧车门状态，这与传统的左右侧车门串联采集是不同的〔10〕。

3.3发车授权当列车停站结束，ATO、ATB、ATPM、IATP模式列车的发车需要车载信号设备予以授权，考虑的安全条件有：列车静止、车门关闭且锁闭、车门使能禁止、屏蔽门状态正常或旁路、允许速度非零、紧急制动未施加；非安全条件有：停站时间结束、无扣车命令、目标距离非零。

对于屏蔽门状态，ATO、ATB和ATPM模式可以从轨旁信号设备直接获得，而IATP模式下，由于车地通信中断，则需要司机手动关闭屏蔽门后通过司机显示单元点击再次确认屏蔽门状态。

4　结束语

城市轨道交通无线CBTC信号系统经过多年的发展，列车运行控制的自动化等级不断提高，由于引进多方的信号技术，列车运行控制的功能和人机接口都不尽相同。这里从司机的视角详细分析各种驾驶模式下的自动控制和人工操作，结合国内的信号故障实例，重点描述列车控制的区间和车站相关作业，并针对某些现行功能的不足提出了建议，从而有助于业内正在推进的不同线路列车的司机驾驶操作程序统一工作，进一步提高车载信号设备设计的合理性和安全性。

参考文献：

〔1〕IEC.IEC 62290-1: Railway applications Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems Part 1: System Principles and Fundamental Concepts〔S〕.2004.

〔2〕IEC.IEC 62290-2: Railway applications Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems Part2:FunctionalRequirements Specification〔S〕.2009.

〔3〕李雨霏.用事故树分析法透析轨道交通事故机理——由上海地铁十号线事故引发的探究〔J〕.西部交通科技，2012 （2）：42-44.

〔4〕孙延焕，陈丽民，陈军科.北京机场线无人驾驶模式系统的研究与实践〔J〕.都市快轨交通，2012（10）：38-41.

〔5〕陈仁华.广州地铁APM线故障工况下车务运作风险分析及控制〔J〕.黑龙江交通科技，2012（3）：127-129.

〔6〕王永清.自动折返电气设备的改造〔J〕.铁道通信信号，2013（7）：35-36.

〔7〕中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会.城市轨道交通CBTC信号系统行业技术规范—需求规范〔S〕.2013.

〔8〕上海轨道交通技术研究中心，上海申通轨道交通研究咨询有限公司.CBTC与车辆接口技术条件〔S〕.2014.

〔9〕郑莹莹，陈婷婷.上海地铁列车开错方向运营方称信号调试故障〔N〕.中国新闻网，2011-7-29.

〔10〕赵晓峰.自主创新知行合一——上海张江实训线自主化JeRail®CBTC信号系统〔J〕.城市轨道交通研究，2014 （5）：彩24-27.

中图分类号：U284.48

文献标识码：A

文章编号：1006-8686（2016）-02-0012-04