面向互联互通的全自动运行系统

2016-09-10■王伟

铁路技术创新 2016年4期

■　王　伟

面向互联互通的全自动运行系统

■王伟

论述面向互联互通的全自动运行系统的必要性与可行性，以及全自动运行技术和城市轨道交通系统互联互通发展历程；阐述基于通信的列车运行控制系统（CBTC）组成和技术特点；从统一的电子地图描述方式和全生命周期的安全保障方法分析I-FAO的关键技术，提出需要解决的关键问题与核心技术，互联互通与全自动运行系统必将合并研究，并成为今后CBTC的技术发展方向。

互联互通；全自动运行系统；城市轨道交通；列车运行控制系统；全自动驾驶系统；CBTC；FAO；I-FAO

0　引言

基于通信的列车运行控制系统（CBTC）在我国城市轨道交通中得到了普遍应用，并较好地服务于城市轨道交通的发展。但在持续国产化与自主化CBTC建设与运营过程中，存在智能化程度低，可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS）持续改进能力不足，节能优化策略简单，网络化规划基础不到位等问题，设备应用水平距国外还有一定差距。

CBTC是一种可持续发展的信号系统，可以实现全自动运行，整个轨道交通行业RAMS水平的持续提升为全自动运行系统（FAO）的推广奠定了基础。目前，供货商都是按照各自产品的特点设置解决方案，造成CBTC信号系统架构、子系统之间接口设计、车-地通信方式等方面不统一，制约了CBTC在线路间的互联互通与资源共享。因此，CBTC如何实现互联互通及如何实现全自动运行，正在作为相对独立的两个技术方向进行研究［1-2］。

我国城市轨道交通行业发展至今，一直采用单线建设、单线运营、有人驾驶的模式。随着行业的发展和城镇化进程的加快，城市轨道交通的新线和延伸线建设，以及一些区段的网络化运营，对列车运行控制系统的互联互通提出了更高要求。据公共交通国际联会（UITP）讯息：到2020年，全球（除我国内地）共有40%的老线将改造为全自动运行线路，75%的新线使用全自动运行技术。目前，北京在建的全自动驾驶线路为燕房线，已列为国家发展和改革委员会与北京市的示范工程，具有完全自主知识产权的自主化技术和装备，在示范工程建成后，北京市将在新建的5条地铁线路上推广应用。到2020年，北京将有183 km的线路采用全自动驾驶。这些线路如何实现互联互通运营是必须提前考虑并规划的问题。

1　技术发展历程

1.1FAO技术发展历程

FAO在国外城市轨道交通中广泛应用，其发展历程可分为起步阶段和广泛应用阶段［3］。

（1）起步阶段。1971—2004年是FAO的起步阶段，这个时期FAO多用于轻轨或运量小的线路。1971年，为提高城市轨道运营的服务品质，增强与其他交通方式的竞争力，法国开始研究城市轨道FAO技术，1973年完成VAL系统的原型机研制。1978年，世界第一条FAO城市轨道线路——法国里尔1号线动工，1983年开通运营。1977年开通运行的伦敦道克兰轻轨（DLR）是Driverless Train Operation（DTO）等级自动化城市轨道的典型。1998年，为纪念巴黎地铁100周年，巴黎第一条FAO线——14号线开通运营。在此期间，国内地铁建设速度缓慢，并未建设FAO线路。

（2）广泛应用阶段（2005年至今）。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大运量地铁线路，2003年6月开通运营。2008年6月，德国纽伦堡的U3线正式开通DTO，该线路是德国首条FAO线。2009年开通运营的阿联酋迪拜的地铁红线是目前世界上最长的FAO线路。巴黎地铁1号线是世界上首条由人工驾驶改造为FAO的线路，1900年建成。巴黎地铁1号线是巴黎最繁忙、最拥挤（75万人次/d）同时也是最老旧的线路。截至2013年，全世界有32个城市开通运营48条线路、700座车站和674 km的FAO。全自动运行列车运行控制系统是城市轨道交通系统集成技术一次质的飞跃，是城市轨道交通列车运行控制系统未来的发展方向，具有广阔的发展前景。

进入21世纪以后，我国地铁建设发展速度明显提高。北京机场线、上海10号线采用全自动运行技术建设。为更好地为运营和乘客服务，在CBTC信号系统成功研发、示范应用后，北京交通大学和北京交控科技有限公司采用“政、产、学、研、用”的自主创新模式，历经8年完成了FAO核心技术研发、装备研制和试验，目前在北京地铁燕房线工程中实施。

1.2城市轨道交通系统互联互通发展历程

实现互联互通有五种途径。一是采用同一厂商相同制式的信号系统，如上海地铁6、7、8、9号线。二是加装多套信号车载设备，如未制定欧洲列车运行控制系统（ETCS）标准前的欧洲铁路。三是加装多套信号地面设备，如香港将军澳线改造工程。四是采用通用信号车载设备，在依托轨道电路技术的系统中比较常见，但由于轨道电路的可靠性较低，已逐渐被CBTC所替代。五是采用基于统一规范标准的信号互联互通设备配置，目前中国列车运行控制系统（CTCS）和ETCS均采用这种方式。

目前，国外巴黎、纽约、东京、墨尔本已实现或正在实现互联互通，国内对互联互通的研究处于第三轮研究阶段。第一轮是上海申通地铁率先研究，在上海地铁6、7、8、9号线尚未建成时，采用捆绑招标的方式进行探索，着眼于国产化，希望通过“市场换技术”，但由于核心技术依托国外，实现难度很大。第二轮由北京地铁和广州地铁牵头，着眼于功能和界面的统一，提出互联互通、互通互换的要求，同样是由于核心技术依托国外，实现难度很大。前两轮研究进展难度大的主要原因是互联互通需求不明确和国内未掌握核心技术。在总结经验的基础上，以北京交控科技有限公司为代表的国内信号集成商已掌握核心技术，并有多条线路开通的经验，由中国城市轨道交通协会牵头，重庆、北京、青岛等地业主提出了互联互通的明确要求，并形成相关规范，国家已经批复设立互联互通示范工程，并纳入了国家“十三五”规划。

1.3小结

目前，国内对CBTC的研究已在世界前列，预计“十三五”期间全球城市轨道交通在建线路约8 000 km，其中，我国大陆约6 000 km，占75%；境外约2 000 km，占25%。目前，国内互联互通技术和全自动驾驶均设立了示范工程，借鉴巴黎互联互通的经验，在建设互联互通标准时即提出预留升级全自动驾驶的条件，今后面向互联互通的全自动驾驶系统（I-FAO）将是CBTC技术发展的重要方向。

2　CBTC组成与特点

2.1组成

互联互通是CBTC的一个重要属性，关键是若干个互联互通的CBTC能否配置匹配的列车自动监督系统（ATS）和电子地图。在组成方面，增加互联互通属性的FAO并不一定要增加新的设备。

I-FAO是由中央监控系统、车站子系统、车载控制器和车-地通信网络等子系统构成的、覆盖整条线路及其所有车站和列车的复杂系统，是全天候不间断运行的高可靠、高安全、高度自动化的系统［4］。其结构组成见图1。

加强的中央监控系统负责对全线的行车、车辆、机电设备、供电设备等进行监视、控制和维护，并进行紧急事故情况下的应急处理；车站子系统负责区域内列车管理、进路办理、车站监控等，以及轨旁布置定位、区段占用、道岔、信号机等设备；车载控制器具有列车安全防护、自动驾驶、乘客响应、车辆监控等功能；车-地通信网络实现大容量综合承载的双向无线车-地通信。

为提高互联互通电子地图的更新效率，可配置车载DSU设备，以实现电子地图数据的自动下载，从而提高可用性。

2.2特点

FAO不仅提升技术装备的自动化水平，也全面提升轨道交通技术水平和运营方式，提高整个轨道交通控制设备的RAMS等级，以保障在无人监控情况下的高安全、高可靠、高度自动化运行。FAO需要解决以下技术问题：

（1）通过多专业的深度集成提升整体自动化水平。以行车指挥为核心，信号与车辆、电力、机电、通信等多系统深度集成，实现正常及故障情况下多专业自动联动，提升轨道交通运行系统的整体自动化水平。

（2）通过全方位充分的冗余配置提高系统可靠性。信号在既有设备冗余的基础上，增强冗余配置。如车辆加强双网冗余控制，增加与信号、乘客信息系统（PIS）的接口冗余配置等。

（3）通过对乘客和运营人员的增强防护提升整体安全性。增强乘客防护功能，对乘客上下车及车内安全进行防护；增强运营人员防护功能。增加应急情况下的各系统联动功能，如火灾情况下，通风、行车、供电、视频、广播的联动等。

（4）通过丰富的中央控制功能提升应急处理能力。FAO将弱化车站功能，加强中心控制功能，实现对列车全自动运行的全面监控和对设备系统的监测与维护调度，提供远程的面向乘客的服务。控制中心新增车辆调度及乘客调度，实现对车辆远程控制、状态监控及乘客服务的功能。

（5）通过列车跨线、共线互联互通运营提高资源共享能力。互联互通是指列车可在一条以上的线路上安全运行，并且要求相对应的车辆、信号、通信、供电、线路限界和运营商等能够一致。互联互通最大的优势在于资源共享，通过互联互通，实现在运营管理、车辆调配、人机操作方式、检修设备、维修工艺、备品备件、人力资源、培训资源等全方位的资源重组，盘活建设和运营单位的人力与设备资产，最大限度降低轨道交通建设和运营成本，提升轨道交通建设和运营单位的管理水平与效益。

图1　I-FAO结构组成

3　I-FAO关键技术

与CBTC相比，FAO实现了车辆信号的一体化设计、信号设备高可靠性冗余配置和信号与综合监控的深度集成，根据运营需求实现了信号系统场景的重新设计。实现I-FAO时应根据FAO的需求，依托互联互通的接口设计技术路线进行实现。

I-FAO互联互通接口解决方案见图2。在我国城市轨道交通协会技术装备专业委员会及北京、上海、南京等地专家的支持下，自2014年开始编制《城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）接口规范-互联互通接口规范》工作，实现了装备不同信号厂家车载设备的列车可在装备不同信号厂家轨旁设备的一条轨道线路或多条轨道线路上无缝互通安全可靠运行，总体目标是支持轨道交通网络化运营，实现轨道交通线网建设和运营资源共享。目前，已经制定了《CBTC总体要求》《应答器报文》《CBTC车-地连续通信协议规范》《CBTC架构和功能分配技术要求》规范。通过规范约束，明确列车共线、跨线运行的技术标准。在此基础上，实现I-FAO还应重点解决以下问题。

图2　I-FAO互联互通接口解决方案

图3　全生命周期安全设计保障平台

3.1统一的电子地图描述方式

作为整个信号系统的设计基础，线路电子地图的统一化定制与描述尤为重要，有利于规范信号系统内部各子系统间的接口，使装备不同信号厂家车载设备的列车具有跨线互联互通运营的接口条件，有利于规范信号系统的整体设计及标准化电子地图格式的描述（如信号机布置、防护区段划分等），形成统一的数据中心。

线路电子地图的统一化设计应从两方面入手。一是统一化线路电子地图的准备流程；二是统一化线路电子地图的描述格式。其准备流程是将信号系统的数据准备与技术方案实施作为两条独立的主线进行考虑，针对线路的土建数据提取和系统数据的设计采用标准化措施；信号系统供应商可自身或委托第三方进行设计，或由信号系统招标方统一制定。

3.2全生命周期的安全保障方法

I-FAO继承了FAO对RAMS的各项指标要求，必须寻找有效的方法对I-FAO的设计、开发、应用进行全生命周期管理。该方法必须突破的关键技术如下：（1）基于复杂交互的运营需求和场景辨识设计。（2）全生命周期列车通信与运行控制系统产品安全设计方法。（3）列车运行控制系统SIL4级软件可信性评估和安全功能分配。（4）FAO、综合自动化、互联互通的列车运行控制系统风险评估与危险源库。

建立全生命周期安全设计保障平台（见图3）支撑I-FAO的设计与开发。采用基于列车运行复杂场景的失效传播模型和涵盖全生命周期的系统设计开发方法，构建满足CENELEC标准的最高安全完善度等级的SIL4安全保障管理体系，搭建一个涵盖列车运营场景辨识、产品安全设计、软件可信性评估、风险与危险源分析和管理等核心技术的全生命周期安全设计保障平台，满足城市轨道交通运营安全和可靠性要求，为城市轨道交通列车运行控制系统的安全评估提供支撑。

全生命周期安全设计保障平台可开展I-FAO运营需求辨识和场景辨识、建模和分析，并对I-FAO风险进行评估，建立危险源库，指导工程设计和应用。

4　结束语

“Shift2Rail计划”是2014年启动的欧盟史上第一个大型铁路科研创新项目，明确提出：先进的交通管理系统，应是自动化、可互操作、互联互通的，应与司机建议系统（DAS）和自动行驶功能相配合，在正常运行和降级运行时能够实现预见性的动态交通管理［5］，整合并利用从列车及网络获取的实时状态与性能数据，可使用基于无线网络通信的车载完整性验证技术和联网对象控制功能。这与所研究的面向互联互通的全自动驾驶系统目的一致。目前，国内信号设备生产厂家在研究FAO时要放眼未来，参考我国目前制定的互联互通标准，在轨道交通行业落实“中国制造2025”计划。

［1］郜春海. 基于通信的轨道交通列车运行控制系统［J］.现代城市轨道交通，2007（2）：7-10.

［2］唐涛，郜春海，李开成，等.基于通信的列车运行控制技术发展战略探讨［J］.都市快轨交通，2005（6）：25-29.

［3］刘波，孙军国.中国完全自主化的全自动驾驶系统将于明年底开通运营［J］.轨道世界，2015（9）：9.

［4］杜薇.全自动运行燕房线工程七大核心设备系统独立RAMS评估研究［J］.铁路技术创新，2015（4）：22-28.

［5］方挺.欧盟“Shift2Rail”铁路科研创新项目面面观［J］.轨道世界，2015（11）：14.