全自动无人驾驶系统信号子系统的接口*
2019-10-14钱存元李慕君
陈 晨 钱存元 李慕君
(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海//第一作者，硕士研究生)
全自动无人驾驶系统无需司机和乘务人员的现场参与，由控制中心统一控制，并能实现运营、休眠、唤醒、准备、自检、自动运行、停车和开关车门等功能,具有功能高度集中、设备高度冗余、报警联动多及信息反馈快等特点。随着上海轨道交通10号线和8号线三期、北京地铁燕房线及广州珠江新城线的开通运营，我国城市轨道交通正式开启了无人驾驶时代。
全自动无人驾驶系统主要由信号子系统(以下称为“无人驾驶信号系统”)、车辆子系统、综合监控子系统和无线通信子系统等组成。其中，信号子系统是实现全自动无人驾驶功能的核心系统。本文以上海轨道交通10号线为例，深入研究无人驾驶信号系统的外部和内部接口。无人驾驶信号系统接口的设置与其功能密不可分。
1 无人驾驶信号系统的功能
无人驾驶信号系统的主要职责是提供列车自动保护、确保安全、提供列车移动指令、支持离线调整和维护监测等。其主要功能如下：
1) 执行进路联锁：当系统处于全自动无人驾驶模式时，进路为自动进路排列，列车进入进路请求区域，进路根据列车跟踪信息自动触发。在中央控制模式下，调度员可以管理线路运营。正常情况下，信号系统根据列车定义的运营任务自动确定进路。
2) 提供列车移动测量：信号系统确定控制区域内列车的行驶方向、车速以及预计的车头和车尾位置。列车的预计速度是通过里程表测量来处理的。里程表的原始测量是通过轨旁信标的精确位置完成校准的，通过轨旁信标的精确位置可以更新里程表处理测量，实现精确定位。
3) 控制速度限制：信号系统在控制区域内为列车提供安全速度限制。根据安全紧急制动模型，全自动无人驾驶列车在任何情况下都不会超过安全速度限制。安全制动模型需考虑线路坡度、车辆荷载、列车制动特性和黏着条件。
4) 提供安全列车间隔：后备模式即固定闭塞模式时，列车按前方地面信号机的显示信号来运营。CBTC(基于通信的列车控制)模式时，列车根据进路等条件执行安全间隔，安全间隔由信号系统实时计算。
5) 进行倒车保护：当列车以指定或规定方向反向连续行驶而超过指定倒车安全距离时，将触发倒车保护机制。
6) 提供列车移动指令：提供全自动无人驾驶列车的起动、停车和运行指令。信号系统根据预先设定的巡航速度、加速率、减速率及冲击率等限制，实时计算列车行驶指令。
2 无人驾驶信号系统的接口
上海轨道交通10号线无人驾驶信号系统主要由：ATS(列车自动监视)系统、ATC(列车自动控制)系统、CBI(微机联锁)系统、MSS(维修辅助系统)及DCS(数据通信系统)等组成。其中：ATS系统负责运营管理及线路、停车场和资源管理；ATC系统负责管理列车位置和确保列车保护和列车运营；CBI系统负责防止列车前面或侧面碰撞和脱轨，以及负责操作轨旁设备；MSS负责中央维护系统，提供信号系统的维护性能。无人驾驶信号系统接口图见图1。
图1 无人驾驶信号系统接口图
2.1 外部接口
2.1.1 与车辆的接口
ATC系统接收来自车辆的车门状态、驾驶室状态等输入信息，发送紧急制动、开门授权及零速指示等输出信息至车辆。此外，ATC系统通过多功能车辆总线或模拟接口与车辆进行非重要信息的交换。
2.1.2 与列车动车的接口
ATC系统从列车接收驾驶室状态及零速指示等输入信息，发送紧急制动及零速指示等输出信息至列车动车。此外，ATC系统通过模拟接口与列车动车交换非重要的列车信息。
2.1.3 与综合监控子系统的接口
综合监控子系统主要实现中央控制中心与列车的实时信息上传联动功能。ATS系统通过通信前置机，经过防火墙，根据网络协议将环境控制、风警及火警等信息同综合监控系统进行交互。
2.1.4 与时钟的接口
信号系统和外部时钟系统间的接口目标是使无人驾驶系统与参考时钟同步。接口由ATS系统周期性执行同步处理的操作。
2.1.5 与无线集成通信系统的接口
ATC系统与无线集成通信系统的接口包括实时传输正线列车的配置信息和位置信息。ATS系统通过广播传送到无线集成通信系统，每隔一定时间即提供出入正线的实时信息。无线集成通信系统不传送任何信息至ATS系统接口。
2.1.6 与站台屏蔽门系统的接口
ATS系统与站台屏蔽门系统的接口可用来实现列车门和站台屏蔽门的故障统计，也可用来预报站台屏蔽门的关闭，向中央控制中心报告其他屏蔽门事件。CBI系统与站台屏蔽门系统之间的接口是安全接口，可传送从CBI系统至站台屏蔽门的开关控制信息，以及从站台屏蔽门至CBI系统的“关闭和锁闭”信息。
2.1.7 与工作人员防护钥匙开关的接口
CBI系统与工作人员防护钥匙开关之间的接口属于无人驾驶信号系统与轨旁基本信号设备的接口，采用安全继电器接口。
2.1.8 与站台紧急停车按钮的接口
CBI系统与站台紧急停车按钮接口通过安全继电器完成，属于无人驾驶信号系统与轨旁基本信号设备的接口。
2.1.9 与洗车机的接口
列车清洗操作由列车自动防护系统保护。列车洗车机的接口在列车洗车机控制柜的输出终端上。无人驾驶信号系统中的CBI系统和洗车机之间交换的信息，包括列车起动和停车、清洗车头和车身、洗车机不可用等。
2.1.10 与轨旁设备的接口
轨旁设备与CBI系统的接口通常使用安全继电器。轨旁设备包括信号机、道岔、计轴、轨道电路和防护隔离门等。
例如，防护隔离门接口采用安全继电器接口。防护隔离门向中央车站区域控制器提供开关状态信息。当区域控制器失去防护隔离门的状态信息时，区域控制器将收回防护隔离门的移动授权，并指示列车在防护隔离门前方停车。
2.2 内部接口
2.2.1 ATC系统与ATS系统的接口
ATC系统与ATS系统的接口传输以下相关信息：列车状态信息、发车和到达的时间信息、发车指令信息、临时速度限制状态信息、折返信息和站内扣车状态信息等。
ATC系统轨旁设备发送给ATS系统闭塞状态和紧急停车区域状况的相关信息。ATS系统发送调度员定义的临时速度限制的激活和取消指令至ATC系统轨旁设备。
ATS系统发送给车载ATC系统的信息包括：发车时间、到达时间、列车扣车请求、跳停、列车识别号及任务识别号等。车载ATC系统发送给ATS系统列车识别号和线路上的位置等相关信息。
2.2.2 ATC系统与CBI系统的接口
ATC系统与CBI系统的交互是：CBI系统发送给列车ATC轨旁设备状态，包括闭塞状态、屏蔽门开启授权等信息；ATC系统发送给CBI系统车载控制器位置报告、区段状态信息及屏蔽门状态信息。
ATC系统车载设备与CBI系统的交互是：ATC系统车载设备给CBI系统发送屏蔽门开关指令；CBI系统发送屏蔽门状态给ATC系统车载设备。
2.2.3 ATS系统与CBI系统的接口
CBI系统向ATS系统发送轨旁设备(包括道岔、备用检测设备及信号机)的状态、进路和运行方向等信息。
ATS系统使用从CBI系统接受的信息来检查和控制轨旁设备(信号机或单锁道岔等)的状态，以及操作设置进路及自动折返等。
2.2.4 与MSS的接口
对于ATC系统、CBI系统、ATS系统及DCS，MSS通过周期检测来收集每台设备的状态和配置等相关信息。每台设备提供的信息都遵守简单网络管理协议。
3 结语
全自动驾驶技术是城市轨道交通行业技术发展的方向，不仅能实现列车最优控制，进一步提高运输效率，并且有利于节能减排、改善城市环境。通过上海轨道交通10号线无人驾驶信号系统的建设经验，可进一步实现自主研发，对我国轨道交通建设影响深远。本文全面地介绍了无人驾驶信号系统的接口，为形成相应的接口通用标准提供参考。
