智慧城轨下智能列车运行技术的研究与展望

2020-09-02雷成健张超吕浩炯

现代城市轨道交通 2020年8期

雷成健张超吕浩炯

摘要：介绍智慧城轨下智能列车运行技术研究的重点方向，分析智能列车运行系统对全自动运行与互联互通的需求，梳理互联互通全自动运行的关键技术，并结合人工智能、大数据、深度学习等新兴技术，展望智能列车运行技术的发展。

关键词：智慧城轨;智能列车运行;全自动运行;互联互通

中图分类号：U284.48

随着云计算、人工智能、大数据等新技术的发展，城轨运行控制系统与新兴技术逐渐融合，不断提升城市轨道交通的智能化水平。2020年3月发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》是智慧城轨的指导性文件，建设智慧城轨已经成为城市轨道交通行业发展的必然趋势。通过新兴信息技术，集成城轨交通中的各类系统服务，建设多个成体系的自动化、无人化智能系统，最终构成具有自主采信、学习、决策能力的智慧城轨。

1 智能列车运行发展需求

随着我国首条自主知识产权、满足自动化等级GoA4的地铁线路——北京地铁燕房线正式开通运营，中国城市轨道交通开始迈入自主全自动运行时代。随后，在国内一些新建地铁线路，如北京地铁新机场线、3号、12号、17号、19号线，上海地铁14号、15号、18号线等，规划使用全自动运行技术，全自动运行系统（FAO）在中国进入了快速发展阶段。

为解决运能不均衡、服务水平不高、资源共享水平低与换乘压力大等单线运营问题，重庆市轨道交通在重庆4 号、5号、10号线及环线上做基于互联互通的示范工程，在统一的标准下，装备4家不同供应商的设备列车实现在不同线路上跨线运营，取得突破性进展，标志着我国基于CBTC系统的互联互通整体技术达到国际领先水平。

尽管如此，我国要实现成熟的面向互联互通的全自动运行技术还需要一个过程。智慧城轨的标志之一是“智能列车运行全自动”，《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》要求在2035年市区城轨、市域快轨与城际铁路“三网融合”跨线运营的全自动运行列控系统技术发展成熟，能够使不同制式轨道交通在区域内互联互通，车辆可以互换，列车可以跨线运营，在控制中心进行统一的网络调度。因此，研究与完善互联互通的全自动运行技术是智慧城轨十四五期间的重点工作之一。

1.1 全自动运行系统需求分析

全自动运行系统（FAO）是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统，按全自动运行设计，分为GoA4级的无人值守的全自动运行（UTO）及GoA3级的有人值守的全自动运行（DTO）。列车上不再配置司机，列车运行全过程由系统自动完成，在GoA4级时列车也不配备运营人员，GoA3级时列车上配备运营人员，仅在特定场景和紧急情况下才需要人工介入，减少人为因素对运营的影响，进一步提升系统的安全与效率。

FAO系统在基于通信的列车控制（CBTC）系统的基础上增加并优化了全自动运行功能，因此，应具备如下功能。

（1）列车运行安全防护：具备保障列车安全进路、安全车距、安全车速、移动授权与移动监督的功能，并提供与外部联锁（CI）接口的功能。

（2）列车运行控制：具备控制列车运行速度曲线、列车移动、站停、扣停、跳停、清客以及线路监控和防止撞击线路障碍、防止撞人和保护工作区人员的功能。

（3）軌道监督：具备障碍物检测、脱轨检测、断轨监测和预警的功能。

（4）乘客监督：具备站台门和车门的安全控制、防止发生乘客受伤事件以及发车条件检查的功能。

（5）列车运行：具备列车自动唤醒、休眠、模式转换、站间停车后移动、停车场和驻车位管理、限制列车进站、列车换向、联挂和解编以及列车运行状态监视的功能。

（6）紧急情况处置：应具备烟火监测、乘客请求响应、列车完整性监测与防护、车门关闭和闭锁状态监测的功能。

1.2 互联互通需求分析

传统的轨道交通线路主要采用单线建设、单线运营的模式，设备供货商数目繁多，信号制式和接口方式不统一，资源不能共享，各条线路的列车不能互联互通;乘客体验不佳，出行换乘次数较多，换乘时间较长，无法有效吸引客流，且培训与维护成本较高。

互联互通能实现列车在不同线路之间跨线安全运行，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专业能够协调一致，实时互联通信以保证系统设备和人员的安全;实现车辆调配、运营管理、检修设备、人机操作方式、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，提高乘客体验，减少换乘次数，降低轨道交通建设、运营和维护成本，提升轨道交通建设和运营单位的管理水平与效益。

当前世界上实现互联互通的方式主要有5种：

（1）采用同一厂商相同制式的信号系统;

（2）加装多套信号车载设备;

（3）加装多套信号地面设备;

（4）采用通用的信号车载设备;

（5）基于统一规范标准的信号互联互通设备配置。

上述5种方法中，第（5）种方法有利于保护各家厂商的核心技术与知识产权，形成健康的产业链。但是由于各信号厂商的系统是独立开发和设计的，且FAO系统具有更加深度集成化、更多关键设备冗余配置的特点，因此，在采用这种方式时需要更加深入地考虑如何统一接口规范，以及查找出统一接口规范后新引进的危险源。

2 智能列车运行关键技术

2.1 全自动运行系统关键技术

FAO系统是基于连续的、双向的和大容量的车-地无线通信，能够实现高性能移动闭塞的列车运行控制系统，在CBTC系统的基础上做了全自动运行功能的升级，实现列车在自动化区域的全自动运营，主要包括自动休眠与唤醒、联动控制、自动对位调整、车门和站台门故障对位隔离、障碍物及脱轨检测、远程控制及紧急情况处理等功能。

2.1.1 唤醒休眠

早间牵引供电上电完成后，运营控制中心（OCC）的列车自动监控系统（ATS）根据派班计划自动发送远程唤醒命令至休眠列车，或运营控制中心车辆调度员根据派班计划人工向休眠列车发送远程唤醒命令。车载休眠唤醒单元接收到唤醒命令后检查车辆蓄电池、检修按钮等相关条件满足后，输出上电指令，全列车上电，由车辆和车载的列车自动控制系统（ATC）对各自的设备进行自检，设备自检通过后，由车载ATC主导，车辆和轨旁的区域控制器（ZC）系统配合进行车辆静态测试和动态测试，一端测试完成后，自动换端，另一端继续进行测试，两端均完成测试后，车载ATC向运营控制中心汇报唤醒成功，列车进入全自动运行模式（FAM）待命工况。

列车唤醒过程中，OCC行车调度和OCC车辆调度工作站界面上将显示列车唤醒、设备自检的状态。如果列车唤醒失败，OCC车辆调度和OCC行车调度工作站界面上显示列车唤醒失败信息，同时提供详细失败原因，车辆调度员可根据报警信息决定是否重新远程唤醒列车、人工上车唤醒列车或唤醒备用列车。

列车在完成运营后，若后续没有检修、洗车计划，则可通过控制中心远程自动或人工手动选择方式进入到休眠状态。可通过手动方式取消已设置的远程自动休眠指令。待休眠列车在驻车位停车后，车辆收到休眠申请指令后，车载电气设备完成列车断高压、车门保持关闭且锁闭状态、施加停放制动、取消驾驶室激活、与轨旁ZC 完成注销等必要的操作。在满足所有休眠条件后，车载ATC输出列车休眠命令。休眠唤醒单元（AOM）通过检测其与车载列车自动防护系统（ATP）的通信状态来判断列车是否休眠成功，当检测到通信中断，则表示休眠成功;休眠唤醒设备将休眠结果反馈至OCC行车调度和车辆调度工作站。

2.1.2 联动控制

FAO系统在运营控制中心的调度指挥下，对信号、车辆、通信、站台门、综合监控、牵引供电等核心子系统进行联动控制，把正线和停车场的自动化区域纳入运营控制中心自动管理范围，根据运营场景制定联动策略，采取相应的操作规程或救援措施，实现全自动运行系统功能与日常运营。FAO系统的关键装备关联图如图1所示。

2.1.3 自动对位调整

在进站停车时，列车若未停准，且处于可自动调整停车窗内时，车载ATC控制列车进行自动对位调整，调整成功后，自动打开车门及站台门，进行乘降作业。若超过规定的调整次数仍未对位成功，则停止进行对位调整，并向控制中心报警，提示操作人员进行远程控制开关车门或跳停操作，或者人工进行对位停车。

若列车停车地点不在可自动调整停车窗范围内时，则列车不进行自动对位调整。列车停车欠标时，由车载ATC向控制中心ATS报警，车载ATO控制列车继续以FAM模式运行，并进行对位停车;列车停车过标时，车载ATC施加紧急制动停车，并向OCC发送过标报警信息;ATS设置本站跳停，联动站台广播系统与车载广播系统，通知乘客列车在本站跳停;车载ATC控制列车自动运行到下一站台停车。

2.1.4 车门和站台门故障对位隔离

在全自动运行系统中，列车控制管理系统（TCMS）周期向车载ATP发送车门的状态信息;站台门系统通过CI向车载ATP发送站台门的状态信息，车载ATP根据车门与站台门的状态信息进行對位隔离逻辑运算。

当车门发生故障时，车辆TCMS向车载ATP发送车门故障信息，车载ATP向OCC行车调度和车辆调度工作站转发该故障报警。车载ATP在出站后规定距离与下一站CI建立通信，当移动授权允许列车进站时（确定该站台的站台门应响应本列车开关门指令），车载ATP根据指定的车门侧向CI发送车门故障信息，由站台门系统保证故障车门对应的站台门不执行开关门动作，以实现车门故障站台门对位隔离。

站台门故障时，CI将本站台的站台门状态信息发送给当前通信的车载ATP。车载ATP将对应站台的故障站台门信息周期转发给车辆TCMS。列车进站停稳后，车载ATP分别向车辆和CI发送打开车门指令和打开站台门指令，故障站台门对应的车门由车辆保证不执行开关门动作。

2.1.5 障碍物及脱轨检测

障碍物及脱轨检测设备监测到列车碰撞前方障碍物或车辆脱轨后，车载ATP施加紧急制动，且该紧急制动不可自动缓解;并持续通过无线通信向ZC汇报障碍物及脱轨检测有效信息，由ZC触发建立防护区域，对防护区域内及附近的列车进行相应的防护处理;同时，车载ATP将向OCC报警，车辆的视频监控系统（CCTV）和区间的视频监控系统将视频监控图像推送至OCC行车调度、车辆调度和乘客调度工作站显示界面，由OCC工作人员根据预案采取相应措施。列车脱轨或碰撞到障碍物时，需经人工现场确认危险解除后才可采取措施恢复系统运营。

2.1.6 远程控制处理

在FAO系统中，列车处于全自动模式（FAM）下，可通过OCC发送紧急制动、紧急制动缓解、开门、关门、清客、车站火灾、空调模式及温度设置、车辆故障复位、车辆故障旁路等指令，实现对列车的远程控制。

车载ATC收到紧急制动与紧急制动缓解时，执行相应的操作;车载ATC接收到开关门指令时，执行列车车门的开关;接收到清客指令时，执行列车的临时清客功能;接收到车站火灾应急指令时，触发车站火灾时列车、车站应急联动功能;接收到空调模式及温度设置、车辆故障复位、车辆故障旁路等指令后转发给车辆TCMS。

2.1.7 紧急情况处理

（1）蠕动模式。在FAO系统中，列车处于全自动模式（FAM），当列车网络系统故障或车载信号系统与列车网络系统通信发生故障时，车载ATC经OCC授权后可转入蠕动模式，控制列车限速继续运行至下一个站台。列车进站并精确停车，打开车门与站台门，OCC行车调度进行清客，车载ATP施加紧急制动并防止列车移动，等待工作人员上车处理。

（2）紧急手柄和紧急呼叫。列车车厢设有紧急手柄（也称列车紧急停车装置），当乘客发现列车门和站台门关闭时发生夹人或其他危及乘客安全的事件时，才能操作紧急手柄。当拉下紧急手柄时，FAO系统联动车载CCTV，将触发紧急手柄的列车图像发送到OCC，OCC乘客调度联动车载广播系统，通过与乘客对讲的方式，采取相应的处理措施。当列车在区间运行时，检测到紧急手柄被按下，车载ATC控制列车运行到下一站台精确停车，打开车门不关闭，等待工作人员救援;当列车在站台停稳时，检测到紧急手柄被按下，车载ATC控制车门打开不关闭，等待救援;当列车在出站过程中检测到紧急手柄被按下，车载ATC立即输出紧急制动。在装备FAO系统的列车每个客室内均设置紧急呼叫按钮，乘客可通过触发紧急呼叫按钮与中心调度台通话。紧急呼叫按钮激活后，车载CCTV将会对紧急呼叫按钮激活位置区域进行视频监控，并向OCC和司机室监视台推送监控画面;OCC乘客调度通过车载CCTV 监视与乘客的对讲情况;OCC的调度人员根据乘客反馈内容的重要性和紧急程度做出相应处理。

（3）火灾报警响应。在列车车厢配置烟雾报警器，当车辆发生火灾时，列车在向车载ATC发送车辆火灾报警信息的同时，将火灾区域图像推送到OCC，车载ATC也会将车辆火灾信息上报至OCC，OCC调度员通过CCTV确认火灾情况，并采取相应的处理措施。当站台发生火灾时，车站火灾报警系统触发车站火灾联动，向OCC发送车站火灾报警信息，OCC调度人员与站台工作人员共同确认火灾情况，并采取相应措施。当区间发生火灾时，火灾报警系统向OCC发送区间火灾报警信息，经OCC人员确认后，联动站台自动扣车，并建立防护区域，防止列车进入火灾区域。

（4）区间疏散。列车发生故障在区间停车时，车载ATC系统向OCC发送报警信息，同时车辆系统向OCC汇报车辆故障和状态信息，在OCC车辆调度的显示界面显示故障信息，并向调度人员提供处理建议。车辆调度对故障情况进行判断，若不能恢复，则进行区间疏散，联动OCC行车调度扣停后续车辆，若后续列车已经进入区间，OCC远程控制列车停车;OCC调度人员通过乘客调度安抚乘客，并引导乘客疏散。

2.2 互联互通关键技术

互联互通的关键技术包括统一系统总体架构及功能分配、通信协议、电子地图描述方式、轨旁设备设计原则、设备安装方式等。

2.2.1 统一的系统总体架构及功能分配

在不同系统架构下实现互联互通的难度非常大，因此，在统一系统总体架构的基础上研究互联互通，可降低实现难度。当前FAO信号系统的典型架构如图2所示。

相比于CBTC系统，FAO信号系统中新增了休眠唤醒单元（AOM），系统的总体架构变化不大，但功能更加复杂，各个厂家的信号系统或多或少存在功能分配上的差异，因此，需要制定互联互通全自动运行系统标准，对各类功能分配进行定义。

2.2.2 统一通信协议

在FAO系统中，新增了中心远程控制、多系统联动（综合监控、ATS、CCTV、乘客信息系统系统、广播系统等）、全自动场段、休眠唤醒设备（车载休眠唤醒单元、休眠唤醒应答器等）及站台门专用通信等设备，因此，为实现全自动运行系统的互联互通，需要规范车-地及地-地接口。

车-地接口包括地面ATS、CI、ZC、车载ATP及AOM的接口，以及轨旁应答器与车载ATC的接口。地-地接口包括 ATS之间、CI之间、ZC之间、CI与屏蔽门、CI与洗车机等的接口，为实现FAO系统的互联互通，需要对上述接口的安全通信协议和应用层通信协议进行规范和统一。

2.2.3 统一的线路电子地图

统一化设计与描述的线路电子地图是进行互联互通信号设计的基础，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（如轨旁设备布置、防护区域的划分等），形成统一的数据格式。

2.2.4 统一的轨旁设备布置原则

统一轨旁设备的布置原则是实现互联互通的工程基础，在工程实施中，只有采用统一的设计原则，才能实现列车跨线运行。轨旁设备包括应答器、信号机、计轴设备、作业人员封锁开关（SPKS）、站台再关门按钮（PCB）等，以及进路的延时解锁时间和保护区段的延时解锁时间等都需要进行综合考虑后完成统一。由于FAO系统新增全自动车辆段功能，因此，轨旁设备布置原则也要考虑包括休眠唤醒应答器、洗车机、SPKS在内的新增设备。

2.2.5 统一设备安装方式

互联互通应特别关注与列车定位、车-地通信等相关的设备安装方式，包括应答器接收天线、应答器、车-地无线传输设备、车载无线天线等。互联互通线路应该根据要求确定轨面至应答器的距离，以及应答器接收天线至轨面的距离，统一车载应答器传输模块（BTM）天线、无线天线和地面无线传输设备的安装位置，以保证车-地无线传输系统能够稳定可靠地支持互联互通车辆跨线运行。

3 智能列车运行技术展望

随着物联网、云计算、大数据、深度学习技术的发展，轨道交通列车运行技术与人工智能技术将紧密结合，人工智能相关技术可应用于轨道交通的障碍物识别、智能驾驶等多个场景中，在轨道交通领域内承担越来越重要的角色。可利用计算机视觉技术与雷达技术来开发障碍物检测系统，当系统的可靠性满足安全要求时，可作为信号系统的安全输入，当系统识别到障碍物时，信号系统控制列车自动制动。可采用定位、雷达、图像识别等技术，采集各种场景下的列车运行环境数据，与线路数据及各类运行场景的經验知识相结合，形成自主决策，根据识别出的场景，自动将控制指令下发给各子系统，完成对列车的自动控制，实现更加智能化的列车自动驾驶。

在列车运行设备健康管理方面，基于人工智能和5G技术的支持，可以实现分级预警、快速重投、远程控制等关键技术的突破，提高列车在异常事件发生时的快速自我愈合能力。同时，结合设备在线故障预测、监测以及诊断技术，可以实现设备全生命周期管理，提升安全运营的能力。

4 总结

建设智慧城轨已经成为城市轨道交通行业发展的必然趋势，智能列车运行技术将是今后的重点研究对象之一。本文对面向互联互通的全自动运行系统的需求和关键技术进行了分析，并结合人工智能、大数据、深度学习等新兴技术对智能列车运行技术发展进行了展望，以期为智慧城轨的建设提供借鉴和参考。

参考文献

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