成都地铁1 号线车辆无人驾驶改造可行性分析

曹长琴，李 冲

（成都地铁运营有限公司，成都610000）

成都地铁1 号线车辆设计生产于2008 年，2010 年正式运营。截至目前线路全长41 km，日均客流量超100 万，最小行车间隔2 min，信号、车辆设备技术落后且严重老化，车辆智能化水平低，大量的人工操作容易产生操作失误影响行车安全。列车状态和故障数据无法实时落地，给正线车辆故障应急处理带来极大不便，影响处置时间和效果。为了提高列车运行效率，减少人工作业量并提升行车客运安全水平，研究对1 号线地铁车辆升级改造的可行性，全面提升1 号线地铁车辆自动化水平。

近年来，国内已有4 个城市、7 条线路开通了全自动驾驶，包括香港南港岛线、上海地铁10 号线和北京地铁燕房线等，在建线路100 km 以上。截至2019 年全球已有42 个城市、63 条线、1 003 km 线路采用全自动驾驶。全自动运行模式下的无人驾驶，其本质上是通过调度人员远程控制列车的唤醒、自检、启动、行车、开关门、控制电路、退出服务以及休眠等。车辆设备必须要在设备信息化、智能化、数据传输的时效性上做好深入研究，搜集大量的试验数据，以满足严苛的安全等级评估。1 号线地铁车辆设备实现全自动运行需要对各个系统全面升级改造。

1 地铁1 号线车辆改造需求

从目前的GOA3 升级改造为GOA4 全自动运行的无人驾驶车辆，相比传统的有司机值守运营线路，全自动运行没有司机监控，那么车辆设计方案上就必须实现更高的系统容错能力、各个系统需配备多重冗余功能和远程数据监测功能。列车需要更加稳定、可靠的通信系统、远程控制系统以及设备的智能化操控。信号控车系统中，对于行车过程中的列车位置追踪间隔、控车精度、控车速度曲线等要求提高。车辆故障时，列车需要具备远程控制、故障数据监测时效性以及准确的故障自诊断功能的完整性。

表1 轨道交通自动化等级的分类

2 全自动驾驶电气控制系统

（1） 自动休眠、唤醒

基本要求:根据ATC 的指令自动休眠、唤醒列车。

实施方案:1 号线车辆需要增加唤醒模块，以及唤醒模块到蓄电池间的控制电路。蓄电池、辅助系统、受电弓、空调、牵引制动系统、空压机等的控制在目前的手动控制按钮基础上增加网络控制。

由信号系统的唤醒模块输出硬线指令到车辆激活电路唤醒、休眠列车。每天运营前，已休眠的列车需要唤醒，唤醒需要启动车载控制，并激活整个列车的其他设备，使之进入正常工作状态。列车收到唤醒指令后，接通车上设备系统的低压供电电源，列车自动升弓，接入供电接触网。

正常情况下，列车的唤醒由ATS 根据时刻表自动唤醒，如果有特殊情况，可以通过远程人工唤醒和列车就地唤醒使列车唤醒。

辅助逆变器和充电机启动是采用网络+硬线模式，全自动情况下网络控制，人工操作或故障时采用硬线控制，高电平为停止。中压母线接触器闭合由TCMS 进行控制。

空调/电热预热→牵引系统部件动作情况→TCMS判断条件满足后，自动发送闭合高速断路器允许指令，牵引判断条件满足，自动闭合高速断路器，预充电接触器自动闭合。

（2） 洗车

基本要求:根据ATC 指令自动控制列车在车场全自动运行区（含洗车线）内的走行及洗车作业。

实施方案:增加1 号线TCMS 系统软件中相关功能模块。由信号系统发送洗车指令给TCMS，TCMS 接收到洗车指令后会对车辆限速，并对空调、电热、照明做相应的控制，刮雨器恢复到初始位置。车辆根据信号发出的方向、牵引、制动及级位信号运行。

（3） 列车自检

基本要求:自动完成发车前的系统自检，如列车牵引系统、制动系统、车门、空调、照明、广播、乘客信息显示系统、通信车载设备等，并向控制中心发送自检结果和列车准备就绪状态报告。

实施方案:需要增加TCMS 系统和各个子系统通信协议及接口，TCMS 增加自检结果运算功能。各系统上电后开始自检并将自检结果反馈给TCMS 系统，由TCMS 系统将自检结果发送给信号系统，再由信号系统上传至控制中心。

TCMS 的数据信息需要上传到地面控制中心，控制中心对列车运行的实时故障数据进行处理，并远程指导正线驻站维修作业人员进行相应处置。

（4） 蠕动模式

基本要求:在全自动运行模式下，当车辆网络出现故障，或车辆与车载信号设备通信故障时，可由行调人员确认，ATC 远程触发蠕动模式，列车以蠕动模式运行，ATP 监控列车以不超过固定限速（如25 km/h，固定限速由信号系统设计阶段确定）的速度全自动运行。列车以蠕动模式进站停车后，施加紧急制动防止列车移动，等待司机上车处理。

实施方案:需要增加牵引制动系统与信号系统的硬线控制接口，牵引制动系统修改软件。

（5） 跳跃模式

基本要求:若列车进站停车过标或欠标不大于5 m（暂定）系统可自动控制列车进行对位调整。当列车进站停车欠标，ATO 自动运行对位停车。

实施方案:增加牵引制动系统与信号系统的硬线控制接口，牵引制动系统修改软件。当信号系统判断进入跳跃模式时，输出硬线指令给制动系统，当制动系统收到此硬线指令时，将释放保持制动并施加固定小级位的常用制动，牵引系统仍然照常根据信号系统的指令运行。

（6） 远程控制场景

基本要求:特殊情况下，控制中心可远程操控:唤醒、休眠、升降受电弓、控制客室照明及空调、开/关门、紧急制动、停放制动、远程复位断路器、雨刮器、司机室前窗玻璃加热器等功能。

实施方案:需要将目前的断路器改造为远程控制断路器。

3 辅助电源系统

如果蓄电池亏电导致车载cc 无法启动，1 号线车辆SIV 无应急启动功能，只有使用移动充电设备给蓄电池充电。1 号线车辆需增加一个SIV 应急启动装置。人工上车操作应急升弓按钮或使用脚踏泵升弓，升弓后操作SIV 应急启动按钮给蓄电池充电，待蓄电池电压恢复后激活列车。

4 制动系统

基本要求:每个客室内设置一个紧急手柄，此手柄设置防护罩，防护罩的状态由列车进行监控，状态信息同时上传至控制中心。紧急制动手柄（或按钮）的动作联动摄像装置，图像信息上传控制中心。

车辆在区间运行时若触发紧急手柄，列车继续运行至下一站，停站后施加紧急制动，紧急手柄复位后，紧急制动缓解；若车辆在站台区内时触发紧急手柄，列车立即施加紧急制动。

实施方案:

每个客室内设置一个紧急手柄。

将整车紧急拉手的状态输入给信号系统，信号系统将根据车辆位置做控制。在RM 或ATC 切除模式将不做控制。

紧急手柄的状态输入给TCMS 系统，TCMS 系统将此状态传输给广播系统，广播系统将联动紧急对讲及CCTV 视频监控。

5 转向架系统

（1） 障碍物及脱轨检测装置

实施方案:在两端司机室转向架上增加障碍物、脱轨检测装置。障碍物、脱轨检测装置的系统结构如图1所示。

（2） 走行部在线检测系统

基本要求:走行部检测系统，对转向架轴箱、齿轮箱、电机的冲击、振动、温度进行监测，实现对走行部的早期预警和分级报警等功能，车辆回库后具备数据无线上传的功能，提供地面分析台进行数据分析及处理，准确指导车辆的运用和维修。

图1 障碍物、脱轨检测装置

实施方案:在转向架上增加走行部在线检测系统，并将数据上传到地面控制中心，见图2。

图2 在线监测传感器布置点位示意图

6 车门系统

（1） 车门与站台门故障隔离

基本要求:列车全自动运行模式下，车门与站台门故障隔离功能，当个别车站站台门故障隔离时，故障站台门（站台门系统控制）及对应的车门（车辆控制）不打开；当个别车门故障隔离时，故障车门（车辆控制）及对应的站台门（站台门系统控制）不打开。

实施方案:门控器功能改造，增加单门接收远程隔离信号的功能。

当列车的单个车门故障隔离后，本列车停站时对应的单个站台门应能保持锁闭不参与停站的开、关门作业。站台的其他站台门可正常打开，车载控制器仍对其打开状态进行防护。故障车门的信息由车辆TCMS 送至车载CC，车载CC 向中心ATS 传送车门的故障信息，并在OCC 调度台上显示和报警。

增加车门数据落地装置，车辆向地面控制中心传送车门发生故障的状态信息，并可实时显示和报警。

（2） 车门紧急解锁

基本要求:使用车门紧急解锁手柄打开车门，解锁手柄动作信息在司机室和控制中心进行显示并报警。当车辆在区间运行时，车辆到下一站停车并扣车；当车辆在站台区时，车辆不能启动。整列车上任何一个紧急解锁装置被触发，应在控制中心和司机室报警和显示。相关位置信息通过列车控制系统发送给车载ATC、并且相应位置的摄像头的图像由车载监控系统设备上传至控制中心（图像信息包含车次号、车组号、位置信息、报警类型等）。同时，通过列车控制系统触发就近客室紧急对讲装置，建立控制中心乘客调度、驾驶员与乘客之间的对讲。

实施方案:增加车门解锁后的信息上传OCC、CCTV 联动控制功能、广播紧急对讲自动建立功能。

7 蓄电池系统

基本要求:蓄电池需要配备在线检测装置，可在线测量、记录并存储电池组或单体电池在充电和放电阶段的电压、电流、温度等参数，该装置可与TCMS 通信。TCMS 应监测蓄电池电压、电流、箱内温度，并具备蓄电池容量管理功能。所有数据可实时传输到地面控制中心。

蓄电池容量应满足1 号线6 辆编组列车休眠7 d 后，可靠唤醒列车（单端信号唤醒模块（包含LTE）能耗暂定为70 W）；或满足运行时在任何工况时的需要，在无高压输入情况下，且电量为满容量的85%时应满足紧急通风、照明使用45 min，并且45 min 之后能完成一次开关门、一次升弓、一次投入SIV。

参考其他线路唤醒模块休眠7 d 耗电量为455 Ah，成都地铁1 号线车辆目前蓄电池配置为2 组160 Ah，共计320 Ah，455−320=135 Ah，至少需要增加一组蓄电池或更换单体蓄电池容量。

8 乘客信息系统

（1） 视频监控（CCTV）的联动

基本要求:客室与控制中心、司机室同步报警和对讲，与PIS 视频监控系统的视频实现联动功能；整列车上任何一个紧急解锁装置被触发，应在控制中心和司机室报警和显示。客室紧急手柄可以触发就近的一个紧急对讲装置，由司机或控制中心乘客调度确认后进行紧急对讲，同时触发就近的摄像头将画面传送至控制中心乘客调度显示屏/司机室显示屏；车门防夹相关信息上传至控制中心，同时联动视频监控系统及摄像头画面。

实施方案:每个车厢需要增加摄像头，司机室需要增加前置摄像头并且实现视频实时上传。

（2） 乘客紧急对讲的联动

基本要求:客室车门紧急解锁装置可以触发就近的一个紧急对讲装置进行控制中心乘客调度或司机与乘客之间的紧急对讲。

客室紧急手柄可以触发就近的一个紧急对讲装置，由司机或控制中心乘客调度确认后进行紧急对讲，同时触发就近的摄像头将画面传送至控制中心乘客调度显示屏/司机室显示屏。

实施方案:增加广播系统车门紧急解锁和紧急手柄触发对应某个乘客紧急对讲的功能。在全自动运行模式下，控制中心乘客调度可以选定某一紧急对讲装置，而触发控制中心与乘客之间的紧急对讲和对客室进行监听。

9 电气设置

（1） 司机台设置罩板

基本要求:在全自动运行模式下，驾驶台盖板的开/闭位置应由列车控制系统监控和储存，同时该盖板位置信息上传至控制中心。

实施方案:增加司机台罩板，将所有操作台按钮和显示屏遮挡，并设置罩板位置的监控联动。拆除司机室隔门和座椅（考虑司机临时手动驾驶时的座椅），乘客可进入这个空间。

（2） 灭火器移动监控

基本要求:灭火器的移动应由列车控制系统监控，当车辆在运行中灭火器被动用，则自动向司机和控制中心报警。

实施方案:在灭火器的固定座或者罩板上设置行程开关，当罩板被打开或者灭火器被移动时，行程开关触点被触发并发送给TCMS，TCMS 将信息发送给控制中心和乘客信息系统做联动。

（3） 控制柜门监控

基本要求:对列车上客室电气柜门的关闭状态进行监控，车辆在收到ATS 下发相应工况时，当电器柜门开启后，车辆的CCTV 进行联动控制，同时将该状态作为报警信息反馈给控制中心。

实施方案:在电气柜上设置行程开关，当电气柜门被打开时触发行程开关动作，行程开关触点信息发送给TCMS，TCMS 将信息发送给控制中心和乘客信息系统做联动。

（4） 驾驶模式指示灯

实施方案:车辆外部增加辅助提示灯，至少包含全自动运行/非全自动运行模式指示灯等。

10 结束语

地铁1 号线实现无人驾驶，首先需要信号系统具备精良的控车和管理能力。而车辆方面的技术改造，需要在信号控车功能设计的基础上加装大量的远程监测和远程控制设备。从技术角度来说，具备改造的可行性，各方需对软硬件接口充分讨论，最大化的降低施工时间和经济成本。考虑到整个施工过程，建议结合大修等高级修程开展，可大大降低施工改造成本。