寧 濱，郜春海，李開成，張 強

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044；2.交控科技股份有限公司，北京 100070)

軌道交通全自動運行(Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO)是基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代軌道交通控制系統(tǒng)，是進一步提升現(xiàn)有基于通信的列車運行控制(Communication-based Train Control，CBTC)系統(tǒng)的安全性和效率的國際公認發(fā)展方向[1-3].國際公共交通協(xié)會報告指出，截至2017年3月，全球FAO運營線路已包含38個城市的56條線路，總里程達到850 km，覆蓋890個車站.

FAO系統(tǒng)具有傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)之外的更多優(yōu)點，包括如下方面[4-8]：1)高度自動化、多專業(yè)系統(tǒng)集成度深，各系統(tǒng)高效聯(lián)動控制，實現(xiàn)列車運行的全面監(jiān)控及乘客服務(wù)功能；2)充分的冗余配置，保證運行高可用性；3)更加完善的安全防護功能，增強了工作人員、乘客、障礙物、應(yīng)急情況下的防護；4)提高效率、節(jié)能減排，實現(xiàn)列車運行、供電、車站機電設(shè)備的綜合節(jié)能優(yōu)化運行；5)完全兼容常規(guī)駕駛模式.因此，F(xiàn)AO系統(tǒng)是城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向.目前我國尚處在起步階段，與國際差距較大.但隨著我國國產(chǎn)化信號、綜合監(jiān)控、車輛等關(guān)鍵系統(tǒng)已實現(xiàn)自主化，并且具有一定的成熟性，我國已經(jīng)具備研發(fā)FAO系統(tǒng)的條件，因此，在新一輪的建設(shè)中有必要大力發(fā)展自主化FAO系統(tǒng)，推動自主化裝備達到國際先進水平并引領(lǐng)該項技術(shù).2008年7月開通的北京機場線，是國內(nèi)首條按照全自動運行等級建設(shè)的線路.

本文作者結(jié)合2017年12月國內(nèi)首條采用自主化全自動運行技術(shù)的北京燕房線，介紹中國城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)的技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀.

1 全自動運行技術(shù)

1.1 北京燕房線概況

燕房線工程由主線、支線2部分組成，如圖1所示.其中：主線長約14.4 km，設(shè)站9座；支線長約6.1 km，設(shè)站3座.

圖1 燕房線全線圖Fig.1 Whole line diagram of Yanfang Line

1.2 FAO系統(tǒng)集成

軌道交通全自動運行系統(tǒng)的研究重點是通過車輛、信號、通信、綜合監(jiān)控多專業(yè)協(xié)同控制，實現(xiàn)運行全過程最佳化、自動化控制以及安全防護.為了使其符合我國城軌高密度運營、服務(wù)質(zhì)量要求高的需求，需要設(shè)計涵蓋各種工況的FAO系統(tǒng)運營場景、運營規(guī)則、危險源檔案、應(yīng)急處置方案等，以此為依據(jù)形成集成體系.北京燕房線采用的FAO系統(tǒng)實現(xiàn)了如下理論與技術(shù)創(chuàng)新：

1)設(shè)計了適用于我國城軌特點的FAO系統(tǒng)運營場景.采用基于時間自動機理論的模型檢測形式化工具UPPAAL構(gòu)建運營場景的時間自動機網(wǎng)絡(luò)模型，通過模型的實時仿真、反例分析和形式化驗證，分析場景的功能要求、性能要求和安全屬性要求.首次建立了全自動運行系統(tǒng)各專業(yè)調(diào)度工作負荷的預(yù)測模型，提出了基于負荷的全自動運行系統(tǒng)控制中心人因資源需求及配置方法，設(shè)計了全自動運行軌道交通系統(tǒng)人員組織架構(gòu)，以及不同運營場景的崗位配置、交互過程和操作流程.形成了世界上首個基于列車運行全過程和多專業(yè)協(xié)同的全自動運行場景文件和運用規(guī)則，包括41類300余項場景和69類運用規(guī)則，如圖2所示.該成果可為我國新建全自動運行線路的系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)設(shè)計和安全運用提供極具價值的參考和依據(jù).

圖2 全自動運行場景Fig.2 Full automatic operation scene

2)建立了全自動運行系統(tǒng)安全風(fēng)險分析和應(yīng)急處置流程設(shè)計方法體系.國內(nèi)首次采用STAMP理論、STPA危害分析與運營場景相結(jié)合的方法，分析了涵蓋全線、列車運行全過程、關(guān)聯(lián)多專業(yè)人員和設(shè)備的人機防護需求，有效識別了取消車上司機導(dǎo)致系統(tǒng)功能和操作流程變化所引入的危險源，形成了全自動運行系統(tǒng)的危險源檔案庫，可作為我國全自動運行系統(tǒng)新線建設(shè)的安全需求輸入；創(chuàng)建了全自動運行系統(tǒng)應(yīng)急處置流程設(shè)計方法體系.提煉全自動運行系統(tǒng)應(yīng)急處置流程的需求，調(diào)度員的認知特性和控制中心的組織特性.構(gòu)建了全自動運行系統(tǒng)應(yīng)急處置流程的認知體系，從調(diào)度員認知和控制中心組織性角度，針對全自動運行系統(tǒng)應(yīng)急處置過程中的不確定性、群調(diào)度員特征，提出了控制中心多準則、多調(diào)度員下的應(yīng)急決策混合評價方法，為全自動運行系統(tǒng)應(yīng)急處置流程的設(shè)計與評價提供了理論和方法支撐.

3)創(chuàng)建了適用于我國城市軌道交通運營特點的全自動運行系統(tǒng)集成體系.建立了FAO系統(tǒng)集成通用模型，保證整體系統(tǒng)的兼容性、一致性、完整性、正確性，建立需求跟蹤矩陣，通過結(jié)構(gòu)化方法對運營需求、系統(tǒng)功能和全自動運行系統(tǒng)的設(shè)計方案進行簡潔、清晰的檢查，確保在系統(tǒng)的概念和設(shè)計過程中所有的運營需求全面落實，在集成和驗收階段各項需求能被全程跟蹤和測試.

4)涵蓋了符合國際標準最高自動化等級以車輛、信號、LTE-M和綜合監(jiān)控為核心的整套技術(shù)裝備.針對車輛無司機工況下快速自動應(yīng)急處置需求，研發(fā)了全自動駕駛車輛關(guān)鍵系統(tǒng)遠程控制技術(shù)，實現(xiàn)了遠程轉(zhuǎn)向架制動切除、遠程復(fù)位、遠程緊急制動、遠程停放制動施加及緩解等功能.針對列車全過程無司機自動運行控制需求,設(shè)計了具備列車自動休眠與喚醒、段內(nèi)自動運行、自動洗車、站間自動運行、自動開關(guān)車門和站臺門、站內(nèi)自動跳躍對標、障礙物和脫軌檢測及事故近場安全防護等功能，符合最高自動化等級要求的全自動運行信號控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了列車在全線的自動運行.提出了基于優(yōu)先級調(diào)度的綜合承載技術(shù)，首次實現(xiàn)了車輛多專業(yè)、多業(yè)務(wù)一網(wǎng)承載，攻克了LTE-M的互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)域間端到端切換整體時延小于1 s；提出空口共享邏輯信道視頻組播技術(shù)和端到端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)，顯著提高空口頻譜資源利用率.制定并發(fā)布了LTE-M相關(guān)技術(shù)行業(yè)標準7項，研制了國內(nèi)首套軌道交通定制化的LTE-M系統(tǒng)裝備，推動了LTE-M技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用.設(shè)計了基于新一代工業(yè)數(shù)據(jù)安全總線為核心的分布式大容量實時數(shù)據(jù)庫引擎，首次構(gòu)建包括車輛、信號、通信等20多個專業(yè)子系統(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)安全等級達到SIL2，提高了運營調(diào)度效率和運營安全.

1.3 列車無人駕駛技術(shù)

全自動運行系統(tǒng)中列車運行可以在無司機的條件下完成.將操控列車、服務(wù)乘客、感知環(huán)境以及應(yīng)急處置等原由司機完成的任務(wù)改為由設(shè)備承擔(dān).為實現(xiàn)全時段、全天候的列車無人駕駛，需要攻克以下技術(shù)難點:

1)操控列車、服務(wù)乘客、感知環(huán)境以及應(yīng)急處置的司機任務(wù)模型的建模技術(shù).結(jié)合層次任務(wù)分析與認知任務(wù)分析，將司機作業(yè)任務(wù)充分分解到視覺、聽覺、知覺、心理動作4個處理通道，可以基于多資源理論，從時間壓力、認知需量和行為沖突3個維度分析司機認知工作負荷的影響.建立城市軌道交通司機駕駛操縱作業(yè)任務(wù)模型、司機行為時間預(yù)測模型、列車發(fā)車時操縱行為時間模型，如圖3所示.

圖3 司機任務(wù)及層次分解模型Fig.3 Driver’s task and hierarchical decomposition model

2)列車靜動態(tài)喚醒自檢、跳躍對標、雨雪模式控制、休眠等正常運行場景的控制策略.針對列車全過程無司機自動運行控制需求，設(shè)計了自動根據(jù)列車運行計劃休眠與喚醒、段內(nèi)自動運行、自動洗車、列車與車庫門聯(lián)動、無人區(qū)維修人員防護等控制策略，實現(xiàn)了車輛段內(nèi)的無人駕駛.設(shè)計了站間自動運行、自動開關(guān)車門和站臺門、基于安全通信的車門及站臺門對位隔離、站內(nèi)自動跳躍對標、自動折返、雨雪模式運行等控制策略，實現(xiàn)了列車在正線的無人駕駛.

3)列車障礙物和脫軌檢測、制動重故障下的分級控制、遠程復(fù)位重投等緊急情況下應(yīng)急處置技術(shù).研制了接觸式障礙物和脫軌檢測系統(tǒng)，在特殊工況下最大程度地保護乘客安全.設(shè)計了走行部在線監(jiān)管技術(shù)，實現(xiàn)了關(guān)鍵走行部件故障預(yù)警及報警功能.針對車輛無司機工況下快速自動應(yīng)急處置需求，研發(fā)了全自動駕駛車輛關(guān)鍵系統(tǒng)遠程控制技術(shù)，建立了車輛與控制中心可信、高速雙向數(shù)據(jù)交互通道，實現(xiàn)了遠程轉(zhuǎn)向架制動切除、遠程復(fù)位、遠程緊急制動、遠程控制空調(diào)、遠程再關(guān)門、遠程控制受流裝置、遠程控制照明、遠程停放制動施加及緩解等功能，實現(xiàn)了全時段、全天候的列車無人駕駛.相對于國外無人駕駛，豐富并精細化故障應(yīng)急的處置功能，提升了處置能力.

1.4 綜合自動化調(diào)度管控技術(shù)

全自動運行可以提升全線列車運行全過程智能管控能力，降低應(yīng)急處置時間30%，實現(xiàn)中心對軌旁所有機電設(shè)備、在線全部列車及車內(nèi)乘客的監(jiān)視控制、應(yīng)急處置、遠程服務(wù).具體來說，全自動運行綜合了如下技術(shù)：

1)多專業(yè)協(xié)同智能監(jiān)控技術(shù).創(chuàng)新設(shè)計“雙緩存”和變位傳輸通信融合技術(shù)，解決了多專業(yè)、大容量異構(gòu)實時數(shù)據(jù)處理和大批量數(shù)據(jù)實時顯示與渲染的技術(shù)難題，統(tǒng)一了行車、電力、環(huán)境、乘客、車輛、維修等調(diào)度聯(lián)動總線，實現(xiàn)了基于時間、事件、序列的人機協(xié)同智能監(jiān)控，滿足無人駕駛的需求，進一步提高了調(diào)度效率，數(shù)據(jù)變化平均刷新周期小于2 s.實現(xiàn)了中心對軌旁所有機電設(shè)備、在線全部列車及車內(nèi)乘客的監(jiān)視控制、應(yīng)急處置、遠程服務(wù)，進一步提高了全自動運行下的運營安全與乘客體驗.

2)車輛、通信、信號、綜合監(jiān)控等多專業(yè)的智能應(yīng)急聯(lián)動和輔助決策技術(shù).設(shè)計了支持面向?qū)ο蠼５男乱淮植际綄崟r數(shù)據(jù)庫計算引擎，解決了復(fù)雜系統(tǒng)間的智能協(xié)調(diào)聯(lián)合控制，實現(xiàn)對全自動運行的智能管控.創(chuàng)新增強了對位隔離、蠕動模式運行、緊急呼叫、緊急制動手柄、障礙與脫軌檢測聯(lián)動、車輛煙感報警聯(lián)動、站臺門與車門間隙夾人檢測聯(lián)動等應(yīng)急處置聯(lián)動控制功能.與傳統(tǒng)應(yīng)急處置相比，聯(lián)動控制量提高20%以上，降低應(yīng)急處置時間約30%，提高了災(zāi)害及故障模式下的智能化處理能力，進一步提高了軌道交通的運營安全性.

3)多專業(yè)綜合運維管理技術(shù).打破傳統(tǒng)運維系統(tǒng)的“信息化孤島”，實現(xiàn)整個運營系統(tǒng)的閉環(huán)智能維修.設(shè)計了異構(gòu)數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)融合、診斷融合技術(shù)，實現(xiàn)了通信、機電、車輛、信號設(shè)備診斷數(shù)據(jù)的分類傳輸與重構(gòu)，減少了中間層級的數(shù)據(jù)冗余處理，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低設(shè)備誤報警率.設(shè)計了基于樣本的立即決策和綜合決策報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對車輛等核心機電設(shè)備的在線狀態(tài)檢測和預(yù)測診斷.設(shè)計了一套基于ETL的標準企業(yè)服務(wù)總線(Enterprise Service Bus,ESB)技術(shù)，解決了維修管理系統(tǒng)與各類設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的無縫閉環(huán)管控，實現(xiàn)了融合全生命周期成本管理(Life Cycle Cost，LCC)的智能維修，提高了作業(yè)的安全性，優(yōu)化了設(shè)備維修模式，提升了設(shè)備維修成本精細化管理能力[8].

1.5 基于全生命周期的RAMS綜合保障技術(shù)

RAMS綜合保障技術(shù)保證了全系統(tǒng)的魯棒性，并首次通過了全專業(yè)RAMS評估.具體包括如下方面：

1)全系統(tǒng)頂層設(shè)計、逐層分配、潛在失效模式的分析與處置等RAMS工程方法.首次從系統(tǒng)頂層整體和各子系統(tǒng)多角度提出協(xié)調(diào)一致的RAMS指標技術(shù)規(guī)范，并將指標逐層分配到各專業(yè)、各子系統(tǒng)、各設(shè)備.利用魯棒性設(shè)計方法、潛在失效模式的分析方法等，在總體設(shè)計階段將RAMS指標與設(shè)計方案進行適配，確保RAMS指標在詳細設(shè)計中得以充分考慮.構(gòu)建了基于引導(dǎo)詞的危害模式識別技術(shù)，針對跨專業(yè)、綜合性強的場景進行安全分析.根據(jù)高可靠性、安全性產(chǎn)品設(shè)計特點，構(gòu)建支撐全生命周期產(chǎn)品研發(fā)的集成開發(fā)平臺，能夠為全系統(tǒng)RAMS分配、體系框架、硬件、軟件的可靠性設(shè)計、可靠性試驗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供技術(shù)與工具支持.構(gòu)建故障模式模擬、故障注入機制和可靠性增長試驗等技術(shù)，創(chuàng)設(shè)多層次仿真測試環(huán)境，實現(xiàn)降級運行、故障-安全、維修性等RAMS測試與分析、驗證，從系統(tǒng)工程角度全方位保障RAMS指標的有效實施.首次通過了全專業(yè)RAMS評估，保證了系統(tǒng)的整體RAMS水平，從系統(tǒng)總體提升了RAMS指標.

2)基于差模多樣化設(shè)計的冗余技術(shù).首次在調(diào)度層實現(xiàn)了多角色異地多重冗余設(shè)計，設(shè)置主備控制中心，兩中心分別設(shè)置熱備冗余的服務(wù)器，實現(xiàn)了中心級服務(wù)器四重冗余.行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)、車輛調(diào)和乘客調(diào)均可通過權(quán)限管理實現(xiàn)控制功能切換，增強了全自動運行的冗余控制.首次在控車層實現(xiàn)了全自動運行關(guān)鍵系統(tǒng)多樣化冗余控車策略，車輛和信號采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先、硬線后備的冗余策略，硬線控車實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障下的后備運行，實現(xiàn)智能化控車冗余機制.同時，通過車輛關(guān)鍵系統(tǒng)部件冗余、車-地?zé)o線通信冗余、頭尾傳感器(測速設(shè)備、BTM等)冗余，提升了全自動運行系統(tǒng)的可靠性、可用性.

3)實驗室、樣板段、試運行等全過程確認驗證體系.提出了適用于不同測試需求的分布式仿真建模方法，設(shè)計了FAO測試案例集，構(gòu)建了可動態(tài)配置的FAO半實物仿真測試平臺，利用構(gòu)建的系統(tǒng)仿真測試平臺4.6萬測試用例保證產(chǎn)品和系統(tǒng)的完備測試，通過樣板段完成了FAO系統(tǒng)覆蓋全場景功能測試，利用全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試充分驗證了FAO系統(tǒng)的功能完整性和穩(wěn)定性，確保達到工程預(yù)期.通過運營部門介入的試運行以及乘客介入的試運營階段，全系統(tǒng)、全生命周期驗證確認了系統(tǒng)功能、性能、服務(wù)水平.燕房線列車運行圖兌現(xiàn)率100%，列車運行正點率99.99%，各主要行車相關(guān)服務(wù)指標達到設(shè)計期望水平.

2 FAO技術(shù)展望

未來FAO系統(tǒng)仍然需要在以下3個方面開展研究：

1)系統(tǒng)可靠性保障.

設(shè)備取代人實現(xiàn)了系統(tǒng)自動化程度的提升要求全自動運行系統(tǒng)應(yīng)具有更高的可靠性,這是保障全自動運行系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ).現(xiàn)有全自動運行系統(tǒng)中，信號設(shè)備增強了冗余配置，車輛加強了雙網(wǎng)冗余控制，增加了與信號、PIS的接口冗余配置等.但這種方法會提高系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，因此還需要在實際中摸索更加行之有效的方法.

2)突發(fā)事件應(yīng)急處置.

FAO系統(tǒng)的最高等級是軌道交通系統(tǒng)可以具備自動監(jiān)測和處理運營中發(fā)生的危險，如火災(zāi)、設(shè)備故障等,這需要進一步深度集成信號、行車、供電、車輛等專業(yè)的應(yīng)急處置功能，提升應(yīng)急處置能力.目前以行車指揮為核心，實現(xiàn)正常及故障情況下多專業(yè)自動聯(lián)動將會為未來的深度集成奠定基礎(chǔ).

3)多目標優(yōu)化智能運行.

列車運行過程需要滿足安全、準時、舒適、精確停車、節(jié)能等多個目標.不同運營場景下對各個目標的需求不同,FAO系統(tǒng)需要自動識別當(dāng)前系統(tǒng)運營的狀況，明確多個優(yōu)化目標的權(quán)重.當(dāng)各個優(yōu)化目標的權(quán)重確定后，如何進行優(yōu)化和控制是最終實現(xiàn)的關(guān)鍵.

3 結(jié)論

全自動運行系統(tǒng)代表了未來軌道交通的發(fā)展方向.近年來我國在FAO系統(tǒng)集成、列車無人駕駛技術(shù)、綜合自動化調(diào)度管控等全自動運行技術(shù)方面的突破縮小了與國外技術(shù)的差距，實現(xiàn)了“并跑”.但仍然需要在系統(tǒng)可靠性保障、突發(fā)事件應(yīng)急處置以及多目標優(yōu)化智能運行等方面深入研究，進一步提高系統(tǒng)彈性和智能化水平的理論、方法和技術(shù)，為軌道交通可持續(xù)發(fā)展提供支撐.