封宇

（鄭州中建深鐵軌道交通有限責(zé)任公司，河南鄭州 450000）

0 引言

我國(guó)城市軌道交通事業(yè)的崛起促進(jìn)了上中下游行業(yè)的高速發(fā)展，不論是電子感應(yīng)器技術(shù)、信息通信技術(shù)還是視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，在城市軌道交通列車的全自主無人駕駛技術(shù)理念的推動(dòng)下，也獲得了逐步革新與優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高了無人駕駛控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性。

1 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)介紹

無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)是一種高度智能化的新型軌道交通技術(shù)，該技術(shù)由軌道交通智能化中心控制。全自動(dòng)無人駕駛技術(shù)的推出為傳統(tǒng)地鐵運(yùn)營(yíng)帶來以下變化：第一，系統(tǒng)過濾掉了過去駕駛員作業(yè)的失誤、延遲等人為因素導(dǎo)致的對(duì)時(shí)間、效率的浪費(fèi)，過去由駕駛員完成的工作，現(xiàn)在可以全部(或者基本)交給系統(tǒng)自行完成，降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。第二，無人駕駛行車系統(tǒng)能隨著客流量變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)列車計(jì)劃，并合理限制空車走行，節(jié)省牽引功率，運(yùn)營(yíng)組合也更為靈活多樣，參照國(guó)外已運(yùn)營(yíng)的無人駕駛線路測(cè)算，單車系統(tǒng)每千米的運(yùn)營(yíng)能耗減少了30%。第三，無人駕駛技術(shù)能夠顯著減少行駛距離，增加行進(jìn)效率，在相同運(yùn)力前提下，可以加快列車的周轉(zhuǎn)，增加車廂利用率，從而降低配置車廂數(shù)量。

無人駕駛列車控制系統(tǒng)可降低駕駛員定員，減少人力投入成本，改善車站行車調(diào)度。我國(guó)建造的國(guó)內(nèi)首列無人駕駛軌道交通動(dòng)車組，于2014 年6 月17 日在上海中國(guó)國(guó)際軌道交通博覽會(huì)亮相。其最大的看點(diǎn)就是應(yīng)用了先進(jìn)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)解決方案，無須駕駛員操作即可完成車輛的自主喚醒、自檢、手動(dòng)發(fā)車離站、上下坡運(yùn)行、到站點(diǎn)精準(zhǔn)停靠以及手動(dòng)開閉車門等全自動(dòng)運(yùn)行。

2 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)現(xiàn)狀

2010年4月啟用的上海10號(hào)線，于2014年8月開始投入使用無人駕駛智能列車。全線長(zhǎng)36km，有29個(gè)站臺(tái)，目前平均運(yùn)營(yíng)時(shí)間為5min，最高客流斷面2.88 萬人次，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)最高客流斷面為4.84 萬人次，遠(yuǎn)期時(shí)間為100s。南京燕房線，是國(guó)內(nèi)第一條應(yīng)用自主式無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)的線路。在未來，無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)將越來越普及。而在控制系統(tǒng)中，信號(hào)控制器是列車運(yùn)行管理的重要基礎(chǔ)設(shè)備，在FAO 模式下，通過信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備完成的最重要工作，就是把駕駛員對(duì)車輛發(fā)送的操作命令，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)備能接收并執(zhí)行的信息，從而達(dá)到列車調(diào)度員和列車值班員的運(yùn)營(yíng)意圖[1]。

目前的ATO 模式信號(hào)系統(tǒng)還面臨著以下困難。一是信號(hào)的邏輯需要經(jīng)過車載—區(qū)域控制—聯(lián)鎖子系統(tǒng)的協(xié)同處理，而當(dāng)前信號(hào)車的無線通信系統(tǒng)中一般采用2.4G 的WLAN 技術(shù)，多個(gè)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸延遲，會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效能和安全性。二是軌道設(shè)備多，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)。三是一旦區(qū)域設(shè)備故障，影響范圍較大，且后備模式轉(zhuǎn)換時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)營(yíng)環(huán)境危害較大[2]。

3 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)特點(diǎn)

因此，針對(duì)UTO 系統(tǒng)，不論是設(shè)備配置還是功能、邏輯上均采取了冗余備份的措施。同時(shí)，考慮在設(shè)備故障后能夠遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)降級(jí)，從硬件和軟件方面均需采取相關(guān)補(bǔ)充或補(bǔ)償措施，以保證列車運(yùn)行的安全可靠。每天運(yùn)營(yíng)前或有列車插入時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)列車的運(yùn)行時(shí)刻表給每列車自動(dòng)分配識(shí)別號(hào)，當(dāng)列車的兩端駕駛室都選擇為0.5 自動(dòng)模式時(shí)，在列車即將發(fā)車前，OCC 自動(dòng)給列車發(fā)送喚醒指令，在收到喚醒指令后，列車的各車載子系統(tǒng)執(zhí)行啟動(dòng)、自檢和靜態(tài)測(cè)試等程序。ATC 以及所有子系統(tǒng)均實(shí)施靜態(tài)自檢，由TCMS 綜合列車的各子系統(tǒng)靜態(tài)檢查自檢情況、車輛喚醒情況等數(shù)據(jù)后，將結(jié)果發(fā)送至信號(hào)系統(tǒng)ATC 或OCC。如果車輛喚醒工作未完成，OCC 調(diào)度員就會(huì)人工進(jìn)行干預(yù)；如果車輛喚醒工作完成，則車輛將等待信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的命令，隨時(shí)運(yùn)行。在任意時(shí)間，OCC 調(diào)度員都可以召喚車輛[3]。

4 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)效益分析

4.1 全壽命周期成本經(jīng)濟(jì)分析

一方面，可以讓施工投入減少，大大提高運(yùn)營(yíng)效益。采用無人駕駛系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)能提高，相對(duì)于增加列車編組的方式，這種方法能夠用較少的投入達(dá)到較為合理的目標(biāo)。無人駕駛控制系統(tǒng)可對(duì)列車實(shí)施合理的編組，減少車輛間隔，使系統(tǒng)的運(yùn)輸能力得以提高，從而適應(yīng)線路的客運(yùn)需求，同時(shí)還可以預(yù)留運(yùn)能儲(chǔ)存的空間，是較為理想的方案。采用自動(dòng)無人駕駛技術(shù)可以使列車停站和再入站耗費(fèi)的時(shí)間減少，使車輛時(shí)速提高，同時(shí)，可使車輛周轉(zhuǎn)速度加快，從而減少備車時(shí)間，使配車量降低。經(jīng)過分析，無人駕駛技術(shù)可以節(jié)約5%～6%的車輛。雖然城市軌道交通使用無人駕駛控制技術(shù)在機(jī)電系統(tǒng)方面的投資會(huì)增加，但是對(duì)于整個(gè)交通系統(tǒng)而言，建設(shè)成本會(huì)大幅度減少[4]。

另一方面，能夠降低固定人員數(shù)量，從而使經(jīng)營(yíng)成本降低。使用自動(dòng)無人駕駛技術(shù)后，通常不再要求配備列車駕駛員，正常運(yùn)營(yíng)的定員數(shù)量也會(huì)降低，管理培訓(xùn)工作時(shí)間可以相應(yīng)縮短。能夠精簡(jiǎn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)層面，提升管理水平，使企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理水平得以提高。使用無人駕駛技術(shù)，可利用電子跟蹤技術(shù)根據(jù)流量的實(shí)時(shí)變動(dòng)情況對(duì)列車的運(yùn)營(yíng)方案作出微調(diào)，從而使在線運(yùn)行的車輛數(shù)量增加或下降，科學(xué)合理地分配各時(shí)段運(yùn)能，以適應(yīng)客流分布曲線，并避免了空車運(yùn)行的現(xiàn)象，使運(yùn)行成本降低，同時(shí)減少了列車保養(yǎng)費(fèi)用。

4.2 全自動(dòng)無人駕駛技術(shù)綜合效益分析

無人駕駛技術(shù)可以提升行駛過程中車輛、乘員和操作人員的安全水平，對(duì)發(fā)生的各種異常情況進(jìn)行自動(dòng)化的安全保護(hù)。自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的車載控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等都可以通過冗余技術(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)主、后備控制系統(tǒng)的無縫轉(zhuǎn)換，提升車輛自檢的功能水平，保證列車持續(xù)正常工作，使監(jiān)控和站臺(tái)門系統(tǒng)使用更為合理、安全、可靠。

無人駕駛系統(tǒng)通過ATC 技術(shù)，可以自動(dòng)進(jìn)行列車的連續(xù)軌跡控制，使自動(dòng)駕駛可以準(zhǔn)時(shí)、穩(wěn)定地進(jìn)行，還能通過列車上的視頻控制和緊急對(duì)話功能使緊急處置功能得以完善。

5 無人駕駛地鐵列車控制系統(tǒng)應(yīng)用方案

5.1 駕駛控制功能

在人工控制方式下，必須完全由駕駛員來操縱車輛，而當(dāng)車輛處于UTO 模式中時(shí)，則可以完全通過信息傳感器，并按照對(duì)應(yīng)的時(shí)刻表信息來控制車輛的行駛。通過UTO 模式控制信息傳輸方式，并使用車輛自動(dòng)控制裝置將對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息傳遞到車輛管控模式中，同時(shí)根據(jù)相關(guān)模式信息可以進(jìn)行車輛的自動(dòng)折回行駛。另外，駕駛員能夠通過信息傳感器的授權(quán)信息來確定行駛方式，同時(shí)也具有激活控制室的功能；駕駛員也能夠?qū)ο鄳?yīng)模式信息進(jìn)行切換使用，從而避免在模式切換過程的信息損失。

5.2 喚醒功能

在每日運(yùn)營(yíng)之前或在有列車接入的情況下，由信號(hào)系統(tǒng)按時(shí)間順序?yàn)槊恳惠v列車指定標(biāo)識(shí)號(hào)。當(dāng)列車的兩個(gè)車廂都保持自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，OCC 就會(huì)在列車開始運(yùn)行之前對(duì)車廂發(fā)送喚醒命令，當(dāng)?shù)玫絾拘衙钪螅康姆窒到y(tǒng)都會(huì)完成啟動(dòng)、自檢和靜態(tài)測(cè)試。在靜態(tài)自檢的基礎(chǔ)上，TCMS 還對(duì)動(dòng)車組內(nèi)所有子系統(tǒng)的靜態(tài)自檢以及動(dòng)車組喚醒狀態(tài)等信息進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)論回復(fù)到ATC 和OCC。一旦喚醒失敗，由OCC 調(diào)度員按照動(dòng)車組的故障狀況進(jìn)行人工干預(yù)，在提醒后可隨時(shí)啟動(dòng)，并等待新的指令。

5.3 休眠功能

在列車運(yùn)行任務(wù)完成之后，可自動(dòng)在停車區(qū)域進(jìn)行停車維護(hù)。列車達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)后，若想合理節(jié)約能源，就可以啟用全自動(dòng)或無人駕駛系統(tǒng)的休眠模式。車輛上所有的車載子系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，而在此狀態(tài)中，就必須要求車輛的自動(dòng)控制器保持喚醒狀態(tài)，因此自動(dòng)控制器必須保證帶電[5]。此外，為了保證良好的工作狀態(tài)，對(duì)處于休眠狀態(tài)的列車而言，可以整合信號(hào)系統(tǒng)的功能，及時(shí)將維護(hù)信息傳送給地面的維護(hù)系統(tǒng)。

5.4 列車自動(dòng)運(yùn)行

全自動(dòng)行車控制系統(tǒng)的核心技術(shù)是軌道自動(dòng)控制器，它主要由機(jī)載車輛內(nèi)部件和固定駐站部分構(gòu)成，不僅連接了聯(lián)鎖設(shè)備，還連接了沿線的列車軌道監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)以及其他控制系統(tǒng)。

計(jì)算工況：靜力計(jì)算按照旁多心墻壩分期施工的填筑順序，自底向上模擬施工填筑的過程。填筑完成后模擬兩級(jí)蓄水的過程。動(dòng)力計(jì)算模擬穩(wěn)定滲流時(shí)的正常運(yùn)行期間遭遇9級(jí)地震的情況。計(jì)算方案及工況見表1。

5.5 駕駛室轉(zhuǎn)換

列車折返時(shí)，可以手動(dòng)判斷行駛方向，或手動(dòng)激活并關(guān)閉相應(yīng)駕駛員終端，從而完成與駕駛室的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)并不會(huì)造成數(shù)據(jù)損失。列車在站臺(tái)進(jìn)行駕駛端轉(zhuǎn)換時(shí)，前車門與屏蔽門均處于打開狀態(tài)；在非折返線等非進(jìn)站區(qū)時(shí)，車門則處于關(guān)閉狀態(tài)。

5.6 車門與屏蔽門技術(shù)要求

無人駕駛列車的屏蔽門和車門開關(guān)均為半自動(dòng)開關(guān)。除一般情況外，還須考慮故障時(shí)的實(shí)際使用情況。

一是當(dāng)屏蔽門故障時(shí)，須由人工將故障屏蔽門關(guān)閉或鎖緊；屏蔽門系統(tǒng)將向信號(hào)控制器匯報(bào)已被鎖定屏蔽門的情況，當(dāng)列車抵達(dá)站點(diǎn)前，由信號(hào)控制器將屏蔽門的故障信息傳給車站對(duì)應(yīng)的車門，使其在該站停車時(shí)不參與開啟、閉鎖的動(dòng)作。

二是當(dāng)車門故障時(shí)，可自動(dòng)將其關(guān)閉并鎖緊；當(dāng)關(guān)門失靈后可手動(dòng)將車門關(guān)閉并鎖緊；同時(shí)，系統(tǒng)向信息控制器發(fā)送被鎖車門位置，并向前方到站的相應(yīng)屏蔽門發(fā)送信息，使之在該站停靠期間不進(jìn)行開啟、閉鎖等操作。

三是人工開關(guān)門：在車輛停站期間，可人工開關(guān)車輛屏蔽門。當(dāng)信息傳感器收到人工打開屏蔽門指令，并在開門條件成立時(shí)，系統(tǒng)才可向車輛、屏蔽門發(fā)出指令。另外，所有與乘客換乘有關(guān)的情況都經(jīng)由車載廣播系統(tǒng)告知乘客。

5.7 輔助聯(lián)動(dòng)的相關(guān)系統(tǒng)

車站上應(yīng)安裝自動(dòng)列車運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，使控制中心能夠監(jiān)測(cè)車站和各軌道情況，并實(shí)時(shí)觀測(cè)車廂內(nèi)和外部車頭車尾狀態(tài)，方便用于監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)突發(fā)狀況作出處置；列車上應(yīng)設(shè)置無線電通信網(wǎng)絡(luò)，可通過專用電話與控制中心通信；在列車行駛過程中，要能隨時(shí)監(jiān)測(cè)到前方是否有人員或物體進(jìn)入軌道區(qū)域內(nèi)，并作出不同反應(yīng)，同時(shí)將信號(hào)發(fā)送給控制中心，調(diào)度員即能迅速掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。

5.8 報(bào)警裝置

以上系統(tǒng)均需設(shè)有報(bào)警裝置。若有意外狀況將開啟應(yīng)急報(bào)警，車上的閉路監(jiān)測(cè)攝像機(jī)將及時(shí)監(jiān)測(cè)事故情況，并將現(xiàn)場(chǎng)畫面?zhèn)鬏斀o控制中心。

5.9 停車控制

不良外界條件下，列車停站時(shí)會(huì)遭遇相應(yīng)的阻礙，在距離不準(zhǔn)或不準(zhǔn)時(shí)等情況下，也可利用信號(hào)系統(tǒng)的特性，重新調(diào)節(jié)列車定位，因此，如果列車沒有正確到達(dá)停車站，則在250m 以內(nèi)距離誤差下，將進(jìn)行緩慢停車式調(diào)整直到重新對(duì)準(zhǔn)?？康攸c(diǎn)。如果列車與?？空军c(diǎn)存在5m 以上距離偏差，甚至進(jìn)行多次調(diào)節(jié)也無法正確?？繒r(shí)，車輛會(huì)直接啟動(dòng)越過該站，運(yùn)行到下一個(gè)站點(diǎn)，并第一時(shí)間將結(jié)果發(fā)送至信號(hào)系統(tǒng)，然后利用車載廣播系統(tǒng)通知全體乘客。

5.10 列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要是為了能夠?qū)α熊嚨碾娐?、網(wǎng)絡(luò)、裝置等進(jìn)行有效管理，當(dāng)列車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)緊急情況或者必須迅速撤離時(shí)，利用相關(guān)的列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，就能夠迅速地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟逃跑窗，從而便于乘客迅速撤離，同時(shí)為了提高該控制系統(tǒng)工作的安全、穩(wěn)定性，相關(guān)控制系統(tǒng)還應(yīng)采用雙路電纜，從而使得有關(guān)的信息得以迅速傳輸并且不干擾列車工作的其他性能。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，正是由于無人駕駛地鐵列車控制系統(tǒng)具備安全智能化和不需要人工輔助等優(yōu)勢(shì)，而得到廣泛推行，該系統(tǒng)可以降低運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)，保證安全、可靠運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下的低危險(xiǎn)性及高舒適性。