基于自動駕駛技術(shù)的地鐵車輛段出入庫方案研究

彭 湃

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

車輛段(場)承擔(dān)全線配屬車輛的停放、整備和定期檢修工作。車輛段內(nèi)的作業(yè)，特別是列車進、出場(段)作業(yè)的效率，對正線列車運行效率起著很重要的作用。因此，車輛段納入ATS監(jiān)視范圍是必須的，否則很難達到“停車場及車輛段的進、出場(段)能力應(yīng)與正線行車間隔相適應(yīng)”的要求[1-4]。

根據(jù)國內(nèi)外地鐵現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，車輛段的監(jiān)視與控制方式有以下3種方案。

方案一：車輛段(場)納入ATS系統(tǒng)監(jiān)視范圍，采用場(段)人工控制。控制中心能監(jiān)視停車場及車輛段作業(yè)情況，但不能控制場(段)內(nèi)的進路，列車運行采用限速人工駕駛模式，是目前我國已建和在建地鐵車輛段監(jiān)視與控制系統(tǒng)采用的主要方式[5]。

方案二：車輛段(場)納入ATS系統(tǒng)監(jiān)視與控制范圍。控制中心能監(jiān)視車輛段作業(yè)情況，并能控制場(段)內(nèi)的進路，列車運行采用限速人工駕駛模式。計算機聯(lián)鎖設(shè)備不僅需要向ATS系統(tǒng)傳輸有關(guān)表示信息，還需要接受ATS系統(tǒng)的控制命令。

方案三：車輛段(場)納入ATC系統(tǒng)監(jiān)視與控制范圍。車輛段按需求設(shè)自動化區(qū)和非自動化區(qū)，控制中心能監(jiān)視車輛段作業(yè)情況，并能控制場(段)內(nèi)的進路，列車運行可以采用ATO模式(自動運行駕駛模式)和ATP模式(ATP速度監(jiān)控下的人工駕駛模式)，易于實現(xiàn)全無人運行模式[6]。目前，采用全自動運行的線路均采用該方式，例如國內(nèi)北京機場線車輛段、上海地鐵10號線車輛段。

以上3種方案代表著信號系統(tǒng)自動化程度的逐步提高和未來的發(fā)展趨勢，方案一是目前地鐵信號系統(tǒng)中常配的方案，而方案三也是目前全自動運行系統(tǒng)必配的標(biāo)準(zhǔn)方案，而實現(xiàn)該方案須解決ATS自動進路、ATP自動防護、ATO自動駕駛及相應(yīng)的休眠/喚醒等功能。

2 自動化段/場方案設(shè)計

傳統(tǒng)的車輛段作業(yè)采用調(diào)車模式，調(diào)車進路的辦理完全由車輛段值班員手動操作實現(xiàn)，僅能依靠司機通過瞭望信號機狀態(tài)，人工駕駛列車運行，自動化程度很低。這就造成了車輛段值班員和司機的較大工作量。隨著全自動運行(FAO)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)擬采用該技術(shù)的線路越來越多，技術(shù)的發(fā)展必然會推動自動化車輛段的技術(shù)應(yīng)用，致使采用全自動化停車場成為必然趨勢。車輛段現(xiàn)有的技術(shù)手段，與正線越來越多地采用CBTC技術(shù)和自動駕駛技術(shù)形成鮮明的對比，迫切需要實現(xiàn)自動化車輛段技術(shù)，提高車輛段的自動化水平和系統(tǒng)安全防護能力。根據(jù)車輛段/場的自動化程度不同，可細分為：ATS自動監(jiān)控車輛段/停車場，ATO駕駛車輛段/停車場，DTO(無人駕駛、有人值守)車輛段/停車場，UTO(無人駕駛、無人值守)車輛段/停車場[7]。自動化車輛段構(gòu)成如圖1所示。

圖1 自動化車輛段構(gòu)成

車輛段內(nèi)設(shè)置自動化區(qū)域和非自動化區(qū)域，一般利用牽出線設(shè)置為自動化和非自動化的轉(zhuǎn)換位置[8]。ATS具備對整個車輛段/停車場監(jiān)視及控制功能。對車輛段/停車場自動化區(qū)域應(yīng)具備以下功能。

(1)ATS子系統(tǒng)自動完成并實現(xiàn)列車在正線和車輛段/停車場內(nèi)(含試車線及具有軌道占用檢測設(shè)備的所有區(qū)域)列車識別號的連續(xù)追蹤。具備在車輛段/停車場轉(zhuǎn)換軌處停車和不停車情況下的自動賦予列車識別號功能。

(2)ATS子系統(tǒng)能夠根據(jù)出入庫計劃自動設(shè)置列車頭碼，自動觸發(fā)停車列檢庫至轉(zhuǎn)換軌之間的列車進路和雙列位之間的調(diào)車進路。

(3)通過布置在停車列檢線的出庫位置應(yīng)答器組定位升級，運行在CBTC-AM和CBTC-CM級別，CBTC級別下列車闖過紅燈信號機后將觸發(fā)緊急制動。在轉(zhuǎn)軌處根據(jù)運營需求可實現(xiàn)停車或者不停車上正線運營。

針對DTO車輛段/停車場、UTO車輛段/停車場除滿足上述功能要求外，還需增加以下功能要求：全自動洗車功能；列車的自動休眠與喚醒功能；列車自動測試、自動啟動；列車的工況管理與監(jiān)督；車輛維護管理功能等。

目前，以CBTC設(shè)計的線路(除全自動運行線路)的車輛段停車場，采用ATO駕駛車輛段/停車場方案是適宜的。以全自動運行設(shè)計技術(shù)的線路，根據(jù)需求不同，配置DTO車輛段/停車場或UTO車輛段/停車場的方案[9]。

3 自動化停車場實施案例

3.1 工程概況

為了滿足某地鐵項目首開段(小灰樓-石家莊站段)的開通需求，本工程在石家莊站后設(shè)置6列位停車場。不同于獨立設(shè)置的停車場，石家莊站站后停車場設(shè)置在車站正線區(qū)間，與正線是密不可分的，即不能把地下停車場與正線獨立分開，用兩套聯(lián)鎖來控制。只能把地下停車場作為正線車站的一部分，納入正線的監(jiān)控調(diào)度范圍。車場不僅要完成其基本的列車收發(fā)車作業(yè)，還要兼顧列車折返等相關(guān)正線運營作業(yè)，對運營調(diào)度效率的要求更高。

在小灰樓站后設(shè)置站后折返線路，石家莊站站后區(qū)間設(shè)6股道(每股道1列位)地下停車線(圖2)，其中3G、4G兩股道兼作終端折返線，其他4股道(1G、2G、5G、6G)設(shè)置有檢修坑和檢修設(shè)備，2G設(shè)置有檢修平臺，可進行簡單日常檢修作業(yè)。

圖2 地下停車場信號平面示意

本工程采用CBTC系統(tǒng)，針對該種停車場，采用ATO方案是可行的。

3.2 ATS子系統(tǒng)方案設(shè)計

獨立的車輛段/停車場內(nèi)設(shè)置派班員工作站，根據(jù)計劃自動觸發(fā)出入庫進路。該方案也是可行的。考慮設(shè)置派班員工作站需要增加派班員崗位，而這種小型停車場再增設(shè)崗位，會增加運營成本，故在此基礎(chǔ)上開發(fā)新的軟件功能，把控制中心運行圖編輯連接至存車線實現(xiàn)自動觸發(fā)進路功能。

運行圖編輯員在編輯基本圖時，可以將正線停車場的停車股道作為鋪畫運行圖的起/止點，每條計劃線的起點和終點都可以連接到不同的存車股道，作為列車出/入庫的依據(jù)(需運營考慮默認的出入庫規(guī)律來創(chuàng)建基本圖)。這樣，每條存車線上列車的上線車次、上線時間、下線車次、下線時間都能從當(dāng)日計劃中獲取，ATS就可以直接依據(jù)運行圖自動為每列車匹配車次、自動排路、自動接車入庫。

ATS就可以根據(jù)這些配置分別為這些股道上的列車自動匹配車次號，匹配車次號成功后，列車由人工車變?yōu)橛媱澻嚒?/p>

當(dāng)ATS為存車線上的列車自動匹配車次成功后，會給車載設(shè)備發(fā)送計劃信息，列車升級到CBTC模式后會顯示該信息。

如果ATS自動匹配車次時，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的股道上沒有列車或者由于其他未知原因造成ATS自動匹配車次失敗，系統(tǒng)會給出報警提示，需要人工確認或進行干預(yù)。本著人工設(shè)置優(yōu)于自動設(shè)置的原則，如果ATS自動匹配車次之前，列車已經(jīng)被人工設(shè)置過車次，則系統(tǒng)不會再為該列車自動設(shè)置車次[10]。

3.3 ATP/ATO子系統(tǒng)方案設(shè)計

(1)列車出庫運行方案

①3G/4G出庫方案

3G/4G兼做站后折返線，限速25 km/h。當(dāng)3G/4G出庫信號機開放后，司機駕駛列車以RM模式向前運行，經(jīng)過出庫信號機前方兩個連續(xù)的應(yīng)答器組后獲得列車位置初始定位；列車在完成定位后，在接收到可用的移動授權(quán)后，可升級至相應(yīng)的控制級別。

②1G/2G/5G/6G出庫方案

1G/2G/5G/6G設(shè)置立柱式檢查坑，限速5 km/h。如果沒有限速5 km/h的條件，出庫方案和3G/4G方案一致。根據(jù)目前集成商信號系統(tǒng)的設(shè)計原則，在限速5 km/h的條件下，ATO模式無法建立。司機駕駛列車以RM模式向前運行，經(jīng)過出庫信號機前方兩個連續(xù)的應(yīng)答器組后獲得列車位置初始定位；列車在完成定位后，無法立即升級到CBTC級別，待列車尾部出清庫門后，才能完成升級模式，此時，EBI速度值是9 km/h，ATO目標(biāo)速度值是4 km/h。

(2)列車入庫方案

考慮1G/2G/5G/6G的限速5 km/h的要求及庫內(nèi)安全距離不足的情況下，在列車到達庫門前，停車轉(zhuǎn)換成RM模式進庫停車[11]。

4 結(jié)論

本工程在試運行過程中指標(biāo)均符合要求，開通試運營后，各項工作平穩(wěn)有序，試運營各項指標(biāo)良好。開通首周共計1 414列次，運行圖兌現(xiàn)率100%，列車正點率99.93%，優(yōu)于國標(biāo)不低于98%的要求，安全運行約0.75萬列千米。在此期間無行車事故、5 min以上晚點事件及治安消防事件[13]。根據(jù)試運行報告及試運營過程中的數(shù)據(jù)進一步驗證了該方案的可行性，研究所得結(jié)論對新建車輛段設(shè)計具有一定的參考價值，為運營提供可靠的服務(wù)。

地鐵CBTC系統(tǒng)采用自動化的車輛段/停車場，通過提高系統(tǒng)的自動化程度，可以進一步提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和節(jié)能運行。采用自動化車輛段，信號系統(tǒng)需多方面進行設(shè)計考慮，例如停車庫長。目前，北京地鐵采用停車列檢位長度庫尾列車距車檔20 m、兩列位之間的距離為26 m的安全距離。上海地鐵采用停車列檢位長度庫尾列車距車檔15 m、兩列位之間的距離為20 m的安全距離。當(dāng)然具體參數(shù)需結(jié)合庫內(nèi)限速、信號系統(tǒng)參數(shù)、車輛參數(shù)等進一步討論。但對普通車輛段，庫內(nèi)未設(shè)封閉區(qū)域，一般要求出入庫作業(yè)速度不大于5 km/h[12]，在該限速條件下，部分系統(tǒng)無法實現(xiàn)ATO模式[13-15]。北京地鐵7號線靈活采用出庫不受5 km/h速度限制、進庫時庫門前停車再轉(zhuǎn)RM模式的出入庫方案。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50490—2009 城市軌道交通技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50157—2013 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 12758—2004 城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，2004.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 CJJ/T 170—2011 地鐵與輕軌系統(tǒng)運營管理規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 中國交通運輸協(xié)會.[2009]004號 城市軌道交通信號系統(tǒng)ATS技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通委員會，2009.

[6] 肖培龍.全自動駕駛技術(shù)分類及系統(tǒng)設(shè)備等配置要點[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2016，13(6)：45-47.

[7] 金華.城市軌道交通全自動無人駕駛系統(tǒng)功能分析[J].鐵路計算機應(yīng)用，2014(1)：61-63.

[8] 肖培龍.地鐵車輛段轉(zhuǎn)換軌設(shè)置點與信號系統(tǒng)處置方式分析[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2012(12)：52-55.

[9] 張艷兵.城市軌道交通全自動駕駛發(fā)展與思考[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2015(9):71-73.

[10] 北京交控科技有限公司.石家莊地鐵3號線設(shè)計聯(lián)絡(luò)會文件·信號系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書[Z].北京：北京交控科技有限公司，2015.

[11] 北京交控科技有限公司.石家莊地鐵3號線設(shè)計聯(lián)絡(luò)會文件·正線地下停車場運營方案[Z].北京：北京交控科技有限公司，2015.

[12] 上海地鐵申通集團有限公司.STB/ZH-000001—2010 上海市城市軌道交通工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].上海：上海地鐵申通集團有限公司，2010.

[13] 王峻峰.石家莊地鐵通車首周總體運營平穩(wěn) 單日客流突破23萬[EB/OL].( 2017-07-04)[2017-07-11]. http://www.sohu.com/a/154304210_120809.

[14] 中華人民共和國鐵道部.TB10007—2006 鐵路信號設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[15] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2615—1994 鐵路信號故障-安全原則[S].北京：中華人民共和國鐵道部，1994.