城市軌道交通全自動運行系統外場測試方案研究

鄭 輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

城市軌道交通全自動運行因其系統安全可靠、靈活的運營方式、節能減排等諸多優點受到越來越多的青睞。截止至2017年3月，全球已有40個城市開通運營57條，850 km，890個車站的全自動運行線路[1]。從2008年北京機場線按照全自動運行等級建設開始，2017年12月28日國內首條采用自主化全自動運行技術的北京燕房線開通運營。上海10號線采用全自動運行后，平均旅速比有人駕駛提高了2.73 km/h，平均入庫時間減少了130 s，站臺乘降作業時間縮短了10 s，運營正點率高達99.97%，故障率大幅降低。受到全自動運行系統技術優勢的鼓舞，近年來北京、上海、武漢、成都、南京、寧波、廣州、南寧等地區開始大力推廣全自動運行技術。

1 全自動運行外場測試的概念及內容

全自動運行系統外場測試主要是指車輛、信號、通信、綜合監控、站臺門等核心子系統除完成產品本身可靠性和必要的功能性試驗外，為了保證全自動運行系統完整實現，還應在正式聯調前增加外場測試環節，以便確認機電核心系統接口功能，確認軟、硬件的靜、動態設計的合理性與正確性[2]。外場測試主要包含3部分內容。

(1)集成測試：主要測試和證實各子系統之間的接口已正確無誤實現，測試程序應包括所有的接口并證實其兼容性完備。

(2)功能測試：主要對個別子系統的功能表現根據要求進行測試，測試程序應能充分證實需實現的功能已達到在不同模式下所制定的要求。

(3)安全測試：此類測試主要是確定所配備的系統已達到所有的安全要求，而且在任何情況下不會危害到列車的安全運行。

2 工程概況

2.1 線路概況

南寧地鐵5號線線路全長20.22 km，設站17座，均為地下站，最大站間距2.27 km，最小站間距0.79 km，平均站間距1.14 km，一期工程設那洪車輛基地1座，主變電站2處[3]。

2.2 主要技術標準

5號線車輛采用B型車6輛編組，直流1 500 V接觸網供電，最高運行速度80 km/h，信號系統采用全自動運行技術，運營初期按照全線全時段有人監護，有人在司機室監護列車運行，第二階段為車輛基地無人值守，正線全時段有人在列車車廂值守，第三階段正線高峰時段有人在列車車廂值守，平峰時段多職能人員間隙巡視，第四階段全線全時段無人模式[4]。

3 外場測試的必要性分析

3.1 工期籌劃

南寧地鐵5號線工程項目施工總工期為4年，計劃于2017年9月全線車站開工，2019年11月底全線洞通，2020年8月電通，2020年10月～2021年3月系統聯調，2021年3月27日三權移交，2021年6月28日開通試運營。

3.2 全自動運行對工期的影響

本線實行全自動運行，雖然對正線土建工程影響較小，但對車輛、通信、信號、綜合監控等系統的功能都有所增加或增強，同時國內目前全自動運行的建設正處于起步狀態，參與的各系統功能及接口還有待完善，因此實行全自動運行將使各系統設備及設備間接口調試、車輛制造周期等均需增加。根據國內其他全自動運行線路的經驗，系統內各專業調試工期較常規項目調試時間增長20%～30%，在各專業調試完成、具備條件后，增加聯調時間約20%，整體調試時間較常規項目增加約50%。全自動運行項目較傳統模式線路建設工期至少增加6～12個月[5]。

針對本線采用全自動運行技術后系統聯調周期較長，為確保如期開通，建議選取樣板段或外場進行提前調試，樣板段或外場至少提前12個月開始動車調試，全線聯調聯試至少提前6個月開始動車調試。

4 外場測試功能需求分析

4.1 行車功能需求

測試需求：啟動加速至80 km/h、80 km/h常用制動及緊急制動、列車故障運行、故障救援等。

4.2 車輛功能需求[6]

測試需求：根據信號系統指令完成列車自動檢測、列車自動休眠、喚醒、列車自動運行(含起動、加速、減速、制動、與乘客通信、救援疏導等)功能測試；列車故障診斷、數據傳輸、故障報警信息自動上傳功能測試；列車排障功能測試；障礙物檢測功能測試；列車脫軌檢測功能測試；低壓系統恢復供電功能測試；列車遠程控制、復位功能測試；車輛關鍵系統熱備份能力功能測試；車輛各子系統冗余測試；列車與火災報警、視頻監控系統聯動功能測試；列車車門自動開關門、與屏蔽門對位隔離功能測試；列車電磁兼容性能測試；列車廣播系統自動報站、聲音采集、故障檢測功能測試；列車視頻監控及實時上傳功能測試；列車制動控制功能測試；列車自動跳躍功能測試；列車停車控制功能測試(雨天、霧天、輪緣噴油情況下)；后備蠕動功能測試；列車車門緊急解鎖功能測試；列車空調、照明自動調節功能測試；逃生門控制功能測試；全自動洗車功能模擬測試；有人駕駛/無人駕駛兩種駕駛模式相互切換測試。

4.3 通信功能需求[7]

專用無線通信系統：試驗線實現無線通信覆蓋，測試列車緊急電話與乘客調度員之間的通話功能是否通暢。

乘客信息系統：實現乘客信息系統無線網絡覆蓋，測試車-地無線網絡是否通暢；乘客信息系統與信號系統接口，實現到站信息顯示功能，測試該接口功能是否實現。

視頻監視系統：試驗線全線設置攝像機，對試車過程進行監視；自動駕駛模式下，客室車載攝像機應與乘客對講、緊急拉鎖、煙感、逃生門進行聯動，當發生緊急狀況時，應觸發聯動信號，控制中心乘客調度員監視器應彈出發生狀況處監視圖像，視頻監控系統應與相關系統配合，實現視頻監視圖像自動彈出功能。

廣播系統：廣播系統與信號系統接口實現到站廣播功能，測試該功能是否實現；區間緊急模式下，通過廣播系統實現對乘客引導疏散功能，與綜合監控配套設置，測試區間引導疏散功能。

時鐘系統：為系統提供標準同步時間信號。

4.4 信號功能需求[8]

測試需求：試驗線應能夠完成列車休眠喚醒、列車全自動運行(含起動、加速、減速、制動、與乘客通信、救援疏導等)功能測試、蠕動模式、雨雪模式、自動洗車、列車對位調整、停車列檢庫及洗車庫庫門防護、列車自動出/回場、模式轉換、站間運行和精確停車、列車全自動折返、車門及安全門控制、車門/站臺門對位隔離、作業區封鎖防護、站臺緊急關閉、車地通信、臨時限速、聯鎖功能、故障測試(ZC設備故障情況下的列車運行、車載ATP設備故障情況下的列車運行、車載ATO故障情況下的列車運行、車載ATP與ZC通信故障下的列車運行、ZC與CI通信故障下的列車運行、VOBC與CI通信故障下的列車運行、計軸ARB下的列車運行及計軸復位功能測試等)等基本功能，以及信號系統與車輛、通信、綜合監控、站臺門等系統間的接口聯動功能。

4.5 綜合監控功能需求[9]

火災自動報警子系統測試需求：按中央、車站兩級調度管理，中央、車站、就地三級監控的方式設置，并負責實現火災探測、向車站控制室及線路運營控制中心發出火災警報、報告火災區域、與綜合監控系統配合或獨立實現消防設備的聯動控制。

門禁子系統測試需求[10]：門禁卡授權管理，設置員工票的安全級別、授權進入的區域、密碼等；門禁系統參數管理，設置門禁系統的設備控制參數及安全參數。對系統參數的下載進行管理；采集限制區域讀卡器進入的數據，并對數據進行存儲與處理；系統報表生成，系統按時生成有關的報表，必要時可以靈活地根據條件查詢數據及生成臨時報表；接受通信系統時鐘信號，同步門禁系統時鐘；具有“運行”狀態、“在線/備用”狀態、“通信失效”報警、非法操作及其他重要信息報警；系統能向管轄范圍內的單臺、一組、一類或全部門禁設備下達運行控制命令；門禁系統實現火災模式下，相關區域的門禁釋放功能。

4.6 站臺門功能需求[11]

需測試常規線路的系統級控制、站臺級控制、手動操作、IBP盤緊急開門功能、單道門單元的維修控制功能。此外，采用全自動運行時，增加的與車門的對位隔離功能、語音播報功能、障礙物激光探測功能。

5 外場測試方案研究

5.1 外場測試總體技術原則[12]

(1)應敷設足夠的線路、車站配線，滿足本線全自動運行基本運行場景的試驗。

(2)線路應滿足最高時速80 km單車運行。

(3)若在正線開展測試，則至少應滿足列車在三站兩區間的運行試驗，其中某一車站應配置必要的站臺、站臺門、站臺緊急關閉等實體設施，測試與列車在正線運行時相同的場景。

(4)線路需配置必要的通信、信號、供電、綜合監控等系統設備，能實現全自動運行的基本功能，在保證功能完整的條件下，設備配置可適度簡化。

然而鄭某的夢魘也就此開始，他上任不久，程瀚便對鄭某說，準備給自己兒子程某某在蕪湖碧桂園買房，讓鄭某準備50萬元。第二天鄭某便將50萬元匯到程某某的賬戶上。2009年11月份左右，程瀚說要買房子，讓其準備40萬元，鄭某不想給，程瀚態度很不好，并說“能讓鄭某上去也能讓鄭某下來”，鄭某只得拎了一個黑色塑料袋到程瀚家。2011年年底，程瀚說裝修房子讓其準備20萬元，其表示沒錢，程瀚便對鄭某大罵，逼得走投無路的鄭某只好通過向其朋友宋某某借高利貸的形式借了20萬元送到程瀚公安局辦公室。

(5)牽引、制動性能合格的車輛是外場測試的前提條件，整個測試須滿足調試司機通過一次全牽引操作，列車速度直接提升至80 km/h，并保持惰行一定時間后觸發制動指令(包括全常用、快速及緊急制動)。

5.2 外場測試選址方案研究

5.2.1 測試場地設于車輛基地試車線方案

5號線那洪車輛基地內設有1條試車線，有效長為1.25 km，但出于安全考慮，列車速度僅能在瞬間提升到80 km/h，無法達到惰行時間要求，且試車線上無法增設站臺、站臺門等測試設施和設備，難以完成各類測試項目。此外，車輛基地試車線部分區域位于基本農田保護范圍內，受征地影響，短期內無法開工建設。

5.2.2 測試場地設于正線方案

因車輛基地至國凱大道站間的出入段線存在曲線半徑小(450 m)、坡度大(32‰)等問題，因此，暫定在正線距車輛基地較近的國凱大道站—那洪立交站—金凱路站的三站兩區間進行外場測試，如圖1所示。

依據目前的工籌計劃安排，該區段線路工期需于2019年7月實現洞通，2019年11月實現軌通，2019年12月實現電通，2020年3月底相關系統安裝、調試完成，具備以下測試條件。

圖1 正線外場測試區段線路平、縱斷面

(1)車輛基地：靜調和周月檢庫提供兩列位檢修股道、登高平臺和檢查坑、車間電源及架車條件均應滿足；兩股道至試車線軌道貫通，接觸網帶電，具備動車條件；場內外道路具備運輸和接車條件；牽混所交流、直流系統均需安裝及調試完畢，所有繼電保護整定值校驗完畢，35 kV開關柜、1 500 V直流柜、400 V開關柜均可受電。

(2)出入段線：軌道貫通、接觸網帶電，具備動車條件。

(3)主變電所：旱塘主變電站所安裝調試完成，各項繼電保護整定值均檢驗完畢，完成送電。

(4)控制中心：控制中心相關核心系統如通信、信號、綜合監控等系統設備安裝并完成調試，綜合監控應能實現與其他系統互聯功能，控制中心至測試區段傳輸鏈路暢通。

(5)正線：3個車站土建主體結構完成，至少提供1個出入口供調試人員使用，部分設備、管理用房交付使用，配置臨時空調、衛生間、上下水等后勤設施；三站兩區間洞通、軌通，軌道專業完成調線調坡、長軌鎖定；站臺結構施工完成，站臺邊緣具備門體結構安裝條件；三站兩區間具備折返線或渡線。

(6)通信、信號：完成傳輸、無線、PIS等子系統和信號室內外設備安裝及調試。

(7)站臺門：完成設備安裝及調試，與信號、綜合監控等系統接口連接完備。

(8)供電系統：車站混合所交流、直流系統安裝和調試完畢，所內綜合自動化系統調試完畢，具備單站工作能力；車站內雜散電流防護系統、鋼軌電位限制裝置等系統安裝調試完成；車站內測試場所具備照明措施。

(9)給排水：如FAS系統未投入使用，車站電氣設備機房配置符合設計要求的滅火器，區間排水設備、消防水管、消防栓口、手報、消防報警及配套需安裝完成。

(10)環控：車站隧道風機機房中4個軌頂風閥需安裝完畢，安裝完成后風閥關閉，避免機房施工對接觸網和軌道行車安全造成影響。

5.2.3異地試驗線方案[13-15]

(1)異地試驗線長度研究

全自動運行系統外場測試存在是否需要兩車高速追蹤的情況，本次追蹤研究參照國內其他地方規范高速追蹤時間按照間隔60 s和90 s分別計算，考慮到追蹤應維持一定時間，本次研究按照前后車達速時間10 s計算，因此試驗線達速時間按照70 s和100 s進行計算。國內其他全自動運行線路速度目標普遍在140 km/h左右，為便于后期對比分析，本次研究了除5號線80 km/h以外3種速度目標值的試驗線站中心距離長度，詳見表1。

表1 不同速度、不同追蹤時間的試驗線站中心距離

除上述理論計算外，在工程應用中還應考慮安全防護距離、車擋設置條件等。安全防護距離按地面線路取值65 m，車擋設置條件取值25 m。

(2)全自動運行場景功能測試對長度的需求

全自動運行場景功能測試對異地試驗線的基本要求為：三站兩區間、1條折返線和渡線。車站站臺長度與正線一致，區間最小長度為1列車長度，區間最大長度應滿足2列車高速追蹤運行，折返線長度滿足停放1列車，岔線長度需滿足模擬出入場段作業；真實車站應設置在第二車站位置，并設置配線。

不考慮高速追蹤試車情況下，試驗線長度一般不少于1 130 m(列車包絡長度取值暫按30 m計)，試驗線岔線長度需滿足305 m，詳見圖2。

圖2 異地試驗線基本布置示意(單位：m)

考慮以80 km/h高速追蹤試車的情況下，按照前后車均達速，達速時間按照70 s計，異地試驗線正線長度一般不少于2 575 m，如圖3所示。

圖3 滿足80 km/h追蹤試車的試驗線布置示意(單位：m)

(3)試驗線基本配置

滿足最高時速80 km雙車追蹤運行試驗的要求，正線線路長度不小于2 575 m。采用地面或高架方式，設置三站兩區間，車站設3組9號道岔、1條配線，車站設施配置實物；設置岔線長度不小于305 m，滿足車輛進出試驗線，兼顧出入場段功能試驗要求。此外接觸網、供電、無線通信、乘客信息、視頻監控、廣播、時鐘、信號、綜合監控系統均要求設置有實物。站臺門系統需在真實車站一側設置4個站臺門單元、信號接口設備、障礙物探測設備等。為配套測試，需配置通信、信號等系統設備房、調度指揮用房、休息室等辦公用房。

(4)異地試驗線投資分析

異地試驗線牽引供電、接觸網工程投資估算參照南寧地鐵5號線初設指標，其中軌道工程300萬元/km、接觸網按照65萬/條·km，橋梁工程暫按3.45萬元/延長米，其他各系統、站臺門等按照實際需求進行估算，綜上異地試驗線總投資估算為19 852萬元，具體詳見表2。

5.2.4 外場測試方案對比(表3)

表2 滿足80 km/h速度的異地試驗線投資估算

表3 外場測試方案對比分析

由表3分析可知，正線三站兩區間方案可減少不必要的外場設備安裝、調試、管理問題，有利于提前發現設備安裝和調試問題，但對該區段施工工期需提前，且場景測試與該區段其余設備安裝和調試存在交叉作業，給建設管理帶來一定的困難。異地試驗線方案能完全避免與正線施工交叉的影響，對全線工期無影響，但投資較大，其場地選址和資金落實較困難，對于全自動運行線路規模較大的地區可考慮采用此方案。經綜合分析，南寧5號線全自動運行外場測試建議采用三站兩區間方案。

6 結論及建議

全自動運行外場測試是實現全自動運行場景模擬和調試的必要途徑，外場測試方案的選擇首先需要考慮車輛基地、正線以及整個線網全自動運行情況的相互關系。在此基礎上，根據工期影響、長度因素、線路條件、投資增加、場地條件等各個方面進行綜合分析，針對不同的前提條件選取相應的測試方案。根據對南寧地鐵5號線車輛基地、相鄰正線線路條件及工程實施進度等各方面分析，得出以下結論。

(1)考慮到試驗線單獨選址和投資的困難，在車輛基地條件允許情況下，優先考慮將試車線長度加長，并增設相應全自動運行測試設備、設施和用房。

(2)選取正線區間作為外場測試場地對正線車站、區間、車輛基地、主變電站施工工期存在較大影響，受控因素較多，存在滯后風險，但若選取的正線區間設計和施工可控，工期可調的情況下考慮此方案。

(3)從線網資源共享的角度出發，對于全自動運行線路規模較大或者本地區有車輛制造廠的地區，其試驗線可考慮線網單獨建設或者由車輛廠商配套建設的模式。