全自動無人駕駛地鐵功能分析及故障應(yīng)對

許治威,徐永能,景順利

(1.南京理工大學(xué)， 南京 210094；2.南京恩瑞特實業(yè)有限公司， 南京 211100)

隨著城市軌道交通自動化技術(shù)的提高，以及為了應(yīng)對日益增長的客運需求，全自動無人駕駛技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用日益增多。國外對無人駕駛的研究起步較早，例如韓國、阿聯(lián)酋等國家較早開通了無人駕駛線路。近幾年，國內(nèi)也廣泛開展了無人駕駛的研究工作并得到了應(yīng)用，目前北京、上海等城市的軌道交通全自動無人駕駛系統(tǒng)已正式投入使用。同時，國內(nèi)很多城市的在建線路和規(guī)劃線路都選擇了全自動的無人駕駛系統(tǒng)方案，其正在逐漸成為城市軌道交通發(fā)展的趨勢。國內(nèi)外研究學(xué)者在全自動無人駕駛系統(tǒng)整體方案和功能場景方面做了較多的研究，但由于全自動無人駕駛地鐵線路應(yīng)用較少，針地鐵運行中故障場景的應(yīng)對及災(zāi)害場景的救援仍有待研究。同時，在自動化水平、災(zāi)害應(yīng)對能力等方面，還存在相應(yīng)的技術(shù)難點與挑戰(zhàn)。

綜上，本文結(jié)構(gòu)如下：首先介紹城市軌道交通無人駕駛定義及特點；其次對無人駕駛系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，特別針對相比于傳統(tǒng)駕駛系統(tǒng)所特有的功能進(jìn)行了描述；然后分析關(guān)鍵故障場景，并提出了相應(yīng)的故障應(yīng)對方案；最后則對全文進(jìn)行總結(jié)。

1 無人駕駛定義及特點

城市軌道交通運行的自動化等級可以劃分為GOA0-GOA4共5個等級，其中GOA2-GOA4實現(xiàn)了列車的自動駕駛。GOA2為有人駕駛的列車自動運行模式Semi-automatic Train Operation，STO)，目前國內(nèi)大多數(shù)城市的地鐵采用的是自動化等級為GOA2的有人駕駛列車自動運行模式；GOA3為有人值守下的列車自動運行模式(Driverless Train Operation，DTO)；GOA4為無人值守下的列車自動運行模式(Unattended Train Operation，UTO)。表1是各自動化等級下的城軌系統(tǒng)所具備的主要功能[1]。根據(jù)IEC62290的定義，DTO模式、UTO模式屬于無人駕駛，本文討論的對象為無人值守的列車自動運行模式。

表1 不同自動化等級所具備的功能

相比于傳統(tǒng)的有人駕駛系統(tǒng)，全自動無人駕駛系統(tǒng)主要通過將司機(jī)的職能轉(zhuǎn)移到車輛自身以及列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(Automatic Train Supervision，ATS)，減少列車運行過程中的人員參與，提升列車自動化能力[2]。主要有以下幾個特點：

1) 通過轉(zhuǎn)移司機(jī)職能弱化了運營過程中人為因素的影響，從而減少人為原因?qū)е碌墓收希煌瑫r由于故障應(yīng)對方案需提前預(yù)設(shè)，系統(tǒng)的故障應(yīng)對能力也有所提高，提升了地列車營的安全性。

2) 列車自動化水平大幅提升，使列車最小發(fā)車間隔縮短、準(zhǔn)點率提高、舒適性增加，運營服務(wù)水平進(jìn)一步提升。

3) 通過減少司機(jī)、站務(wù)人員降低運營成本。

2 系統(tǒng)功能分析

2.1 自動休眠喚醒

2.1.1列車喚醒

全自動無人駕駛系統(tǒng)中，列車的上線前檢查與啟動都由該系統(tǒng)自動完成。當(dāng)列車投入運營前， ATS通過與綜合監(jiān)控系統(tǒng)(Integrated Supervisory Control System，ISCS)接口確認(rèn)接觸網(wǎng)是否帶電。若檢測到接觸網(wǎng)不帶電，則將接觸網(wǎng)不帶電警報發(fā)送給ATS；若檢測到接觸網(wǎng)帶電，則通過出車計劃表自動喚醒并由司機(jī)本地操作上電按鈕、由行調(diào)或車輛調(diào)遠(yuǎn)程發(fā)送指令等3種方式對列車進(jìn)行喚醒，如圖1所示。

圖1 列車自動喚醒流程框圖

列車喚醒需要經(jīng)過以下環(huán)節(jié)：

1) 全列車低壓上電。車載控制器(Vehicle On-board Controller，VOBC)收到喚醒指令后，列車自動升弓接入高壓供電網(wǎng)，以及接通列車低壓供電電源。

2) 列車各系統(tǒng)自檢。全列車上電后車載VOBC自動進(jìn)行自檢，當(dāng)車輛任意子系統(tǒng)出現(xiàn)不允許出車的故障時，則認(rèn)為車輛自檢失敗[3]。當(dāng)自檢全部通過時，車載VOBC向ISCS、ATS反饋自檢信息，進(jìn)入下一流程。

3) VOBC確認(rèn)系統(tǒng)滿足靜態(tài)測試和動態(tài)測試條件。當(dāng)完成各系統(tǒng)自檢后，車載VOBC需要確認(rèn)列車、區(qū)域控制器(Zone Controller，ZC)等是否達(dá)到靜態(tài)測試和動態(tài)測試條件，當(dāng)各項條件均滿足時才能進(jìn)入下一流程。

4) 列車靜態(tài)測試與動態(tài)測試。車載VOBC向ZC申請列車靜態(tài)測試和動態(tài)測試授權(quán)，獲得授權(quán)后進(jìn)行列車靜態(tài)測試。當(dāng)完成一端的列車靜態(tài)測試后繼續(xù)進(jìn)行本端的動態(tài)測試，一端完成后自動換端對另一端進(jìn)行列車靜態(tài)測試和動態(tài)測試[4]，兩端車載VOBC均動態(tài)測試完成且測試通過。車載VOBC向行調(diào)、車輛調(diào)匯報喚醒成功總標(biāo)記，列車喚醒成功進(jìn)入全自動無人駕駛模式(Fully Automatic Train Operation Mode，F(xiàn)AM)待命工況。

當(dāng)列車完成以上流程后可正式投入正線運營。

2.1.2列車休眠

列車休眠分為控制中心遠(yuǎn)程休眠和司機(jī)本地按壓休眠按鈕休眠兩種方式，流程分別如下。

1) 控制中心遠(yuǎn)程休眠。首先車載VOBC向ATS實時發(fā)送列車當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)列車滿足以下條件時，ATS自動或人工向車載VOBC發(fā)送休眠請求指令。具體的條件包括：① 列車完成運營任務(wù)或者無任務(wù)；② 列車停在休眠喚醒停車窗；③ 列車處在非檢修狀態(tài)。車載VOBC收到ATS休眠請求指令后，自動撤銷方向及司機(jī)室激活指令，同時車載VOBC向車輛列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)(Train Control and Monitor System，TCMS)發(fā)出休眠命令，車輛進(jìn)行休眠。VOBC判斷休眠是否成功，并將休眠結(jié)果及時反饋ATS，若休眠不成功則通過ATS進(jìn)行報警提示，通知人工處理。

2) 司機(jī)按壓休眠按鈕。司機(jī)本地按壓休眠按鈕，車輛TCMS與車載VOBC采集到休眠信息后，完成自身休眠工作，之后車載VOBC判斷休眠是否成功，將列車休眠狀態(tài)上傳到中心ATS，ATS顯示休眠狀態(tài)。若休眠不成功則進(jìn)行報警提示，通知人工檢修[5]。

2.2 列車正線運營

2.2.1列車進(jìn)入正線

當(dāng)列車喚醒成功收到ATS出庫指令后，開始準(zhǔn)備進(jìn)入發(fā)車站臺。列車出庫前ATS系統(tǒng)會自動根據(jù)計劃運行圖為列車分配車次號，并根據(jù)時刻表排列進(jìn)站進(jìn)路[6]。車載VOBC監(jiān)控列車按照列車出庫規(guī)定駛?cè)氚l(fā)車站臺，列車運行至發(fā)車站后，ATS向列車發(fā)送正線服務(wù)工況指令，車載VOBC收到“正線服務(wù)”工況指令后列車開始進(jìn)入正線服務(wù)。

2.2.2列車進(jìn)站與離站

當(dāng)列車進(jìn)站前，車載VOBC自動判斷列車滿足以下條件后列車自動進(jìn)站停車。

1) 移動授權(quán)滿足進(jìn)站停車條件；

2) 站臺門關(guān)閉；

3) 緊急停車按鈕未按下；

4) 列車未辦理跳停作業(yè)。

若列車進(jìn)站停車后欠標(biāo)未到達(dá)停車窗，車載VOBC向ATS匯報欠標(biāo)警報，列車自動啟動牽引進(jìn)行對標(biāo)調(diào)整[7]。若列車沖標(biāo)超過了停車窗，可分為兩種情況，若沖標(biāo)距離未超過預(yù)設(shè)閾值，車載VOBC向ATS匯報沖標(biāo)警報，列車向后行駛進(jìn)行對標(biāo)調(diào)整；若沖標(biāo)距離超過閾值，列車不再進(jìn)行停站服務(wù)，進(jìn)行越站作業(yè)駛?cè)胂乱卉囌荆瑫r向ATS匯報越站警報，并通過廣播系統(tǒng)向乘客進(jìn)行廣播。

2.2.3區(qū)間內(nèi)運行

列車從車站發(fā)車后，自動更新下一站的乘客信息系統(tǒng)信息，為下一站進(jìn)站廣播做準(zhǔn)備。當(dāng)列車越過出站信號機(jī)后，原則上經(jīng)一次牽引、巡航、惰行和制動，運行到達(dá)下一站進(jìn)站停車。

如果列車在區(qū)間內(nèi)常規(guī)制動停車，應(yīng)在行調(diào)ATS上報警，當(dāng)列車重新收到移動授權(quán)后，自動啟動列車并以FAM模式繼續(xù)運行；如果列車因故在區(qū)內(nèi)緊急制動停車后，應(yīng)在行調(diào)ATS上報警；當(dāng)導(dǎo)致緊急制動的原因恢復(fù)，進(jìn)行緊急制動緩解，列車在獲得移動授權(quán)后啟動并自動運行到下一站。

當(dāng)列車檢測到軌行區(qū)存在影響列車運行安全的障礙物時，列車應(yīng)根據(jù)障礙物距離列車的位置及列車的運行狀態(tài)，控制列車常用制動或緊急制動停車，并在行調(diào)工作站顯示報警；當(dāng)列車接觸或碰撞到軌行區(qū)的障礙物時，列車應(yīng)緊急制動列車，并同時觸發(fā)列車廣播，在行調(diào)工作站顯示報警。

2.2.4折返換端

折返分為站后折返和站前折返兩種情況。

1) 站后折返時，列車在終端站臺對標(biāo)停穩(wěn)后，自動打開車門不關(guān)閉，廣播提醒乘客下車。列車規(guī)定停站時間到達(dá)后自動關(guān)閉車門和站臺門，或客調(diào)通過CCTV遠(yuǎn)程清客確認(rèn)后，遠(yuǎn)程關(guān)閉車門及站臺門[8]。滿足發(fā)車條件后，列車運行至折返線停車窗完成自動換端。列車完成換端后，滿足進(jìn)站條件，按列車正常進(jìn)站停車過程運行至車站的出發(fā)站臺。當(dāng)停穩(wěn)停準(zhǔn)后切除牽引、施加保持制動、自動打開車門及站臺門，并開始停站倒計時。

2) 站前折返時，列車對標(biāo)停穩(wěn)后自動打開車門；信號等待車門開到位后換端。換端過程中和換端后，車輛保持列車制動和車門打開狀態(tài)，列車保持正線運行工況不變。當(dāng)換端完成后，待停站時間結(jié)束和滿足正常的發(fā)車條件時，列車自車站正常發(fā)車。

2.2.5列車退出正線服務(wù)

當(dāng)列車完全進(jìn)入終點站站臺，車載VOBC收到“停止正線服務(wù)”指令后，向車輛發(fā)送停止正線服務(wù)指令，由車輛關(guān)閉照明、空調(diào)。車載VOBC接收到移動授權(quán)后，根據(jù)授權(quán)控制列車運行到庫內(nèi)停車，并自動進(jìn)入清掃工況。列車完全進(jìn)入庫線停穩(wěn)后自動刪除車次號，列車停穩(wěn)CCTV圖像應(yīng)推送到行調(diào)(場調(diào))工作站。延時一段時間后自動或人工向該列車發(fā)送休眠指令。

3 無人駕駛條件下故障場景分析

3.1 車門故障

車門故障分為車門狀態(tài)丟失、單扇車門故障、再關(guān)門控制等3種情況。

3.1.1車門狀態(tài)丟失

車輛采集到車門關(guān)閉狀態(tài)丟失時，根據(jù)列車所處位置采取相應(yīng)的控制措施。

列車在區(qū)間或進(jìn)站過程中，保證繼續(xù)運行進(jìn)站和精確停車。當(dāng)列車在站臺停穩(wěn)時，若車門丟失狀態(tài)仍然沒有恢復(fù)，則切除牽引不再發(fā)車。

如果車門狀態(tài)丟失時，列車正在出站且與站臺區(qū)域有重疊，立即實施緊急制動，提示退出FAM模式，由綜合站務(wù)人員上車恢復(fù)車門狀態(tài)，確認(rèn)乘客安全后重新按流程升級為FAM發(fā)車。如圖2所示。

圖2 車門狀態(tài)丟失故障應(yīng)對流程框圖

3.1.2單扇門故障

單扇車門因故障無法打開時，車輛需向車輛調(diào)、乘客調(diào)、車站報警，由站務(wù)綜合人員上車對故障車門進(jìn)行隔離，列車運營至終點退出服務(wù)并將故障信息發(fā)送檢修調(diào)[9]。同時，車輛點亮故障車門對應(yīng)的紅色指示燈，提示對應(yīng)故障車門不打開的信息，并通過車載廣播系統(tǒng)進(jìn)行車門隔離故障廣播。下一車站點亮故障車門對應(yīng)站臺門的故障指示燈，列車進(jìn)站停穩(wěn)后故障車門與對應(yīng)屏蔽門均不打開。

3.1.3再關(guān)門控制

當(dāng)遇到車門夾人夾物情況時，車輛開閉車門3次后仍未關(guān)閉，列車將通過車輛TCMS 給車載VOBC反饋進(jìn)入防夾狀態(tài)，保證車門及對應(yīng)的站臺門打開不關(guān)閉[10]。

車門的再次關(guān)閉可通過站務(wù)人員本地再關(guān)門控制，也可通過遠(yuǎn)程再關(guān)門控制。遠(yuǎn)程再關(guān)門控制時，行調(diào)通過ATS給車載VOBC發(fā)送再關(guān)門指令，車載VOBC發(fā)出再次關(guān)門指令[11]。

3.2 車載ATO/ATP故障

車載列車自動運行系統(tǒng)(Automatic Train Operation，ATO)和列車自動保護(hù)系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)設(shè)備均采用首尾雙冗余配置。單系統(tǒng)故障時，列車正常運行，并向中央車輛調(diào)度臺和行車調(diào)度臺報警。當(dāng)車載ATO/ATP兩端均故障時，列車緊急制動停車。

車載ATO雙系統(tǒng)均發(fā)生故障后，調(diào)度員嘗試遠(yuǎn)程重啟，重啟成功后自動升級為FAM模式；如果遠(yuǎn)程重啟失敗則由調(diào)度員安排站務(wù)人員進(jìn)入?yún)^(qū)間上車救援，工作人員上車后轉(zhuǎn)為受控人工駕駛模式駕駛列車，人工護(hù)送回終點站后列車下線。

車載ATP雙系統(tǒng)均發(fā)生故障后，調(diào)度員安排站務(wù)人員進(jìn)入?yún)^(qū)間上車救援，工作人員切除車載ATP，采用緊急非限制人工駕駛模式駕駛列車至車站打開車門和站臺門，清客后將列車下線[12]。

3.3 ATS設(shè)備故障

中央ATS系統(tǒng)及車站ATS服務(wù)器均為雙機(jī)冗余配置。當(dāng)發(fā)生單機(jī)故障時，自動切換到備機(jī)運行，保證不影響系統(tǒng)正常功能的使用。

當(dāng)中央ATS主備系統(tǒng)均故障時，為了保證列車正常運行，中央行車調(diào)度員應(yīng)通知車站綜合業(yè)務(wù)人員就近上車。運營控制將自動轉(zhuǎn)移到位于設(shè)備集中站的本地ATS，此時的列車進(jìn)路由車站級ATS控制，列車仍可按FAM模式繼續(xù)運行。如圖3所示。

圖3 ATS設(shè)備故障應(yīng)對方案框圖

中央ATS主備系統(tǒng)均故障，且車站級ATS設(shè)備也故障時，計算機(jī)聯(lián)鎖能繼續(xù)給列車分配進(jìn)路，區(qū)域控制器設(shè)備能夠給列車分配移動授權(quán)。車載VOBC收到ATS故障信息后，列車正常運行，中央行車調(diào)度員通知車站綜合業(yè)務(wù)人員就近上車，此時的列車進(jìn)路由車站聯(lián)鎖設(shè)備控制。行調(diào)工作站接到ATS設(shè)備故障報警信息后，聯(lián)系信號維護(hù)人員進(jìn)行故障維修處理。

3.4 區(qū)域控制器設(shè)備故障

區(qū)域控制器采用安全可靠的冗余架構(gòu)，單系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)將自動切換到另一系運行，不影響系統(tǒng)功能。

當(dāng)區(qū)域控制器完全故障時，控制區(qū)域中的所有列車緊急制動，降級為非基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control System，CBTC)列車。人工確認(rèn)安全后，列車自動運行至下一站臺停車，站務(wù)人員上車后，將列車降級到點式等級的列車自動駕駛模式或受控人工駕駛模式或限制人工駕駛模式運行，信號系統(tǒng)提供點式ATP/ATO功能，當(dāng)列車行至ZC工作正常的區(qū)域并與其建立有效連接后，可重新升級到全自動控制等級。

4 結(jié)論

本文針對無人駕駛地鐵線路應(yīng)用較少，故障應(yīng)對研究缺乏的現(xiàn)狀，對無人駕駛地鐵實際日常運營中的全流程功能及主要故障應(yīng)對方案進(jìn)行了探討。目前，無人駕駛在我國還處在發(fā)展初期，在系統(tǒng)自動化水平、安全性、災(zāi)害應(yīng)急能力等方面還需要進(jìn)一步的研究。