城市軌道交通全自動運行系統多功能仿真平臺設計與實現

馮浩楠，黃蘇蘇，付 偉，李 智

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2. 國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，北京 100081）

近年來，隨著城市軌道交通快速發展，基于通信的列車控制（communication based train control,CBTC）信號系統已經無法滿足現有需求，全自動運行（fully automatic operation, FAO）技術正成為下一代發展趨勢[1-2]。

FAO 系統將信號系統、車輛、綜合監控、通信和站臺門等多個系統深度融合，取消司機駕駛，車輛實現從出庫到回庫高度自動化運行，全面提升城市軌道交通系統自動化水平[3-4]。目前，國內上海10 號線、北京機場線、亦莊線等應用了FAO 系統，更多城市正在規劃使用此類系統[5-7]。

城市軌道交通控制系統在投入工程應用前，為了驗證其功能完備性和安全性，確保系統安全可靠運行，需要借助實驗室的仿真系統進行仿真測試，完成多項性能檢驗[8-9]；此外，仿真系統還在控制系統的教學培訓和實踐學習中發揮重要作用[10-13]。

對比現有的CBTC 信號系統，FAO 系統在自動化集成度、可靠性、大數據運維和組織調配的靈活性等4 個方面實現了系統性能和功能全面提升[14]，相應的CBTC 系統仿真平臺已經無法適應 FAO 系統的新需求。因此，本文針對FAO 系統的新特點，依托中國鐵道科學研究院軌道交通實驗平臺，針對中國城市軌道交通協會的城市軌道交通全自動運行系統技術規范，基于廣州線路實際應用背景，建立FAO 系統多功能仿真平臺。仿真平臺在繼承現有CBTC 系統仿真平臺的基礎上，對功能和應用進行了拓展，除了具備現場工程參數的評估、系統性能評估和驗證基本功能外，增加貼合工程實踐需要的人員操作培訓和工程故障分析等功能，使仿真平臺更好地為工程應用服務，在工程生命周期中發揮最大功效。

1 FAO 系統仿真平臺設計

1.1 FAO 系統運營場景

根據中城協城市軌道交通全自動運行系統技術規范的要求，FAO 系統的工作狀況設計為一個8 種工況轉換圖，如圖1 所示。車輛系統在喚醒上電命令下從斷電工況變為待命工況，在出庫命令條件下進入車輛段內變為場內工況。當車輛進入洗車線開始洗車命令和駛離洗車線結束洗車線的命令下，洗車工況與場內工況相互轉換。在出段命令下，車輛進入正線工況。在終點站清客和清客完成啟動條件下，正線工況與清客工況相互轉換。入庫條件下車輛轉換為清掃工況。在按壓檢修和復位檢修條件下，系統在清掃工況與檢修工況之間轉換。

1.2 FAO 系統架構

針對FAO 系統工況任務，設計FAO 多功能仿真平臺分為中心級、軌旁級和車載級三個部分，結構如圖 2 所示。中心級系統包括中心自動列車監控（automatic train supervision, ATS）系統、綜合監控系統；軌旁級系統包括位于車輛段和正線的計算機聯鎖（computer interlocking, CI）系統、區域控制（zone controller, ZC）系統、軌旁仿真輸入輸出（input and output, IO）系統和車站ATS 系統；車載級系統包括列車自動駕駛（automatic train operation, ATO）系統、列車自動保護（automatic train protection, ATP）系統和車載檢測系統。所有系統通過數據通信系統（data communication system，DCS）按照規定協議完成數據信息交互，實現列車全自動駕駛。

圖1 FAO 系統工況轉換圖

圖2 FAO 仿真平臺組成架構圖

2 實驗內容設計與實現

2.1 FAO 系統仿真平臺實現

FAO 系統仿真平臺選取廣州7 號線車輛段和正線4 個集中站作為應用場景，其中車輛段和廣州南站使用真實設備、其余三個設備集中站使用仿真設備模擬真實系統。這種混合系統配置方式既節省成本、減少空間占用，又很好地實現了系統功能的需求，仿真平臺全景如圖3 所示，各個系統功能如表1 所示。

圖3 FAO 系統仿真平臺全景圖

表1 FAO 組成的系統功能表

2.2 FAO 系統仿真平臺實驗內容設計

FAO 系統多功能仿真平臺具備工程參數評估、系統功能驗證和評估、人員培訓和故障分析4 大功能，貫穿于系統的工程全壽命周期，即從研發、預交付、交付使用和售后維保4 個階段。FAO 系統仿真平臺在工程生命周期各階段的功能、使用者和輸出如表2 所示。

（1）現場工程參數的評估。FAO 系統是一個復雜系統，涉及眾多系統協同運轉。為了能夠實現自身設計目標和FAO 整體系統有效運轉的目標，需要對各個系統的配置參數在合理區間中選取優選值，使系統性能達到最優。

表2 FAO 系統仿真平臺功用表

（2）系統功能驗證和評估。在工程生命周期中，功能驗證和評估可以分為內部測試、第三方認證測試和驗收測試三個階段。內部測試是系統完成后，開發人員交付測試工程師進行白盒和黑盒測試，驗證系統功能；目前城市軌道交通工程需要有資質的認證機構進行第三方認證并提供認證報告，在此過程中認證人員會對系統的功能進行現場認證，并對系統功能測試報告進行評估；系統交付工程應用前，建設單位和運營單位依據系統和工程需求，利用仿真平臺進行功能測試，驗證系統功能是否達到系統初期設計要求，在實驗室功能測試滿足系統要求后，進一步將系統送往現場安裝，并進行真實環境下現場測試。

（3）人員培訓。雖然采用 FAO 系統后，司機的作用將弱化甚至取消，但是系統的正常運行仍涉及其他人員的支持和保證。人員培訓重點包括運營人員和故障檢修人員。針對人員職責不同，有針對性地編排培訓實操內容。針對運營人員，重點是ATS 操作人員，在對其進行系統用戶手冊、系統界面顯示意義等內容的培訓和考核后，通過在仿真平臺上設置典型運營場景，對運營人員進行實操培訓考察；針對現場維保人員，系統研發人員在向其進行系統性能、故障指示燈意義、常見故障分析處理的培訓后，通過在仿真平臺預設故障考察現場維護人員的掌握程度；此外，仿真平臺還可以作為單位新員工培訓工具，為新員工快速掌握系統性能、積極參與項目開發提供了途徑。

（4）故障分析。故障分析功能包括兩部分：一種是FAO 系統設計時建立的預設故障庫，包括報警意義表述、常見故障模式分析。在實驗階段，通過在仿真平臺上進行故障注入的方式實現對系統的可靠性、安全性進行評估。另一種是現場故障分析，通過對綜合監測系統的現場記錄回放分析，研發人員判斷系統故障原因，利用仿真平臺模擬現場故障產生條件復現故障，最終確認故障原因和出具故障分析報告，以及相應的系統提升方案；同時將新故障進行歸類，升級完善預設故障知識庫，統計運行期間的故障數目，評估系統運行性能。

3 FAO 系統仿真平臺實驗室應用

FAO 系統仿真平臺實驗室應用內容包括：

（1）現場工程參數評估。城市軌道交通工程涉及眾多工程參數，可以分為設計工程數據、系統管理數據、運營數據和維護數據4 大類，如圖4 所示。開發人員依據行業規范和系統需求完成系統設計和實現。在FAO 仿真平臺上進行參數評估，待評估的參數可以分為兩類：一類屬于固定參數，如各系統通信IP 地址、端口號、軌道區間長度、各類繼電器數目等，這類參數變動很小，只需在仿真平臺上進行配置可行性評估；另一類屬于可變參數，如通信周期、通信超時判斷等，這類參數通過在系統配置并進行集成實驗，根據實驗結果評估選取最優值，提升系統運行性能。

（2）系統功能驗證和評估。在系統功能驗證和評估方面，FAO 系統仿真平臺包含的三類測試項目樣例如表3 所示。

（3）現場人員操作培訓。FAO 系統仿真平臺的培訓實驗內容如表4 所示。

圖4 城市軌道交通FAO 系統工程參數

表3 FAO 仿真平臺測試項目列表

表4 FAO 系統仿真平臺培訓內容

（4）故障分析。FAO 系統仿真平臺的預設故障庫的內容包括故障原因、故障產生的預期報警、故障應對及解決措施等；現場故障分析功能包含系統故障描述、故障影響、故障記錄、故障原因以及故障解決方案等內容。

4 結語

針對中城協城市軌道交通全自動運行系統技術規范的要求，結合具體工程應用需求，依托中國鐵道科學研究院創新基地，以廣州7 號線為應用背景，設計并實現了FAO 系統多功能仿真平臺。仿真平臺涵蓋工程參數評估、系統性能驗證和評估、人員培訓和故障分析四大功能，在加速系統工程化應用、提升系統性能、加強運營技術支持和系統維護保障等方面發揮了重要作用。