城市軌道交通全自動(dòng)駕駛車(chē)輛基地創(chuàng)新研究*

徐德培 史時(shí)喜 楊子亮

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥第一作者，助理工程師)

2020年3月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡(jiǎn)稱《綱要》)，構(gòu)建了“1-8-1-1”智慧城軌發(fā)展藍(lán)圖，指導(dǎo)和鼓勵(lì)各城市有序推進(jìn)智慧城軌建設(shè)。為此，城市軌道交通車(chē)輛基地可從智能列車(chē)運(yùn)行、智能運(yùn)維安全、智能基礎(chǔ)設(shè)施等3個(gè)方向進(jìn)行創(chuàng)新。

1 智能列車(chē)運(yùn)行

智能列車(chē)運(yùn)行方面，《綱要》提出完善、優(yōu)化、推廣列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，建立中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的智能全自動(dòng)列車(chē)運(yùn)行體系。FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)，是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行全過(guò)程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)。根據(jù)城市軌道交通列車(chē)通信與運(yùn)行控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室和城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)布的《城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)建設(shè)指南》，將FAO系統(tǒng)由正線引入至車(chē)輛基地后，對(duì)車(chē)輛基地的建設(shè)提出新的要求。

1.1 FAO系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛基地的要求

按全自動(dòng)車(chē)場(chǎng)進(jìn)行車(chē)輛基地設(shè)計(jì)，與正線系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)列車(chē)全自動(dòng)運(yùn)行。車(chē)輛基地分類(lèi)如表1所示。

表1 車(chē)輛基地分類(lèi)Tab.1 Vehicle base classification

1)通過(guò)ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)提高出入段行車(chē)速度，通過(guò)ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng))自動(dòng)排進(jìn)路，不需要出入段信號(hào)轉(zhuǎn)換，提高收發(fā)車(chē)的效率。

2)提高段場(chǎng)內(nèi)列車(chē)轉(zhuǎn)線效率，防止司機(jī)操作失誤造成事故，如冒進(jìn)信號(hào)等。

3)通過(guò)列車(chē)自動(dòng)休眠、自動(dòng)喚醒、自動(dòng)自檢及自動(dòng)洗車(chē)等措施，提高FAO系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度。

4)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息自動(dòng)傳輸，配合檢修信息化技術(shù)，提高列車(chē)檢修效率，縮短故障處理時(shí)間。

1.2 全自動(dòng)駕駛車(chē)輛基地功能變化

根據(jù)FAO系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛基地的要求，全自動(dòng)駕駛車(chē)輛基地劃分為全自動(dòng)駕駛區(qū)和非全自動(dòng)駕駛區(qū)［1］。與人工駕駛車(chē)輛基地相比，其主要功能存在如下變化。

1.2.1 新增功能

1)新增全自動(dòng)駕駛區(qū)域，由信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的全自動(dòng)駕駛。正線服務(wù)的列車(chē)自“喚醒”至“休眠”應(yīng)全部納入ATS時(shí)刻表管理與控制。

2)新增全自動(dòng)駕駛區(qū)域與非全自動(dòng)駕駛區(qū)域的隔離設(shè)施，并增設(shè)門(mén)禁系統(tǒng)。人員及車(chē)輛通過(guò)門(mén)禁進(jìn)入全自動(dòng)駕駛區(qū)域時(shí)，必須得到控制中心授權(quán)。

3)新增全自動(dòng)駕駛區(qū)域若干防護(hù)分區(qū)的劃分，并增設(shè)通往各防護(hù)分區(qū)的地下通道(當(dāng)采用接觸軌供電時(shí)為人行天橋)。停車(chē)列檢庫(kù)應(yīng)設(shè)在全自動(dòng)駕駛區(qū)域內(nèi)，檢查坑按100%設(shè)置。為方便管理，停車(chē)列檢庫(kù)應(yīng)按每2股道劃分1個(gè)防護(hù)分區(qū)，以減少列檢作業(yè)對(duì)其他股道的影響。

4)新增全自動(dòng)駕駛區(qū)域SPKS(人員防護(hù)開(kāi)關(guān))與信號(hào)、行車(chē)自動(dòng)化的聯(lián)鎖功能。檢修和清掃作業(yè)人員須通過(guò)庫(kù)尾打開(kāi)SPKS開(kāi)關(guān)及門(mén)禁才可進(jìn)入無(wú)人防護(hù)分區(qū)作業(yè)，多職能人員(兼司機(jī))可從庫(kù)中地下通道打開(kāi)門(mén)禁通往指定列車(chē)登車(chē)隨車(chē)上正線。

5)新增列車(chē)自動(dòng)喚醒、自檢、起動(dòng)列車(chē)并自動(dòng)運(yùn)行至正線等全自動(dòng)駕駛新要求的功能。

6)新增列車(chē)清洗機(jī)與信號(hào)系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗車(chē)功能。

7)新增試車(chē)線全自動(dòng)無(wú)人駕駛測(cè)試，包括列車(chē)休眠、喚醒、對(duì)位停車(chē)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)、列車(chē)自動(dòng)換端等。

8)新增全自動(dòng)駕駛區(qū)車(chē)庫(kù)內(nèi)照明遠(yuǎn)程控制功能。

9)新增段內(nèi)調(diào)車(chē)信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。在全自動(dòng)駕駛車(chē)輛基地，需要有1段軌道用于列車(chē)往返全自動(dòng)駕駛區(qū)至非全自動(dòng)駕駛區(qū)時(shí)的駕駛模式轉(zhuǎn)換，通?？衫贸Ｒ?guī)車(chē)輛基地的牽出線作為信號(hào)轉(zhuǎn)換軌。

1.2.2 增強(qiáng)功能

1)增強(qiáng)全自動(dòng)駕駛區(qū)域火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等功能，并增加各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能。

2)全自動(dòng)駕駛區(qū)域車(chē)庫(kù)大門(mén)增強(qiáng)為自動(dòng)門(mén)，增加根據(jù)行車(chē)進(jìn)路自動(dòng)開(kāi)閉功能。

2 智能運(yùn)維安全

智能運(yùn)維安全方面，《綱要》提出建立智能運(yùn)維和安全保障體系，以提高列車(chē)日常檢修效率，降低列車(chē)運(yùn)維成本。實(shí)現(xiàn)高等級(jí)智能運(yùn)維需要數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、分析診斷智能化、管理系統(tǒng)信息化、工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化。其體系架構(gòu)如圖1所示［2-3］。

圖1 車(chē)輛基地智能運(yùn)維體系架構(gòu)Fig.1 Intelligent operation and maintenance architecture of vehicle base

2.1 車(chē)載綜合監(jiān)控系統(tǒng)

全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式下，控制中心調(diào)度員不但需要實(shí)時(shí)了解列車(chē)的運(yùn)行位置，還要對(duì)列車(chē)車(chē)載設(shè)備、車(chē)廂環(huán)境等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)置TISCS(車(chē)載綜合監(jiān)控系統(tǒng))，承擔(dān)包括設(shè)備監(jiān)控、車(chē)廂監(jiān)控、乘客溝通、應(yīng)急指揮在內(nèi)的功能。

2.2 軌旁綜合檢測(cè)系統(tǒng)

軌旁綜合檢測(cè)系統(tǒng)由全車(chē)360°視覺(jué)檢測(cè)、輪對(duì)尺寸檢測(cè)、踏面損傷檢測(cè)、走行部溫度檢測(cè)、受電弓/集電靴檢測(cè)等功能模塊組成。在車(chē)輛基地入段線檢測(cè)棚內(nèi)軌道旁安裝基于機(jī)器視覺(jué)、紅外線、激光、超聲探傷、聲學(xué)等傳感技術(shù)的檢測(cè)裝置，車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)可自動(dòng)檢測(cè)車(chē)輛的外表故障、磨耗件尺寸和內(nèi)部損傷、走行部溫度、車(chē)體外觀等日常維保所需檢測(cè)的信息，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至控制中心智能運(yùn)維專(zhuān)家平臺(tái)。

也可在車(chē)輛基地運(yùn)用庫(kù)檢查坑設(shè)置智能檢修機(jī)器人輔助人工列檢作業(yè)。利用機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等多種控制技術(shù)及其先進(jìn)算法，采集車(chē)底、車(chē)側(cè)高清圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)提供故障判斷和故障預(yù)警，提高檢修質(zhì)量及效率。系統(tǒng)包括檢修機(jī)器人、配套設(shè)備(充電機(jī)、服務(wù)器、軌道等)及軟件平臺(tái)。

2.3 智能檢修信息化管理系統(tǒng)

智能檢修信息化管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢修、人員、設(shè)備、物料、備件、車(chē)輛履歷等相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛基地檢修作業(yè)的全程可視化管控;通過(guò)大數(shù)據(jù)專(zhuān)家分析技術(shù)得到相關(guān)結(jié)論，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)、工藝優(yōu)化、決策分析，達(dá)到控制檢修成本、提高檢修效率、保證檢修質(zhì)量的目的。該系統(tǒng)包括服務(wù)器、機(jī)柜、手持機(jī)、工作站、射頻識(shí)別電子標(biāo)簽、監(jiān)控大屏等配套設(shè)備和軟件平臺(tái)。

2.4 自動(dòng)駕駛區(qū)作業(yè)綜合管理系統(tǒng)

在列車(chē)自動(dòng)出入庫(kù)及庫(kù)內(nèi)作業(yè)的過(guò)程中，必須確保檢修人員和設(shè)備安全。作業(yè)區(qū)是被隔離的區(qū)域，應(yīng)將該區(qū)域與信號(hào)聯(lián)鎖，當(dāng)列車(chē)靜止時(shí)，才允許檢修人員進(jìn)入作業(yè)區(qū);在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，必須對(duì)庫(kù)內(nèi)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行安全聯(lián)鎖控制，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉狀態(tài)進(jìn)行全程安全監(jiān)控，確保作業(yè)區(qū)人員安全。

在車(chē)輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)設(shè)置作業(yè)綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集作業(yè)手續(xù)辦理、接觸網(wǎng)/軌綜合接地、門(mén)禁管理、作業(yè)范圍管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、作業(yè)流程管理及評(píng)價(jià)、人員防護(hù)等功能于一體。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 自動(dòng)駕駛區(qū)作業(yè)綜合管理系統(tǒng)功能組成Fig.2 Functional composition of the comprehensive operation management system for automatic driving area

2.5 智能運(yùn)維專(zhuān)家平臺(tái)

通過(guò)在控制中心配置相應(yīng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析及展示功能等，方便地面人員掌握列車(chē)狀態(tài)信息，以便快速做出應(yīng)對(duì)反應(yīng)。該平臺(tái)包括機(jī)柜、服務(wù)器、監(jiān)控大屏等配套設(shè)備及平臺(tái)軟件。

2.6 智能運(yùn)維對(duì)既有運(yùn)維模式、運(yùn)維制度的改變

國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)輛的維修制度通常采用定期計(jì)劃性維修+臨時(shí)故障性維修模式。車(chē)輛檢修修程分為大修、架修、定修、三月檢、雙周檢、列檢共6級(jí)。目前亦有部分城市正在探索精益修、均衡修模式。

智能運(yùn)維系統(tǒng)已在上海軌道交通17號(hào)線實(shí)現(xiàn)落地實(shí)施。通過(guò)MVB(多功能車(chē)輛總線)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視建立車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程可視化管理平臺(tái);通過(guò)車(chē)載視頻遠(yuǎn)程監(jiān)視建立應(yīng)急指揮調(diào)度技術(shù)平臺(tái)，輔助多職能人員快速排除故障，縮短故障解決時(shí)間;完善智能故障診斷策略、豐富預(yù)警規(guī)則，及時(shí)將故障消除在萌芽狀態(tài)，進(jìn)一步提高列車(chē)可靠性，減少清客、晚點(diǎn)發(fā)生的次數(shù);通過(guò)軌旁智能檢測(cè)將日檢改進(jìn)為8日檢，降低日檢頻率和檢修維護(hù)成本;由設(shè)備檢代替人工檢，顯著提高檢修作業(yè)效率。智能運(yùn)維系統(tǒng)為逐步探索取消日檢，為開(kāi)展計(jì)劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。

3 智能基礎(chǔ)設(shè)施

智能基礎(chǔ)設(shè)施方面，《綱要》提出運(yùn)用各種類(lèi)型傳感、視頻系統(tǒng)、周界防范系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感等檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)，形成完整的智能監(jiān)測(cè)感知體系。車(chē)輛基地在基礎(chǔ)設(shè)施方面可從通風(fēng)、照明、消防、安防等方面提升智能化水平。

3.1 智能通風(fēng)

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分析決策與聯(lián)動(dòng)調(diào)控的全程自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)。例如，當(dāng)有列車(chē)進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，由BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))根據(jù)列車(chē)停車(chē)位置動(dòng)態(tài)開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的排風(fēng)機(jī)，其他單體的通風(fēng)機(jī)可采用溫控型風(fēng)機(jī)，通過(guò)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度控制風(fēng)機(jī)間歇運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理和低能耗運(yùn)行。

3.2 智能照明

在智慧照明中，Air Lamp(商用物聯(lián)網(wǎng)智能照明技術(shù))主要提供人工本地控制、自動(dòng)照明控制、集中控制和定時(shí)控制等4種控制方式。這些控制方式既可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)、全自動(dòng)、不依賴上位機(jī)(或上層業(yè)務(wù)應(yīng)用)的控制，也可以通過(guò)WF-IoT(融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))云管控平臺(tái)進(jìn)行個(gè)性化的大規(guī)?？刂?。

3.3 智能消防

車(chē)輛基地設(shè)置有車(chē)站級(jí)FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))，該系統(tǒng)可將其監(jiān)控結(jié)果傳輸至本線的運(yùn)營(yíng)控制中心。FAS系統(tǒng)目前尚未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的深度集成自動(dòng)化管理，在一定程度上不同線路車(chē)輛基地間的消防資源是孤立存在的，無(wú)法達(dá)到資源的有效整合。因此，有必要統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，集中、實(shí)時(shí)監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)單位消防安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)資源共享、統(tǒng)一調(diào)度。

3.4 智能安防

智能安防系統(tǒng)通過(guò)圖像傳輸、圖像存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、圖像識(shí)別等模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、監(jiān)控和智能門(mén)禁等功能。該系統(tǒng)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)安防技術(shù)過(guò)渡依賴人工視覺(jué)判斷等不足之處，推動(dòng)車(chē)輛基地向智慧管理邁進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

車(chē)輛基地智慧化解決方案的應(yīng)用效益主要體現(xiàn)在提高檢修作業(yè)效率、保障運(yùn)維安全、提升車(chē)輛運(yùn)營(yíng)可靠性、降低檢修維護(hù)成本、提升智能化水平等方面。全自動(dòng)運(yùn)行和智慧化場(chǎng)段的應(yīng)用是城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。本文的研究成果可為車(chē)輛基地的智慧化和智能化設(shè)計(jì)提供參考。