城市軌道交通全自動運行的列車控制模式自動升級方案研究

黃浩勇 柴 娟

(1.成都工業職業技術學院， 610031， 成都； 2.上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥第一作者， 高級工程師)

在城市軌道交通全天運行中會經歷各種不同的場景，包括列車喚醒、出庫、正線運行、回庫及故障等。根據不同應用場景的需求，列車控制模式也需隨之進行升級或者降級，以保障列車安全、高效、可靠運行。

在有人駕駛情況下，列車的相關控制模式可以由司機完成，也可以由信號系統自動完成。在有人駕駛的CBTC(基于通信的列車控制)情況下，列車控制模式的降級一般需要在列車停車后由司機人工選擇，而控制模式的升級一般可以由信號系統自動完成，包括由人工限制駕駛模式升級到人工ATP (列車自動防護)模式、ATO(列車自動運行)模式。

在FAM(全自動運行模式)下，由于列車上沒有司機，信號系統需要根據一定的技術手段來自動完成列車控制模式的升級，這也是FAM高度自動化的體現之一。需要自動升級的場景主要包括列車喚醒后的自動升級、車載信號系統故障重新啟動(以下簡稱“重啟”)后的自動升級等。當然這其中還需要具備相關的技術前提條件，如喚醒后的自動升級需要列車具備記憶定位功能或通過信標讀取完成初始定位。

本文從場景的角度出發，研究FAM下需要完成列車控制模式自動升級的具體場景，并研究列車控制模式自動升級的技術方案。

1 FAM下列車控制模式自動升級場景

1.1 列車喚醒后的自動升級

對于全自動運行下的列車控制模式，列車從未激活狀態到激活狀態，再到列車出庫進入正線的整個流程，都是依靠信號系統、車輛系統、通信系統和綜合監控系統協同、自動實現的。

列車喚醒的過程如下：

1) OCC(運營控制中心)行車調度應在列車自動喚醒前通過ATS(列車自動監控)確認在停車庫內或正線休眠點的列車工況均為休眠。

2) ATS根據出庫計劃自動下發列車喚醒指令。信號系統的喚醒模塊通過采集車輛低壓母線上電信號，以判斷列車是否被激活。

3) 列車上電后，CC(車載控制器)、車輛設備、車載通信設備開始自檢。車輛設備、車載通信設備上電并自檢成功后，將自檢結果送給TCMS(列車控制和管理系統)。TCMS將自檢結果匯總后，通過自檢成功碼位反饋給CC。CC自檢成功后，匯總TCMS發來的車輛設備、車載通信設備的自檢結果，上報OCC列車上電、完成自檢。

4) 列車完成上電自檢后進入聯合自檢。

5) 聯合自檢成功后，列車自動進入FAM，同時CC將聯合自檢的完整信息上報ATS。其中，列車是否進入FAM的信息也包括在內。

6) ATS自動喚醒聯合自檢成功的列車，下發運營計劃。

7) ATS自動向列車下發“待命”命令。

1.2 列車降級后的自動升級

列車發生故障后，出于安全考慮，需要將列車控制模式降級，以限制列車的運行速度。在FAM下，車輛系統、信號系統發生故障，都會引發列車控制模式降級。以車載信號系統故障為例，列車發生車載故障后需進行設備重啟，重啟經處置后恢復的情況下在一定的條件下具備自動進入FAM的條件。因硬件設備故障引起、重啟后無法消除的故障，本文暫不研究。以下是針對由于軟件故障造成車載設備重啟的處置場景：

1) 車載ATC(列車自動控制)設備發生單系故障時，自動進行主備切換；

2) 車載ATC設備兩系均故障時，列車緊急停車；

3) 列車緊急制動無法恢復時，需通過OCC遠程重啟，恢復ATC車載控制器的功能。重啟成功后，OCC授權列車進入遠程RM(限制人工模式)。當條件滿足時，列車再自動升級為FAM。

由此，根據列車車載故障場景，車載需要具備遠程重啟、遠程控制行車及自動升級為FAM等功能。

2 FAM下列車控制模式自動升級的方案研究

2.1 列車喚醒后自動升級為FAM

列車喚醒后自動升級為FAM的具體流程見圖1所示。

圖1 列車喚醒后自動升級為FAM的啟動流程

基于列車自動喚醒出庫的場景，全自動運行列車在停車庫完成聯合自檢后自動升級到FAM需具備一定條件。其中，首要的條件是必須具備列車定位信息，而此時車載信號系統剛剛完成初始化，如果要在未動車前具備精確的定位信息，車載信號系統必須具備記憶列車休眠前位置的功能。車載信號系統可以在列車休眠前先將位置信息存儲于ROM (只讀存儲器)單元中，一旦車載設備休眠斷電，ROM中的列車位置信息將被保存下來。

這樣的列車位置保持方式帶來了另外的問題，即一旦列車休眠，該列車將不能在車載設備未開啟的情況下移動，如果發生了移動，那么列車的實際位置信息將與ROM中存儲的信息不符，進而可能引發安全問題。由此，為了防止列車位置移動后帶來的安全問題，車載需要在列車運行時進行位置校驗，以確定ROM中保存的位置信息的正確性。一旦列車位置校驗失敗，信號車載系統將輸出緊急制動命令。根據以上需求，需要將特定的校驗信標安裝于指定的列車休眠喚醒區域。圖2為列車休眠區校驗信標布置原則示意圖。

圖2 列車休眠區校驗信標的布置示意圖

以上方案的不足在于列車一旦在斷電過程中發生位置改變，需要在喚醒后通過一定的技術手段進行位置校驗。基于這個原因，本文提出改進方案如下：將位置處理單元獨立布置，或在車載其他設備休眠的狀態下使位置處理單元仍處于工作狀態，這樣可以無需再定義具體的休眠區，還能避免列車在休眠過程中發生非期望移動產生記憶位置與實際位置不符的問題，也不再需要在特殊位置設校驗信標，進而節省了運維成本。在列車喚醒后，車載設備可直接獲得當前的位置信息，以完成升級為FAM。

2.2 車載設備故障恢復后自動升級為FAM

2.2.1 車載ATC設備單系故障

對于車載ATC設備單系故障，信號車載系統應能自動切換至備用系統并運行，但不能僅依靠單系統長時間維持運營，這就要求車載ATC必須具備重啟故障一系的能力。單系故障后的重啟復位不能影響列車的正常運行，可以通過2種方案來實現：

1) 車載ATC自動判斷。ATC自動檢測到車載設備一系故障后，通過另一系發送重啟指令，完成故障設備的重啟。

2) OCC遠程控制。OCC收到車載故障告警信息后，通過遠程操作實現車載設備遠程重啟。

2.2.2 車載ATC設備兩系均故障或列車緊急制動無法恢復

車載ATC兩系均故障時，列車產生緊急制動，此時只能通過OCC發送遠程重啟指令來實現車載設備復位。這樣的處置方式同樣適用于緊急制動無法恢復的場景。此時車載設備重啟裝置應獨立于車載信號系統，否則將無法實現重啟指令的接收功能。

2.2.3 遠程輔助駕駛模式控制

列車運行過程中發生故障后采取重啟措施，信號車載系統初始化后是沒有定位信息的，因此，如果列車要自動升級為FAM，必須使列車被準確定位。一種可行的方式是通過遠程輔助駕駛列車的方式，讀取軌旁定位信標，實現列車定位的建立。

遠程輔助駕駛首先要應考慮列車的運行安全。在遠程輔助駕駛模式啟用前，列車無精確定位，但是有區段占用信息，其防護區域需覆蓋整個計軸區段。圖3為無精確定位列車的移動授權過程示意圖，具體的授權過程為：①信號系統判斷列車運行前方進路狀態，只有有效的進路才能授權；②軌旁區域控制器根據列車運行前方的運行條件判斷列車的移動授權，并發送給列車；③收到移動授權命令后，列車以FAM低速運行；④列車讀取軌旁信標后便完成自身精確定位，此時列車可自動升級為FAM。

注：AP——自動防護；G1——列車占用計軸區段；S1、S2——信號機。

3 結語

對于全自動運行線路，列車控制模式的自動升級是非常重要的功能，這決定了列車在降級情況下的處置效率。若列車無法完成自動升級，轉為人工處置將需要較長的時間，甚至可能會造成長時間的運營中斷。與有人駕駛模式相比，全自動運行涉及的運營場景更多、更為復雜，需要通過對場景進行更為深入的分析，以完善其功能方案設計。本文可為未來全自動運行線路的場景設計和方案設計提供參考。