全自動運行列車在高架線路運行時接觸網異物侵限場景下的應對措施研究與實現

摘" 要：該文以上海市軌道交通10號線為例，對列車以全自動駕駛模式在高架線路運行時，接觸網異物侵限場景下的應對措施進行研究與分析。通過對列車設備的設計優化，配套對應的運營管理辦法，解決列車在高架線路運營中發現接觸網異物侵限時，現有10號線列車無法快速應急處置的問題，規避運營安全隱患。

關鍵詞：全自動駕駛；高架線路；接觸網；異物侵限；應對措施

中圖分類號：U284.48" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-00４７-0５

Abstract： Taking Shanghai Rail Transit Line 10 as an example， this paper studies and analyzes the countermeasures under the scene of foreign object intrusion in the overhead contact system when the train is running in fully automatic driving mode on the elevated line. By optimizing the design of train equipment and matching corresponding operation management methods， the problem that the existing trains of Line 10 cannot quickly deal with emergencies when foreign object intrusion in the overhead contact system are found to have violated the limit during the operation of the train on the overhead contact system has been solved， and the hazard of operation safety has been avoided.

Keywords： fully automatic driving; elevated line; overhead contact system; foreign object intrusion; countermeasure

上海市軌道交通10號線（以下簡稱“10號線”）是一條按全自動駕駛要求進行設計的地鐵線路，一期工程于2010年4月10日以有人駕駛模式開通運營。2014年8月9日起，以全自動駕駛模式載客運營，其間列車保留駕駛室與客室間的隔墻及駕駛室通道門，駕駛室操作臺不封閉；在運營管理上，采取由多職能列控人員平峰時段在客室內進行巡檢，高峰時段在駕駛室內進行運營監護，當列車發生故障時，可第一時間應急處置，降低故障發生對運營影響，規避發生運營大間隔。通過運營期間對列車設施設備不斷進行優化設計，列車運營安全性、可靠性及運營效率均得到了顯著提高。

為進一步推進10號線全自動駕駛無人值守運營管理，上海地鐵第一運營有限公司于2020年10月起，對列車駕駛室區域進行升級改造，取消了駕駛室與客室之間的隔墻和通道門，將原駕駛室區域做相應的內裝優化，并在司機室操作臺上設置全封閉鎖閉蓋板，改造后使原駕駛室區域與客室區域融為一體。

2020年12月26日，完成駕駛室區域升級改造的首列車上線載客運營，通過該列車運營，社會反響較好，但隨著10號線二期工程的開通，高架線路運營工況反映出有待優化改善的地方。由于改造后的列車無駕駛室，操作臺設置全封閉鎖閉蓋板，原“緊急停車按鈕”被隱藏在操縱臺蓋板下，若高架線路接觸網上存在異物侵限，按壓該“緊急停車按鈕”前，需要先打開操縱臺蓋板，操作的及時性存在問題，需要對該場景采取應對措施，使列車能夠及時施加緊急制動，避免弓網故障的發生，規避運營安全上的隱患。

1" 應對措施研究與分析

良好的弓網關系是確保城市軌道交通列車能夠安全運行的重要條件，以有人駕駛模式運行的列車為例，一般通過列車司機對行進前方進行監護。當列車司機發現前方接觸網上存在異物可能會導致侵限時，可通過按下駕駛室操作臺上“緊急停車按鈕”，使列車施加緊急制動，從而避免弓網故障的發生所造成正線運營大面積的延誤，規避運營安全上的隱患。

隨著對線路上接觸網和列車上受電弓安全運行的要求越來越高，近年來部分城市軌道交通新車項目中，引入了弓網監測設備，并在列車上安裝弓網監測裝置，對弓網關系進行實時監測和告警。該設備采用非接觸性監測方式，能自動識別受電弓及羊角結構異常，監測受電弓異常燃弧，檢測接觸網拉出值、導高值、磨耗值及硬點，在不停電、不取樣、不解體的狀況下，實時、快速地對弓網接觸位置進行動態監測，獲取弓網運行狀態信息，可提前發現弓網故障，規避因弓網故障的發生所造成運營大間隔及運營安全上的隱患；同時，該弓網監測設備還對大量的弓網運行動態數據進行統計分析，為運營部門提供維修依據。

針對10號線列車以全自動駕駛模式在二期工程高架線路存在接觸網異物侵限的運營場景，結合列車既有設計，可有以下解決方案。

一是利用弓網監測技術，對弓網運行狀態有無異常進行識別，識別結果與行車進行關聯，當識別出有異物侵限時，自動觸發列車施加緊急制動；二是將現有駕駛室操作臺上“緊急停車按鈕”進行外置，當監護人員發現運行前方存在接觸網異物侵限情況時，通過按下該按鈕，施加緊急制動。

由于弓網監測是一項新技術，因此存在一定的不足之處。從目前軌道交通車輛受電弓加裝監測系統的情況來看，車載受電弓監測裝置裝車運營業績不多，投入地鐵運營使用時間短，其設備可靠性、穩定性需要更長時間的運營考核；從運用環境來看，該系統的采集模塊安裝在車頂，隧道、高架線路的雨水、灰塵、振動和碳滑板粉末等惡劣環境都會對該監測裝置的適應性、監測的精準度及誤報率有較大影響，因此目前在各車輛采購項目中，弓網監測系統大多采取“只監不控”的方式，即監測結果未列入列車行車控制邏輯中，而更多地運用在弓網故障后的分析和檢修。

同時，10號線僅二期工程所采購的配屬車輛在設計上配有了弓網監測設備，原一期工程配屬車輛未配有弓網監測設備?？紤]車隊的統一性，如若對一期列車進行加裝，則需在列車車頂上重新開孔安放相關監測設備，還要對車體強度進行重新評估，并要考慮防水、空調風道等因素不對載客運營產生影響，同時改造周期較長，改造費用也較高，無法在短時間內實現10號線列車在高架線路上的全自動駕駛運營，故通過弓網監測設備識別高架線路上的接觸網有無異物侵限，將識別結果與行車自動關聯，并自動觸發列車施加緊急制動的方案，可行性較低。

根據10號線列車現有設計，在駕駛室區域內設置一個外置“緊急停車按鈕”，來應對高架線路特殊情況下的應急停車，列車改造周期較短，改造費用可控。改造完成后，可匹配相應的運營組織方案，當列車在地下線路運營時，多職能列控隊員在車廂內進行巡視和值守；當列車在高架線路運營時，多職能列控隊員在列車車廂的車頭位置值守，在發現運行前方存在侵限等異常情況時，可及時按下外置的“緊急停車按鈕”觸發列車施加緊急制動。方案比對見表1。

綜上所述，通過列車設備部分改造，并匹配相應運營管理的方式來應對發生高架線路接觸網異物侵限場景，該方案對于10號線設施設備現狀及運營管理來說，可行性較高，易采納。

2" 改造方案

由于10號線是以全自動駕駛模式運營，列車駕駛室處于開放狀態，乘客可以進入原列車駕駛室區域，因此外置“緊急停車按鈕”在選型和安裝位置上，既要考慮按鈕的可靠性，還要考慮到應急操作下的時效性、便利性，同時該按鈕的安裝位置不能被非工作人員輕易誤碰，避免列車觸發緊急制動，對運營造成影響。

2.1" 外置“緊急停車按鈕”樣式選型

外置“緊急停車按鈕”的樣式選型需要滿足以下幾個方面：①觸發按鈕的方式應該能讓工作人員操作方便，而乘客不易觸碰；②按鈕價格不應過高，便于后續備件采購時的生產成本預算可控；③選取的按鈕應為成熟應用產品，可靠性高，故障率低；④按鈕電器觸點數量應不少于與目前駕駛室操作臺上已有的“緊急停車按鈕”電器觸點數量；⑤按鈕外形尺寸不應過大，便于選取目前現車上的位置進行安裝。

根據以往項目列車電器原件樣式選型，按鈕樣式主要有手拉式、連桿轉換式、四角鑰匙轉換式和按壓自鎖式等，結合上述選型需要考慮的幾個角度及10號線列車現車空間，如選取手拉式和連桿轉換式按鈕，安裝按鈕需要開孔的尺寸較大，使按鈕可選擇安裝的布置區域范圍變小；如選取四角鑰匙轉換式按鈕，那么工作人員在應急操作時，需隨身攜帶專用工具，不夠便利；選取按壓自鎖式按鈕，便于按鈕安裝時配套完全封閉的防護保護，使乘客不宜觸碰，同時按壓式按鈕也便于工作人員應急情況下的操作，無需另外佩戴專用工具。故選取按壓自鎖式，其適合10號線列車目前現車情況，具備應急操作時效性和便利性。

2.2" 外置“緊急停車按鈕”布置區域選擇

外置“緊急停車按鈕”的布置區域選擇需要考慮以下幾個主要因素：①靠近工作人員瞭望站立區域；②僅工作人員可用，且便于快速操作；③避免乘客誤碰誤觸發；④便于張貼和查看警示提示標志；⑤功能與駕駛室操作臺處“緊急停車按鈕”相同；⑥便于現車改造。

根據10號線現車情況，可布置“緊急停車按鈕”的位置有以下幾個區域：a-駕駛室操作臺區域、b-駕駛室右側側護板區域、c-駕駛室頂板區域、d-駕駛室操作臺右側側墻區域，如圖1所示。

各位置安裝分析如下。

駕駛室操作臺區域（a）：操作臺上部布置操作臺蓋板，蓋板需方便拿取并保證密封性，若布置“緊急停車按鈕”于蓋板上，影響蓋板密封性且“緊急停車按鈕”接線、布線使得蓋板無法取下；另外，操作臺蓋板整體需要輕量化設計，布置“緊急停車按鈕”必將增重。

駕駛室右側側護板區域（b）：該區域側護板內部為駕駛室車體骨架和駕駛室線槽布置區域，選取的“緊急停車按鈕”長度為109 mm，無安裝和布線空間；此外，若對此位置側護板進行整改，需要拆除操作臺蓋板，才能拆除側護板，改造工作量大，且對已裝車設備拆除過程中存在線束磨損、設備碰撞損壞的風險。

駕駛室頂板區域（c）：布置在頂板區域，應急操作時需要仰視，相關標識標志也需要仰視才能查看，操作便利性和時效性均不高。

駕駛室操作臺右側側墻區域（d）：該區域靠近工作人員瞭望站立區域，便于工作人員發現列車前方接觸網存在異物侵限后原地進行應急操作，在操作上時效性較高；駕駛室操作臺右側側墻開、關門按鈕及布線會在進行全自動駕駛司機室內裝改裝時拆除，可利用該拆除的空間、機械接口和布線路徑等安裝“緊急停車按鈕”和相關布線，在空間上滿足改造條件；原側墻安裝開、關門按鈕的位置距地板面約1.55 m，高度適宜，可避免幼小兒童的誤操作；該區域可方便設置罩板，避免非操作人員的誤碰，同時可利用設置的罩板外殼張貼黃底黑字、警示醒目的標態，警示非工作人員不可操作該按鈕，布置按鈕的安全性較高；另外，該區域結構空間可靈活調整、設計，在施工時，改造便利性也較高。

通過以上分析和現車實地人機模擬，在“駕駛室操作臺右側側墻區域（d）”布置外置“緊急停車按鈕”是最優位置。

2.3" 外置“緊急停車按鈕”加裝后的電器改造

外置“緊急停車按鈕”觸點應接入原車“緊急停車按鈕”的各電器控制回路中，主要包含以下控制回路。

1）在緊急制動回路中，串聯方式新增該按鈕常閉觸點，在任意一端駕駛室按下該按鈕后，能觸發緊急制動。如圖2所示。

2）在降弓列車線及受電弓升降弓控制電路中，以串聯方式新增該按鈕常閉觸點，在任意一端駕駛室按下該按鈕后，受電弓能自動降下，并滿足在未恢復該按鈕時，受電弓無法升起。如圖3所示。

3）在按鈕監控回路中，并聯該按鈕的常開觸點，在任意一端駕駛室按下該按鈕后，能對該按鈕狀態進行實時監控，并將監控結果傳輸至控制中心。如圖4所示。

4）在無線電聯動對講回路中，以串聯方式新增該按鈕常閉觸點，使任意一端駕駛室在按下該按鈕后，車載無線電系統能收到該按鈕被按下的信息，并將信息傳輸至控制中心，便于調度人員及時獲知，同時能通過控制中心調度臺進行緊急人工對講。如圖5所示。

2.4" 外置“緊急停車按鈕”加裝后的功能驗證

外置“緊急停車按鈕”加裝后，需要對各電器回路進行測試，測試方案是在任意一端駕駛室按下外置“緊急停車按鈕”后，驗證如下項點：①列車能夠自動觸發兩受電弓降弓，輔助供電系統停止工作；②在列車動車情況下，能立刻施加緊急制動停車；③在列車駕駛室操作面板和控制中心在線監測平臺上，能夠顯示“緊急停車按鈕”被按下的信息提示；④車載無線系統上能夠聯動“緊急停車按鈕”被按下后的應急對講功能，與控制中心調度臺進行緊急人工對講。

2.5" 外置“緊急停車按鈕”加裝后的配套改造

考慮到當列車在高架線路運行過程中，由于駕駛室操作臺蓋板封閉，無法操作駕駛室操作臺上的刮雨器開關，刮雨器不工作，影響雨雪天氣下的多職能列控人員瞭望，無法及時觀察到接觸網上有無異物侵限，上述改造的外置“緊急停車按鈕”仍不能起到預期作用，故需配套將列車刮雨器開關也同步外置。

外置的刮雨器開關安裝位置和相關布線考慮點與外置“緊急停車按鈕”一致，應當具有鎖閉結構防護，鎖閉結構又能易于開啟且能防止駕駛室開放環境下乘客觸碰；另外，安裝位置應易于操作，便于日常檢修維護；改造方案還需易于刮雨器開關安裝布線，并盡量減少對現車結構的影響，基于上述考慮，最終選擇將刮雨器開關移至原駕駛室裝有旁路開關的電器柜內。

3" 方案評估

3.1" 風險等級的定義

為了分析和驗證10號線列車采取上述改進方案后所帶來的運營風險，根據鐵路交通工具風險等級評估體系EN 50126《鐵路應用可靠性、可用性、可維護性和安全性技術條件和驗證》，進行了該方案的風險評估。

風險等級是以風險嚴重程度和發生頻率的矩陣為基礎來確定的，見表2，其中R1代表不可忍受，R2代表應避免的，R3代表可忍受的，R4代表可忽視的。

3.2" 方案風險評估

從設計角度和列車實際運營情況等多方面，分析改造方案存在的風險如下。

1）在緊急制動回路中，當外置“緊急停車按鈕”常閉觸點黏連時，就會造成按下該按鈕后，列車未能施加緊急制動。該故障嚴重程度為災難，發生頻率為10-6～10-4/年，風險等級為R3。

2）在降弓列車線及受電弓升降弓控制電路中，當外置“緊急停車按鈕”常閉觸點黏連時，就會造成按下該按鈕后，出現受電弓降弓無效情況。該故障嚴重程度為災難，發生頻率為10-6～10-4/年，風險等級為R3。

3）在按鈕監控回路中，當外置“緊急停車按鈕”常開觸點故障時，會造成按下該按鈕后，監控結果未能傳輸至控制中心。該故障嚴重程度為嚴重，發生頻率為10-6～10-4/年，風險等級為R3。

4）在無線電聯動對講回路中，當外置“緊急停車按鈕”常閉觸點黏連時，會造成按下該按鈕后，車載無線電系統無法收到被按下的信息，調度人員無法及時獲知，并通過控制中心調度臺進行緊急人工對講。該故障嚴重程度為次要，發生頻率為10-6～10-4/年，風險等級為R4。

通過上述分析得知，該項改造方案未降低列車運營安全等級，可以保證列車安全運營。

4" 結束語

通過外置“緊急停車按鈕”的安裝調試和功能驗證，解決了10號線以全自動駕駛模式運行在高架線路發生接觸網異物侵限時，無法快速進行應急處置、觸發列車施加緊急制動停車的問題，規避了列車運營安全隱患，為其他全自動駕駛項目列車在地面及高架線路運行時，接觸網發生異物侵限場景下的應對措施提供了參考和幫助。

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