孫延煥 陳麗民 陳軍科

(1.北京東直門機場快速軌道有限公司 北京 100027;2.阿爾斯通交通股份有限公司 北京 100027)

近幾十年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，在各大城市已逐步形成網(wǎng)絡(luò)化規(guī)模的同時，信號技術(shù)“基于無線通信的列車控制系統(tǒng)”方案也獲得了實際商業(yè)應用的成功。這在確保極高安全性的前提下，為提高城市軌道交通線網(wǎng)運輸能力提供了可能;同時也將信號技術(shù)帶入了“全自動無人駕駛模式”的發(fā)展期。全自動無人駕駛系統(tǒng)作為先進的城市公共交通體系，代表了城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 北京機場線無人駕駛系統(tǒng)

北京機場線是北京市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃中的一條客運專線，由市中心向東北方向連接首都國際機場，主要服務(wù)于航空旅客，具有城市候機樓功能。線路全長28.1 km，共設(shè)4個車站，分別為東直門站、三元橋站、T2站及T3站。全線設(shè)有主、備兩處控制中心。

全線采用直線電機車輛，4節(jié)編組，共計10列，牽引供電形式為三軌授流、走行軌回流。信號系統(tǒng)采用基于無線通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，即CBTC(communication based train control)系統(tǒng)。

1.1 信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能

機場線采用阿爾斯通公司提供的 URBALIS?TMCBTC系統(tǒng)，支持全線和車輛段無人駕駛?cè)詣舆\行。該系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特點是使用了SDH(synchronous digital hierarchy，同步數(shù)字系列)冗余骨干網(wǎng)，以確保各子系統(tǒng)間的通信及通過無線系統(tǒng)實現(xiàn)車地雙向通信。

1.1.1 URBALIS?TMCBTC系統(tǒng)特點

機場線無人駕駛系統(tǒng)主要由線路控制器、中央?yún)^(qū)域控制器、軌旁區(qū)域控制區(qū)、車地傳輸設(shè)備、骨干網(wǎng)及控制中心等設(shè)備組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

北京機場線采用的URBALIS?TMCBTC系統(tǒng)是一個基于無線通信的CBTC移動閉塞系統(tǒng)，可在高等級安全性、可用性和可靠性的性能水平下實現(xiàn)完全自動管理線路行車、優(yōu)化系統(tǒng)生命周期成本，其主要特點如下。

1)自動化。除正線使用CBTC模式外，車輛段也設(shè)計為全自動化車輛段。段內(nèi)調(diào)車、列車清洗、車輛段和正線間的列車調(diào)控，均可通過中心ATS(automatic train supervision，列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)由控制中心的調(diào)度操作和管理，最大限度地實現(xiàn)了系統(tǒng)的集中控制、操作和管理，大大提高了線路的運營效率。

2)安全性。自動列車控制、微機聯(lián)鎖、列車檢測等設(shè)備均通過獨立認證機構(gòu)的SIL4級認證。基于故障導向安全原則，各子系統(tǒng)間的通信使用編碼技術(shù)以安全防范未經(jīng)許可的網(wǎng)絡(luò)接入，并根據(jù)CENELEC標準，進行系統(tǒng)安全論證。

3)可用性。通過內(nèi)嵌冗余技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和高可靠性設(shè)備的選用得以實現(xiàn)。

圖1 機場線URBALIS?TM總體結(jié)構(gòu)

4)可維護性。各系統(tǒng)主要設(shè)備的內(nèi)嵌自檢功能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可將報警和診斷結(jié)果實時發(fā)送給控制中心，使系統(tǒng)的可維護性有了較大的提高。

5)可擴展性。由于使用骨干網(wǎng)傳輸，可以通過增加骨干網(wǎng)模塊實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，以應對增加列車、車站，或延伸線路的需求。

1.1.2 SDH冗余骨干網(wǎng)技術(shù)

冗余骨干網(wǎng)是CBTC信號系統(tǒng)所有通信設(shè)施的基礎(chǔ)。通過以太網(wǎng)開關(guān)和SDH節(jié)點與各車站信號設(shè)備室、車輛段及控制中心連接。SDH冗余骨干網(wǎng)絡(luò)由于采用光纖連接方式，故可以得到可靠防護，當光纖被切斷時，它能夠很快地進行系統(tǒng)自身的重新配置，以確保傳輸不受影響，如圖2所示。當切斷或損壞光纜修復完成后，系統(tǒng)可自動恢復保護，并切回正常運行模式。

圖2 SDH網(wǎng)絡(luò)保護原理

1.2 無人駕駛系統(tǒng)的列車控制應用

機場線無人駕駛系統(tǒng)是基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)，無人駕駛功能的實現(xiàn)，主要通過車載設(shè)備、軌旁區(qū)域控制器及線路控制器等主要設(shè)備進行列車定位、防護及精確停車，具體功能如下。

1.2.1 車載設(shè)備

車載設(shè)備系統(tǒng)通過讀取沿線設(shè)置的位置信標結(jié)合編碼里程計進行位置計算，由此來確定列車在軌道上的位置，并將此信息發(fā)送給軌旁ATP/ATO(automatic train protection/automatic train operation，列車自動防護/列車自動運行)設(shè)備。

在列車頭尾各設(shè)置一套車載計算機設(shè)備，采取頭尾熱備冗余配置方式，車頭為主用，車尾為備用。當車頭主用計算機設(shè)備發(fā)生故障時，在不影響正常行車的情況下，車載設(shè)備自動切換至車尾設(shè)備，繼續(xù)正常行車。

1.2.2 軌旁區(qū)域控制器

軌旁區(qū)域控制器根據(jù)在線列車的位置情況，給每列車建立一個安全范圍，稱為AP(automatic protection，自動保護)，其他列車均不能進入此范圍。軌旁區(qū)域控制器根據(jù)每個AP的位置和CI(computer interlocking，計算機聯(lián)鎖)發(fā)送軌旁設(shè)備的狀態(tài)計算出授權(quán)終點，將此授權(quán)終點通過車地無線通信發(fā)送給列車，列車根據(jù)接收的授權(quán)信息和線路限速等相關(guān)信息，計算出一條至前車尾部的控制曲線，作為列車安全運行的防護曲線。

軌旁區(qū)域控制器采用3取2冗余方式，主要由計算機設(shè)備和輸入輸出設(shè)備組成，當主用計算機發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換至備用設(shè)備，不影響列車正常運行。

1.2.3 車地無線傳輸

機場線車地無線傳輸采用波導管傳輸方式，沿線設(shè)置無線接入點與波導管連接，車載信息通過車上無線天線與軌旁無線接入點進行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

1.2.4 車站精確停車

通過列車位置測量，可實現(xiàn)站臺停車功能。為實現(xiàn)站臺精確停車，在站臺停車點前設(shè)置2個重新定位信標，列車在進站停車過程中，可通過讀取重新定位信標進行列車位置的精確修正，從而實現(xiàn)站臺精確停車。

1.3 車載圖像監(jiān)控系統(tǒng)的應用

機場線車地圖像傳輸系統(tǒng)采用列車內(nèi)部和外部設(shè)置攝像頭方式，將列車內(nèi)部情況和列車運行區(qū)域的線路情況，通過車地無線傳輸將信息實時傳送至控制中心。

列車在無人駕駛模式下，控制中心調(diào)度員進行運行列車的實時監(jiān)控，若車內(nèi)發(fā)生特殊情況需要處理時，中心調(diào)度員通過車載電臺與車內(nèi)乘務(wù)人員取得聯(lián)系，進行特殊情況的處理。

1.4 車輛段采用自動化設(shè)計

機場線車輛段為自動化車輛段，在無人駕駛模式下，列車接收發(fā)車指令后，從車輛段停車線自動發(fā)車上線載客運行，當天運行任務(wù)結(jié)束后，列車通過回段進路自動運行至車輛段停車線。

另外，機場線車輛段具備列車自動洗車功能。當列車有洗車需求時，自動洗車命令觸發(fā)后，列車自動被發(fā)往洗車線執(zhí)行洗車操作，列車到達洗車開始位置后，將根據(jù)ATS的遠程命令對列車實施速度控制以執(zhí)行洗車程序。列車運行至洗車庫洗車范圍后自動停車，洗車機以一定速度往返運動。洗車結(jié)束，列車自動返回停車線。

2 機場線無人駕駛系統(tǒng)的優(yōu)越性

機場線采用的全自動無人駕駛系統(tǒng)是一種將列車駕駛員執(zhí)行的工作，完全由自動化、高度集中的控制系統(tǒng)所替代的列車運行模式。

機場線無人駕駛系統(tǒng)最顯著的特點:控制系統(tǒng)的操縱完全依照信號系統(tǒng)發(fā)送的行車指令進行系統(tǒng)控制。

無人駕駛與有人駕駛相比具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在安全性和可靠性高，列車高密度運行，實現(xiàn)更快、更安全的旅客輸送。

2.1 安全性、可靠性高

列車人工操作易受主觀和外界因素干擾，從而在安全性方面存在不確定性和不穩(wěn)定性，成為導致軌道交通故障或事故的原因。

機場線全自動無人駕駛系統(tǒng)運用現(xiàn)代設(shè)計理念，采用硬件和軟件的冗余措施，利用高可靠性和安全性的信號系統(tǒng)，可靠、實時地傳輸大容量通信數(shù)據(jù)，快速準確地進行故障診斷分析與排除，結(jié)合自動列車監(jiān)控系統(tǒng)、控制中心以及人工監(jiān)視與干預的機制來確保較高的安全性和可靠性。

2.2 行車密度高

機場線全自動無人駕駛系統(tǒng)的信號系統(tǒng)采用了基于無線通信技術(shù)的移動閉塞系統(tǒng)，通過與車輛高精度控制系統(tǒng)的技術(shù)接口來實現(xiàn)列車精確定位、高速運行、實時跟蹤和自動折返，有效地縮短了列車運行間隔，提高了行車密度和旅行速度，可適應大客流的需要。

2.3 維護、維修成本低

全自動無人駕駛系統(tǒng)具有按客流自動調(diào)整運營策略和列車開行密度的功能，能靈活地適應高峰大客流和低峰客流的運營需要，提高列車滿載率。

機場線全自動無人駕駛列車不設(shè)駕駛員，使操作人員大幅度減少;車輛配屬數(shù)量低也使維護、維修人員減少，使整個維護、維修成本降低。

3 無人駕駛對列車控制及運營管理的要求

3.1 對列車控制系統(tǒng)的要求

列車控制系統(tǒng)充分考慮了系統(tǒng)的容錯能力，采用多重冗余技術(shù)，通過為列車提供安全性設(shè)施和冗余設(shè)備來提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，主備系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換。

全自動無人駕駛車輛需要高可靠性、大容量、具有實時傳輸功能的車地無線傳輸系統(tǒng)，以實現(xiàn)控制中心與運行列車之間的實時雙向數(shù)據(jù)傳輸。

列車控制系統(tǒng)具備了更高的牽引和制動控制精度，要求列車能在信號系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)誤差在30 cm范圍內(nèi)的精確停車;具備了快速、準確、安全的故障診斷能力和完善的監(jiān)控功能，以便對列車運行狀態(tài)的實時監(jiān)控及對故障列車的及時處理。

3.2 對運營模式的要求

由于無人駕駛系統(tǒng)具有高度集中管理的要求，對全自動無人駕駛的行車控制采用小營控制中心控制模式，與傳統(tǒng)的地鐵線路運營管理方式有較大的差異，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)控制中心調(diào)度人員從面向列車司機、再由司機面向乘客的行車調(diào)度方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹行恼{(diào)度人員通過語音通信設(shè)備直接面向乘客。

2)控制中心調(diào)度人員通過司機處理列車設(shè)備故障和列車控制職能轉(zhuǎn)變?yōu)橛煽刂浦行恼{(diào)度直接處理。

3)無人駕駛系統(tǒng)具有自動調(diào)整列車開行密度的功能，有別于傳統(tǒng)的運營管理模式，傳統(tǒng)的運營管理采用固定列車時刻表進行列車運行間隔的管理與控制。

因此，需要現(xiàn)場增加多職能保障團隊，為非正常運營狀態(tài)下的應急作業(yè)提供有力保障。主要包括:根據(jù)無人駕駛系統(tǒng)的運行特點，對無人駕駛系統(tǒng)的維護體系需要網(wǎng)絡(luò)化、智能化;另外，為了保證無人駕駛系統(tǒng)投運初期的穩(wěn)定運行，在列車運行過程中需要司機看護，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)降級情況下及時人工干預。

3.3 對運營管理的要求

全自動無人駕駛系統(tǒng)是具有高科技含量的軌道交通系統(tǒng)，需要有高的管理水平與之相適應。因此，需要運營管理人員熟悉系統(tǒng)特性，能夠沉著、靈活地應對突發(fā)事件，更要有較高的服務(wù)意識和責任感。

4 機場線無人駕駛系統(tǒng)的經(jīng)驗借鑒

機場線無人駕駛系統(tǒng)的順利實施，主要依靠科學的工程建設(shè)管理模式，尤其對于建設(shè)周期短、技術(shù)復雜的項目更是需要嚴謹、科學的管理方式。

4.1 明確系統(tǒng)功能需求

在機場線無人駕駛系統(tǒng)的方案設(shè)計階段，對功能需求進行仔細、嚴謹?shù)挠懻?，明確每一項具體的功能需求。

在設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段，針對無人駕駛系統(tǒng)的各子系統(tǒng)專項方案進行逐一審查、討論，確保各系統(tǒng)間的結(jié)合安全、可靠;同時確保機場線無人駕駛系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間的接口正確，做到接口簡單、安全可靠。

4.2 合理優(yōu)化總體調(diào)試任務(wù)

由于項目工期短，可將現(xiàn)場大量實際測試工作，在工廠內(nèi)部提前完成。

在現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)的問題可以及時在工廠測試平臺復測、分析，從而提高對問題的分析處理速度和系統(tǒng)綜合聯(lián)調(diào)的效率。

5 結(jié)語

實踐證明，在世界范圍內(nèi)，全自動無人駕駛系統(tǒng)是一種具有高度可靠性、安全性的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)列車的小編組、高密度運行，同時改善運營服務(wù)水平，也降低了生命周期的成本。在中國，無人駕駛技術(shù)剛剛起步，還需要進一步應用才能對它有更深、更廣的認識，才能更進一步完善地鐵系統(tǒng)運營維護的管理理念，從而更進一步推廣無人駕駛技術(shù)。

深入研究無人駕駛系統(tǒng)對運營管理和維護管理的新需求，可以更好地促進無人駕駛系統(tǒng)標準的建設(shè)，對于運營管理標準和維護管理標準的制定具有積極的意義，對于進一步完善無人駕駛系統(tǒng)的功能、適應運營管理需求、真正發(fā)揮全自動無人駕駛系統(tǒng)的優(yōu)勢，也有著深刻的意義。

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