曹長琴，李 沖

（成都地鐵運營有限公司，成都610000）

成都地鐵1 號線車輛設(shè)計生產(chǎn)于2008 年，2010 年正式運營。截至目前線路全長41 km，日均客流量超100 萬，最小行車間隔2 min，信號、車輛設(shè)備技術(shù)落后且嚴(yán)重老化，車輛智能化水平低，大量的人工操作容易產(chǎn)生操作失誤影響行車安全。列車狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)無法實時落地，給正線車輛故障應(yīng)急處理帶來極大不便，影響處置時間和效果。為了提高列車運行效率，減少人工作業(yè)量并提升行車客運安全水平，研究對1 號線地鐵車輛升級改造的可行性，全面提升1 號線地鐵車輛自動化水平。

近年來，國內(nèi)已有4 個城市、7 條線路開通了全自動駕駛，包括香港南港島線、上海地鐵10 號線和北京地鐵燕房線等，在建線路100 km 以上。截至2019 年全球已有42 個城市、63 條線、1 003 km 線路采用全自動駕駛。全自動運行模式下的無人駕駛，其本質(zhì)上是通過調(diào)度人員遠(yuǎn)程控制列車的喚醒、自檢、啟動、行車、開關(guān)門、控制電路、退出服務(wù)以及休眠等。車輛設(shè)備必須要在設(shè)備信息化、智能化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性上做好深入研究，搜集大量的試驗數(shù)據(jù)，以滿足嚴(yán)苛的安全等級評估。1 號線地鐵車輛設(shè)備實現(xiàn)全自動運行需要對各個系統(tǒng)全面升級改造。

1 地鐵1 號線車輛改造需求

從目前的GOA3 升級改造為GOA4 全自動運行的無人駕駛車輛，相比傳統(tǒng)的有司機值守運營線路，全自動運行沒有司機監(jiān)控，那么車輛設(shè)計方案上就必須實現(xiàn)更高的系統(tǒng)容錯能力、各個系統(tǒng)需配備多重冗余功能和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。列車需要更加穩(wěn)定、可靠的通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以及設(shè)備的智能化操控。信號控車系統(tǒng)中，對于行車過程中的列車位置追蹤間隔、控車精度、控車速度曲線等要求提高。車輛故障時，列車需要具備遠(yuǎn)程控制、故障數(shù)據(jù)監(jiān)測時效性以及準(zhǔn)確的故障自診斷功能的完整性。

表1 軌道交通自動化等級的分類

2 全自動駕駛電氣控制系統(tǒng)

（1） 自動休眠、喚醒

基本要求:根據(jù)ATC 的指令自動休眠、喚醒列車。

實施方案:1 號線車輛需要增加喚醒模塊，以及喚醒模塊到蓄電池間的控制電路。蓄電池、輔助系統(tǒng)、受電弓、空調(diào)、牽引制動系統(tǒng)、空壓機等的控制在目前的手動控制按鈕基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)控制。

由信號系統(tǒng)的喚醒模塊輸出硬線指令到車輛激活電路喚醒、休眠列車。每天運營前，已休眠的列車需要喚醒，喚醒需要啟動車載控制，并激活整個列車的其他設(shè)備，使之進(jìn)入正常工作狀態(tài)。列車收到喚醒指令后，接通車上設(shè)備系統(tǒng)的低壓供電電源，列車自動升弓，接入供電接觸網(wǎng)。

正常情況下，列車的喚醒由ATS 根據(jù)時刻表自動喚醒，如果有特殊情況，可以通過遠(yuǎn)程人工喚醒和列車就地喚醒使列車喚醒。

輔助逆變器和充電機啟動是采用網(wǎng)絡(luò)+硬線模式，全自動情況下網(wǎng)絡(luò)控制，人工操作或故障時采用硬線控制，高電平為停止。中壓母線接觸器閉合由TCMS 進(jìn)行控制。

空調(diào)/電熱預(yù)熱→牽引系統(tǒng)部件動作情況→TCMS判斷條件滿足后，自動發(fā)送閉合高速斷路器允許指令，牽引判斷條件滿足，自動閉合高速斷路器，預(yù)充電接觸器自動閉合。

（2） 洗車

基本要求:根據(jù)ATC 指令自動控制列車在車場全自動運行區(qū)（含洗車線）內(nèi)的走行及洗車作業(yè)。

實施方案:增加1 號線TCMS 系統(tǒng)軟件中相關(guān)功能模塊。由信號系統(tǒng)發(fā)送洗車指令給TCMS，TCMS 接收到洗車指令后會對車輛限速，并對空調(diào)、電熱、照明做相應(yīng)的控制，刮雨器恢復(fù)到初始位置。車輛根據(jù)信號發(fā)出的方向、牽引、制動及級位信號運行。

（3） 列車自檢

基本要求:自動完成發(fā)車前的系統(tǒng)自檢，如列車牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車門、空調(diào)、照明、廣播、乘客信息顯示系統(tǒng)、通信車載設(shè)備等，并向控制中心發(fā)送自檢結(jié)果和列車準(zhǔn)備就緒狀態(tài)報告。

實施方案:需要增加TCMS 系統(tǒng)和各個子系統(tǒng)通信協(xié)議及接口，TCMS 增加自檢結(jié)果運算功能。各系統(tǒng)上電后開始自檢并將自檢結(jié)果反饋給TCMS 系統(tǒng)，由TCMS 系統(tǒng)將自檢結(jié)果發(fā)送給信號系統(tǒng)，再由信號系統(tǒng)上傳至控制中心。

TCMS 的數(shù)據(jù)信息需要上傳到地面控制中心，控制中心對列車運行的實時故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并遠(yuǎn)程指導(dǎo)正線駐站維修作業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)處置。

（4） 蠕動模式

基本要求:在全自動運行模式下，當(dāng)車輛網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，或車輛與車載信號設(shè)備通信故障時，可由行調(diào)人員確認(rèn)，ATC 遠(yuǎn)程觸發(fā)蠕動模式，列車以蠕動模式運行，ATP 監(jiān)控列車以不超過固定限速（如25 km/h，固定限速由信號系統(tǒng)設(shè)計階段確定）的速度全自動運行。列車以蠕動模式進(jìn)站停車后，施加緊急制動防止列車移動，等待司機上車處理。

實施方案:需要增加牽引制動系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的硬線控制接口，牽引制動系統(tǒng)修改軟件。

（5） 跳躍模式

基本要求:若列車進(jìn)站停車過標(biāo)或欠標(biāo)不大于5 m（暫定）系統(tǒng)可自動控制列車進(jìn)行對位調(diào)整。當(dāng)列車進(jìn)站停車欠標(biāo)，ATO 自動運行對位停車。

實施方案:增加牽引制動系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的硬線控制接口，牽引制動系統(tǒng)修改軟件。當(dāng)信號系統(tǒng)判斷進(jìn)入跳躍模式時，輸出硬線指令給制動系統(tǒng)，當(dāng)制動系統(tǒng)收到此硬線指令時，將釋放保持制動并施加固定小級位的常用制動，牽引系統(tǒng)仍然照常根據(jù)信號系統(tǒng)的指令運行。

（6） 遠(yuǎn)程控制場景

基本要求:特殊情況下，控制中心可遠(yuǎn)程操控:喚醒、休眠、升降受電弓、控制客室照明及空調(diào)、開/關(guān)門、緊急制動、停放制動、遠(yuǎn)程復(fù)位斷路器、雨刮器、司機室前窗玻璃加熱器等功能。

實施方案:需要將目前的斷路器改造為遠(yuǎn)程控制斷路器。

3 輔助電源系統(tǒng)

如果蓄電池虧電導(dǎo)致車載cc 無法啟動，1 號線車輛SIV 無應(yīng)急啟動功能，只有使用移動充電設(shè)備給蓄電池充電。1 號線車輛需增加一個SIV 應(yīng)急啟動裝置。人工上車操作應(yīng)急升弓按鈕或使用腳踏泵升弓，升弓后操作SIV 應(yīng)急啟動按鈕給蓄電池充電，待蓄電池電壓恢復(fù)后激活列車。

4 制動系統(tǒng)

基本要求:每個客室內(nèi)設(shè)置一個緊急手柄，此手柄設(shè)置防護罩，防護罩的狀態(tài)由列車進(jìn)行監(jiān)控，狀態(tài)信息同時上傳至控制中心。緊急制動手柄（或按鈕）的動作聯(lián)動攝像裝置，圖像信息上傳控制中心。

車輛在區(qū)間運行時若觸發(fā)緊急手柄，列車?yán)^續(xù)運行至下一站，停站后施加緊急制動，緊急手柄復(fù)位后，緊急制動緩解；若車輛在站臺區(qū)內(nèi)時觸發(fā)緊急手柄，列車立即施加緊急制動。

實施方案:

每個客室內(nèi)設(shè)置一個緊急手柄。

將整車緊急拉手的狀態(tài)輸入給信號系統(tǒng)，信號系統(tǒng)將根據(jù)車輛位置做控制。在RM 或ATC 切除模式將不做控制。

緊急手柄的狀態(tài)輸入給TCMS 系統(tǒng)，TCMS 系統(tǒng)將此狀態(tài)傳輸給廣播系統(tǒng)，廣播系統(tǒng)將聯(lián)動緊急對講及CCTV 視頻監(jiān)控。

5 轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)

（1） 障礙物及脫軌檢測裝置

實施方案:在兩端司機室轉(zhuǎn)向架上增加障礙物、脫軌檢測裝置。障礙物、脫軌檢測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2） 走行部在線檢測系統(tǒng)

基本要求:走行部檢測系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向架軸箱、齒輪箱、電機的沖擊、振動、溫度進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對走行部的早期預(yù)警和分級報警等功能，車輛回庫后具備數(shù)據(jù)無線上傳的功能，提供地面分析臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運用和維修。

圖1 障礙物、脫軌檢測裝置

實施方案:在轉(zhuǎn)向架上增加走行部在線檢測系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)上傳到地面控制中心，見圖2。

圖2 在線監(jiān)測傳感器布置點位示意圖

6 車門系統(tǒng)

（1） 車門與站臺門故障隔離

基本要求:列車全自動運行模式下，車門與站臺門故障隔離功能，當(dāng)個別車站站臺門故障隔離時，故障站臺門（站臺門系統(tǒng)控制）及對應(yīng)的車門（車輛控制）不打開；當(dāng)個別車門故障隔離時，故障車門（車輛控制）及對應(yīng)的站臺門（站臺門系統(tǒng)控制）不打開。

實施方案:門控器功能改造，增加單門接收遠(yuǎn)程隔離信號的功能。

當(dāng)列車的單個車門故障隔離后，本列車停站時對應(yīng)的單個站臺門應(yīng)能保持鎖閉不參與停站的開、關(guān)門作業(yè)。站臺的其他站臺門可正常打開，車載控制器仍對其打開狀態(tài)進(jìn)行防護。故障車門的信息由車輛TCMS 送至車載CC，車載CC 向中心ATS 傳送車門的故障信息，并在OCC 調(diào)度臺上顯示和報警。

增加車門數(shù)據(jù)落地裝置，車輛向地面控制中心傳送車門發(fā)生故障的狀態(tài)信息，并可實時顯示和報警。

（2） 車門緊急解鎖

基本要求:使用車門緊急解鎖手柄打開車門，解鎖手柄動作信息在司機室和控制中心進(jìn)行顯示并報警。當(dāng)車輛在區(qū)間運行時，車輛到下一站停車并扣車；當(dāng)車輛在站臺區(qū)時，車輛不能啟動。整列車上任何一個緊急解鎖裝置被觸發(fā)，應(yīng)在控制中心和司機室報警和顯示。相關(guān)位置信息通過列車控制系統(tǒng)發(fā)送給車載ATC、并且相應(yīng)位置的攝像頭的圖像由車載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備上傳至控制中心（圖像信息包含車次號、車組號、位置信息、報警類型等）。同時，通過列車控制系統(tǒng)觸發(fā)就近客室緊急對講裝置，建立控制中心乘客調(diào)度、駕駛員與乘客之間的對講。

實施方案:增加車門解鎖后的信息上傳OCC、CCTV 聯(lián)動控制功能、廣播緊急對講自動建立功能。

7 蓄電池系統(tǒng)

基本要求:蓄電池需要配備在線檢測裝置，可在線測量、記錄并存儲電池組或單體電池在充電和放電階段的電壓、電流、溫度等參數(shù)，該裝置可與TCMS 通信。TCMS 應(yīng)監(jiān)測蓄電池電壓、電流、箱內(nèi)溫度，并具備蓄電池容量管理功能。所有數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹?/p>

蓄電池容量應(yīng)滿足1 號線6 輛編組列車休眠7 d 后，可靠喚醒列車（單端信號喚醒模塊（包含LTE）能耗暫定為70 W）；或滿足運行時在任何工況時的需要，在無高壓輸入情況下，且電量為滿容量的85%時應(yīng)滿足緊急通風(fēng)、照明使用45 min，并且45 min 之后能完成一次開關(guān)門、一次升弓、一次投入SIV。

參考其他線路喚醒模塊休眠7 d 耗電量為455 Ah，成都地鐵1 號線車輛目前蓄電池配置為2 組160 Ah，共計320 Ah，455?320=135 Ah，至少需要增加一組蓄電池或更換單體蓄電池容量。

8 乘客信息系統(tǒng)

（1） 視頻監(jiān)控（CCTV）的聯(lián)動

基本要求:客室與控制中心、司機室同步報警和對講，與PIS 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻實現(xiàn)聯(lián)動功能；整列車上任何一個緊急解鎖裝置被觸發(fā)，應(yīng)在控制中心和司機室報警和顯示?？褪揖o急手柄可以觸發(fā)就近的一個緊急對講裝置，由司機或控制中心乘客調(diào)度確認(rèn)后進(jìn)行緊急對講，同時觸發(fā)就近的攝像頭將畫面?zhèn)魉椭量刂浦行某丝驼{(diào)度顯示屏/司機室顯示屏；車門防夾相關(guān)信息上傳至控制中心，同時聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)及攝像頭畫面。

實施方案:每個車廂需要增加攝像頭，司機室需要增加前置攝像頭并且實現(xiàn)視頻實時上傳。

（2） 乘客緊急對講的聯(lián)動

基本要求:客室車門緊急解鎖裝置可以觸發(fā)就近的一個緊急對講裝置進(jìn)行控制中心乘客調(diào)度或司機與乘客之間的緊急對講。

客室緊急手柄可以觸發(fā)就近的一個緊急對講裝置，由司機或控制中心乘客調(diào)度確認(rèn)后進(jìn)行緊急對講，同時觸發(fā)就近的攝像頭將畫面?zhèn)魉椭量刂浦行某丝驼{(diào)度顯示屏/司機室顯示屏。

實施方案:增加廣播系統(tǒng)車門緊急解鎖和緊急手柄觸發(fā)對應(yīng)某個乘客緊急對講的功能。在全自動運行模式下，控制中心乘客調(diào)度可以選定某一緊急對講裝置，而觸發(fā)控制中心與乘客之間的緊急對講和對客室進(jìn)行監(jiān)聽。

9 電氣設(shè)置

（1） 司機臺設(shè)置罩板

基本要求:在全自動運行模式下，駕駛臺蓋板的開/閉位置應(yīng)由列車控制系統(tǒng)監(jiān)控和儲存，同時該蓋板位置信息上傳至控制中心。

實施方案:增加司機臺罩板，將所有操作臺按鈕和顯示屏遮擋，并設(shè)置罩板位置的監(jiān)控聯(lián)動。拆除司機室隔門和座椅（考慮司機臨時手動駕駛時的座椅），乘客可進(jìn)入這個空間。

（2） 滅火器移動監(jiān)控

基本要求:滅火器的移動應(yīng)由列車控制系統(tǒng)監(jiān)控，當(dāng)車輛在運行中滅火器被動用，則自動向司機和控制中心報警。

實施方案:在滅火器的固定座或者罩板上設(shè)置行程開關(guān)，當(dāng)罩板被打開或者滅火器被移動時，行程開關(guān)觸點被觸發(fā)并發(fā)送給TCMS，TCMS 將信息發(fā)送給控制中心和乘客信息系統(tǒng)做聯(lián)動。

（3） 控制柜門監(jiān)控

基本要求:對列車上客室電氣柜門的關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，車輛在收到ATS 下發(fā)相應(yīng)工況時，當(dāng)電器柜門開啟后，車輛的CCTV 進(jìn)行聯(lián)動控制，同時將該狀態(tài)作為報警信息反饋給控制中心。

實施方案:在電氣柜上設(shè)置行程開關(guān)，當(dāng)電氣柜門被打開時觸發(fā)行程開關(guān)動作，行程開關(guān)觸點信息發(fā)送給TCMS，TCMS 將信息發(fā)送給控制中心和乘客信息系統(tǒng)做聯(lián)動。

（4） 駕駛模式指示燈

實施方案:車輛外部增加輔助提示燈，至少包含全自動運行/非全自動運行模式指示燈等。

10 結(jié)束語

地鐵1 號線實現(xiàn)無人駕駛，首先需要信號系統(tǒng)具備精良的控車和管理能力。而車輛方面的技術(shù)改造，需要在信號控車功能設(shè)計的基礎(chǔ)上加裝大量的遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制設(shè)備。從技術(shù)角度來說，具備改造的可行性，各方需對軟硬件接口充分討論，最大化的降低施工時間和經(jīng)濟成本?？紤]到整個施工過程，建議結(jié)合大修等高級修程開展，可大大降低施工改造成本。