夏振東，胡 歡

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，無人駕駛項目已先后在多個城市投入運營，并且多地正有條不紊的推進著無人駕駛項目的建設(shè)，無人駕駛和車-車通信已經(jīng)成為當今軌道交通行業(yè)的熱點。無人駕駛項目在場景文件中描述了全自動運行系統(tǒng)在運營中所要處理的場景，包括正常運營場景和非正常運營場景，所描述的對象涉及組成全自動運行整個體系所包含的（子）系統(tǒng)和人員。各個系統(tǒng)遵循場景文件執(zhí)行，是保障無人駕駛項目功能實現(xiàn)的前提。本文就無人駕駛項目可能會遇到的CC 與TCMS 通信中斷的故障場景，論述既有項目此種場景下的處理方式，并基于現(xiàn)有處理機制提出優(yōu)化建議。

1 FAO項目當前處理及分析

對于CC 與TCMS 通信中斷后的處理方式，筆者對比了北京的《城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)規(guī)范》（T/CAMET 04017.1-2019)以及上海的《城市軌道交通全自動運行運營場景規(guī)范》（T/SHJX0018-2020），兩者的處理方式基本一致。

總結(jié)如下：當車載監(jiān)督與車輛TCMS 通信的報文時，若超過規(guī)定時間未接收到車輛TCMS 報文，則認為與車輛TCMS 通信故障。

系統(tǒng)處理方式如下：

1）若列車處于非零速，施加緊急制動，車停下后由信號向中心申請進入蠕動模式(Creep Automatic Mode，CAM)，中心進行確認后，列車進入蠕動模式，以既定的限速運行到下一站進行清客操作。

2）若列車處于零速，則直接向中心申請進入蠕動模式，中心授權(quán)后方可進入蠕動。

以上處理方式，存在如下問題：

1）由于不區(qū)分車速，只要非零速，當CC 與TCMS 通信中斷后，一律施加緊急制動。因此在沒有提前廣播告知的情況下，突然施加緊急制動易造成乘客受傷，給乘客帶來不好的出行體驗。

2）蠕動模式屬于降級后的FAO，為保障安全，因此該模式限速很低，非必要過早地進入蠕動模式，會大大降低運營效率。

2 處理方式優(yōu)化

筆者認為針對CC 與TCMS 通信中斷這一場景，不考慮CC 判斷與TCMS 失去通信的過程（不同項目有不同的定義）及CC 和TCMS 的時延。當CC已經(jīng)判斷與TCMS 失去通信后，可根據(jù)列車所在位置不同，進行不同的處理。本文按以下3 種情況分別論述。

2.1 列車離站過程中的優(yōu)化處理方式

如圖1 所示，當列車在出站過程中出現(xiàn)CC 與TCMS 通信中斷的情況，當車已離開站臺D距離后，信號不處理，讓車進入?yún)^(qū)間。當車離開站臺，運行距離小于D時，信號輸出緊急制動，讓乘客可以盡早完成疏散，司機/維護人員可提早人工對故障車進行干預(yù)。

圖1 列車離站Fig.1 Train departure

對于列車離站過程中CC 與TCMS 通信中斷的處理方式，需確保在距離D內(nèi)列車施加緊急制動，車停下后至少有一個門仍在站臺區(qū)域里。因此從疏散角度結(jié)合車輛參數(shù)（車門到車端距離等）和停車點到站臺邊緣的距離進行分析，列車從啟動到緊急制動停車的走行距離需滿足如下關(guān)系，如公式（1）所示。

車長：取自車輛參數(shù)。

停車點（SSP）到站臺邊緣距離：通過平面圖數(shù)據(jù)獲取，取最小值。

最小疏散距離：考慮車輛參數(shù)中第一個客室門中心到車端的距離及停車點到站臺邊緣的最小距離，因此最小疏散距離＝2×車端到第一客室門中心距離＋停車點（SSP）到站臺邊緣距離。

本文引用某開通項目的具體參數(shù)進行計算，引用參數(shù)如表1 所示。

表1 引用參數(shù)Tab.1 Reference parameters

因此，總走行距離S＝車長＋停車點到站臺邊緣距離－最小疏散距離＝119.62 m－0.808 m－7.708 m ≈111.1 m。

從整個運動過程來看，考慮最壞的情況，列車以最大牽引加速度（考慮站臺最大下坡）從站臺發(fā)車，到達距離D時觸發(fā)緊急制動，隨后以緊急制動保障率的減速度（GEBR）進行停車。因此總走行距離S＝D＋緊急制動距離，若要求得距離D，只需求得列車EB 后走行的的距離即可。

對距離D計算過程如下（為方便計算所有計算結(jié)果均保留小數(shù)點后三位）：

在《CBTC 系統(tǒng)性能和功能要求》（IEEEl474- 1）標準中，為CBTC 模式下列車緊急制動防護模型定義了“典型安全制動速度-距離曲線”，如圖2 所示。引入由于列車定位的不確定性(考慮前車定位誤差及系統(tǒng)允許范圍內(nèi)可能的退行距離)產(chǎn)生的誤差。最外層曲線為該模型下列車不可突破的制動曲線。

圖2 安全制動模型示意Fig.2 Schematic diagram of safety braking model

根據(jù)《CBTC 系統(tǒng)性能和功能要求》（IEEE l474-1）標準，可以將緊急制動過程劃分為3 個階段進行評估，如圖3 所示。

圖3 緊急制動等效模型Fig.3 Emergency braking equivalent model

第一階段，是車載ATP 系統(tǒng)響應(yīng)階段對應(yīng)圖2中的A、B，車載ATP 從檢測到緊急制動發(fā)生，并觸發(fā)緊急制動到車輛切除牽引的一段過程。在該階段t1時間內(nèi)列車被估算以最大可能的加速度（車輛牽引產(chǎn)生的最大加速度與線路坡度產(chǎn)生的加速度之和）運行。

第二階段，是車從牽引切除到達到緊急制動保障率的90%的過程，對應(yīng)圖2 中的C、D 過程。對應(yīng)運行距離、加速度及時間分別為D2、a2，t2；從信號車輛接口電路設(shè)計上看，由于車輛牽引切除命令及緊急制動施加命令均采集列車緊急制動環(huán)路，因此車輛牽引切除時間與緊急制動施加時間可能有部分重疊。從設(shè)計安全角度考慮，在牽引切除過程中應(yīng)不考慮施加制動的影響。第二階段的時間t2在時序上應(yīng)嚴格滯后于第一階段時間t1。

根據(jù)《列車制動系統(tǒng)性能規(guī)范》（EN13452-1），按照如圖4 所示等效模型時間參數(shù)定義t2的等效延時為te，即通過車輛參數(shù)t10和t90計算等效中值te。此時，列車處于惰行狀態(tài)，安全計算中列車應(yīng)使用線路坡度產(chǎn)生的最大加速度aslope。

圖4 等效惰行延時Fig.4 Equivalent coasting delay

第三階段是從緊急制動保障率90%的制動施加到列車完全停止的過程。對應(yīng)圖2 中的E 過程。此階段對應(yīng)運行距離，加速度及時間分別為D3、a3，t3；本階段列車處于緊急制動保障率GEBR 施加狀態(tài)下的全減速狀態(tài)。

緊急制動3 個階段對應(yīng)的運行距離、速度、加速度及時間對應(yīng)關(guān)系如圖5 所示。

圖5 緊急制動模型參數(shù)對應(yīng)關(guān)系Fig.5 Corresponding relationship of parameters of emergency braking model

第一階段中ATP 檢測到緊急制動從而進行牽引切除，此階段列車以最大加速度a1＝1.17 m/s2考慮站臺最大坡度加速度為0.02（m/s2）運行，持續(xù)時間t1＝1.29 s（考慮系統(tǒng)響應(yīng)延時及和車輛切除牽引的時間）。根據(jù)運動學(xué)公式，計算如公式（2）所示。

其中：s表示走行距離；v0表示初速度；t表示時間；a表示加速度。

將相應(yīng)量帶入公式（2），對應(yīng)運行距離D1＝V1×t1＋0.5×a1×t12，代入已知數(shù)值可得D1＝1.29×V1＋0.973。

第二階段運動相當于惰行階段，此階段的時間根據(jù)等效惰行延時t2＝te＝（t10＋t90）/2 ＝0.9（s），考慮站臺最大坡度加速度為0.02 m/s2，因此此時的最大加速度為a2＝0.02 m/s2，根據(jù)運動學(xué)公式（2），帶入相關(guān)量后，運行距離D2＝V2×t2＋0.5×a2×t22＝（V1＋a1×t1）×t2＋0.5×a2×t22，代入已知數(shù)值可得，D2＝0.9×V1＋1.366。

第三階段實際是列車以最小緊急制動aGEBR（即緊急制動保障率GEBR）與線路坡度產(chǎn)生的最大加速度aslope之和，進行勻減速運動停車。通過參數(shù)表可知a3＝aGEBR＋aslope＝-0.81 m/s2，根據(jù)運動學(xué)公式，計算如公式（3）所示。

注：V0：初速度；Vt：末速度；s：走形距離；a：減速度（制動過程）。

將相應(yīng)量帶入公式（3），運行距離可表示為：

根據(jù)走行距離關(guān)系，S＝D＋D1＋D2＋D3，其中代入數(shù)值及表達式可得，0.427×V12＋0.617×V12＋1.885×V1＋1.439 ＋0.9×V1＋1.366 ＋1.29×V1+0.973 ＝111.1，合并同類項后可以得到一個關(guān)于V1的一元二次方程，1.044×V12＋4.075×V1－ 107.322 ＝0，根據(jù)一元二次方程求根公式，可求得V1＝8.373 m/s，代入可得D＝29.939 m。因此當車出站運行距離在29.939 m 之內(nèi)，CC 與TCMS 失去通信，列車將施加緊急制動，否則將繼續(xù)運行。

2.2 列車區(qū)間運行中的優(yōu)化處理方式

如圖6 所示，當列車在區(qū)間運行過程中出現(xiàn)CC與TCMS 通信中斷的情況，此時TCMS 無法接收到信號發(fā)出來的牽引制動命令及級位信息。列車受阻力和摩擦力影響自然降速，信號對列車實際車速及參考速度進行監(jiān)控，具體過程如圖7 所示。

圖6 列車區(qū)間運行Fig.6 Train is running in the section

圖7 區(qū)間運行處理流程Fig.7 Processing flow chart when train is running in the section

若檢測到實際速度大于等于參考速度時，信號可輸出單獨硬線信號或用CAM_OP（蠕動模式可用）替代，車輛非零速收到此信號后施加預(yù)設(shè)好的一定級位的常用制動力（如-0.6 m/s2）停車，同時播放預(yù)制廣播（如列車將施加制動停車，請扶穩(wěn)坐好）。停車后向中心申請進入蠕動模式。

若實際速度小于參考速度，且實際速度小于等于蠕動模式既定速度后，車輛播放預(yù)制廣播（如列車將施加緊急制動，請扶穩(wěn)坐好），信號進行干預(yù)施加緊急制動，讓列車盡快停下來，隨后向中心申請進入蠕動模式，中心確認后自動進入蠕動模式，運行到下一站完成清客。

注：可能存在限速區(qū)域變化（由大變?。?，同時存在大下坡，列車響應(yīng)制動存在一定延時，可能會出現(xiàn)超速EB，此時按正常停車后，申請進入蠕動處理。

2.3 列車進站過程中的優(yōu)化處理方式

如圖8 所示，當列車在即將到站或進站運行過程中出現(xiàn)CC 與TCMS 通信中斷的情況，這時需要確保列車能夠停在站臺，以免發(fā)生越站。當列車與站臺區(qū)域有交集時，CC 根據(jù)當前車速，以及距停車點的距離，并依據(jù)緊急制動模型，實時進行判斷。當CC 確保以當前速度緊急制動后，車能夠停在停車點后5 m 內(nèi)時觸發(fā)EB。

圖8 列車進站過程中Fig.8 In process of train entering the station

根據(jù)緊急制動模型，緊急制動觸發(fā)速度即為當前車速，緊急制動距離相當于上文中的D1＋D2＋D3，將變量V1替換為當前速度V，站臺區(qū)域坡度一般較小，因此統(tǒng)一按表1 中站臺區(qū)域坡度計算。代入常量，化簡后的表達式為D1＋D2＋D3＝0.617×V2＋4.075×V＋3.778。

判定條件如表2 所示。

表2 判定條件Tab.2 Determining conditions

增加此判斷的目的是，當車進站過程中由于CC與TCMS 通信中斷，無法正常施加制動，CC 根據(jù)車速實時監(jiān)控是否需要施加EB 確保列車在本站停車不冒進信號機。同時考慮了跳躍的范圍，一旦停車后，正常通過申請進入蠕動模式，在±5 m 范圍內(nèi)，直接通過跳躍進行對標，對標完成后進行清客處理。

3 結(jié)束語

隨著城市軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，全自動無人駕駛、互聯(lián)互通以及車-車通信（TACS）技術(shù)已然成為了行業(yè)發(fā)展的主流，項目在執(zhí)行過程中也將面臨更加復(fù)雜的場景。在提高自動化程度的同時，如何更大程度上提高乘客出行體驗，當出現(xiàn)異常情況時，如何最大限度減小對運營及乘客出行的影響，是無人駕駛項目需要探究和實現(xiàn)的重要方面。本文通過對CC 與TCMS 通信中斷這一故障場景的系統(tǒng)處理進行分析和探討，給出了筆者認為更加合理的優(yōu)化方式，希望為后續(xù)無人駕駛項目針對此故障場景的系統(tǒng)處理，提供一種新思路。