城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的探討

城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的探討

1fao在中國的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀與傳統(tǒng)的城市鐵路列車系統(tǒng)相比，該自動(dòng)控制系統(tǒng)引入了最先進(jìn)的技術(shù)，如自動(dòng)控制、優(yōu)化控制、人因工程等，并對(duì)整個(gè)鐵路交通流程進(jìn)行了自動(dòng)化。這是提高安全效率的有效方法，并進(jìn)一步提高了自動(dòng)化程度。國際上軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(FAO)的研究已經(jīng)有40余年的歷史。1971年,為提高城軌的服務(wù)品質(zhì),增強(qiáng)與其他交通方式的競(jìng)爭(zhēng)力,法國率先開始研究城軌FAO技術(shù),并于1983年在里爾首先開通運(yùn)營;之后FAO系統(tǒng)在全球軌道交通領(lǐng)域日漸升溫,巴黎、新加坡、洛桑、迪拜、紐倫堡、哥本哈根等城市都引入FAO系統(tǒng)。據(jù)國際公共交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),至2018年底,全世界接近1/4的城軌系統(tǒng)擁有至少一條全自動(dòng)運(yùn)行線路,全球共有42個(gè)城市開通運(yùn)營64條線、1026km全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng),里程數(shù)相比2016年的統(tǒng)計(jì)增長(zhǎng)了27.7%。國際上在發(fā)展FAO的過程中,建立了FAO的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。按照自動(dòng)化程度等級(jí),國際標(biāo)準(zhǔn)(EC62290)定義了4層自動(dòng)化等級(jí)(GradeofAutomation),參見表1。隨著我國城軌的高速度發(fā)展,也引發(fā)了FAO的發(fā)展需求。據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),至2018年,中國大陸地區(qū)共有35個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路185條,運(yùn)營線路總長(zhǎng)度達(dá)到5761.4km。當(dāng)前北京、上海等城市日均客流已超千萬,運(yùn)營負(fù)荷巨大,安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),采用全自動(dòng)運(yùn)行(FAO)技術(shù)是有效解決途徑和必然選擇。但是中國自身的特點(diǎn)決定了在FAO技術(shù)應(yīng)用過程中不能照搬國外。中國的城市軌道交通客流量超大、規(guī)模超大,專業(yè)多彼此獨(dú)立,晚點(diǎn)影響大,穩(wěn)定性要求高,乘客規(guī)則意識(shí)需要培養(yǎng)等,決定了在發(fā)展FAO的過程中,需要針對(duì)中國國情和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)性地提出中國特色的解決方案,而不能照搬國外的整套標(biāo)準(zhǔn)和體系。2自給自足的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的中國版特點(diǎn)自主化全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的特征應(yīng)立足國內(nèi)需求。需要在以下幾方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。2.1全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)的基本原則為保證系統(tǒng)裝備高度安全穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)全過程全天候列車自主運(yùn)行,需要借鑒先進(jìn)的國際鐵路安全標(biāo)準(zhǔn),按照RAMS設(shè)計(jì)方法,對(duì)FAO系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃,并將指標(biāo)逐層分配到各專業(yè)、各子系統(tǒng)、各設(shè)備。在需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)營全生命周期內(nèi),實(shí)現(xiàn)全過程安全評(píng)估及RAMS管理。1)采用全系統(tǒng)、全生命周期RAMS工程理念,總體提升系統(tǒng)RAMS指標(biāo)。自主化全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)采用適用于全自動(dòng)運(yùn)行要求的RAMS指標(biāo)體系,從系統(tǒng)整體和各子系統(tǒng)多角度,提出協(xié)調(diào)一致的RAMS指標(biāo)技術(shù)規(guī)范。在全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)過程中,利用魯棒性設(shè)計(jì)方法、潛在失效模式的分析方法等,在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)期間,即將RAMS指標(biāo)與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適配,確保RAMS指標(biāo)在設(shè)計(jì)期間就被充分考慮。研究RAMS優(yōu)化的實(shí)施技術(shù),針對(duì)高可靠性、安全性產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn),構(gòu)建支撐全生命周期產(chǎn)品研發(fā)的產(chǎn)品集成開發(fā)平臺(tái),能夠?yàn)槿詣?dòng)運(yùn)行系統(tǒng)RAMS分配、體系框架、硬件、軟件的可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供技術(shù)與工具支持。2)建立基于差模多樣化設(shè)計(jì)的冗余機(jī)制,提高全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性。在調(diào)度層,實(shí)現(xiàn)多角色異地多重冗余設(shè)計(jì),系統(tǒng)設(shè)置1個(gè)控制中心和1個(gè)備用中心,2個(gè)中心分別設(shè)置熱備冗余的服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)中心級(jí)服務(wù)器四重冗余,行調(diào)、電調(diào)、環(huán)調(diào)、車輛調(diào)和乘客調(diào)均可通過權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)控制功能切換,增強(qiáng)了全自動(dòng)運(yùn)行的冗余控制。通過車輛關(guān)鍵系統(tǒng)部件冗余、車-地?zé)o線通信冗余、頭尾傳感器(測(cè)速設(shè)備、BTM等)冗余,提升了全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性、可用性。3)采用基于故障預(yù)測(cè)的多專業(yè)一體健康管理技術(shù),提高全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。針對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的功能要求,應(yīng)用大數(shù)據(jù)、健康評(píng)價(jià)模型、故障診斷模型等,重點(diǎn)研究設(shè)備設(shè)施狀態(tài)檢測(cè)及預(yù)警預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)車輛、信號(hào)、通信全系統(tǒng)的故障檢測(cè)與容錯(cuò),在線檢測(cè)列車狀態(tài),并進(jìn)行自動(dòng)化的應(yīng)急處理,從而提高全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性、可用性及安全性。2.2以綜合監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的聯(lián)動(dòng)指揮為實(shí)現(xiàn)城軌系統(tǒng)的全專業(yè)協(xié)同聯(lián)動(dòng),全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)除了對(duì)列車的自動(dòng)控制之外,也在多專業(yè)聯(lián)動(dòng)方面突破創(chuàng)新。當(dāng)列車自身或運(yùn)行的環(huán)境(如線路、站臺(tái))等發(fā)生變化(如封站、火災(zāi))時(shí),全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)能夠采集到系統(tǒng)的變化,并且根據(jù)變化做出相應(yīng)的處置,全過程可自動(dòng)完成。針對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)于控制中心、車站、軌旁、車載等的要求,結(jié)合運(yùn)營方面的技術(shù)條件和管理措施,信號(hào)系統(tǒng)作為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的紐帶,通過與車輛、LTE、PIS、TETRA等其他系統(tǒng)共同配合,實(shí)現(xiàn)以行車指揮為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)(TIAS)。TIAS將信號(hào)的ATS與綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成,以數(shù)據(jù)共享方式,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)人工駕駛的行車調(diào)度控制,及面向車輛、乘客的調(diào)度控制,結(jié)束了調(diào)度控制系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,以接口方式實(shí)現(xiàn)人工駕駛的行車調(diào)度控制方式。為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)多專業(yè)的聯(lián)動(dòng)指揮,以綜合監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái),通過分布式對(duì)象化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,解決運(yùn)營信息碎片化問題;通過統(tǒng)一的人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)營狀態(tài)的可視化;提供基于預(yù)案的智能控制決策系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的自動(dòng)聯(lián)動(dòng),降低人因事故可能性,提高運(yùn)營安全性;以信號(hào)系統(tǒng)行車指揮子系統(tǒng)(ATS)核心原理為基礎(chǔ),通過列車運(yùn)行指揮靈活調(diào)整技術(shù)、列車網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營和無人駕駛運(yùn)營指揮,以及多專業(yè)聯(lián)合故障救援技術(shù)、信號(hào)與綜合監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等,建立實(shí)現(xiàn)以行車為核心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。2.3lte-m無線技術(shù)為實(shí)時(shí)監(jiān)控在途列車及乘客狀態(tài),全自動(dòng)運(yùn)行車輛需加強(qiáng)車輛各子系統(tǒng)狀態(tài)、列車周邊環(huán)境和客室狀況感知,并借助大容量多業(yè)務(wù)綜合承載車一地通信技術(shù),將以上信息上傳至控制中心。以CBTC信息的傳輸為核心,通過LTE-M的增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù),如QoS保證、高速切換算法、抗干擾措施等,實(shí)現(xiàn)LTE-M無線技術(shù)對(duì)于軌道交通車地?zé)o線信息的綜合承載。采用LTE-M系統(tǒng)用于承載軌道交通綜合業(yè)務(wù),在保障CBTC業(yè)務(wù)高可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí),滿足緊急文本下發(fā)和列車實(shí)時(shí)狀態(tài)的傳輸需求,且能為車載視頻監(jiān)控和乘客信息等業(yè)務(wù)提供有效的傳輸通道。LTE-M是針對(duì)軌道交通安全運(yùn)營綜合業(yè)務(wù)需求定制的專用通信系統(tǒng),全網(wǎng)配置完全冗余,能夠確保單點(diǎn)故障下的信號(hào)系統(tǒng)安全。與傳統(tǒng)解決方案相比,LTE-M系統(tǒng)有高可靠的抗干擾能力、高效的多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)保障機(jī)制、高速移動(dòng)下的穩(wěn)定傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。2.4通過系統(tǒng)互聯(lián)互通的標(biāo)準(zhǔn)化工藝實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的互通應(yīng)用,提高系統(tǒng)互通設(shè)備基礎(chǔ)和接口規(guī)范的統(tǒng)一,進(jìn)行系統(tǒng)互聯(lián)互通,城市軌道交通針對(duì)城市軌道交通互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)帶來的設(shè)計(jì)理念、運(yùn)營組織模式、資源配置方式和安全管理方法的深入復(fù)雜變化,以及不同供應(yīng)商的信號(hào)、綜合監(jiān)控、調(diào)度、車輛、LTE通信及機(jī)電的相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)共線、跨線互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行要求,結(jié)合運(yùn)營方面的技術(shù)條件和管理措施,對(duì)互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中,信號(hào)、綜合監(jiān)控、調(diào)度、車輛、LTE通信、機(jī)電相關(guān)設(shè)備的功能、需求、接口、設(shè)計(jì)原則,以及運(yùn)營場(chǎng)景等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一,完成滿足適用于城市軌道交通共線互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)要求的運(yùn)營場(chǎng)景規(guī)范、系統(tǒng)需求規(guī)范和系統(tǒng)接口規(guī)范的研究,并進(jìn)行PIS、CCTV、TETRA接口一致性及通信融合的相關(guān)研究。通過對(duì)城市軌道交通共線互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)規(guī)范的編制,指導(dǎo)后續(xù)互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)施,提高設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量,統(tǒng)一全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。3獨(dú)立運(yùn)營和自動(dòng)運(yùn)營的建設(shè)、運(yùn)營和思考3.1運(yùn)營服務(wù)總目標(biāo)、多元共贏,把安全監(jiān)控能力提高1)燕房線構(gòu)建了適應(yīng)我國城軌需求的技術(shù)體系,并取得了良好效果。燕房線FAO攻克了列車無人駕駛、智能調(diào)度管控、智能列車、全系統(tǒng)全生命周期RAMS保障等關(guān)鍵技術(shù),研制了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FAO成套裝備,并完成示范應(yīng)用。自主化FAO系統(tǒng)安全可靠、功能豐富,新開發(fā)了動(dòng)態(tài)測(cè)試、雨雪模式、自動(dòng)洗車等多項(xiàng)功能,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)、通信、車輛、機(jī)電、供電等專業(yè)的維保信息整合,形成綜合維修管理平臺(tái)IMS。燕房線FAO開通以來取得了很好的效果:①安全防控范圍擴(kuò)大,實(shí)現(xiàn)了停車庫、段內(nèi)行車線、正線區(qū)間、車站等的全域安全防護(hù);②安全監(jiān)控能力增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛、線路、站臺(tái)門、乘客、維護(hù)人員等的全方位安全防護(hù);③安全受控水平提高,降低人為誤操作引起事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn);④正線自動(dòng)化水平提高,減少人員駕駛操作響應(yīng)時(shí)間;⑤每站停站時(shí)間節(jié)約5～7s,能力提升5%;⑥車輛段自動(dòng)化水平提高,減少人員整備列車時(shí)間,出入庫31項(xiàng)自檢全自動(dòng)完成。北京市交通委運(yùn)營百分制考核開通至今,每月兌現(xiàn)率、正點(diǎn)率、列車掉線率、清人率、影響行車設(shè)備故障率、列車服務(wù)可靠度等指標(biāo)均達(dá)“優(yōu)秀”等級(jí)。2)北京大興國際機(jī)場(chǎng)線在燕房線示范工程的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了FAO行車、運(yùn)維、服務(wù)等方面的提升,基于機(jī)場(chǎng)出行實(shí)際需求,利用技術(shù)創(chuàng)新為乘客提供更加安全、便捷出行服務(wù)。實(shí)現(xiàn)高速全自動(dòng)安全行車。大興國際機(jī)場(chǎng)線最高運(yùn)行速度160km/h,采用市域快速車輛、AC25kV供電制式,同時(shí)采用全自動(dòng)駕駛技術(shù)運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)4編及8編混跑運(yùn)行;實(shí)現(xiàn)共線運(yùn)營全自動(dòng)運(yùn)行,承載不同廠家車載系統(tǒng)共線運(yùn)營,并計(jì)劃編制基于互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系;采用列車智能障礙物檢測(cè)系統(tǒng)(TIDS),利用主動(dòng)及被動(dòng)環(huán)境感知設(shè)備,通過智能算法處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物以及列車脫軌狀態(tài)的高可靠感知,實(shí)施預(yù)警和制動(dòng)等防護(hù)措施;示范應(yīng)用安全增強(qiáng)型列車控制網(wǎng)絡(luò),采用從通信到處理再到輸入/輸出的全系統(tǒng)安全解決方案,并通過SIL2級(jí)認(rèn)證。構(gòu)建適應(yīng)高速全自動(dòng)運(yùn)行的運(yùn)維平臺(tái)。在燕房線綜合維修管理平臺(tái)基礎(chǔ)上,結(jié)合機(jī)場(chǎng)線路高速運(yùn)行的特征,增強(qiáng)了接觸網(wǎng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、輪軌檢測(cè)以及車輛基地智能化管控功能。完善服務(wù)設(shè)施配置,提升乘客服務(wù)水平,為旅客提供高品質(zhì)出行服務(wù);增設(shè)商務(wù)車廂,對(duì)標(biāo)航空,定位于普通車廂服務(wù)功能的補(bǔ)充,滿足乘客差異化、私密性需求;實(shí)現(xiàn)航空旅客行李托運(yùn)服務(wù),與大興機(jī)場(chǎng)管理中心聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易旅客行李托運(yùn)系統(tǒng)。3.2正向設(shè)計(jì)避免了需求、建設(shè)思路不清北京智能化全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)建設(shè)過程中,建設(shè)單位牽頭,會(huì)同運(yùn)營單位、設(shè)計(jì)單位、供貨商、第三方評(píng)估單位歷時(shí)一年形成場(chǎng)景及規(guī)則設(shè)計(jì)文件?；谥袊枨筮M(jìn)行正向設(shè)計(jì),完成產(chǎn)品開發(fā)和工程實(shí)施,避免了需求、建設(shè)思路不清晰導(dǎo)致的損失。例如,燕房線全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng),國內(nèi)的需求側(cè)重點(diǎn)是提升安全、提高效率,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行;國外需求側(cè)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)無人駕駛,減少司機(jī),降低成本。國內(nèi)外的需求差異巨大,因此FAO的內(nèi)涵由側(cè)重?zé)o人駕駛轉(zhuǎn)變成側(cè)重于全過程運(yùn)行的控制。另外,北京大興國際機(jī)場(chǎng)線采用最高時(shí)速160km/h、4/8編組混跑全自動(dòng)運(yùn)行,也是從滿足機(jī)場(chǎng)乘客減少旅行時(shí)間、縮短等車時(shí)間、提升服務(wù)品質(zhì)的需求推動(dòng)的。3.3政府/協(xié)會(huì)兩大專業(yè)融合發(fā)展特征推動(dòng)不同系統(tǒng)進(jìn)行信息化整合,由于不同專業(yè)利益不同,導(dǎo)致城軌系統(tǒng)信息化平臺(tái)建設(shè)的困難點(diǎn),不僅是技術(shù),更是管理,這一特征決定了政府和協(xié)會(huì)必須發(fā)揮牽頭作用,既要及時(shí)、準(zhǔn)確識(shí)別技術(shù)的發(fā)展方向,又要不能因?yàn)槠胶獠煌瑢I(yè)導(dǎo)致實(shí)施變了樣。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是涉及11個(gè)專業(yè)的系統(tǒng)性、綜合性、創(chuàng)新性工程,以頂層設(shè)計(jì)為統(tǒng)領(lǐng)開展多專業(yè)工程設(shè)計(jì)。在燕房線和大興國際機(jī)場(chǎng)線建設(shè)過程中,建設(shè)單位牽頭組織,聯(lián)合專業(yè)大學(xué)、一流企業(yè),全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行系統(tǒng)性的技術(shù)研究、聯(lián)調(diào)聯(lián)試會(huì)戰(zhàn)。3.4列控安全的補(bǔ)充在全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)攻克的基礎(chǔ)上,城軌自動(dòng)化控制將朝著更加智能化、精簡(jiǎn)化、服務(wù)化的方向發(fā)展。1)基于計(jì)算機(jī)視覺的主動(dòng)式防撞運(yùn)行?；谟?jì)算機(jī)視覺的主動(dòng)防撞,采用視覺、激光、毫米波等傳感器結(jié)合使用的方式,通過計(jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)算法融合,識(shí)別軌道上的列車、人、信號(hào)機(jī)等“障礙物”,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的主動(dòng)式安全防護(hù)。在列車運(yùn)行過程中,可以形成對(duì)既有列控防護(hù)系統(tǒng)的安全補(bǔ)充,使得系統(tǒng)更加的“安全”;在列控防護(hù)系統(tǒng)故障情況下,以及救援過程中、工程車運(yùn)行等情況下,也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的安全防護(hù),從而提高非列控系統(tǒng)的運(yùn)行效率,使得系統(tǒng)更加的“高效”。2)基于車-車通信的列控自主智能控制?；谲?車通信的列控系統(tǒng),以車載移動(dòng)體為核心,實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制,通過雙向、大容量、高速度的車-地?zé)o線通信、多傳感器融合列車測(cè)速定位、列車自主協(xié)同移動(dòng)閉塞控制技術(shù),依靠自身感知、自主決策實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行控制。系統(tǒng)的