城市軌道交通運行控制系統(tǒng)的智能化、一體化與自動化

城市軌道交通運行控制系統(tǒng)的智能化、一體化與自動化

作為一種重要的公共交通形式，中國的公共交通已經(jīng)進入“智能地鐵”建設階段。隨著全自動運行技術逐漸成熟，無人駕駛線路備受青睞。北京、上海、廣州、香港等城市已具有無人駕駛線路運營經(jīng)驗，深圳、南京、成都、武漢、濟南、蘇州、鄭州等城市均有在建無人駕駛線路。常規(guī)既有線向無人駕駛線路改造升級也得到關注。自身的優(yōu)越性是全自動無人駕駛運營模式快速普及的重要原因之一。以國內首條GoA4級地鐵線路———上海地鐵10號線為例，5年來，該線路5min及以上晚點事件為0，平均準點率和兌現(xiàn)率均達到99.9%。較常規(guī)線路，平均運行速度提升約8.8%，平均出入庫時間減少50%，同等服務水平下配車減少3列，每公里運營人員減少13人。這說明，先進可靠的全自動無人駕駛運營模式能顯著降低運維成本，提高運營質量。隨著以往由運營人員協(xié)調組織的城市軌道交通運營模式向高度集成的全自動運行模式快速變革，預設場景固定邏輯控制的全自動運行系統(tǒng)向基于知識和經(jīng)驗自學習的智能系統(tǒng)逐步過渡，城市軌道交通一體化運營趨勢日益明顯。這不僅體現(xiàn)為復雜運營場景下的單線路、多專業(yè)、多系統(tǒng)的一體化，還面向線網(wǎng)級運營管理一體化與出行服務一體化。按照此態(tài)勢，具有綜合自動化、一體化與智能化特征的城市軌道交通全自動一體化智能運行行車指揮模式將是城市軌道交通運控系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，即全自動一體化智能運行系統(tǒng)。然而，信號系統(tǒng)的安全完整度等級（SIL）要求相對較高，全自動一體化智能運行系統(tǒng)在保證自身安全等級的同時，其內涵、業(yè)務功能、架構以及應具備的性能均亟待研究?；诖耍疚木驮撓到y(tǒng)相關內容進行討論。1運營場景的情景-決策在城市軌道交通中，面對復雜的運營場景，全自動運行系統(tǒng)基于預設的邏輯實施決策，即“預測-決策”。未來，軌道交通無人駕駛線路逐步成網(wǎng)，跨線網(wǎng)互聯(lián)互通與智能技術在城市軌道交通系統(tǒng)中逐漸普及。針對更加復雜的運營場景，全自動一體化智能運行系統(tǒng)將憑借其數(shù)據(jù)采集、智能學習、智能計算與智能控制能力實現(xiàn)線路運營的實時決策優(yōu)化與線網(wǎng)運營的協(xié)調，即“情景-決策”。全自動一體化智能運行系統(tǒng)建立在功能及其實現(xiàn)模式、體系架構以及性能需求等內容的基礎上，可認為是一種以服務乘客為導向，以CBTC系統(tǒng)或全自動運行系統(tǒng)為基礎，以子系統(tǒng)實時狀態(tài)與發(fā)展態(tài)勢為指導，子系統(tǒng)及不同線路之間能有效實施聯(lián)動決策，具有知識學習技能、智能計算能力及多級后備模式，面向調度、運維、車場與車站智能化，最終實現(xiàn)線網(wǎng)級復雜運營場景的安全、可靠、高效、經(jīng)濟與開放的列車運行控制系統(tǒng)。2系統(tǒng)功能2.1全自動一體化智能運行系統(tǒng)的功能特征城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)以常規(guī)基于通信的列車自動控制（CBTC）系統(tǒng)為基礎，全自動一體化智能運行系統(tǒng)的基本功能與其類似。全自動一體化智能運行系統(tǒng)應當具有保障運行安全、指揮列車運行、保護與輔助乘客、輔助設備維護、提供技術服務等多方面的基本功能，如圖1所示。與常規(guī)運控系統(tǒng)相比，全自動一體化智能運行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互、自動化與安全苛求程度更高，軟硬件與路網(wǎng)一體化程度更顯著，運營人員需求更少，更傾向于服務乘客。其功能特征主要表現(xiàn)為以下方面。1）海量數(shù)據(jù)支持與應用?；趥鞲衅骱臀锫?lián)網(wǎng)技術，城軌部分專業(yè)已具備客流、環(huán)境以及設施設備狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集能力，并輔助列車運行決策。隨著系統(tǒng)與專業(yè)的一體化，海量數(shù)據(jù)伴隨而來，數(shù)據(jù)融合與信息安全、運行安全面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。對此，全自動一體化智能運行系統(tǒng)應注重數(shù)據(jù)資源的拓展與應用，以實時支持列車運行。2）人工智能助力行車指揮。基于海量數(shù)據(jù)，將車輛、車站、車場及線路等設施設備信息與人工智能技術相結合，可推進運維的智能化，形成智能運維。例如，車載及車站設備的健康度評估與預測、維修決策、障礙物檢測等。同時，將車站環(huán)境、設備以及客流等信息與人工智能技術相結合，可實現(xiàn)車站的智能化，形成智能車站。例如，客流密度檢測、乘客滯留檢測、客流趨勢預判等。類似的，基于線路或線網(wǎng)的客流實時數(shù)據(jù)可實現(xiàn)正常調度或應急調度的智能化，即智能調度或動態(tài)調度?；趹眻鼍靶畔⑴c車場或存車線車輛資源，可實現(xiàn)應急車輛的優(yōu)化配置，即智能車場。運維、車站、調度與車場的智能化，將進一步保障列車運行安全與線路運營安全。3）跨線網(wǎng)、多專業(yè)一體化運營。針對傳統(tǒng)運營模式不同專業(yè)分立而設所導致的效率不高問題，全自動一體化智能運行系統(tǒng)需要將不同專業(yè)子系統(tǒng)互聯(lián)與集成，通過融合不同專業(yè)信息來指導列車運行。同時，考慮到復雜運營情景中不同線路相互協(xié)調的需求，全自動一體化智能運行系統(tǒng)還需要基于互聯(lián)線路信息，指導實施跨線網(wǎng)運營。2.2運營安全耦合城市軌道交通系統(tǒng)中乘客、列車、軌行區(qū)（線路）、車站和車場之間，以及線路與線路之間的關系是復雜的，列車運行狀態(tài)、車站與車內客流大小均會影響乘客安全與運營效率。為實現(xiàn)列車智能化運行，全自動一體化智能運行系統(tǒng)需要整合上述耦合關系，并保證運行安全、運營安全與信息安全。基于此，提出列車智能運行的業(yè)務功能聯(lián)動關系，如圖2所示。列車安全可靠的運行是乘客出行的基本保障。全自動一體化智能運行系統(tǒng)應借助運維、車場、調度、車站及列車的聯(lián)動，滿足避免故障列車上線（運維與運行）、緊急情況應急列車快速上線（車場、調度與運行）、大客流或故障情景快速調圖（乘客、車場、調度與運行）、乘客乘車舒適度控制（乘客、調度與運行）、車站大客流識別與控制（乘客、車站、調度與運行）等現(xiàn)實需求。可借助信息采集、傳輸與處理、計算、判別、決策與執(zhí)行來實現(xiàn)上述功能。以往軌道交通系統(tǒng)功能割裂，效率不高，難以有效應對日益復雜的運營場景，全自動一體化智能運行系統(tǒng)則應滿足上述聯(lián)動需求。3結構研究3.1運行系統(tǒng)參考體系架構人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術與自然學科的蓬勃發(fā)展，給予了列車運行與線路運營大量的創(chuàng)新條件，為運控系統(tǒng)轉型升級提供強大動力?？缇€網(wǎng)多專業(yè)信息的應用思路逐漸成熟，線網(wǎng)多專業(yè)信息的全息感知、海量大數(shù)據(jù)的實時存取、決策智能優(yōu)化與自動執(zhí)行，以及運營信息的顯示與操作等均將逐步實現(xiàn)?；诔鞘熊壍澜煌òl(fā)展現(xiàn)狀及功能期望，提出全自動一體化智能運行系統(tǒng)參考體系架構，如圖3所示。1）跨線網(wǎng)多專業(yè)全息感知平臺直接面向線網(wǎng)范圍內的軌道交通設備，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實時采集。涉及對象包括供電、車輛、行車、通信、信號等專業(yè)，以及環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、火災報警系統(tǒng)（FAS）等。該平臺通過數(shù)據(jù)的采集、清洗與融合為上層應用提供全面、可信的數(shù)據(jù)資源，是精準實現(xiàn)全自動一體化智能運行的數(shù)據(jù)基礎。2）跨線網(wǎng)多專業(yè)大數(shù)據(jù)實時存取平臺面向海量數(shù)據(jù)的分布式實時存儲、處理與共享，是實現(xiàn)全自動一體化智能運行的基礎環(huán)節(jié)。其中，互聯(lián)互操作接口與通信網(wǎng)絡的設置與優(yōu)化是以上功能實現(xiàn)的必要條件。3）全自動一體化智能運行支持平臺面向行車指揮的智能化，依托可信數(shù)據(jù)，運用情景建模、數(shù)據(jù)驅動、智能計算等方法保障運營質量；基于車場、車站、調度與運維的情景信息，實現(xiàn)列車運行的智能決策，是全自動一體化智能運行系統(tǒng)工作的技術途徑。4）全自動一體化智能運行綜合監(jiān)管平臺面向信息可視化與人機交互，包括運營信息、運行信息、設備狀態(tài)、環(huán)境信息與運維信息等數(shù)據(jù)的展示以及相應的操作功能，能以真實、形象的可視信息服務于工作人員與乘客，是全自動一體化智能運行系統(tǒng)的人機操作與信息展示終端。3.2基于架構的路網(wǎng)協(xié)同控制全自動一體化智能運行系統(tǒng)屬于面向線網(wǎng)級的集散控制系統(tǒng)，是一系列子系統(tǒng)的集成、互聯(lián)與協(xié)同。從宏觀上而言，該系統(tǒng)可采用由具有中心調度功能的線網(wǎng)級系統(tǒng)與線路子系統(tǒng)構成的集中式模式，也可采用由線路子系統(tǒng)互聯(lián)構成的分布式協(xié)同網(wǎng)絡，如圖4所示。采用集中式模式需要由線網(wǎng)級系統(tǒng)開展線網(wǎng)的運營優(yōu)化與統(tǒng)一指揮，而采用分布式模式則由線路子系統(tǒng)基于耦合關系、交互信息與相應的分布式優(yōu)化方法實現(xiàn)路網(wǎng)協(xié)同指揮。需要提及的是，基于供電（PSCADA）、AFC、FAS、PIS、廣播系統(tǒng)（PA）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）等多個專業(yè)子系統(tǒng)的互聯(lián)與整合，綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）及其技術已成為實現(xiàn)全自動無人駕駛運營模式的關鍵。在國內，上海地鐵10號線較早地將綜合監(jiān)控系統(tǒng)應用于全自動運行中。綜合監(jiān)控系統(tǒng)及其“大綜控”思想已被大量研究與應用，形成了諸如以行車指揮為核心的綜合自動化系統(tǒng)（TIAS）、綜合指揮調度系統(tǒng)（TIDS）以及智能運控系統(tǒng)（TIDAS）等高集成度運控系統(tǒng)。此類系統(tǒng)在城市軌道交通網(wǎng)絡中占比增大，為全自動一體化智能運行系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展環(huán)境。全自動一體化智能運行系統(tǒng)可進一步拓展“大綜控”模式，以信號系統(tǒng)為核心，通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)以及云計算等技術與方法對單個線路資源進行整合，并借助通信技術與全自動運行線路的ISCS系統(tǒng)或常規(guī)線路的ATS系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)線路間的雙向協(xié)同或單向協(xié)同。根據(jù)路網(wǎng)協(xié)同實現(xiàn)模式或物理架構分布的不同，可將“集中式”運營設備分為4層，即線網(wǎng)中心層、線路中心層、車站/車場層（含軌旁）和車載層?！胺植际健边\營設備則可直接分為3層，即中心層、車站/車場層（含軌旁）和車載層。4全自動一體化智能運行系統(tǒng)的安全需求作為安全苛求系統(tǒng)，全自動一體化智能運行系統(tǒng)組成結構相對龐大，涉及技術與方法相對復雜，不同子系統(tǒng)之間的耦合關系較常規(guī)系統(tǒng)更為緊密，這對系統(tǒng)性能提出更高要求。一般可從安全性、效率、可靠性、經(jīng)濟性以及開放性5方面考慮該系統(tǒng)的性能指標，如圖5所示。在安全性方面，全生命周期的功能安全與信息安全是不容忽視的。功能安全是保證系統(tǒng)輸出正確指令、執(zhí)行正確操作的關鍵。對于全自動一體化智能運行系統(tǒng)，其整體安全完整度等級應不低于SIL2，關鍵子系統(tǒng)應達到SIL2以上。以具有高安全完整度等級的信號系統(tǒng)為核心是首推的系統(tǒng)模式。系統(tǒng)的開發(fā)、測試與上線應符合相關安全要求，如GB/T24339或EN50159、GBT28808或EN50128、EN50129、EN50126、GB4943或EN60950-1、EN50125-3以及EN50121-4等標準。因此，功能安全要求當系統(tǒng)中部分子系統(tǒng)或設備故障時，系統(tǒng)仍舊能保持安全條件或進入安全狀態(tài)，即故障導向安全。鑒于子系統(tǒng)的互聯(lián)與協(xié)同聯(lián)動，當故障或危險發(fā)生時，全自動一體化智能運行系統(tǒng)不僅應具有多層系統(tǒng)降級模式，其輸出的安全狀態(tài)還應是考慮全局與事態(tài)發(fā)展的安全狀態(tài)，而非局部的安全狀態(tài)。信息安全是針對信息的可用性、可控性、完整性與保密性。對于智能運行系統(tǒng)，需要關注邊界設防與區(qū)域隔離，重視通信網(wǎng)絡安全、區(qū)域邊界安全與計算環(huán)境安全，其信息安全等級保護應不低于三級。在效率方面，全自動一體化智能運行系統(tǒng)應具有理想的啟動速度、響應速度以及信息的傳輸與處理能力，并能夠顯著提升運營效率。例如，軟件加載、設備冗余切換以及被控設備反應時間可接受，數(shù)據(jù)實時處理能力可觀，列車出庫時間顯著降低等。在可靠性方面，全自動一體化智能運行系統(tǒng)包含眾多服務于車輛運行的監(jiān)測模塊，如煙霧偵測、大客流檢測、車輛出庫自檢等。因此，為保證系統(tǒng)功能可靠，監(jiān)測精度應盡可能高，告警準確率可接受。在海量信息的支持下，全自動一體化智能運行系統(tǒng)為實現(xiàn)列車的“智能”運行，需要具備針對客流、設備、環(huán)境等相當精度的“態(tài)勢感知”能力，以進一步改善“預測-決策”，推進高水平的運行、運營“情景-決策”。同時，可靠的服務是乘客高效出行的前提，全自動一體化智能運行系統(tǒng)不僅要重視準點率和兌現(xiàn)率，還應進一步關注乘客滿意度，提高乘客出行體驗，降低車廂擁擠度、站臺滯留時間以及平均候車時間等。在經(jīng)濟性方面，全自動一體化智能運行系統(tǒng)不僅要支持無人駕駛，還應考慮列車的節(jié)能運行，降低能源消耗。同時，高效的自動化運營與優(yōu)質的服務，不僅能降低現(xiàn)場人員的工作量與設備維修成本，還能夠更多地吸引乘客，提高運營收入水平。在開放性方面，設備與功能的可維護與可拓展是全自動一體化智能運行系統(tǒng)應具有的性能。功能拓展能夠應對新需求，軟硬件可維護有助于保障系統(tǒng)的使用壽命。同時，系統(tǒng)應具備對新信息的學習機制或對新環(huán)境的良好適應性。新信息的學習有助于設備、客流以及環(huán)境狀態(tài)的判