城市軌道無人駕駛調度指揮系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢研究 | 技術交流

來源：《鐵道通信信號工程技術》雜志

通過對全自動無人駕駛作業(yè)需求的分析,，對基于行車為核心的全自動無人駕駛綜合調度指揮系統(tǒng)在調度功能變化、系統(tǒng)構建,、信息集成,、關鍵技術等方面進行分析和研究。

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城市軌道全自動無人駕駛系統(tǒng)較有人駕駛具有更好的系統(tǒng)性能,、靈活性和低能耗，目前全自動無人駕駛調度指揮管理還處于摸索階段,，本文通過對全自動無人駕駛作業(yè)需求的分析,，對基于以行車為核心的全自動無人駕駛綜合調度指揮系統(tǒng)在調度功能變化、系統(tǒng)構建,、信息集成,、關鍵技術等方面進行分析和研究。

1?城市軌道交通自動化的發(fā)展演變

1.1?城市軌道交通自動化標準確定

在IEC 62290標準中,，按照自動化程度將城市軌道交通管理與控制系統(tǒng)具備的運營功能分為5個等級,，其中有人駕駛3個等級，無人駕駛2個等級,，分為自動化等級為GOA3的司機值守的無人駕駛DTO和自動化等級為GOA4的全自動無人駕駛UTO,。

1.2?有人駕駛階段自動化控制發(fā)展

城軌自動化控制已經(jīng)歷三個階段。

第一階段,，按專業(yè)劃分,，信號系統(tǒng)與各個監(jiān)控系統(tǒng)分立，調度指揮專業(yè)之間完全靠人協(xié)商,。

第二階段,，將供電、環(huán)控、防災系統(tǒng)進行集成,，構成綜合監(jiān)控系統(tǒng),，形成信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)并存的模式，信號與綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間信息交換較為便利,，但還沒有徹底擺脫調度指揮專業(yè)靠人協(xié)商的局面,。

第三階段，ATS與綜合監(jiān)控集成,，將ATS/PSCADA/FAS/BAS等系統(tǒng)信息匯集于統(tǒng)一技術平臺,，并基于這個平臺實現(xiàn)跨專業(yè)信息交互和協(xié)調的行車綜合自動化系統(tǒng)——TIAS（Traffic Control  Intergrated Automation System）系統(tǒng)，實現(xiàn)以ATS行車為核心的多專業(yè)多業(yè)務聯(lián)動,。由于信息充分共享,，調度指揮效率有本質提升，尤其是在故障災害情況下,，各專業(yè)科學聯(lián)動,。

1.3?全自動無人駕駛綜合調度指揮系統(tǒng)解決的問題

1）綜合調度指揮總體功能要求

整合與行車密切相關的全部信息，實現(xiàn)對正線,、車輛段,、停車場全線路所有專業(yè)系統(tǒng)的全自動運行和監(jiān)控。

額外增加對車輛內(nèi)外信息的收集及顯示,，實現(xiàn)對全自動駕駛的車輛提供全面信息服務,。

建立直接面向乘客的統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)對火災,、水淹車內(nèi)狀況監(jiān)視等緊急情況下的安全處理,，實現(xiàn)遠程乘客服務功能，確保故障安全處理能力,。

優(yōu)化控制中心行調,、電調、乘客調度,、車輛等調度的設置,，保證中心調度員操作有效便捷，發(fā)揮出全自動駕駛的優(yōu)點,。

2）綜合調度指揮基本模型

全自動無人駕駛更多的是管理理念的巨大變化,，以往司機的工作和責任由中心自動化系統(tǒng)代替。調度中心所面臨的職責由以往下達命令,、監(jiān)視執(zhí)行,、聽取匯報變?yōu)閷ΜF(xiàn)場的遠程實時控制。這種運營調度指揮,、管理,、責任界定的變化,，僅僅靠ATP/ATO設備提高可靠性是不能完成的,，現(xiàn)場情況透明化,、遠程操控的實時化、故障緊急情況多專業(yè)協(xié)作聯(lián)動處理的迅捷化,，這都要求一個透明,、實時、多專業(yè)聯(lián)動操控調度系統(tǒng),。全自動無人駕駛在調度指揮需要突破的關鍵技術包括：充分利用全自動無人駕駛的技術特點,，實現(xiàn)調度與控制一體化，實現(xiàn)節(jié)能運輸,；實現(xiàn)ATS為核心的綜合行車調度指揮功能擴展,；從技術層面集成實現(xiàn)信號與綜合監(jiān)控一體化，建立多專業(yè)聯(lián)合故障救援的綜合調度指揮統(tǒng),。

3）綜合調度指揮研究思路

基于自動化系統(tǒng)發(fā)展第三階段的技術基礎,，將ATS與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控深度集成，提供更加全面的列車監(jiān)控,、乘客服務,、綜合維修調度功能及輔助決策支持功能，將集成平臺上額外增加車輛的信息（車輛前端增加攝像頭增加瞭望功能,、車輛上自己配置的牽引,、制動、車門PIS,、照明,、空調、PA,、CCTV,、無線）充分融合進綜合調度系統(tǒng)，調度員“視線延伸”至車輛內(nèi)外,，最終構成面向全自動無人駕駛的以ATS行車為核心的綜合自動化系統(tǒng),。下面通過全自動無人駕駛場景和信息接口分析，研究確定面向全自動無人駕駛的行車綜合自動化系統(tǒng)應該具有的功能和結構,。

2?全自動無人駕駛的調度指揮分析

2.1?全自動無人駕駛場景情況分析

全自動無人駕駛有車輛段庫內(nèi)作業(yè),、正線運營兩大類，從運營狀況分為正常運營和故障處理兩大類,，總結各種運營狀況有41個基本場景,，不同線路情況需求稍有差異。其中18種正常運營場景,，23種是故障,、緊急情況下的場景。在實際運營中所有的場景控制都應該是以ATS為核心，多專業(yè)聯(lián)動完成,。

2.2?全自動無人駕駛各系統(tǒng)之間信息集成研究

在有人駕駛的第三階段已經(jīng)形成ATS,、ISCS（傳統(tǒng)）、變電,、機電集成,。為了適應全自動無人駕駛，掌握車輛前視,、車輛內(nèi)部情況,，需要將以上信息也集成進TIAS系統(tǒng)中。具體將OCC內(nèi)的車輛PIS,、TETRA系統(tǒng)集成進傳統(tǒng)的ISCS系統(tǒng)中,，實現(xiàn)與車載PIS/CCTV/廣播/電話的信息集成，實現(xiàn)TIAS對車輛的延伸監(jiān)視和控制,。ATS系統(tǒng),、ISCS(集成車載信息的綜合監(jiān)控系統(tǒng))、變電,、機電充分集成構成了基于全自動無人駕駛的TIAS系統(tǒng),。其他各專業(yè)系統(tǒng)之間的接口關系維持原模式，但是在各種場景下,，工作聯(lián)動策略更加細化,，實現(xiàn)全自動無人駕駛的各專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的深度集成。信息集接口具體如圖1所示,。

2.3?各專業(yè)之間聯(lián)動研究

TIAS系統(tǒng)接收處理接口系統(tǒng)的報警,、狀態(tài)觸發(fā)點，自動發(fā)送控制命令到聯(lián)動系統(tǒng)的全自動聯(lián)動方式,；當與預定義的聯(lián)動功能相關的報警點觸發(fā)動作后,，在工作站人機界面上發(fā)出信息提示操作員，操作員確認后,，TIAS系統(tǒng)自動向聯(lián)動系統(tǒng)發(fā)出控制指令的半自動聯(lián)動方式,；人工選擇啟動一組涉及多個系統(tǒng)的控制序列，系統(tǒng)自動按照順序和閉鎖條件向不同的系統(tǒng)發(fā)布指令,，其中涉及到行車安全的控制操作在聯(lián)動中均需要半自動或手動模式,，人工確認后執(zhí)行的手動聯(lián)動方式。

1）正常運轉狀態(tài)下的自動聯(lián)動節(jié)省人力

a.正線正常作業(yè)

信號系統(tǒng)利用其掌握的列車運營時刻表信息,，動態(tài)解算出各車站的運營開始和結束的時間,，通過通信接口自動觸發(fā)供電、機電,、環(huán)控等各專業(yè)系統(tǒng)設備進行開啟和關閉,。運營結束后,，自動聯(lián)動關閉空調、照明,、電扶梯等機電設備,，關閉AFC系統(tǒng)和進出閘機，并調整相關車站隧道區(qū)域的風機通風模式,；運營開始,，需要開啟按照ATS運營時刻自動聯(lián)動提前開啟空調,、照明,、電扶梯等機電設備，開啟AFC系統(tǒng)和進出閘機,，并調整相關車站隧道區(qū)域的風機通風模式,。

b.庫內(nèi)主要作業(yè)

車輛在庫內(nèi)休眠時自動進行降弓、關閉電源等操作,，車載信號報告休眠,，與中心保持無線通信連接，所有車休眠,，調度中心遠程關閉庫內(nèi)牽引供電,，鎖閉門禁；中心ATS命令控制開啟牽引供電及門禁,，ATS向需要喚醒列車發(fā)喚醒指令,，列車進行升弓、開啟電源等操作,。車輛內(nèi)系統(tǒng)進行自檢,，結果由車載信號給ATS中心報告車輛狀態(tài),。ATS接收車載報告確認后,，發(fā)出發(fā)車指令。

2）故障危急狀態(tài)下自動聯(lián)動減少應急時間降低危害

a.站臺,、站廳火災

FAS檢測到火災報警,，除了啟動消防滅火措施外,，聯(lián)動其他專業(yè)。在TIAS相應的操作站界面上彈出火災告警,，將人機界面監(jiān)視區(qū)域視頻監(jiān)控等自動切換到火災發(fā)生區(qū)域,，便于操作人員快速判斷火災影響并決定作業(yè)命令。在一個專業(yè)控制命令執(zhí)行過程中,，將其設備狀態(tài)同步給其他專業(yè)顯示,，便于了解其他專業(yè)的執(zhí)行進度，從而合理選擇自己的作業(yè)步驟,，整個處理過程各專業(yè)決策,、過程,、結果完全透明化。其中,，ATS命令信號系統(tǒng)扣車,，并提示轉換線路運行交路方式；環(huán)控系統(tǒng)啟動車站防煙排煙模式,；其他機電專業(yè)進行關閉車站普通照明,、關閉車站電扶梯、釋放門禁,、釋放所有進出閘機,、啟動逃生制式和應急照明等操作；通信啟動PA廣播進行旅客安撫和提供疏導路線建議,。

b.列車火災

TIAS接收到列車火災告警,，火災告警信息通過系統(tǒng)間接口同步傳輸?shù)叫盘枴⒐╇?、機電等各系統(tǒng)調度臺顯示,，提醒相關人員操作步驟，當行車調度員通過CCTV確定火災情況,，下達疏散指令,，系統(tǒng)自動根據(jù)列車位置確定是區(qū)間疏散還是站臺疏散，然后將相應停電,、通風風扇,、廣播等控制命令通過聯(lián)動接口傳遞至各專業(yè)系統(tǒng)，經(jīng)各專業(yè)操作員人工確認后執(zhí)行,，同時系統(tǒng)根據(jù)火災列車位置,，自動給出調整線路其他區(qū)域列車運行交路的建議。

c.其他

如隧道水淹,、接觸軌失電等危急狀態(tài)下,，都有相應的多專業(yè)應急處理模式。

3）聯(lián)動實現(xiàn)的基礎

TIAS系統(tǒng)搭建ATS,、PSCADA,、BAS等不同專業(yè)的業(yè)務應用功能，為實現(xiàn)多專業(yè)的聯(lián)動,，只有基于同一軟件平臺基礎才能實現(xiàn),。

TIAS系統(tǒng)應采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲和處理，采用統(tǒng)一的調度/值班員工作站用于信號,、供電,、機電、車輛,、站臺門,、乘客服務等設備,。

TIAS系統(tǒng)采用統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)，各專業(yè)業(yè)務統(tǒng)一部署在同一個工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中,。

綜合指揮管理平臺應是以ATS行車為核心的綜合調度系統(tǒng),。

TIAS系統(tǒng)能提供融合信號、供電,、機電,、車輛、通信,、站臺門,、乘客服務、網(wǎng)絡等設備管理系統(tǒng),，統(tǒng)一對全線的設備進行狀態(tài)監(jiān)視,，進行設備的預防維修,、狀態(tài)維修和計劃維修,，并針對設備故障提供分析支持，輔助維護調度決策,。

3?全自動無人駕駛的關鍵技術研究

以上是對全自動無人駕駛的場景,、信息集成、系統(tǒng)構建進行分析,，而節(jié)能高效的運營,、減員增加效益才是建設全自動無人駕駛的根本目的，也才能真正體現(xiàn)出全自動無人駕駛的優(yōu)點,，而全自動無人駕駛需要解決的關鍵技術如下,。

3.1?調度與控制一體化實現(xiàn)節(jié)能

運營制動時，車輛將電動機轉為發(fā)電機,，進而把動能轉換為電能,，軌道交通系統(tǒng)中，由于列車在運行過程中需要頻繁牽引與制動,，因此制動過程中回收的電能反饋給接觸網(wǎng)再供列車牽引使用比較可觀,，再生制動是一項十分有效的節(jié)能措施。我國城市軌道交通站間距離短,、發(fā)車間隔小,、列車速度快，非常適宜再生能量的直接利用,。車輛通過ATO采用加速-惰行-制動的控車曲線,，在控車過程中盡可能延遲惰行時間段，即可實現(xiàn)節(jié)能運輸,。本車在制動時間段與其他車輛的加速時間段完全重疊,，在制動時產(chǎn)生的再生能,，將最大限度反饋接觸網(wǎng)并全部應用于其他車輛的加速耗能是最節(jié)能模式，綜合考慮一個供電區(qū)間內(nèi)多車運營因素,，實現(xiàn)多車之間再生制動動能利用最大化是需要研究的節(jié)能關鍵問題,。

優(yōu)化同一供電區(qū)間內(nèi)列車在各個站的發(fā)車時刻、到站時刻,，使得列車在制動產(chǎn)生再生能量的時間段內(nèi),，有更多的列車處于牽引取電狀態(tài)，最大限度的增大列車牽引和制動的重疊時間,，以此來提高再生制動能的利用率,，達到節(jié)能的目的。所以將列車時刻表所規(guī)定的區(qū)間運行時間作為列車控制模型的基本約束,，另一方面將列車運行曲線所決定區(qū)間加速,、制動時間作為列車調度模型的關鍵參數(shù)，實現(xiàn)調度與控制一體化研究,，ATP保證安全實現(xiàn)最小追蹤間隔,，ATO優(yōu)化車輛速度曲線，ATS優(yōu)化計算多列車運行時刻表,，一方面降低單車能耗,，另一方面提高再生能的利用率，而無人駕駛最大優(yōu)點是設備全自動控制,，能更精確控制單列車加速,、惰行、制動,，ATS在綜合多輛車加速,、惰行、制動情況的基礎上,，能更精準計算出多車最佳的加速,、制動時間段的重疊最大化，達到無人駕駛系統(tǒng)凈能耗最低的目標,。作為CBTC的三個子系統(tǒng)精準配合與銜接,，在同一供電區(qū)間最大負荷允許的情況下，實現(xiàn)最大程度的節(jié)能高效運輸,。

3.2?ATS為核心的綜合調度指揮功能擴展

全自動無人駕駛更多是理念的變化及管理,、責任界定的變化，而并非僅僅是ATP/ATO設備可靠性提高,，車輛加前視攝像頭,、各子系統(tǒng)信息集成這么簡單。無人駕駛司機的責任由行車控制管理中心自動化系統(tǒng)代替,，從前面分析可以看出,，ATS的功能隨著無人駕駛的責任由司機,、站務人員向中心自動化系統(tǒng)轉變，中心遠程控制能力增強及責任巨大變化才是全自動無人駕駛調度指揮的核心,，需要以ATS功能為核心應各種場景的需求做綜合調度功能細化擴展研究,，才能真正應對全自動無人駕駛的需求。

3.3?多專業(yè)聯(lián)合故障救援

多專業(yè)之間的快速聯(lián)動協(xié)作是保證故障-安全的關鍵,。在技術層面上,，通過數(shù)據(jù)處理層實現(xiàn)各個專業(yè)信息的集成和充分共享，并實現(xiàn)各個專業(yè)調度臺操作界面統(tǒng)一,，ATS調度員可以查看其他專業(yè)調度臺界面信息,，ATS的命令能實時下達至任一調度臺，充分展示現(xiàn)場情況的實時,、透明是技術基礎,。而故障救援過程中各專業(yè)之間聯(lián)動實施策略的構建環(huán)境是需要長時間的摸索和調整。

4?展望

隨著云計算技術,、LTE-M技術的成熟和推廣,，基于云計算技術硬件平臺將更加簡單。而CCTV/PIS等需要高帶寬傳送信息采用LTE-M通信技術,，以行車為核心的綜合調度指揮系統(tǒng)構建將更加節(jié)約化,，是新的研究方向。