地铁列车全自动无人驾驶系统方案VIP

地铁列车全自动无人驾驶系统方案 张海涛?梁汝军? ? ? ?铁科院? 北京? 工程咨询有限公司? ? ? ? ? ? 北京? ?南车南京浦镇车辆有限公司? ? ? ? ? ? 南京?第一作者? 工程师? 摘?要?全自动无人驾驶系统与传统有人驾驶系统相比? 实 现了全自动化? 无人干预的列车运行模式?结合上海轨道交 通? ?号线? 介绍了全自动无人驾驶系统的功能? 特点? 以及 全自动无人驾驶系统与常规地铁车辆的区别? 并提出了实现 全自动无人驾驶系统的难点? 为地铁列车实施全自动无人驾 驶方案提供参考? 关键词?地铁列车?驾驶模式?全自动无人驾驶 中图分类号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?城市轨道交通的迅猛发展? 同时带动着车辆? 信 号? 通信及综合监控系统等领域及系统集成技术的 快速发展?随着相关技术的不断进步和完善? 城市 轨道交通全自动无人驾驶技术亦日趋成熟?目前? 哥本哈根? 巴黎? 温哥华等城市的全自动无人驾驶列 车已投入运行? 而且还有越来越多的国外城市在建 地铁项目选择全自动的无人驾驶? ? ? 系统? 甚至 很多国外城市考虑将既有线改造成全自动无人驾驶 线路?纵观世界? ? ?系统正引领着城市轨道交通 未来的发展趋势? 国内全自动无人驾驶技术发展起步较晚? 目前 只有上海轨道交通? ?号线? 北京地铁机场线采用全 自动无人驾驶系统?随着相关配套设施和手段的不 断完善? 全自动无人驾驶技术也将会在中国城市轨 道交通中得到更多的应用? ? ?列车驾驶模式介绍 ? ? ? ?列车驾驶模式种类 地铁列车运行驾驶模式分为自动驾驶模式? 有 ? ? ? 列车自动保护? 的人工驾驶模式和? ? ?切除 的驾驶模式? ? ?自动驾驶模式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 简为 ? 又分为有人驾驶的自动化运行方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 简为? ? ? ? 无人驾驶 的有人跟车的自动化运行方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 简为? ? ? 和全自动无人驾驶的自动化 运行 方 式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?简 为 ? ? ? ?目前? 国内常规地铁通常采用的都是有 人驾驶的自动化运行方式? ? ?有? ? ?保护的人工驾驶模式? 有司机驾驶 列车? 列车的运行速度和停靠站均由司机控制?若 列车运行速度超过系统安全防护范围? ? ?会自动 保护并强制停车? ? ? ? ?切除的驾驶模式? 有司机驾驶列车? 列车的运行速度和站台停车均由司机控制且无 ? ? ?保护?一般该驾驶模式均需限速且为非正常 运营模式? ? ? ? ?列车驾驶模式区别 ? ? ? ? ? ? ? ?保护与? ? ?切除人工驾驶模式区别 ? ? ?保护的人工驾驶模式与? ? ?切除的人工 驾驶模式的区别为有无? ? ?保护? ? ? ? ? ? ? ? ? ?和? ? ?区别 ? ? ? ? 列车发车由司机确认启动? 列车牵 引? 制动? 停车? 开关门都由信号系统实现? ? ? ? ? 在整个运营过程中都无人参与操作? 包括列车在停车场内的运行? 洗车等? 列车在线路上 ? ? ? ?第?期 研研研研研研研研究究究究究究究究报报报报报报报报告告告告告告告告? ChaoXing ?城市轨道交通研究 ? ? ? ?年? 的运营及列车内部的空调? ? ? ? 乘客信息系统? ? 照 明等系统都可实现无人操作?这意味着列车运营不 再需要司机充当驾驶员? 而是以乘务员的角色服务 乘客以及进行系统故障的应急处理等? ? ? ?与? ? ?模式的主要区别是? ? ?模式 时? 当? ? ? 列车自动运行? 模块收到发车指令? 司 机室? ? 人机界面? 上显示提示信息? 通知司机按 压? ? ?启动按钮? 而? ? ?模式时无需司机干预? ? ?全自动无人驾驶方案 ? ? ? ?全自动无人驾驶的特点 ? ? ?与? ? ?的区别是? 原本司机做的事情全 部转移到? ? ? 运营控制中心? 来进行? 因此? 需要 信号系统具备更加高的冗余性? 可靠性和功能性? 要 求综合监控系统具有高可靠性? 实时传输功能等? 要 求列车网络的功能性? 诊断性更强?针对? ? ?系 统? 无论设备配置亦或是控制? 逻辑都采用冗余备份 的方案?同时? 考虑在设备故障后能够远程控制或 自动降级? 从硬件和软件方面需进行相关补充或补 偿? 以保证列车运行安全可靠? 下面根据上海轨道交通? ?号线全自动无人驾 驶列车的特点具体分析? ? ?与? ? ?系统的区别? 图?为? ? ?系统的控制路径示意图? 图? ? ? ?系统控制路径示意图 ?根据? ? ?系统的控制传输路径? 对全自动无人 驾驶列车与常规地铁列车功能进行对比分析? 见表 ? ? ? ? ? ?功能及实施方案 ? ? ? ? ? ?驾驶控制功能 人工模式时? 司机操作司控器驾驶列车? ? ? 模式时? 司机根据提示按压? ? ?启动按钮后驾驶 列车? ? ?模式时? 完全由信号系统根据运行图时 刻表控制列车运行?如图?所示? ? ?系统控制传 输路径为由? ? ?控制车载? ? ? 列车自动控制? 设 备? 通过? ? 多功能车辆总线? 传输到? ? ? 列 车控制管理系统? ? ? ? ? 逆变器控制单元? ? ? ? ? 制动控制单元? ? 表? ?全自动常规地铁列车与无人驾驶列车的 功能控制路径对比 列车功能 常规地铁列车 实施职能 无人驾驶列车 实施职能 驾驶列车司机 ? 信号系统信号系统? ? ? 唤醒 ? 睡眠司机信号系统? ? ? 司机室切换司机 ? 信号系统信号系统? 开 ? 关门司机 ? 信号系统信号系统? 起动列车司机信号系统? 停车控制司机 ? 信号系统信号系统? 与乘客的通信司机 ? ? ? 视频监控 运行控制中心 ? 综合监控系统 ? ? ? 综合监控系统? 救援疏导司机 ? ? ? 综合监控系统? 照明控制司机 ? 自动 ? ? ? 空调调节司机 ? 自动 ? ? ? 火灾系统一般无有 脱轨检测无有 ? ? ?系统也可实现列车自动折返?自动折返 时? 列车根据信号系统的移动授权自动确定运行方 向? 同时自动激活 ? 关闭相对应侧的司机室? 实现两 驾驶室的转换?同时? 两驾驶室的转换不会引起数 据的丢失? 如车门的状态 ? 控制数据? 制动牵引状态 及控制数据或其他列车的状态等? 和系统误判等? ? ? ? ? ? ?唤醒? 休眠功能 ? ? ? ? ? ? ? ?唤醒功能 每天运营前或有列车插入时? 信号系统根据列 车运行时刻表给每列车自动分配识别号?当列车两 端驾驶室都选择为自动模式? 在列车即将发车前 ? ? ?自动给列车发送唤醒指令? 收到唤醒指令后列 车车载各子系统执行启动? 自检和静态测试等程序? ? ? ?及各个子系统进行静态自检? ? ?汇总列车 各子系统静态自检情况? 列车唤醒工况等信息? 将结 果发送给信号系统? ? ?及? ? ?若唤醒不成功? ? ? ?调度员将根据列车相关故障信息人工进行干 预? 如列车唤醒成功? 则列车可随时运营? 等待信号 系统发送新指令?在任何时候? ? ?调度员均可远 程唤醒列车?列车唤醒流程图如图?所示? ? ? ? ? ? ? ? ?休眠功能 列车运行服务结束后进入停车场或正线存车线 停放?在列车停稳后? 为节省能源? ? ?系统将自 动启动休眠程序?同时? 为保养设备? 列车在休眠 ? ? ? ChaoXing 前? 信号系统? ? ?将会给地面列车维护系统发送 是否需要下载列车维护信息的提示?在一定时间 内? 列车将关闭相应的车载子系统? 进入列车休眠? 休眠后须保证? ? ?系统中的唤醒模块一直带电? 图? ? ? ?模式列车牵引? 制动驾驶控制框图 图? ?列车唤醒功能原理图 ? ? ? ? ? ?车门 ? 屏蔽门控制 上海轨道交通? ?号线除具备传统车门 ? 屏蔽门 ? ? ? ? 控制? 如车门联动? 开? 关门控制外? 功能外? 还具备? ? ?系统的故障应对处理功能?若个别 ? ? ?出现故障? 需人为将故障? ? ?关闭并锁定? ? ? ?系统向信号系统? ? ?报告被锁定? ? ?位置 ? 包括站台号或门编号? ?在列车到达该站台前? 信 号系统? ? ?将故障? ? ?位置发送给列车? 列车将 自动对对应车门进行电气隔离? 使此车门在列车停 靠该站时不参与开关门动作? 同时通过车载广播系 统通知客室乘客?同理? 若客室车门故障时? 车门 ? 屏蔽门系统亦会采取相同控制策略? 如图?所示? 图? ?车门 ? 屏蔽门故障控制策略 ? ? ? ? ? ?停车控制 雨雾天或轮缘喷油时? 导致停站距离加大或不 准? 需要信号系统? ? ?重新进行调整停车? 比如未到 停车点区域? 一般为? ? ? ? ? 内? 列车将采取缓慢 跳跃式调整直至对准停车点?若列车越过了? ? ?区 域? 也可采取缓慢跳跃式调整退行? 直至对准停车点? 若列车越过站台超过?或在给定次数的缓慢跳跃 式调整后退仍未停准? 则列车将直接自动启动行驶到 下一车站而越过本站? 并自动发送警告至? ? ? 同时 通过车载? ? ?系统向列车乘客进行广播? ? ? ? ?第?期 研研研研研研研研究究究究究究究究报报报报报报报报告告告告告告告告? ChaoXing ?城市轨道交通研究 ? ? ? ?年? ? ? ? ? ? ?后备蠕动模式 列车在正线运行时? 如? ? ?系统发送的牵引 ? 制动指令出现故障或丢失? 此时列车将启动后备蠕 动模式运行? ? ?行车调度员确认故障并远程启 动后备蠕动模式?在该模式下? 列车将以不高于? ? ? ?速度运行? ? ?系统监督运行速度? 超速时列 车将紧急制动?当蠕动模式下的列车进入站台并停 稳后? 司机上车采取人工驾驶方式对位停车? 并引导 乘客上下车? 当列车运行过程中误启动蠕动模式? 如果信 号?车辆控制线控制有效? 列车将不考虑蠕动模式 控制? 并向? ? ?发送警告? ? ? ? ? ? ?广播? 视频? 故障数据传输 广播? 视频? 故障数据传输策略见图? 图? ?广播? 视频? 故障数据传输策略 ?由于是全自动无人驾驶? 因此采用计划好 的广播内容进行全自动播放?同时? ? ?也可进行 人工广播和紧急广播?客室内设置紧急对讲装置? 允许乘客请求与? ? ?进行实时通信?这些都是 ? ? ?系统特有的功能? ? ?每节车厢内设置?个摄像头? 监视客室内 情况? 头 ? 尾车司机室外或司机室面罩内各设?个摄 像头? 监视车厢外情况? 记录隧道内的图像信息? 为 紧急疏散或列车故障提供影像资料?这些影像将通 过专用无线通道发送给? ? ?或备用? ? ?视频监 控系统与车门紧急解锁装置? 乘客紧急报警装置? 火 灾报警系统联动?一旦出现突发状况? 视频监控系 统自动将影像切换至? ? ? 或备用? ? ? ? 为乘客 和? ? ?工作人员提供即时的现场信息? 以便开展 相关应急处置工作?列车具备对上述视频监控内容 进行自动存储功能? 以便后续查阅? ? ?列车将相关状态? 故障等信息实时传输给 ? ? ? 以便? ? ?了解列车信息? 为列车排查故障及 应急反应提供依据? ? ? ? ? ? ?火灾报警系统 全自动无人驾驶列车装有火灾报警设备? 可向 乘客? ? ? ?发送相关报警信息? 协助乘客快速逃生? ? ? ? ? ? ?障碍物检测系统 列车前端和末尾配有机械障碍物探测装置? 这 种压力敏感装置可探测列车两端的障碍物?一旦探 测到障碍物? 会立即触发紧急制动? 同时将信息通过 ? ? ?发送至? ? ? ? ? ? ? ? ?远程控制 列车在关键控制电路? 设备中都有较多冗余设 计? 包括一些断路器跳开后可远程实现闭合和断开 控制?在发生紧急事件后? 若需要疏散? 可远程将逃 生门打开? 让乘客紧急疏散? ? ? ? ? ? ? ?列车控制管理系统? ? ? 为保证系统的安全? 可靠? ? ?采用冗余的 主机? 冗余的连接头及冗余的? ?双路电缆? 即使 单点出现故障或断点? 都不会影响列车功能? 同时? 考虑是无人驾驶? 因此故障诊断功能更加 强大?上海轨道交通? ?号线增加了很多监控点? 比 如?车的输入监控点有? ? ?个点位? 是常规地铁车 的近?倍? 输出有? ?个点位? 是常规地铁车的近 ?倍? ? ? ? ? ? ? ?其他电气设备的冗余 考虑车上无司机? 因此在一些重要电路中都采 用冗余控制? 或并联继电器触点或增加设备? 以保障 单点故障不影响列车运行? ? ? ? ?系统的技术难点 全自动无人驾驶列车运行完全依靠信号控制? 因此信号系统须采用高可靠? 高安全及高冗余设计? 需要更高的列车定位精度以及实时的列车运行控制 命令和设备状况报告? 同时要求? ? ?车载与轨旁 设备之间能双向高容量通信? 全自动无人驾驶技术在国外已趋于成熟? 但若 发生一些设备故障或突发事件? 后续处理依然存在 一些缺陷? 仍需要更完备的运营规则和处理准则? 例如? 在运行过程中出现制动设备故障或车门故障? 若依然需要牵引的话? 将存在一定的安全隐患? 如何 正确处理? 大客流高峰期时? 人员结构复杂? 造成车 门故障? 将如何操作? 等等?由于国内无人驾驶技术 尚处于起步阶段? 因此相关的运营制度? 规范等仍需 完善? ? ? ? ChaoXing ? ?结语 ? ? ?系统与传统有人驾驶系统相比? 真正实现 了全自动化? 无人干预的列车运行模式? 不仅避免了 人为操作带来的诸多不利影响? 还提升了地铁列车 的运营效率? 降低了风险? 改善了列车运行舒适性以 及节能? 但是? 不难看出? 距离? ? ?系统的彻底实现仍 存在着一些困难和挑战? 因此需要在新技术的引领 下不断攻坚克难?随着科学技术的日益进步? ? ? 系统终将能以更加完备的姿态展现在大家面前? 给 人们带来更加安全? 舒适? 便捷的出行体验? ? ? 系统代表了当前城市轨道交通现代化的最先进技术 和运营管理模式? 在高度自动化的未来? 将会成为城 市轨道交通的发展趋势? 参考文献 ?朱沪生?全自动列车运行系统在上海城市轨道交通工程中的 应用?城市轨道交通研究? ? ? ? ? ? ?张程贻?卡斯柯技术专家解读地铁列车无人驾驶技术?城 市轨道交通研究? ? ? ? ? ? ? ?阿尔斯通公司?上海地铁? ?号线电气原理图?上海? 阿尔 斯通公司? ? ? ? ? ?王曰凡?全自动无人驾驶系统? ? ?全新理念的城市轨道交通 模式?城市轨道交通研究? ? ? ? ? ? ? 收稿日期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上接第? ?页? ? ?结语 城市轨道交通票价受到社会的广泛关注? 进行 二次调整的压力往往比较大? 因此选择合理的票价 政策对于城市轨道交通企业而言具极为关键?本文 基于? ?数据调查? 建立了基于? ? ? ? ? ? ? ?的城 市轨道交通出行时间价值估计模型? 定量计算了? 上 班上学? 和? 休闲娱乐? 两类出行者的出行时间价值? 检验结果显示时间参数服从对数正态分布的? ? 模型估计精度最高?计算城市轨道交通出行者的出 行时间价值能够对轨道交通票价制定? 联乘优惠政 策实施效果的评价提供必要的数据和重要的参考? 本次调查的数据为? ?数据? 由于? ?调查的 局限性? 可以考虑采用? ?调查联合? ?调查? 提高 调查数据的可靠性和灵活性?因此? 基于? ? ?数 据的? ? ? ? ? ? ? ?模型的时间价值估计是进一步研 究的方向? 参考文献 ?周伟?旅客时间价值?交通运输工程学报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?