地铁列车全自动无人驾驶系统方案

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#!&%%&$%&’##)$*(’#*+&)((!#’’&/*’#-=&’)#*’#’A%3*+’’%*-%-7+)*ZI%+’)#*K@8’%J#*2%’#7+)*^0+,1N+*8+.K*+,1Q’,48’+&’2.39+:567*808058:+6*8*.,+?6:*B5:8:+*,.95:+A8*.,#E%@D@853*@+8:+*,.95:+8*.,3.655+8:*,1+8.3+8*;.95:+8*.,+,6,+885,656.95:+8*.,2.34*,567*80=0+,10+*358:.K*,5#805,;8*.,;0+:+;85:*@8*;@.#E%@D@8538056*5:5,;5458755,#E%@D@853+,6805,.:3+?358:.B50*;?5@D@853+:5*,8:.6;56*,658+*?8056*;?8*5@*,+6.98*,1#E%@D@853+:56*@;@@5670*;07*??9:.B*65@.35:55:5,;5.:805+99?*;+8*.,.#E%@D@853.,358:.8:+*,?%@:#-8358:.8:+*,$.95:+8*.,3.65$#E%!,+885,6A568:+*,.95:+8*.,#()8’1+=’A#B8+--%882PQ=L5*’*,1W,1*,55:*,12.,@?8A*,12.K86#&#L5*’*,120*,+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!#E%#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#E%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&C列车驾驶模式介绍CEC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PEH!列车自动保护#的人工驾驶模式和PEH切除的驾驶模式&!##自动驾驶模式!P8.3+8*;I.65简为PI#又分为有人驾驶的自动化运行方式!=53*A+8.3+8*;E:+*,%95:+8*.,简为=E%#%无人驾驶的有人跟车的自动化运行方式!$:*B5:?5@@E:+*,%95:+8*.,简为$E%#和全自动无人驾驶的自动化运行方式!#,+885,656E:+*,%95:+8*.,简为#E%#.#/&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PEH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PEH会自动保护并强制停车&!$#PEH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PEH保护&一般该驾驶模式均需限速且为非正常运营模式&CED列车驾驶模式区别#!#PEH保护与PEH切除人工驾驶模式区别PEH保护的人工驾驶模式与PEH切除的人工驾驶模式的区别为有无PEH保护&#!!=E%和#E%区别!##=E%-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&!!##E%-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#$!年的运营及列车内部的空调%H&=!乘客信息系统#%照明等系统都可实现无人操作&这意味着列车运营不再需要司机充当驾驶员而是以乘务员的角色服务乘客以及进行系统故障的应急处理等&=E%与#E%模式的主要区别是-=E%模式时当PE%!列车自动运行#模块收到发车指令司机室NI&!人机界面#上显示提示信息通知司机按压PE%启动按钮$而#E%模式时无需司机干预&D全自动无人驾驶方案DEC全自动无人驾驶的特点#E%与=E%的区别是原本司机做的事情全部转移到%22!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#E%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#E%与=E%系统的区别&图#为#E%系统的控制路径示意图&图##E%系统控制路径示意图根据#E%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##&DED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&=E%模式时司机根据提示按压PE%启动按钮后驾驶列车&#E%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#E%系统控制传输路径为由%22控制车载PE2!列车自动控制#设备通过IUL!多功能车辆总线#传输到E2I=!列车控制管理系统#%&2#!逆变器控制单元#%L2#!制动控制单元#&表C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0信号系统信号系统%%22-2/L/P唤醒0睡眠司机信号系统%%22-2/L/P司机室切换司机0信号系统信号系统-L/P开0关门司机0信号系统信号系统-L/P起动列车司机信号系统-L/P停车控制司机0信号系统信号系统-L/P与乘客的通信司机%22-2/P视频监控运行控制中心0综合监控系统%220综合监控系统-$/P救援疏导司机%220综合监控系统-2/P照明控制司机0自动%22-2/P空调调节司机0自动%22-2/P火灾系统一般无有脱轨检测无有#E%系统也可实现列车自动折返&自动折返时列车根据信号系统的移动授权自动确定运行方向同时自动激活0关闭相对应侧的司机室实现两驾驶室的转换&同时两驾驶室的转换不会引起数据的丢失!如车门的状态0控制数据%制动牵引状态及控制数据或其他列车的状态等#和系统误判等&!!!唤醒!休眠功能!!!#唤醒功能每天运营前或有列车插入时信号系统根据列车运行时刻表给每列车自动分配识别号&当列车两端驾驶室都选择为自动模式在列车即将发车前%22自动给列车发送唤醒指令收到唤醒指令后列车车载各子系统执行启动%自检和静态测试等程序&PE2及各个子系统进行静态自检E2I=汇总列车各子系统静态自检情况%列车唤醒工况等信息将结果发送给信号系统PE2及%22&若唤醒不成功%22调度员将根据列车相关故障信息人工进行干预$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%22调度员均可远程唤醒列车&列车唤醒流程图如图$所示&!!!!休眠功能列车运行服务结束后进入停车场或正线存车线停放&在列车停稳后为节省能源#E%系统将自动启动休眠程序&同时为保养设备列车在休眠+%$+ChaoXing前信号系统PE2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PE2系统中的唤醒模块一直带电&图!#E%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0屏蔽门!H=$#控制!如车门联动开%关门控制外#功能外还具备#E%系统的故障应对处理功能&若个别H=$出现故障需人为将故障H=$关闭并锁定H=$系统向信号系统PE2报告被锁定H=$位置!包括站台号或门编号#&在列车到达该站台前信号系统PE2将故障H=$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0屏蔽门系统亦会采取相同控制策略如图%所示&图%车门0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PE2重新进行调整停车-比如未到停车点区域!一般为.!’33#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H=$区域也可采取缓慢跳跃式调整退行直至对准停车点&若列车越过站台超过’3或在给定次数的缓慢跳跃式调整后退仍未停准则列车将直接自动启动行驶到下一车站而越过本站并自动发送警告至%22同时通过车载H&=系统向列车乘客进行广播&+’$+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#$!年!!’后备蠕动模式列车在正线运行时如PE2系统发送的牵引0制动指令出现故障或丢失此时列车将启动后备蠕动模式运行&%22行车调度员确认故障并远程启动后备蠕动模式&在该模式下列车将以不高于!C300速度运行PEH系统监督运行速度超速时列车将紧急制动&当蠕动模式下的列车进入站台并停稳后司机上车采取人工驾驶方式对位停车并引导乘客上下车&当列车运行过程中误启动蠕动模式如果信号,车辆控制线控制有效列车将不考虑蠕动模式控制并向%22发送警告&!!)广播!视频!故障数据传输广播%视频%故障数据传输策略见图’&图’广播%视频%故障数据传输策略!##由于是全自动无人驾驶因此采用计划好的广播内容进行全自动播放&同时%22也可进行人工广播和紧急广播&客室内设置紧急对讲装置允许乘客请求与%22进行实时通信&这些都是#E%系统特有的功能&!!#每节车厢内设置!个摄像头监视客室内情况$头0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%22或备用%22&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%22!或备用%22#为乘客和%22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&!$#列车将相关状态%故障等信息实时传输给%22以便%22了解列车信息为列车排查故障及应急反应提供依据&!!*火灾报警系统全自动无人驾驶列车装有火灾报警设备可向乘客%%22发送相关报警信息协助乘客快速逃生&!!&障碍物检测系统列车前端和末尾配有机械障碍物探测装置这种压力敏感装置可探测列车两端的障碍物&一旦探测到障碍物会立即触发紧急制动同时将信息通过E2I=发送至%22&!!(远程控制列车在关键控制电路%设备中都有较多冗余设计包括一些断路器跳开后可远程实现闭合和断开控制&在发生紧急事件后若需要疏散可远程将逃生门打开让乘客紧急疏散&!!#列车控制管理系统E2I=为保证系统的安全%可靠E2I=采用冗余的主机%冗余的连接头及冗余的IUL双路电缆即使单点出现故障或断点都不会影响列车功能&同时考虑是无人驾驶因此故障诊断功能更加强大&上海轨道交通#号线增加了很多监控点比如P车的输入监控点有%’个点位是常规地铁车的近’倍$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&F37Z系统的技术难点全自动无人驾驶