基于全自動運行場景的地鐵列車適應

2023年12月13日發(作者：我愛我的家鄉)

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全自動運行

基于全自動運行場景的?地鐵列車適應性設計王?騰（深圳地鐵運營集團有限公司，廣東深圳 518040）摘?要：全自動運行系統是基于現代計算機、通信、控制和系統集成等技術，實現列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統。該系統對進一步提升城市軌道交通的運營安全、行車效率、智能化水平及降低運營成本有重大意義。文章以深圳地鐵20號線全自動運行列車為例，介紹列車運營場景，重點論述車輛在全自動運行系統線路中的網絡安全保護設計、車輛設備的可靠性及舒適性設計。相關研究可為全自動運行場景下的地鐵列車設計提供參考和借鑒。關鍵詞：地鐵；全自動運行；車輛裝備；設計中圖分類號：U213.9

介紹了車輛設備的技術特點，并從車輛網絡安全保護設計、車輛設備的可靠性及舒適性設計等方面詳細闡述FAO場景下列車適應性設計問題。2?FAO系統優勢FAO系統是基于現代計算機、通信、控制和系統集成等技術實現列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統。其作為未來城市軌道交通領域發展的新趨勢，與傳統運行系統相比，其優勢主要體現在以下幾個方面。（1）可提升城市軌道交通系統的安全性。FAO系統自動化程度高，降低了人員在各環節中操作設備的頻率，同時各專業設施設備采用互為冗余系統配置，各種應用場景下增加了檢測設備監控、診斷、預警等措施，提升了系統的安全性。（2）可增強運營服務的靈活性和可靠性。在遇到突發事件時，運行控制中心（OCC）可以及時調整運營策略，進一步提升列車的準點率、服務的可靠度和運營能力。（3）可優化人員配置。FAO模式下，各專業人員配比降低，可把司機從重復性工作中解放出來，提高生產效率。（4）可提升自動化水平。FAO系統可降低人員勞動強度，提升自動化水平。1?引言隨著我國城市軌道交通的快速發展，北京、上海等城市日均客流已超千萬人次，運營負荷巨大，安全運行面臨嚴峻挑戰[1-2]。目前，城市軌道交通列車仍處于有人駕駛階段，人為誤操作設備導致的地鐵運營安全問題是行業的痛點問題之一。采用全自動運行（FAO）技術是本行業未來發展的方向，對進一步提升城市軌道交通運營安全、行車效率以及降低運營成本，提高城市軌道交通裝備自動化、智能化水平意義重大。同時，FAO系統對設備的安全性、可靠性、可用性和可維護性要求更高，信號、車輛等各專業需增加配套功能，以滿足FAO系統的設計要求，且專業設備設施需實現較好的集成。本文通過對深圳地鐵20號線列車配套應用場景的分析，3?FAO系統運營場景分析FAO系統線路相比基于通信的列車自動控制作者簡介：王騰（1988—），男，工程師

現代城市軌道交通?增刊 / 2022

MODERN URBAN TRANSIT55Copyright?博看網. All Rights Rerved. 全自動運行（CBTC）系統線路，各核心子系統（信號、車輛、站臺門、綜合監控、通信等）之間的聯動需求多、接口復雜、運營場景多樣。其中，車輛專業和信號專業在交叉接口功能、運營應用場景設置方面緊密連接。深圳地鐵20號線FAO運行場景以深圳地鐵運營特點及運營實踐為基礎，充分借鑒全自動線路設計經驗進行開發。深圳地鐵20號線FAO系統正常運營場景流程，如圖1所示。下面對FAO系統運營場景中的列車喚醒、列車出入庫、列車休眠等場景進行分析。（1）列車喚醒。每天運營前，車廠調度員或行車調度員應在列車自動喚醒前通過列車自動監控系統（ATS）確認車輛段或正線休眠喚醒區的列車工況均為休眠狀態。ATS根據出庫計劃自動喚醒列車，隨后信號系統判斷列車是否上電成功，若出現自動喚醒上電失敗的情況，車廠調度員或行車調度員應通過ATS進行遠程人工喚醒，若仍然無法喚醒列車，應派工作人員登車查看，通過車廂內的喚醒旋鈕執行就地人工喚醒。列車上電后，車載信號設備、車輛設備、車載通信設備開始自檢。車輛設備、車載通信設備上電并自檢成功后，將自檢結果傳送至列車控制和管理系統（TCMS），由TCMS將自檢結果匯總后通過自檢成功標志位反饋給車載控制器（CC）。車載CC自檢成功后，匯總TCMS自檢結果，上報OCC列車上電自檢成功。ATS自動向喚醒并自檢基于全自動運行場景的地鐵列車適應性設計

成功的列車下發運營計劃。ATS自動向列車下發“待命”工況指令。（2）列車出庫。列車喚醒成功后，根據ATS出庫計劃分配的運行任務，自動申請獲取線路資源分配后，車載信號設備監控列車運行出庫。運行到轉換軌時，ATS系統自動根據計劃運行圖為出庫列車分配車次號，非計劃車輛由行車調度員人工分配車次號。列車運行至轉換軌后，ATS向列車發送“正線運行”工況指令，車載CC收到“正線運行”工況指令后，向車輛TCMS發送“正線運行”工況指令，準備進入正線。（3）列車入庫。信號系統根據計劃時刻表檢查到結束當前表號任務的列車完全進入終點站后，按照入庫計劃自動為停止正線服務的列車設置回庫目的地碼，列車自動申請回庫線路資源。根據計算的移動授權指令運行到庫內停車，列車完全進入庫線停穩后，自動刪除車次號。如無其他作業任務，ATS向該列車發送“休眠”工況指令。（4）列車休眠。在無人駕駛模式下，列車根據回庫計劃以“退出正線運行”工況指令運行至停車庫指定股道，并進入休眠狀態；或者停止正線運營的列車進入正線存車線，收到“退出正線運行”工況指令后，退出正線服務，根據目的地碼進入指定存車線，并進入休眠狀態。運行至場段或正線休眠點等指定區域進行休中心當日運行圖確認并下發列車加開臨時限速列車折返提前發車跳停扣車列車站臺發車列車停站列車進站列車區間運行車站開啟運營計劃乘客緊急站臺/站廳運營期軌行區列車退出服務變更對講乘客緊急對講搶修施工列車反向運行列車正線入庫計劃的末班車運行列車清客休眠點休眠巡道作業編制與下發列車進入正線列車回庫列車喚醒出庫計劃的運營前相關編制與下發設備檢查列車出庫/存車線夜間施工點確認消點列車清掃休眠洗車作業列車檢修場段調車圖1?FAO系統應用場景示意圖56MODERN URBAN TRANSIT

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現代城市軌道交通Copyright?博看網. All Rights Rerved. 基于全自動運行場景的地鐵列車適應性設計全自動運行制單元（LCU）系統拓撲圖如圖2所示。LCU采用二乘二取二及雙冗余組合板卡架構，在系統軟件的配合控制下，能夠實現對復雜環境作用下列車控制電路的安全服役功能并保證列車安全運行。機箱內包含2組功能完全相同且可互換的控制單元，實現輸入采集冗余、輸出驅動冗余、邏輯控制冗余、電源冗余、通信冗余等功能。相對于傳統繼電器，LCU具備可定位偶發性故障點、設備便于維護、設備可靠性高等特點。4.2.2 車輛模式降級設計為防止全自動無人駕駛列車在正線運營時發生突發設備故障，造成正線列車晚點等事件，設置以下3種車輛工作模式，可防止列車出現運行風險。（1）蠕動模式。蠕動模式是指在FAO運行條件下，信號系統正常，當車輛網絡檢測到故障，或車輛網絡與信號網絡之間的通信發生故障時，列車進入限速運行（最高限速為25 km/h）。

（2）車輛模式。車輛模式是指基于信號系統故障，蠕動模式無法使用的情況下，在切除列車自動控制（ATC）信號的工況下人工駕駛列車。

（3）備用模式。備用模式是指在列車硬線觸點控制電路或網絡設備發生故障而導致車輛無法被牽引的情況下，由人工駕駛列車。4.2.3 車輛調度系統設計車輛調度系統主要提供給OCC和車廠控制中心（DCC）值班人員使用，輔助值班人員實現對全自動無人駕駛車輛的綜合監控、遠程控制/復位，為其他專業運營人員趕赴現場處理故障贏得時間，提高故障處理響應時間。其主要功能包括以下幾個方面。（1）全自動駕駛列車的遠程實時監督功能，包括設備狀態實時監控及實時報警。

眠作業，含以下3種方式：信號系統根據運營計劃自動休眠；調度員通過ATS執行遠程人工休眠；人員登車本地人工休眠。

4?列車適應性設計深圳地鐵20號線共配置9列車，8節車編組，采用A型鋁合金全自動駕駛車輛，運用受電弓受流方式，列車最高運行速度為120 km/h。為適應全自動駕駛的運營需求，車輛在安全性、可靠性、舒適性、創新性方面進行了優化設計和配置。4.1 車輛網絡安全保護設計深圳地鐵20號線是國內第一條采用以太網作為列車各系統通信控制的網絡系統線路，同時車輛網絡與外部網絡系統基本實現了互聯互通，提高了車輛網絡系統的安全性（原有的車輛網絡模式已不足以防御惡意攻擊行為）。此外，由于車輛網絡安全的風險性日益凸顯，一旦車輛網絡遭到入侵攻擊，可能造成列車無法啟動，出現運營安全事故，因此加強車輛網絡的信息安全尤為重要。為確保行車網絡控制系統的信息安全，在車輛網絡邊界上配置了防火墻，實現對網絡邊界的防護和訪問控制，同時在車輛網絡區域內部配置了安全審計與異常檢測設備，可對網絡行為進行安全審計和入侵檢測，有效防止車輛網絡遭到入侵攻擊。4.2 車輛設備可靠性設計4.2.1 車輛設備互為冗余設計列車通信控制網絡總線可分為列車控制級和車輛控制級。列車控制級主干網分為2個互為冗余的獨立網絡，采用基于鏈路聚合技術的雙線性以太網拓撲架構，網絡線路貫穿全車，可實現線路單點故障以及多點故障均不影響列車控制級網絡通信。車輛級網絡為星型網絡，單節車具備雙交換機，車輛級網絡上各系統設備均采用獨立雙網口通信，系統設備單一接口故障不會影響車輛級網絡通信。相對基于多功能車輛總線（MVB）的列車通信控制網絡，以太網控車通信具備速率高、傳輸速度快等特點。牽引制動控制系統中，邏輯控1ATCMSETHETH2B3C4D15D26C7B8AETHETHETH (TRDP)ETHETHETHETHLCU1

LCU2LCU3LCU4LCU5LCU6LCU7LCU8CAN注： A為拖車，B、C、D1、D2為動車；ETH（TRDP）為列車實時數據通信協議；CAN為控制器局域網總線。圖2?LCU系統拓撲圖

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MODERN URBAN TRANSIT57Copyright?博看網. All Rights Rerved. 全自動運行（2）車輛遠程控制/復位功能，提高了車輛故障處理效率。

（3）車輛調度系統實時收集線上列車各系統的狀態，如出現車輛故障，車輛調度員結合車輛應急處置流程，提供線上車輛故障應急處置。

（4）車輛調度員結合車輛上線運營標準，對車輛狀態進行評估，對不符合上線的列車給予扣車處理。

（5）車輛調度系統對列車報警信息進行智能分析，通過報警等級統計、報警次數統計，為車輛調人員提供準確的數據。（6）如遇乘客緊急對講、車門緊急解鎖、客室蓋板打開、逃生門打開等車輛安全設備異常狀況，列車緊急對講將激活并視頻聯動車輛調度系統。4.2.4 故障預測與健康管理系統設計故障預測與健康管理是一種利用先進傳感器集成，借助各種算法和模型，實現故障檢測、狀態評價及故障預測的綜合性健康管理技術，可實現車輛各系統狀態實時監控、部件預測性維修、部件全壽命周期管理。該系統主要由車輛檢修和DCC值班人員使用，為輔助車輛檢修在車輛故障處理、設備維修流程優化、部件全壽命周期管理等方面提供數據支撐。同時，還為DCC值班人員掌握正線車輛運行狀態提供技術支持。其主要功能如下。（1）列車全局監控功能。實現列車TCMS及所有子系統故障告警、故障應急處置流程、狀態預警、壽命評估、地鐵運營能耗等關鍵指標統計。

（2）列車定位。實現列車實時狀態監控，展示列車的行進方向、運行區間、運行站點、運行狀態等關鍵運行信息。（3）車輛故障處理建議。根據系統報警信息，系統應用界面提供故障處理流程和建議，有效提升故障處置效率。基于全自動運行場景的地鐵列車適應性設計

（4）系統健康評估。根據列車運行數據，結合車輛各子系統的數學模型分析、歷史故障等因素以及相關特征數據，對車輛各子系統的健康狀態進行評估。（5）關鍵部件使用壽命預測。通過對設備數據的監控，對牽引電機軸承、輪對軸承等列車關鍵部件壽命進行預測，從而重新修訂高成本、高耗材部件的更換周期，實現企業降本增效。4.3 車輛設備舒適性設計為優化設備配置，提升服務質量，列車客室和司機室采用貫通設計，取消司機室門、間隔門設置，增加乘客站立的空間，同時乘客可以到司機室，獲得浸入式全景乘車體驗。通過提高列車氣密性，降低客室噪聲、氣壓差，提升乘客乘車的舒適性。深圳地鐵20號線采用GB/T

37532-2019《城市軌道交通市域快線120 km/h～160 km/h車輛通用技術條件》，從車門系統、空調系統、客室系統3個方面對車輛氣密性進行了優化設計，提升了乘客乘車的舒適性。主要通過增加車門門頁厚度、增加氣動輔助鎖壓緊門頁、采用空調強迫排風、車體孔洞封堵等形式，提高整車的氣密性，減少乘客乘車時的耳鳴等問題，如表1所示。5?結束語文章以深圳地鐵20號線列車在全自動運行場景下的適應性設計為例，從列車運營場景描述、場景功能分析方面提出為了更好地實現列車在無人駕駛場景下的運行，車輛在專業對接層面需與信號、通信專業做好密切配合，同時為適應FAO線路下車輛無人駕駛的要求，車輛設備采用了以太網技術控車，LCU代替繼電器、優化車輛降級模式和車體設計以及增加輔助設備監控列車狀態等新技術。相較于CBTC等既有線路的運營模式，FAO系統發生了很大的變化，且對各專業設施設備在硬表1?提高列車氣密性、降噪措施系統車門系統措施車門門頁厚度由32 mm增加至43 mm車門門頁增加了氣動輔助鎖采用強迫排風裝置，安裝壓力保護閥車體孔洞封堵作用 增加門板的強度和剛度，減少受力后的撓度變化 增強車門門頁膠條與密封框和中部膠條的貼合度，使其處于良好的密封狀態 實測運行時平均噪音、 阻斷外界壓力的波動向車內傳遞，保證車輛內有氣密性優于大部分線路良好的空氣循環，滿足正壓要求 降低列車客室內氣壓的變化效果空調系統客室系統（下轉第67頁）58MODERN URBAN TRANSIT

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現代城市軌道交通Copyright?博看網. All Rights Rerved. 全自動運行列車值守模式研究全自動運行drivers and OCC dispatching. Bad on the rearch

on the operation management mode of fully automated

operation of Shenzhen metro pha IV and the initial

operation experience of line 20, the paper puts forward

ideas and suggestions on the train duty mode of line

14, line 16 and line 6 branch lines, and propos

ideas on future business integration and personnel

ds: metro, fully automated operation system,

train duty mode, staffing

Study on duty mode of fully automated trainChen Minwei, Huang ZhiyiAbstract: The branch lines of line 20, line 12, line

14, line 16 and line 6 of Shenzhen metro pha IV

project are constructed by FAO. The fully automated

operation technology has brought great impact on

the existing management of the operation mode,

resulting in changes and adjustments in the basic

production relations, and has a profound impact on

（上接第58頁）件和軟件層面的接口需求增多，在場景應用和設備設施優化方面提出了更高的要求。FAO系統應用于我國城市軌道交通行業還處于起步階段，需要不斷探索和革新，才能實現我國城市軌道交通的可持續發展。[9] GB/T 37532-2019城市軌道交通市域快線120 km/h～160 km/h車輛通用技術條件[S].國家市場監督管理局，2019.

收稿日期 2022-08-30參考文獻[1] 丁樹奎，韓志偉，王漢軍，等.中國城市軌道交通全自動運行系統技術指南（試行）[G].北京：中國城市軌道交通協會，2019.[2] 李晶. 城軌全自動駕駛信號系統方案設計及運營場景分析[J].鐵道通信信號，2006，52（2）：48-52.[3] 曹成鵬. 以太網在地鐵列車上的發展與應用[J].現代城市軌道交通，2022（1）：97-102.[4] 樂建銳，李恒瑞，王莉. LCU在深圳地鐵9號線車輛中的應用[J].鐵道機車車輛，2018，38（5）：112-116.[5] 中車長春軌道客車股份有限公司. 深圳地鐵20號線一期工程地鐵車輛設計方案[G].吉林長春：中車長春軌道客車股份有限公司，2020.[6] 卡斯柯信號有限公司. 深圳地鐵20號線一期工程地鐵信號設計方案[G].上海：卡斯柯信號有限公司，2020.[7] 潘瑩. 故障預測與健康管理技術在地鐵車輛運維中的應用[J].控制與信息技術，2020，4（5）：91-95.[8] 李雪昆.故障預測與健康管理技術在地鐵列車上的應用[J].城市軌道交通研究，2018，21（2）：105-107.責任編輯 胡姬Adaptive design of metro train bad on fully

automated operationWang TengAbstract: The fully automated operation system is a

new generation of urban rail transit system bad on

modern computer, communication, control and system

integration technologies to realize the automation

operation process of the whole train. The system is

of great significance to further improve the operation

safety, driving efficiency, intelligent level and to reduce

the operation cost of urban rail transit. Taking the fully

automated operation train of Shenzhen metro line 20 as

an example, this paper introduces the train operation,

and focus on the network curity protection design,

reliability and comfort design of vehicle equipment in

the fully automated operation system line. The relevant

rearch can provide reference for the design of metro

trains in the fully automated ds: metro, fully automated operation, vehicle

equipment, design

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