智慧城軌下智能列車運行技術的研究與展望

雷成健 張超 呂浩炯

摘 要：介紹智慧城軌下智能列車運行技術研究的重點方向，分析智能列車運行系統對全自動運行與互聯互通的需求，梳理互聯互通全自動運行的關鍵技術，并結合人工智能、大數據、深度學習等新興技術，展望智能列車運行技術的發展。

關鍵詞：智慧城軌;智能列車運行;全自動運行;互聯互通

中圖分類號：U284.48

隨著云計算、人工智能、大數據等新技術的發展，城軌運行控制系統與新興技術逐漸融合，不斷提升城市軌道交通的智能化水平。2020年3月發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》是智慧城軌的指導性文件，建設智慧城軌已經成為城市軌道交通行業發展的必然趨勢。通過新興信息技術，集成城軌交通中的各類系統服務，建設多個成體系的自動化、無人化智能系統，最終構成具有自主采信、學習、決策能力的智慧城軌。

1 智能列車運行發展需求

隨著我國首條自主知識產權、滿足自動化等級GoA4的地鐵線路——北京地鐵燕房線正式開通運營，中國城市軌道交通開始邁入自主全自動運行時代。隨后，在國內一些新建地鐵線路，如北京地鐵新機場線、3號、12號、17號、19號線，上海地鐵14號、15號、18號線等，規劃使用全自動運行技術，全自動運行系統（FAO）在中國進入了快速發展階段。

為解決運能不均衡、服務水平不高、資源共享水平低與換乘壓力大等單線運營問題，重慶市軌道交通在重慶4 號、5號、10號線及環線上做基于互聯互通的示范工程，在統一的標準下，裝備4家不同供應商的設備列車實現在不同線路上跨線運營，取得突破性進展，標志著我國基于CBTC系統的互聯互通整體技術達到國際領先水平。

盡管如此，我國要實現成熟的面向互聯互通的全自動運行技術還需要一個過程。智慧城軌的標志之一是“智能列車運行全自動”，《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》要求在2035年市區城軌、市域快軌與城際鐵路“三網融合”跨線運營的全自動運行列控系統技術發展成熟，能夠使不同制式軌道交通在區域內互聯互通，車輛可以互換，列車可以跨線運營，在控制中心進行統一的網絡調度。因此，研究與完善互聯互通的全自動運行技術是智慧城軌十四五期間的重點工作之一。

1.1 全自動運行系統需求分析

全自動運行系統（FAO）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，按全自動運行設計，分為GoA4級的無人值守的全自動運行 （UTO）及GoA3級的有人值守的全自動運行（DTO）。列車上不再配置司機，列車運行全過程由系統自動完成，在GoA4級時列車也不配備運營人員，GoA3級時列車上配備運營人員，僅在特定場景和緊急情況下才需要人工介入，減少人為因素對運營的影響，進一步提升系統的安全與效率。

FAO系統在基于通信的列車控制（CBTC）系統的基礎上增加并優化了全自動運行功能，因此，應具備如下功能。

（1）列車運行安全防護：具備保障列車安全進路、安全車距、安全車速、移動授權與移動監督的功能，并提供與外部聯鎖（CI）接口的功能。

（2）列車運行控制：具備控制列車運行速度曲線、列車移動、站停、扣停、跳停、清客以及線路監控和防止撞擊線路障礙、防止撞人和保護工作區人員的功能。

（3）軌道監督：具備障礙物檢測、脫軌檢測、斷軌監測和預警的功能。

（4）乘客監督：具備站臺門和車門的安全控制、防止發生乘客受傷事件以及發車條件檢查的功能。

（5）列車運行：具備列車自動喚醒、休眠、模式轉換、站間停車后移動、停車場和駐車位管理、限制列車進站、列車換向、聯掛和解編以及列車運行狀態監視的功能。

（6）緊急情況處置：應具備煙火監測、乘客請求響應、列車完整性監測與防護、車門關閉和閉鎖狀態監測的功能。

1.2 互聯互通需求分析

傳統的軌道交通線路主要采用單線建設、單線運營的模式，設備供貨商數目繁多，信號制式和接口方式不統一，資源不能共享，各條線路的列車不能互聯互通;乘客體驗不佳，出行換乘次數較多，換乘時間較長，無法有效吸引客流，且培訓與維護成本較高。

互聯互通能實現列車在不同線路之間跨線安全運行，并且要求相對應的車輛、信號、通信、供電、線路限界和運營商等專業能夠協調一致，實時互聯通信以保證系統設備和人員的安全;實現車輛調配、運營管理、檢修設備、人機操作方式、維修工藝、備品備件、人力資源、培訓資源等全方位的資源重組，提高乘客體驗，減少換乘次數，降低軌道交通建設、運營和維護成本，提升軌道交通建設和運營單位的管理水平與效益。

當前世界上實現互聯互通的方式主要有5種：

（1）采用同一廠商相同制式的信號系統;

（2）加裝多套信號車載設備;

（3）加裝多套信號地面設備;

（4）采用通用的信號車載設備;

（5）基于統一規范標準的信號互聯互通設備配置。

上述5種方法中，第（5）種方法有利于保護各家廠商的核心技術與知識產權，形成健康的產業鏈。但是由于各信號廠商的系統是獨立開發和設計的，且FAO系統具有更加深度集成化、更多關鍵設備冗余配置的特點，因此，在采用這種方式時需要更加深入地考慮如何統一接口規范，以及查找出統一接口規范后新引進的危險源。

2 智能列車運行關鍵技術

2.1 全自動運行系統關鍵技術

FAO系統是基于連續的、雙向的和大容量的車-地無線通信，能夠實現高性能移動閉塞的列車運行控制系統，在CBTC系統的基礎上做了全自動運行功能的升級，實現列車在自動化區域的全自動運營，主要包括自動休眠與喚醒、聯動控制、自動對位調整、車門和站臺門故障對位隔離、障礙物及脫軌檢測、遠程控制及緊急情況處理等功能。

2.1.1 喚醒休眠

早間牽引供電上電完成后，運營控制中心（OCC）的列車自動監控系統（ATS）根據派班計劃自動發送遠程喚醒命令至休眠列車，或運營控制中心車輛調度員根據派班計劃人工向休眠列車發送遠程喚醒命令。車載休眠喚醒單元接收到喚醒命令后檢查車輛蓄電池、檢修按鈕等相關條件滿足后，輸出上電指令，全列車上電，由車輛和車載的列車自動控制系統（ATC）對各自的設備進行自檢，設備自檢通過后，由車載ATC主導，車輛和軌旁的區域控制器（ZC）系統配合進行車輛靜態測試和動態測試，一端測試完成后，自動換端，另一端繼續進行測試，兩端均完成測試后，車載ATC向運營控制中心匯報喚醒成功，列車進入全自動運行模式（FAM）待命工況。

列車喚醒過程中，OCC行車調度和OCC車輛調度工作站界面上將顯示列車喚醒、設備自檢的狀態。如果列車喚醒失敗，OCC車輛調度和OCC行車調度工作站界面上顯示列車喚醒失敗信息，同時提供詳細失敗原因，車輛調度員可根據報警信息決定是否重新遠程喚醒列車、人工上車喚醒列車或喚醒備用列車。

列車在完成運營后，若后續沒有檢修、洗車計劃，則可通過控制中心遠程自動或人工手動選擇方式進入到休眠狀態?？赏ㄟ^手動方式取消已設置的遠程自動休眠指令。待休眠列車在駐車位停車后，車輛收到休眠申請指令后，車載電氣設備完成列車斷高壓、車門保持關閉且鎖閉狀態、施加停放制動、取消駕駛室激活、與軌旁ZC 完成注銷等必要的操作。在滿足所有休眠條件后，車載ATC輸出列車休眠命令。休眠喚醒單元（AOM）通過檢測其與車載列車自動防護系統（ATP）的通信狀態來判斷列車是否休眠成功，當檢測到通信中斷，則表示休眠成功;休眠喚醒設備將休眠結果反饋至OCC行車調度和車輛調度工作站。

2.1.2 聯動控制

FAO系統在運營控制中心的調度指揮下，對信號、車輛、通信、站臺門、綜合監控、牽引供電等核心子系統進行聯動控制，把正線和停車場的自動化區域納入運營控制中心自動管理范圍，根據運營場景制定聯動策略，采取相應的操作規程或救援措施，實現全自動運行系統功能與日常運營。FAO系統的關鍵裝備關聯圖如圖1所示。

2.1.3 自動對位調整

在進站停車時，列車若未停準，且處于可自動調整停車窗內時，車載ATC控制列車進行自動對位調整，調整成功后，自動打開車門及站臺門，進行乘降作業。若超過規定的調整次數仍未對位成功，則停止進行對位調整，并向控制中心報警，提示操作人員進行遠程控制開關車門或跳停操作，或者人工進行對位停車。

若列車停車地點不在可自動調整停車窗范圍內時，則列車不進行自動對位調整。列車停車欠標時，由車載ATC向控制中心ATS報警，車載ATO控制列車繼續以FAM模式運行，并進行對位停車;列車停車過標時，車載ATC施加緊急制動停車，并向OCC發送過標報警信息;ATS設置本站跳停，聯動站臺廣播系統與車載廣播系統，通知乘客列車在本站跳停;車載ATC控制列車自動運行到下一站臺停車。

2.1.4 車門和站臺門故障對位隔離

在全自動運行系統中，列車控制管理系統（TCMS）周期向車載ATP發送車門的狀態信息;站臺門系統通過CI向車載ATP發送站臺門的狀態信息，車載ATP根據車門與站臺門的狀態信息進行對位隔離邏輯運算。

當車門發生故障時，車輛TCMS向車載ATP發送車門故障信息，車載ATP向OCC行車調度和車輛調度工作站轉發該故障報警。車載ATP在出站后規定距離與下一站CI建立通信，當移動授權允許列車進站時（確定該站臺的站臺門應響應本列車開關門指令），車載ATP根據指定的車門側向CI發送車門故障信息，由站臺門系統保證故障車門對應的站臺門不執行開關門動作，以實現車門故障站臺門對位隔離。

站臺門故障時，CI將本站臺的站臺門狀態信息發送給當前通信的車載ATP。車載ATP將對應站臺的故障站臺門信息周期轉發給車輛TCMS。列車進站停穩后，車載ATP分別向車輛和CI發送打開車門指令和打開站臺門指令，故障站臺門對應的車門由車輛保證不執行開關門動作。

2.1.5 障礙物及脫軌檢測

障礙物及脫軌檢測設備監測到列車碰撞前方障礙物或車輛脫軌后，車載ATP施加緊急制動，且該緊急制動不可自動緩解;并持續通過無線通信向ZC匯報障礙物及脫軌檢測有效信息，由ZC觸發建立防護區域，對防護區域內及附近的列車進行相應的防護處理;同時，車載ATP將向OCC報警，車輛的視頻監控系統（CCTV）和區間的視頻監控系統將視頻監控圖像推送至OCC行車調度、車輛調度和乘客調度工作站顯示界面，由OCC工作人員根據預案采取相應措施。列車脫軌或碰撞到障礙物時，需經人工現場確認危險解除后才可采取措施恢復系統運營。

2.1.6 遠程控制處理

在FAO系統中，列車處于全自動模式（FAM）下，可通過OCC發送緊急制動、緊急制動緩解、開門、關門、清客、車站火災、空調模式及溫度設置、車輛故障復位、車輛故障旁路等指令，實現對列車的遠程控制。

車載ATC收到緊急制動與緊急制動緩解時，執行相應的操作;車載ATC接收到開關門指令時，執行列車車門的開關;接收到清客指令時，執行列車的臨時清客功能;接收到車站火災應急指令時，觸發車站火災時列車、車站應急聯動功能;接收到空調模式及溫度設置、車輛故障復位、車輛故障旁路等指令后轉發給車輛TCMS。

2.1.7 緊急情況處理

（1）蠕動模式。在FAO系統中，列車處于全自動模式（FAM），當列車網絡系統故障或車載信號系統與列車網絡系統通信發生故障時，車載ATC經OCC授權后可轉入蠕動模式，控制列車限速繼續運行至下一個站臺。列車進站并精確停車，打開車門與站臺門，OCC行車調度進行清客，車載ATP施加緊急制動并防止列車移動，等待工作人員上車處理。

（2）緊急手柄和緊急呼叫。列車車廂設有緊急手柄（也稱列車緊急停車裝置），當乘客發現列車門和站臺門關閉時發生夾人或其他危及乘客安全的事件時，才能操作緊急手柄。當拉下緊急手柄時，FAO系統聯動車載CCTV，將觸發緊急手柄的列車圖像發送到OCC，OCC乘客調度聯動車載廣播系統，通過與乘客對講的方式，采取相應的處理措施。當列車在區間運行時，檢測到緊急手柄被按下，車載ATC控制列車運行到下一站臺精確停車，打開車門不關閉，等待工作人員救援;當列車在站臺停穩時，檢測到緊急手柄被按下，車載ATC控制車門打開不關閉，等待救援;當列車在出站過程中檢測到緊急手柄被按下，車載ATC立即輸出緊急制動。在裝備FAO系統的列車每個客室內均設置緊急呼叫按鈕，乘客可通過觸發緊急呼叫按鈕與中心調度臺通話。緊急呼叫按鈕激活后，車載CCTV將會對緊急呼叫按鈕激活位置區域進行視頻監控，并向OCC和司機室監視臺推送監控畫面;OCC乘客調度通過車載CCTV 監視與乘客的對講情況;OCC的調度人員根據乘客反饋內容的重要性和緊急程度做出相應處理。

（3）火災報警響應。在列車車廂配置煙霧報警器，當車輛發生火災時，列車在向車載ATC發送車輛火災報警信息的同時，將火災區域圖像推送到OCC，車載ATC也會將車輛火災信息上報至OCC，OCC調度員通過CCTV確認火災情況，并采取相應的處理措施。當站臺發生火災時，車站火災報警系統觸發車站火災聯動，向OCC發送車站火災報警信息，OCC調度人員與站臺工作人員共同確認火災情況，并采取相應措施。當區間發生火災時，火災報警系統向OCC發送區間火災報警信息，經OCC人員確認后，聯動站臺自動扣車，并建立防護區域，防止列車進入火災區域。

（4）區間疏散。列車發生故障在區間停車時，車載ATC系統向OCC發送報警信息，同時車輛系統向OCC匯報車輛故障和狀態信息，在OCC車輛調度的顯示界面顯示故障信息，并向調度人員提供處理建議。車輛調度對故障情況進行判斷，若不能恢復，則進行區間疏散，聯動OCC行車調度扣停后續車輛，若后續列車已經進入區間，OCC遠程控制列車停車;OCC調度人員通過乘客調度安撫乘客，并引導乘客疏散。

2.2 互聯互通關鍵技術

互聯互通的關鍵技術包括統一系統總體架構及功能分配、通信協議、電子地圖描述方式、軌旁設備設計原則、設備安裝方式等。

2.2.1 統一的系統總體架構及功能分配

在不同系統架構下實現互聯互通的難度非常大，因此，在統一系統總體架構的基礎上研究互聯互通，可降低實現難度。當前FAO信號系統的典型架構如圖2所示。

相比于CBTC系統，FAO信號系統中新增了休眠喚醒單元（AOM），系統的總體架構變化不大，但功能更加復雜，各個廠家的信號系統或多或少存在功能分配上的差異，因此，需要制定互聯互通全自動運行系統標準，對各類功能分配進行定義。

2.2.2 統一通信協議

在FAO系統中，新增了中心遠程控制、多系統聯動（綜合監控、ATS、CCTV、乘客信息系統系統、廣播系統等）、全自動場段、休眠喚醒設備（車載休眠喚醒單元、休眠喚醒應答器等）及站臺門專用通信等設備，因此，為實現全自動運行系統的互聯互通，需要規范車-地及地-地接口。

車-地接口包括地面ATS、CI、ZC、車載ATP及AOM的接口，以及軌旁應答器與車載ATC的接口。地-地接口包括 ATS之間、CI之間、ZC之間、CI與屏蔽門、CI與洗車機等的接口，為實現FAO系統的互聯互通，需要對上述接口的安全通信協議和應用層通信協議進行規范和統一。

2.2.3 統一的線路電子地圖

統一化設計與描述的線路電子地圖是進行互聯互通信號設計的基礎，有利于規范信號系統內部各子系統間的接口，使裝備不同信號廠家車載設備的列車具有跨線互聯互通運營的接口條件;有利于規范信號系統的整體設計及標準化電子地圖格式的描述（如軌旁設備布置、防護區域的劃分等），形成統一的數據格式。

2.2.4 統一的軌旁設備布置原則

統一軌旁設備的布置原則是實現互聯互通的工程基礎，在工程實施中，只有采用統一的設計原則，才能實現列車跨線運行。軌旁設備包括應答器、信號機、計軸設備、作業人員封鎖開關（SPKS）、站臺再關門按鈕（PCB）等，以及進路的延時解鎖時間和保護區段的延時解鎖時間等都需要進行綜合考慮后完成統一。由于FAO系統新增全自動車輛段功能，因此，軌旁設備布置原則也要考慮包括休眠喚醒應答器、洗車機、SPKS在內的新增設備。

2.2.5 統一設備安裝方式

互聯互通應特別關注與列車定位、車-地通信等相關的設備安裝方式，包括應答器接收天線、應答器、車-地無線傳輸設備、車載無線天線等?；ヂ摶ネň€路應該根據要求確定軌面至應答器的距離，以及應答器接收天線至軌面的距離，統一車載應答器傳輸模塊（BTM）天線、無線天線和地面無線傳輸設備的安裝位置，以保證車-地無線傳輸系統能夠穩定可靠地支持互聯互通車輛跨線運行。

3 智能列車運行技術展望

隨著物聯網、云計算、大數據、深度學習技術的發展，軌道交通列車運行技術與人工智能技術將緊密結合，人工智能相關技術可應用于軌道交通的障礙物識別、智能駕駛等多個場景中，在軌道交通領域內承擔越來越重要的角色?？衫糜嬎銠C視覺技術與雷達技術來開發障礙物檢測系統，當系統的可靠性滿足安全要求時，可作為信號系統的安全輸入，當系統識別到障礙物時，信號系統控制列車自動制動?？刹捎枚ㄎ?、雷達、圖像識別等技術，采集各種場景下的列車運行環境數據，與線路數據及各類運行場景的經驗知識相結合，形成自主決策，根據識別出的場景，自動將控制指令下發給各子系統，完成對列車的自動控制，實現更加智能化的列車自動駕駛。

在列車運行設備健康管理方面，基于人工智能和5G技術的支持，可以實現分級預警、快速重投、遠程控制等關鍵技術的突破，提高列車在異常事件發生時的快速自我愈合能力。同時，結合設備在線故障預測、監測以及診斷技術，可以實現設備全生命周期管理，提升安全運營的能力。

4 總結

建設智慧城軌已經成為城市軌道交通行業發展的必然趨勢，智能列車運行技術將是今后的重點研究對象之一。本文對面向互聯互通的全自動運行系統的需求和關鍵技術進行了分析，并結合人工智能、大數據、深度學習等新興技術對智能列車運行技術發展進行了展望，以期為智慧城軌的建設提供借鑒和參考。

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收稿日期 2020-06-08

責任編輯 冒一平