基于全自动运行场景的地铁列车适应

更新时间:2023-12-13 00:07:38 阅读：评论：0

2023年12月13日发(作者：我爱我的家乡)

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基于全自动运行场景的地铁列车适应

全自动运行

基于全自动运行场景的地铁列车适应性设计王腾（深圳地铁运营集团有限公司，广东深圳 518040）摘要：全自动运行系统是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术，实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统。该系统对进一步提升城市轨道交通的运营安全、行车效率、智能化水平及降低运营成本有重大意义。文章以深圳地铁20号线全自动运行列车为例，介绍列车运营场景，重点论述车辆在全自动运行系统线路中的网络安全保护设计、车辆设备的可靠性及舒适性设计。相关研究可为全自动运行场景下的地铁列车设计提供参考和借鉴。关键词：地铁；全自动运行；车辆装备；设计中图分类号：U213.9

介绍了车辆设备的技术特点，并从车辆网络安全保护设计、车辆设备的可靠性及舒适性设计等方面详细阐述FAO场景下列车适应性设计问题。2 FAO系统优势FAO系统是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统。其作为未来城市轨道交通领域发展的新趋势，与传统运行系统相比，其优势主要体现在以下几个方面。（1）可提升城市轨道交通系统的安全性。FAO系统自动化程度高，降低了人员在各环节中操作设备的频率，同时各专业设施设备采用互为冗余系统配置，各种应用场景下增加了检测设备监控、诊断、预警等措施，提升了系统的安全性。（2）可增强运营服务的灵活性和可靠性。在遇到突发事件时，运行控制中心（OCC）可以及时调整运营策略，进一步提升列车的准点率、服务的可靠度和运营能力。（3）可优化人员配置。FAO模式下，各专业人员配比降低，可把司机从重复性工作中解放出来，提高生产效率。（4）可提升自动化水平。FAO系统可降低人员劳动强度，提升自动化水平。1 引言随着我国城市轨道交通的快速发展，北京、上海等城市日均客流已超千万人次，运营负荷巨大，安全运行面临严峻挑战[1-2]。目前，城市轨道交通列车仍处于有人驾驶阶段，人为误操作设备导致的地铁运营安全问题是行业的痛点问题之一。采用全自动运行（FAO）技术是本行业未来发展的方向，对进一步提升城市轨道交通运营安全、行车效率以及降低运营成本，提高城市轨道交通装备自动化、智能化水平意义重大。同时，FAO系统对设备的安全性、可靠性、可用性和可维护性要求更高，信号、车辆等各专业需增加配套功能，以满足FAO系统的设计要求，且专业设备设施需实现较好的集成。本文通过对深圳地铁20号线列车配套应用场景的分析，3 FAO系统运营场景分析FAO系统线路相比基于通信的列车自动控制作者简介：王腾（1988—），男，工程师

现代城市轨道交通增刊 / 2022

MODERN URBAN TRANSIT55Copyright©博看网. All Rights Rerved. 全自动运行（CBTC）系统线路，各核心子系统（信号、车辆、站台门、综合监控、通信等）之间的联动需求多、接口复杂、运营场景多样。其中，车辆专业和信号专业在交叉接口功能、运营应用场景设置方面紧密连接。深圳地铁20号线FAO运行场景以深圳地铁运营特点及运营实践为基础，充分借鉴全自动线路设计经验进行开发。深圳地铁20号线FAO系统正常运营场景流程，如图1所示。下面对FAO系统运营场景中的列车唤醒、列车出入库、列车休眠等场景进行分析。（1）列车唤醒。每天运营前，车厂调度员或行车调度员应在列车自动唤醒前通过列车自动监控系统（ATS）确认车辆段或正线休眠唤醒区的列车工况均为休眠状态。ATS根据出库计划自动唤醒列车，随后信号系统判断列车是否上电成功，若出现自动唤醒上电失败的情况，车厂调度员或行车调度员应通过ATS进行远程人工唤醒，若仍然无法唤醒列车，应派工作人员登车查看，通过车厢内的唤醒旋钮执行就地人工唤醒。列车上电后，车载信号设备、车辆设备、车载通信设备开始自检。车辆设备、车载通信设备上电并自检成功后，将自检结果传送至列车控制和管理系统（TCMS），由TCMS将自检结果汇总后通过自检成功标志位反馈给车载控制器（CC）。车载CC自检成功后，汇总TCMS自检结果，上报OCC列车上电自检成功。ATS自动向唤醒并自检基于全自动运行场景的地铁列车适应性设计

成功的列车下发运营计划。ATS自动向列车下发“待命”工况指令。（2）列车出库。列车唤醒成功后，根据ATS出库计划分配的运行任务，自动申请获取线路资源分配后，车载信号设备监控列车运行出库。运行到转换轨时，ATS系统自动根据计划运行图为出库列车分配车次号，非计划车辆由行车调度员人工分配车次号。列车运行至转换轨后，ATS向列车发送“正线运行”工况指令，车载CC收到“正线运行”工况指令后，向车辆TCMS发送“正线运行”工况指令，准备进入正线。（3）列车入库。信号系统根据计划时刻表检查到结束当前表号任务的列车完全进入终点站后，按照入库计划自动为停止正线服务的列车设置回库目的地码，列车自动申请回库线路资源。根据计算的移动授权指令运行到库内停车，列车完全进入库线停稳后，自动删除车次号。如无其他作业任务，ATS向该列车发送“休眠”工况指令。（4）列车休眠。在无人驾驶模式下，列车根据回库计划以“退出正线运行”工况指令运行至停车库指定股道，并进入休眠状态；或者停止正线运营的列车进入正线存车线，收到“退出正线运行”工况指令后，退出正线服务，根据目的地码进入指定存车线，并进入休眠状态。运行至场段或正线休眠点等指定区域进行休中心当日运行图确认并下发列车加开临时限速列车折返提前发车跳停扣车列车站台发车列车停站列车进站列车区间运行车站开启运营计划乘客紧急站台/站厅运营期轨行区列车退出服务变更对讲乘客紧急对讲抢修施工列车反向运行列车正线入库计划的末班车运行列车清客休眠点休眠巡道作业编制与下发列车进入正线列车回库列车唤醒出库计划的运营前相关编制与下发设备检查列车出库/存车线夜间施工点确认消点列车清扫休眠洗车作业列车检修场段调车图1 FAO系统应用场景示意图56MODERN URBAN TRANSIT

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现代城市轨道交通Copyright©博看网. All Rights Rerved. 基于全自动运行场景的地铁列车适应性设计全自动运行制单元（LCU）系统拓扑图如图2所示。LCU采用二乘二取二及双冗余组合板卡架构，在系统软件的配合控制下，能够实现对复杂环境作用下列车控制电路的安全服役功能并保证列车安全运行。机箱内包含2组功能完全相同且可互换的控制单元，实现输入采集冗余、输出驱动冗余、逻辑控制冗余、电源冗余、通信冗余等功能。相对于传统继电器，LCU具备可定位偶发性故障点、设备便于维护、设备可靠性高等特点。4.2.2 车辆模式降级设计为防止全自动无人驾驶列车在正线运营时发生突发设备故障，造成正线列车晚点等事件，设置以下3种车辆工作模式，可防止列车出现运行风险。（1）蠕动模式。蠕动模式是指在FAO运行条件下，信号系统正常，当车辆网络检测到故障，或车辆网络与信号网络之间的通信发生故障时，列车进入限速运行（最高限速为25 km/h）。

（2）车辆模式。车辆模式是指基于信号系统故障，蠕动模式无法使用的情况下，在切除列车自动控制（ATC）信号的工况下人工驾驶列车。

（3）备用模式。备用模式是指在列车硬线触点控制电路或网络设备发生故障而导致车辆无法被牵引的情况下，由人工驾驶列车。4.2.3 车辆调度系统设计车辆调度系统主要提供给OCC和车厂控制中心（DCC）值班人员使用，辅助值班人员实现对全自动无人驾驶车辆的综合监控、远程控制/复位，为其他专业运营人员赶赴现场处理故障赢得时间，提高故障处理响应时间。其主要功能包括以下几个方面。（1）全自动驾驶列车的远程实时监督功能，包括设备状态实时监控及实时报警。

眠作业，含以下3种方式：信号系统根据运营计划自动休眠；调度员通过ATS执行远程人工休眠；人员登车本地人工休眠。

4 列车适应性设计深圳地铁20号线共配置9列车，8节车编组，采用A型铝合金全自动驾驶车辆，运用受电弓受流方式，列车最高运行速度为120 km/h。为适应全自动驾驶的运营需求，车辆在安全性、可靠性、舒适性、创新性方面进行了优化设计和配置。4.1 车辆网络安全保护设计深圳地铁20号线是国内第一条采用以太网作为列车各系统通信控制的网络系统线路，同时车辆网络与外部网络系统基本实现了互联互通，提高了车辆网络系统的安全性（原有的车辆网络模式已不足以防御恶意攻击行为）。此外，由于车辆网络安全的风险性日益凸显，一旦车辆网络遭到入侵攻击，可能造成列车无法启动，出现运营安全事故，因此加强车辆网络的信息安全尤为重要。为确保行车网络控制系统的信息安全，在车辆网络边界上配置了防火墙，实现对网络边界的防护和访问控制，同时在车辆网络区域内部配置了安全审计与异常检测设备，可对网络行为进行安全审计和入侵检测，有效防止车辆网络遭到入侵攻击。4.2 车辆设备可靠性设计4.2.1 车辆设备互为冗余设计列车通信控制网络总线可分为列车控制级和车辆控制级。列车控制级主干网分为2个互为冗余的独立网络，采用基于链路聚合技术的双线性以太网拓扑架构，网络线路贯穿全车，可实现线路单点故障以及多点故障均不影响列车控制级网络通信。车辆级网络为星型网络，单节车具备双交换机，车辆级网络上各系统设备均采用独立双网口通信，系统设备单一接口故障不会影响车辆级网络通信。相对基于多功能车辆总线（MVB）的列车通信控制网络，以太网控车通信具备速率高、传输速度快等特点。牵引制动控制系统中，逻辑控1ATCMSETHETH2B3C4D15D26C7B8AETHETHETH (TRDP)ETHETHETHETHLCU1

LCU2LCU3LCU4LCU5LCU6LCU7LCU8CAN注： A为拖车，B、C、D1、D2为动车；ETH（TRDP）为列车实时数据通信协议；CAN为控制器局域网总线。图2 LCU系统拓扑图

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（3）车辆调度系统实时收集线上列车各系统的状态，如出现车辆故障，车辆调度员结合车辆应急处置流程，提供线上车辆故障应急处置。

（4）车辆调度员结合车辆上线运营标准，对车辆状态进行评估，对不符合上线的列车给予扣车处理。

（5）车辆调度系统对列车报警信息进行智能分析，通过报警等级统计、报警次数统计，为车辆调人员提供准确的数据。（6）如遇乘客紧急对讲、车门紧急解锁、客室盖板打开、逃生门打开等车辆安全设备异常状况，列车紧急对讲将激活并视频联动车辆调度系统。4.2.4 故障预测与健康管理系统设计故障预测与健康管理是一种利用先进传感器集成，借助各种算法和模型，实现故障检测、状态评价及故障预测的综合性健康管理技术，可实现车辆各系统状态实时监控、部件预测性维修、部件全寿命周期管理。该系统主要由车辆检修和DCC值班人员使用，为辅助车辆检修在车辆故障处理、设备维修流程优化、部件全寿命周期管理等方面提供数据支撑。同时，还为DCC值班人员掌握正线车辆运行状态提供技术支持。其主要功能如下。（1）列车全局监控功能。实现列车TCMS及所有子系统故障告警、故障应急处置流程、状态预警、寿命评估、地铁运营能耗等关键指标统计。

（2）列车定位。实现列车实时状态监控，展示列车的行进方向、运行区间、运行站点、运行状态等关键运行信息。（3）车辆故障处理建议。根据系统报警信息，系统应用界面提供故障处理流程和建议，有效提升故障处置效率。基于全自动运行场景的地铁列车适应性设计

（4）系统健康评估。根据列车运行数据，结合车辆各子系统的数学模型分析、历史故障等因素以及相关特征数据，对车辆各子系统的健康状态进行评估。（5）关键部件使用寿命预测。通过对设备数据的监控，对牵引电机轴承、轮对轴承等列车关键部件寿命进行预测，从而重新修订高成本、高耗材部件的更换周期，实现企业降本增效。4.3 车辆设备舒适性设计为优化设备配置，提升服务质量，列车客室和司机室采用贯通设计，取消司机室门、间隔门设置，增加乘客站立的空间，同时乘客可以到司机室，获得浸入式全景乘车体验。通过提高列车气密性，降低客室噪声、气压差，提升乘客乘车的舒适性。深圳地铁20号线采用GB/T

37532-2019《城市轨道交通市域快线120 km/h～160 km/h车辆通用技术条件》，从车门系统、空调系统、客室系统3个方面对车辆气密性进行了优化设计，提升了乘客乘车的舒适性。主要通过增加车门门页厚度、增加气动辅助锁压紧门页、采用空调强迫排风、车体孔洞封堵等形式，提高整车的气密性，减少乘客乘车时的耳鸣等问题，如表1所示。5 结束语文章以深圳地铁20号线列车在全自动运行场景下的适应性设计为例，从列车运营场景描述、场景功能分析方面提出为了更好地实现列车在无人驾驶场景下的运行，车辆在专业对接层面需与信号、通信专业做好密切配合，同时为适应FAO线路下车辆无人驾驶的要求，车辆设备采用了以太网技术控车，LCU代替继电器、优化车辆降级模式和车体设计以及增加辅助设备监控列车状态等新技术。相较于CBTC等既有线路的运营模式，FAO系统发生了很大的变化，且对各专业设施设备在硬表1 提高列车气密性、降噪措施系统车门系统措施车门门页厚度由32 mm增加至43 mm车门门页增加了气动辅助锁采用强迫排风装置，安装压力保护阀车体孔洞封堵作用增加门板的强度和刚度，减少受力后的挠度变化增强车门门页胶条与密封框和中部胶条的贴合度，使其处于良好的密封状态实测运行时平均噪音、阻断外界压力的波动向车内传递，保证车辆内有气密性优于大部分线路良好的空气循环，满足正压要求降低列车客室内气压的变化效果空调系统客室系统（下转第67页）58MODERN URBAN TRANSIT

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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页）件和软件层面的接口需求增多，在场景应用和设备设施优化方面提出了更高的要求。FAO系统应用于我国城市轨道交通行业还处于起步阶段，需要不断探索和革新，才能实现我国城市轨道交通的可持续发展。[9] GB/T 37532-2019城市轨道交通市域快线120 km/h～160 km/h车辆通用技术条件[S].国家市场监督管理局，2019.

收稿日期 2022-08-30参考文献[1] 丁树奎，韩志伟，王汉军，等.中国城市轨道交通全自动运行系统技术指南（试行）[G].北京：中国城市轨道交通协会，2019.[2] 李晶. 城轨全自动驾驶信号系统方案设计及运营场景分析[J].铁道通信信号，2006，52（2）：48-52.[3] 曹成鹏. 以太网在地铁列车上的发展与应用[J].现代城市轨道交通，2022（1）：97-102.[4] 乐建锐，李恒瑞，王莉. LCU在深圳地铁9号线车辆中的应用[J].铁道机车车辆，2018，38（5）：112-116.[5] 中车长春轨道客车股份有限公司. 深圳地铁20号线一期工程地铁车辆设计方案[G].吉林长春：中车长春轨道客车股份有限公司，2020.[6] 卡斯柯信号有限公司. 深圳地铁20号线一期工程地铁信号设计方案[G].上海：卡斯柯信号有限公司，2020.[7] 潘莹. 故障预测与健康管理技术在地铁车辆运维中的应用[J].控制与信息技术，2020，4（5）：91-95.[8] 李雪昆.故障预测与健康管理技术在地铁列车上的应用[J].城市轨道交通研究，2018，21（2）：105-107.责任编辑胡姬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