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解密地铁无人驾驶系统设计

2018/1/9 16:12:31 来源: 设备邦

摘要:地铁无人驾驶技术是地铁发展趋势,也是地铁信号系统发展改进的方向,EN62290-1:2006的定义,无人驾驶列车应具备自动进入/退出运营的功能,由此需要对相关系统如信号、安全门、通信等系统进行深化、细致的设计改变,与传统信号系统相比,无人驾驶的信号系统迫切需要解决移动通信网络传输稳定性的问题。本文介绍了无人驾驶技术、传统信号系统存在的缺陷、针对信号系统缺陷提出的设计解决方案,并介绍了新开发的,基于车载控制平台的列车自动运行控制系统。


地铁无人驾驶技术


1、无人驾驶技术介绍

无人驾驶地铁列车是采用高度自动化的先进地铁系统,是由地铁控制中心用大型电子计算机监控的,整个线路网的站际联系、信号系统、列车运行、车辆调度等,也完全实现了自动化的列车。根据EN62290-1:2006的定义,自动化等级划分如:表1


无人驾驶技术介绍


各自动化等级功能如:表2


自动化等级功能表


无人驾驶技术的引入将给运营单位带来如下改变:

(1)过滤掉了司机介入操作的失误、延时等人为不可避免的时间、效率的浪费,过去司机完成的工作全部(或者基本)交由设备自动完成,大大降低司乘人员的劳动强度。

(2)全自动驾驶可根据客流量变化动态调整列车运行计划,有效控制空车走行,节约牵引能耗,运营组织更加灵活。根据国外已运营无人驾驶线路估算,单位车每公里运行能耗降低30%。

(3)理论上全自动驾驶系统可以有效缩短行车间隔,提高旅行速度,在与传统线路同等运力情况下,加速车辆的周转,提高列车使用率,以减少配置列车数量。

(4)全自动驾驶可减少司机定员,弱化或简化车站行车调度人员配置。中国制造的国内首列“无人驾驶”地铁列车,2014年6月17日,在上海2014中国国际轨道交通展亮相。无人驾驶地铁列车最大的亮点是采用先进的全自动控制解决方案,无需司机操控即可实现列车自动唤醒、自检、自动发车离站、上下坡行驶、到站精准停车、自动开闭车门等全自动操作。

2、自动驾驶技术现状

2010年4月开通的上海10号线,于2014年8月开始应用有人值守的全自动运行。线路长36km,29座车站,目前运行间隔5分钟,高峰断面2.88万人次;

远期高峰断面4.84万人次,远期能力100秒。北京燕房线,是国内首条采用自主化全自动运行技术的线路。信号系统作为列车控制的核心系统,在FAO模式的运营理念下,信号系统设备完成的关键工作在于如何将司机对车辆发出的操作指令转换为信号设备本身代替司机发出,并且保证行车安全,符合调度员和车站值班员的操作意图。现行的ATO模式信号系统存在如下问题。

(1)信号控制逻辑须经过车载一地面区域控制-联锁子系统间协调处理,当前信号车地无线通信方案通常为2.4G的WLAN技术,多个子系统之间的传输延时,会降低系统效率和可靠性。

(2)轨旁设备多,系统调试时间长。

(3)一且区域设备故障,影响范围大,后备模式切换时间长,对运营影响大。


地铁无人驾驶舱


3、无人驾驶系统设计

列车控制自动化的核心升级部分,就是升级信号统的设计,针对传统ATO模式信号系统存在问题,系统功能设计如下:

(1)如果采用FAO技术,从车地无线通信稳定性角度考虑,宜采用LTE技术。

(2)信号系统新增接口的设计原则和设计内容(与车辆、站台门、洗车机、门禁、停车列检库库门等)。

(3)新增信号系统功能。无线通信的稳定性是制约自动驾驶的重要方面,LTE-M无线通讯网络是可靠的通信手段,目前青岛地铁联合四方所、四方股份等各家单位,基于以上技术提出了“基于车载控制平台的列车自动运行控制系统”的设计理念和实施方案。2016年11月获得中城协批复,同意推荐为示范工程。

基于车载控制平台的列车自动运行控制系统主要由三方面设计思路构成,一是“车-车”通信,二是列控设备从轨旁到车载,三是列车主体化运行。

(1)“车一车”通信有别于传统列控系统“车地-车”的通信模式,采用车-车(地)的通信模式,列车之间通过无线通信网络直接建立通信,无需车一地车环节,后续列车可获取前行列车的信息,并可以根据该位置信息和线路状态信息,自主计算移动授权和防护曲线。

(2)轨旁到车载的设计思路是整合线路资源管理及区域控制功能,将传统信号系统轨旁的联锁设备以及区域控制设备与传统车载控制系统进行深度融合与集成,轨旁仅设置目标控制器和必要的基础设备(将传统的AP、应答器、信标、波导管等设备进行功能整合)。

(3)列车主体化运行的设计思路是基于“车-车”通信和车载控制平台,列车可以获得时刻表等相关信息,可以根据时刻表自主调整运行,实现以列车为主体的列车主动进路、列车自主防护以及运行等自主调整功能(传统列车运行控制均由地面设备进行进路办理和移动授权)。

该系统与传统设备相比具备优势如下:

(1)提高系统可靠性。列控系统仍然通过联锁和ATP防护功能保证了行车安全,通过对系统结构进行功能优化再分配,直接控制运行对象,保证行车安全。

(2)实现工厂化调试。除了轨旁目标控制器外,主要列控功能整合到车载控制平台,因而主要列控功能均可实现工厂化调试,将显著减少现场安装调试时间,从而有利于缩短工程建设周期,降低建设成本。

(3)提升性能。同时,将线路资源管理及移动授权功能由轨旁集成至车载,车载控制数据流直达控制对象,提高系统的实时性,有助提高系统性能。

(4)减少相关专业负担。通过精简车站/轨旁设备,可以减少50%~60%用房面积。同时,通过减少和整合轨旁设备,还将显著减少系统维护工作量,降低系统运营维护成本。

(5)网络化运营。列车运行控制的主要功能整合至车载系统后,控制过程对轨旁及控制中心系统依赖性低,因而有利于同制式线路的跨线和网络化运营。

根据设计思想及整体运营方案,系统包含车载控制子系统、轨旁设备、无线通信子系统、列车自动监控子系统。


无人驾驶地铁列车


车载控制子系统采用一体化设计思想,将车载列控系统自身网络与车辆实时以太网深度融合(该网络应符合EN50159标准相关要求),并将两者的显示器、传感器等进行融合。轨旁子系统取消传统CBTC系统必须的区域控制器及联锁设备,仅保留车地通信设备、信号机、转辙机、计轴器及应答器等基础设备,并在轨旁设置目标控制器作为示范线后备,轨旁同时具备完整的点式+联锁后备系统。

无线通信子系统主要由骨干网和无线网络组成,负责为各系统提供安全或非安全的信号传输通道,其中的无线网络将采用LTE技术,针对LTE已制定了标准化规范,并在城轨系统中已成熟应用,为车车通信提供了保证。

列车自动监控子系统主要实现运营监视(正常情况下不参与控制),提供强大数据汇集及分析功能。某些列车降级运行时,提供人工介人的应急处理手段。作为示范线后备,实现完整的列车自动监控功能。
关键词:    地铁    地铁无人驾驶    无人驾驶系统
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