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城市轨道交通全自动运行系统及安全需求
发布日期:2018-01-11 15:22:01
城市轨道交通全自动运行系统及安全需求

摘   要:本文结合国内外全自动运行系统的运营研究资料,介绍国际轨道交通全自动运行系统发展状况,探讨全自动运行系统的功能结构。结合国际标准,论述全自动运行系统典型的系统功能与安全需求。
关键词轨道交通;全自动运行系统;FAO;列控系统;
 
1 发展概况
 
        随着城市化进程的不断加速以及城市人口爆发式的增长,交通运输成为亟待解决的问题。轨道交通作为快捷、有效的运输工具,是解决城市交通拥堵的重要途径之一。
 

        近年来,拥有较高自动化的全自动运行地铁在全球轨道交通领域日渐升温,在世界发达国家的主要城市如巴黎、香港、新加坡、哥本哈根等已经投入了使用。
 
 
        全自动运行是列车运营全部依靠控制系统完成,通过自动化手段取代正常运行下的人员操作,在提升地铁运营效率、改善乘客乘坐舒适度并且降低运营成本的同时,降低人为因素对运营安全的影响,从而降低总体运营风险。
 

        然而,随着自动化能力的提升,系统也要承担相应的职责,实现更多的功能需求。随着计算机、通信以及控制技术的发展,全自动运行系统功能与结构关系的复杂性也给安全需求设计带来挑战。
 
2 全自动运行系统
 
2.1 系统介绍
 

        全自动运行系统(FAO)融入了高度自动化控制、人因工程与通信等多领域的新技术,进而提升轨道交通的自动化程度。自动化运行系统具备常规运行、降级蠕动运行、雨雪运行、中断运行等多样化运行模式,可以根据运营需求配备值守人员或者不配备值守人员。
 
 
        该系统一般也会相应配置以行车为核心、高度集成的信号系统与综合监控系统,以解决没有司机或值守人员所引入的危险问题。
 

        国际公共交通协会(UITP)将列车运行的自动化等级(grades of automation,GoA)划分为5级,各等级简要说明如下:
 
1) GoA0:目视下列车运行,司机负全责,无系统防护;
2) GoA1:非自动列车运行,即 ATP 防护下的人工驾驶;
3) GoA2:半自动列车运行(STO),即司机监督下的 ATO 驾驶;
4) GoA3:有人值守下的列车自动运行(DTO);
5) GoA4:无人值守下的列车自动运行(UTO)。


 
        GoA3(DTO)和GoA4(UTO)统称为FAO,即在正常运营情况下,由自动化设备取代司机自动驾驶列车在全线运行。
 
2.2 系统发展
 

        1971年至2004年是全自动运行系统的起步阶段,在这个时期FAO多用于轻轨或运量小的线路。1971年,为提高城轨的服务品质,增强与其他交通方式的竞争力,法国开始研究城轨FAO技术,1973 年完成VAL系统的原型机研制。
 

        1978 年世界第一条FAO城轨线——法国里尔1号线动工,1983年开通运营。1977年开通运行的伦敦道克兰轻轨是DTO等级自动化城轨的典型。1998年,为纪念巴黎地铁建成100周年,巴黎第一条FAO线——14号线开通运营。
 
 
        2005年以前,FAO技术推广速度比较慢,2005年以后发展速度逐渐加快,并开始在中、高运量地铁广泛应用。截至2013年,全球共有32座城市开通运营全自动运行系统,涉及48条线路、700座车站,运营里程674 km。
 

        2003年6月,新加坡东北线正式开通运营,它是全世界第一条在正线与车辆段上全部采用全自动运行的大运量铁路;2008年6月,德国纽伦堡的U3线正式开通 DTO,该线路是德国首条FAO线;2009年开通运营的阿联酋迪拜的地铁红线是全世界最长、最新的FAO线路;巴黎地铁 1 号线是世界上首条由人工驾驶改造为FAO的线路,于1900年建成,它是巴黎最繁忙、最拥挤 (75万人次/d),同时也是最老旧的线路。
 
 
        轨道交通全自动运行系统虽在国外应用较为成熟,但目前国内引入全自动运行技术的轨道交通线路成功案例较少。北京机场线、上海地铁10号线均采用全自动运行技术建设,北京地铁燕房线是我国首条采用全自动运行系统的线路。
 
2.3 系统结构
 

        全自动运行系统是一种建立在CBTC系统功能之上的升级系统。由于全自动运行系统常规模式下不配备司机或其他运营人员,所以系统设计需要增加相关防护功能,不能仅考虑信号系统的正常运营功能]。图1是全自动运行系统的参考模型,其中包括原有CBTC系统和增加的用于实现FAO的设备。
 

图1 全自动运行系统参考模型
 
        由图可知,全自动运行系统架构核心包括4部分。
 
1) 控制中心核心设备。以中心列车自动监控(automatic train supervision,ATS)系统、中心电力调度(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统以及综合监控系统为基础的高度集成化的行车综合自动化系统(traffic integrated automation system,TIAS)。在运营组织管理方面,加强紧急情况下的处理能力和措施,对信号、通信、综合监控、供电、车辆与灾害报警等系统进行深度集成与综合整合,保证整个系统内部的协调。
 
2) 车站控制设备。主要为车站级综合监控设备,以车站TIAS为核心,集成控制车站内与乘客乘降相关的设备,如乘客信息系统(passenger information system,PIS)、车站广播系统、车站站台门系统等。响应中心的调度命令与紧急处理命令,负责本站内乘客广播引导等工作以及本站内紧急情况的监控与应急处理。
 
3) 轨旁设备。轨旁设备变化不大,主要包含轨旁列车自动防护系统(automatic train protection,ATP)、联锁系统(computer interlocking,CI)、辅助定位LEU(lineside electronic unit,轨旁电子单元)系统等,可根据运营线路实际需求,增加安装轨旁障碍物检测设备。
 
4) 车载设备。以车载(vehicle on board controller,VOBC)列控系统(ATP/ATO)为核心,配备牵引制定、辅助测速等常规车辆设备。因为在全自动运行系统常规模式下,车头不配备司机,可根据运营需求在车头加装视频监控(closed circuit television,CCTV)以及障碍物检测设备,增加安装车辆信息管理系统(train control & monitoring system,TCMS),作为以电子设备代替司机采集及传输行车信息的专用系统。在传统列控系统的结构基础上,可强化列车上的CCTV系统、列车广播系统、车载紧急呼叫与紧急停车按钮功能,使控制中心在紧急情况下可以及时与乘客通话,实时监控列车上乘客的情况,保证乘客安全,加强在中心命令下乘客对行车状态的监管能力。
 
3 系统功能需求分析与建模
 

        全自动运行系统与上一代列控技术相比较,其主要特色功能包括列车自动上电唤醒自检,全自动车辆段,自动行驶、停车和开关车门,故障自动恢复,自动清洗与自动断电休眠等。除了可以实现无人驾驶外,一般也会相应配置以行车为核心的高度集成信号系统与综合监控系统,以解决没有司机或值守人员所引入的危险问题。
 
 
本文第三部分还包括以下章节,全文请见《都市快轨交通》2017年第3期。
3.1 全自动运行系统功能需求
3.2 系统需求分析建模
 
4 系统危险与安全需求
 

        在技术报告IEC 62267—2中,针对IEC 62267—2009中提出的列车车头没有司机或列车上没有工作人员的情况,分配安全功能作为补偿保障措施。
 

        IEC 62267可以看作是一个通用的准则,是列控系统设计的通用危险分析,指定详细的安全需求,并提出保障措施。危险分析和对应的保障措施及安全需求是根据美国、欧洲和亚洲现有城市轨道交通系统设计和运营经验得出的。由于IEC62267规定的安全需求是通用级别,还需要针对特定的风险进行分析。
 
 
        为便于特定风险分析和确定系统安全需求,笔者提供可参考的保障和方法作为指南。
 
4.1 乘客乘降监控
 

        由于全自动运行系统列车没有运营人员监督乘客的乘降和确保启动情况的安全,乘客因列车突然启动且有车门仍然开放而造成的伤亡如表2所示。除此之外还需考虑乘客身体某部分或行李被卡在车门中/站台安全门中而受伤的风险。
 

表2 乘客在列车与站台之间的安全需求
 

 
4.2 列车投入与退出运营
 

        由于在列车上没有运营人员管理列车投入运营或退出运营,所以需要针对那些滞留在即将退出运营的列车上而需要帮助的乘客减少伤害制定安全需求,如表3所示。
 

表3 列车投入或退出运营时乘客安全需求
 
本文第四部分还包括4.3 紧急情况检测和管理;4.4 安全需求的制定。第五部分为“结语”。
全文请见《都市快轨交通》2017年第3期。
 
本文作者:闫宏伟, 燕飞
第一作者:闫宏伟,男,硕士,助理工程师,从事轨道交通建设标准研究与管理
 
 
 

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