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自主化全自动运行系统研究与应用
发布日期:2018-07-11 14:14:43

张艳兵, 戴克平
( 北京市轨道交通建设管理有限公司, 北京 100037)

 
摘  要:介绍全自动运行系统项目的研究目的及研究内容,提出具有普遍借鉴意义的新技术研发、应用思路, 形成产学研用、科研攻关、工程推广相结合的技术路线;详细说明自主化全自动运行系统的研究思路,阐述场 景和运营规则的研究主线,注重科研与工程相互支撑的理念;在项目组织实施过程中,采用国内调研、国外调 研、联合攻关、专家咨询的工作思路,取得丰硕的研究成果;阐述全自动运行系统的架构、创新点及解决的关键 问题,论述 FAO系统在减少工作重复性、降低损失成本、降低维护成本等方面所起的关键作用;描述系统的测 试于段、测试过程及测试方法,测试中按照地铁实际运营线路中的几个场景分别验证,包括室内测试、停车场 测试、样板段测试、全线测试;通过完善的系统测试验证,证明系统设计的合理性、技术的先进性及项目管理的 科学性,为全自动运行系统的推广和发展提供借鉴。
关键词: 轨道交通; 全自动运行( FAO) ; 运营规则; 损失成本; 系统测试
中图分类号: TN929.52        文献标志码: A       文章编号: 1672 6073(2017)06 0001 06
 

 ResearchandAppIicationofIndependentIy DeveIoped FuIIy AutomaticOperationSystem
ZHANG Yanbing, DAIKeping
( UeiJingMetroConstruction and ManagementCo., Ltd., UeiJing100037)

Abstract: Thispaperintroducesthepurposeand research contentofthefully automaticoperation ( FAO) projectand explains thetechnicalresearch and developmentaswellasapplication route, which emphasizescooperation among industries, universi- ties, technologiesand application to practicalengineering projects.Theresearch ideasoftheindependently developed FAOsys- tem aredescribed in detail.Theresearch lineofthesceneand theoperation ruleareexpounded, and themutually supporting i- deaofscientificresearch and engineering isdescribed.In theprocessofprojectorganization and implementation, theworking i- deasofdomesticresearch, foreign research, jointresearch and expertconsultation areadopted, and greatresearch achievements havebeen obtained.Thearchitecture, innovation and key problemsthathavebeen solved forthefully automaticoperation sys- temareintroduced, and thekey roleoftheFAOsystemin reducing work repetition, costsoflossesand maintenancecostsisdis- cussed.Thesystem testmeasure, thetestprocessand thetestmethod aredescribed.Thetestsin accordancewith theactualop- eration ofthesubway linein afew sceneswereverified, including indoortest, parking test, samplesection testand fullline test; through completesystem testand verification, itprovestherationality ofthesystem design, theadvancementofthetech- nology, and thescientificnatureoftheprojectmanagement, which providesareferenceforthepromotion and developmentof fully automaticoperation system.
Keywords: metro; fully automaticoperation ( FAO) ; operation rule; losscost; system test
 

1  概述
      全自动运行( fullyautomaticoperation,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 控 制 系统[1J 。
      国际公共交通协会( UITP) 将列车运行的自动化等 级( GradesofAutomation, GoA) 划 分 为 5 级: GoA0 ~ GoA4,各等级的简要说明如表 1 所示。
      其中 GoA4 为最高级别,本文所述 FAO包含 GoA3和 GoA4 两个级别。 正常情况下,GoA3 与 GoA4 一样,

 

      由设备自动完成各项操作;故障条件下,GoA3 与 GoA2 一样,由车上的司乘人员处置故障,而 GoA4 等级则需 由地面派人到车上进行处置[2] 。

      据 UITP的统计,截至 2017 年 3 月份,全球 FAO运 营线路长度为 850 km;预计 2025 年全球全自动运行线 路将达 2 300 km。


1.1  研究目的
      全自动运行是城市轨道交通技术的发展方向,在 我国尚处在起步阶段,与国外差距较大。 国产化信号、 综合监控、通信、车辆等关键系统已实现自主化,并且 具有一定的成熟性,为自主化 FAO研究奠定了基础。
      轨道交通是现代城市的重要基础设施,会长期为 城市提供便捷交通服务,需要用前瞻性的眼光去引导 技术的发展,因此有必要以需求为导向,由用户牵头组 织,联合专业大学、一流企业,开展系统性的科学研究, 推动自主化装备达到国际先进水平。

1.2  研究内容
      自主化 FAO系统研究的内容主要包括:
      1) 运营场景设计,包括正常作业场景、故障处理流程、应急处置策略等;
      2) 危险源分析,包括危险源辨识、风险评估及约 束、完善危险源档案等;
      3) 集成技术研究,包括功能需求、用户需求、接口需求、系统设计等;
      4) 关键设备工程样机定型,包括控制中心综合自 动化设备( TIAS) 、轨旁设备、车载设备( 含辅助驾驶设 备)、车地通信综合承载设备( LTE M) [3] 等;
      5) 仿真测试系统研制,包括仿真测试平台设计与 集成、信号仿真系统、综合监控仿真系统、无线通信仿 真系统、列车仿真系统、三维视景仿真等;
      6) 北京燕房线示范应用,包括全自动运行系统工 程化示范应用、LTE-M 工程化设备示范应用[4] 、 制定 全自动运营规则、形成全自动运行系统的标准。


2   技术路线
      为了更有效推进自主化全自动运行系统,促进成 果转化,北京市轨道交通建设管理有限公司采用产学 研用、科研攻关、工程推广相结合的技术路线。
      首先,吸收来自学术界的先进前沿技术,促进产学 研结合。 在课题研发过程中,根据需要与学术界展开 合作和研讨,使得研究成果在学术界、产业界、标准界 达成共识,促进技术的推广应用;吸收来自学术界的先 进前沿技术,促进产学研结合。
      其次,全自动运行系统是涉及土建和设备等多专 业的系统性、综合性、创新性工程,需多专业顶层设计。 在国家发改委、北京市各委办、城轨协会的支持下,采 用“ 产学研用” 模式,以需求为导向,用户牵头组织,联 合专业大学、一流企业,开展系统性的技术研究。
      再次,各参研单位开展自主化全自动运行系统关 键技术、技术装备、集成测试、集成创新及应用领域的 研究,并带动一批全自动系统相关的科研课题立项。
      最后,积极推进科研成果向工程转化,通过国家自 主创新示范工程进行推广,实现全部成果的落地,并培 育完善的产业链。

3   研究思路及成果
      研究思路以场景和运营规则为研究主线,注重科 研与工程相互支撑的理念;在项目组织实施过程中,采 用国内调研、国外调研、联合攻关、专家咨询的工作思 路,取得了丰硕的研究成果。

3.1  运营场景和运营规则
      从系统全局角度出发,结合国内轨道交通运营特 点,分析全自动运行系统的运营全过程,进行《 全自动 运行系统运营场景》 的研究[5] 。 同时以此为研究主 线,进行各专业的业务特点总结和梳理工作,最终涵盖 整个运营场景。
      在人员方面,分析全自动运行系统控制中心、停车 场、车站的人员组织架构和岗位职责,并结合全自动运 行系统运营场景,制定系统运营规则。

3.2  科研与工程相互支撑
      为了让科研项目与工程项目更有机地结合在一 起,以用户需求为牵引,科研与示范工程相互支撑,同 步开展,实现产品的应用方案验证。 同时,制定严格的科研计划与工程计划,并由管理公司统一调配和管控, 将科研成果应用到工程中进行调试验证;在工程实施 中发现新需求,并继续投入科研力量。 最终实现二者 的相互支撑。
      科研项目成果和示范工程对接,在示范工程的停 车场调试、样板段调试和试运营过程中修订、完善、验 证项目的成果,形成闭环过程。 以北京燕房线示范工 程为例:1 ) 科研梳理的接口文档与各专业的对应关 系,与燕房线总体设计对接;2 ) 科研编制的全自动运 行系统指标体系以及验证方案,在燕房线样板段和全 线试运行阶段进行验证;3) 科研完成的危险源分析成 果与燕房线示范工程的安全评估对接,为每一个危险 源的消除建立跟踪文档;4) 科研完成的运营规则成果 与燕房线运营单位对接,在停车场、样板段、试运行过 程中验证、修订与完善。

3.3  组织实施
      组织 FAO参与单位有序推进项目开展:
      1) 国内调研,前往北京机场线、上海轨道交通 10 号线、广州 APM线现场调研,与运营管理人员、一线运 营人员进行深入的技术交流;
      2) 国外调研,考察丹麦哥本哈根的 M1、M2 线及 日本东京临海新交通百合海鸥线,就 FAO运营维护人 员配置、应急处置方法等问题进行深入交流;
      3) 联合攻关,组织参与燕房线示范工程的各研究 单位进行联合技术攻关,形成燕房线全自动运行系统 解决方案,梳理全自动运行系统的相关国际标准,通过 联合攻关,完善全自动运行系统的运营场景、功能需求 和关键系统方案;
      4) 专家咨询,组织咨询会与评审会,邀请业内专 家对全自动运行系统的功能需求、接口、集成方案、运 营场景、应急处置策略、运营规则、关键设备设计方案 进行评审,并根据专家意见进行修订;
      5) 理论与工程实践结合,理论分析与工程实际应 用密切结合,通过建立模型、计算仿真和工程现场验证 测试进行闭环回归,保证科研成果的质量。


3.4  研究成果
      对自主化 FAO系 统的系列研究制定了场景及运 营规则文件;分析了各系统的功能、接口,梳理了系统 需求;研制出完全自主知识产权的 ZC( zonecontroller, 区域控制器)、DSU( datahasestorageunit,数据库存储单 元)、TIAS( train integration automaticsystem,行车综合自 动化 系 统)、 CI( computerinterlocking, 计 算 机 联 锁)、DCS( datacommunicationssystem,数据通 系统)、LEU ( linesideelectronicunit,线路侧电子设备) 等全自动运 行控制设备以及 LTE-M综合承载设备[6] ,实现了休眠 唤醒、自动出库等全自动功能,彻底打破了国外的技术 垄断。

4   FAO系统架构及创新点
4.1  FAO系统架构

      全自动运行系统是由七大专业、31 个子系统、数十 万个驱 采 点 组 合 实 现 安 全 高 效 运 营 的 复 杂 巨 型 系 统[7] 。 图 1 为全自动运行系统的系统架构,包括中心 系统、停车场 I车站系统和车载系统 3 层。

      停车场系统[8] 负责洗车控制, 车库门控制等; 车 站系统负责监控站内设备, 停车场 I车 站系统构成如 图 3所示。
      车载系统负责列车的全自动运行,如图 4 所示。
     下面详细说明自主化全自动运行系统的创新点及解决的关键问题。

4.2  遵循标准,形成场景,应对变化
      全自动运行系统不是简单的采用新 技 术、应 用 新设备,运营规则与系统的匹配度会大大影响系统的可 用性。 全自动运行系统应当按照运营规则进行适应性 匹配才能更好地发挥其效能。

      自主化 FAO遵循 IEC 62267 I62290 等标准,结合 中国轨道交通特点,形成全自动运行场景说明书,包括 正常运行场景( 如列车入库、站台开门等) 及危险运行 场景( 如乘客跌落、车门夹人等) 两大类共 41 个子场 景;同时针对作业流程,从危害程度与发生概率两个维 度开展初步危险源分析,形成系统的安全需求[9] 。

4.3  根据场景制定相应的运营规则
      全自动运行系统使得系统自动化水平整体提升, 在障碍物检测、雨雪模式、车门故障、站台火灾等故障 场景下,可实现各系统联动的自动处理,这与非全自动 运行系统有较大区别。
      因此应设立相对独立的运营团队,制定相应的运营规则,充分发挥全自动系统的优势。

4.4  自动化程度提高,重复性工作减少
      全自动运行系统根据列车运行的场景有计划地操 作,由系统自动根据时间触发,需要人工判断或突发情 况由中心远程控制。 实现列车上电、自检、段内行驶、 正线区间行驶、车站停车及启动、清客、端站折返、列车 回段、休民断电、洗车等全过程自动控制[10] 。 自主化 FAO系统在自动化方面解决如下问题:
      1) 多专业高效协同。
      传统 CUTC各专业、各子系统交互复杂,各个专业 分属不同平台部署,数据不完全共享;各专业中间环节 多,不能快速及时响应应急情况;人机界面多,降低人 员监控以及处理的办公效率。
      采用以行车指挥为核心的综合监控系统,提供更 全面的列车监控、乘客服务、综合维修调度及辅助决策 功能,解决多专业高效协同的问题。
      2) 车辆段运行效率低。
      非全自动运行线路,每日发车前需人工上电唤醒 列车,人工完成繁琐的日检作业;需要人工执行开关列 检库车库门的操作;需要司机于动驾驶列车回库,人工 驾驶列车进行清扫 I洗车作业,耗费人力,效率低下。
      FAO实现自动远程唤醒列车,自动进行静态测试 和动态测试,列车自动回库、自动洗车作业,远程休民 列车、自动发车,解决车辆段运行效率低的问题。
      3) 正线自动化程度低。
      传统线路若 ATO未精确停车,需退出 ATO模式, 司机于动对标;司机需人工执行中心或计划好的清客 任务;若某个车门或站台门单独故障,不能区别处理; 自动折返仍需要司机进行相应操作。
      FAO系统增加了车辆调和乘客调角色,FAM模式下 的无人自动折返,车门与站台门的对位隔离等自动化应 用,解决正线自动化程度低的问题,可以有效减少重复 性工作的人力投入,降低运营成本,提高运营效率。

4.5  设备可用性提高,维护成本降低
      车辆发车前进行 30 多项日检测试,一项通不过则禁止发车,确保列车不会带病上线运营。
      相对于传统 CUTC,验证于段完善,建设期测试更 加充分,减少了项目尾工遗留, 降低了运营期维护成 本。 自主化 FAO系统在可用性方面解决如下问题:
      1) 检测检验于段有限。
      传统 CUTC系统无接口,各系统相对孤立,无法交叉验证,遗留到载客运营阶段,影响运营质量。 FAO增加系统自动检测以及闭环验证,日检具有 31 项自动检 测于段,系统联调联试大纲涵盖功能性验证,解决了检 测检验于段有限的问题。
      2) 全自动运行对系统要求高。
      全自动运行需要全系统支持全天候( 7 ×24 h) 不 间断运行,如果系统中任意一点出现故障,就有可能造 成服务质量的下降,甚至行车的大面积延误,要求该系 统具有极高的可靠性。
      FAO系统采用完善的设备冗余方案,包括:车载头 尾设备冗余、ATP三取二冗余、ATO双系统热冗余、地 面设备二重冗余、网关多地四重冗余等于段,使得系统 设备可用性提高,使系统运行更加稳定,解决全自动运 行对系统要求高的问题。

4.6  系统集成度提高,维护成本降低
      信号系统与综合监控系统进行了集成( TIAS) ,数 据源由统一平台进行管理,为轨道交通运营整体信息 化奠定了基础。
      通过统一的维修平台,基于大数据分析进行系统 的综合维修维护,提高系统预防性维修能力,降低维护 成本。 自主化 FAO系统在集成度方面解决如下问题:
      1) 统一维护。
      传统运行线路存在运行信息误报、漏报,获取信息 不及 时, 维 护 流 程 繁 冗 耗 时, 对 厂 家 支 持 不 友 好 等 问题。
      自主化 FAO采用 IMS( 综合维修维护系统),实现 了信息统一发布、状态实时监测、集中维护管理、广泛 厂家支持等功能,解决了统一维护的问题。
      2) 不同需求及场景的应急处理。
      传统运行线路存在维修库存数量不清、地铁客流 量变化无感知、 故障原因定位难、 故障趋势难掌控等 问题。
      自主化 FAO采用云平台大数据技术,实现智能调 整维护库存备件、感知地铁客流拥挤指数、故障历史数 据分析、故障趋势预警等功能,信息化及数据源统一化 为实现更多系统集成的需求提供基础,解决不同需求 及场景的应急处理问题。

5  测试验证
      为了安全可靠地推进自主化 FAO,并使其成果顺 利落地,测试验证基本贯穿整个项目的全过程,尽可能 早期发现问题并及时校正。 项目测试验证过程如下:

5.1  室内测试
      完成了全自动运行半实物仿真测试验证最小系统方案设计及平台的搭建。 在测试平台经过 1 年的测 试,执行了 4.6 万条用例,通过用例序列设计和先进的 测试于段以及测试管理方式,保证了产品和系统的完 备测试。

5.2  停车场测试
      执行了 3.8 万余条用例,FAO用例占比约 60%,完 成了全自动运行系统的功能测试,为样板段测试奠定 了良好基础。


5.3  样板段测试
      通过样板段测试,FAO系统在较短时间内达到了 较稳定跑图的水平,并且通过在实验室测试、试验段测 试、北京燕房线样板段应用,充分验证了 LTE-M综合承 载的可行性及优越性。

5.4  全线测试
      目前,北京燕房线已进入全线动车调试阶段,调试 的重点难点有:日常运营及故障演练,优化运营规则; 进行 FAO系统运营规则培训;针对现场调试过程、问 题优化场景文件及联调大纲;多系统稳定性考核;全系 统 144 h 不间断运营;根据工程实施情况,完善设备集 成、总体设计、施工等招标要求,服务于后续线路招标。

5.5  安全认证
      在工程层面对全自主化的信号、通信、车辆等与行 车直接相关的系统,采用国际通用安全认证流程进行 全方位 RAMS 管理[11J ,进一步确保自主化 FAO的 安 全性。

6  结语
      通过对北京燕房线自主化 FAO系 统的研究及工 程应用,提升了对全自动运行技术内涵的理解,从早期 的全自动驾驶到现在的全自动运行,深刻认识到:全自 动运行系统的目的是进一步提升城市轨道交通运行系 统的安全与效率,是衡量城市轨道交通系统可靠性、安 全性、可用性、可维护性及先进性的标尺。
      自主化 FAO系 统科研推动燕房线示范工程的实 施,反过 来 又 促 进 了 科 研。 燕 房 线 示 范 工 程 即 将 在 2017 年底开通试运营,在运营过程中,我们将进一步研 究并完善全自动运营规则,探索出一套适用中国国情 的全自动运营模式。
      北京地铁 3、12、17 号线及新机场线等新一轮项目 建设拟采用 FAO技术,为自主化 FAO系统提供了推广 应用的空间。 此外,期望北京自主化 FAO系统的研究 及工程示范应用,起到持续推进技术进步、促进轨道交通安全运营水平提升的作用,能为其他城市的轨道交 通建设提供有益的借鉴。

 

收稿日期: 2017 09 13 修回日期: 2017 10 09
第一作者: 张艳兵,女,本科,高级工程师,设备管理总部部长,主要从 事轨道交通信号技术的研究,Zhangyb807@126.com
基金项目: 北京科学技术委员会社会发展领域项目(D161100000116001)

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