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城市軌道無人駕駛調(diào)度指揮系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢研究 | 技術(shù)交流
來源：《鐵道通信信號工程技術(shù)》雜志
通過對全自動無人駕駛作業(yè)需求的分析，對基于行車為核心的全自動無人駕駛綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)在調(diào)度功能變化、系統(tǒng)構(gòu)建、信息集成、關(guān)鍵技術(shù)等方面進行分析和研究。
韓?曉 天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司
城市軌道全自動無人駕駛系統(tǒng)較有人駕駛具有更好的系統(tǒng)性能、靈活性和低能耗，目前全自動無人駕駛調(diào)度指揮管理還處于摸索階段，本文通過對全自動無人駕駛作業(yè)需求的分析，對基于以行車為核心的全自動無人駕駛綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)在調(diào)度功能變化、系統(tǒng)構(gòu)建、信息集成、關(guān)鍵技術(shù)等方面進行分析和研究。
1?城市軌道交通自動化的發(fā)展演變
1.1?城市軌道交通自動化標(biāo)準(zhǔn)確定
在IEC 62290標(biāo)準(zhǔn)中，按照自動化程度將城市軌道交通管理與控制系統(tǒng)具備的運營功能分為5個等級，其中有人駕駛3個等級，無人駕駛2個等級，分為自動化等級為GOA3的司機值守的無人駕駛DTO和自動化等級為GOA4的全自動無人駕駛UTO。
1.2?有人駕駛階段自動化控制發(fā)展
城軌自動化控制已經(jīng)歷三個階段。
第一階段，按專業(yè)劃分，信號系統(tǒng)與各個監(jiān)控系統(tǒng)分立，調(diào)度指揮專業(yè)之間完全靠人協(xié)商。
第二階段，將供電、環(huán)控、防災(zāi)系統(tǒng)進行集成，構(gòu)成綜合監(jiān)控系統(tǒng)，形成信號系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)并存的模式，信號與綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間信息交換較為便利，但還沒有徹底擺脫調(diào)度指揮專業(yè)靠人協(xié)商的局面。
第三階段，ATS與綜合監(jiān)控集成，將ATS/PSCADA/FAS/BAS等系統(tǒng)信息匯集于統(tǒng)一技術(shù)平臺，并基于這個平臺實現(xiàn)跨專業(yè)信息交互和協(xié)調(diào)的行車綜合自動化系統(tǒng)——TIAS（Traffic Control Intergrated Automation System）系統(tǒng)，實現(xiàn)以ATS行車為核心的多專業(yè)多業(yè)務(wù)聯(lián)動。由于信息充分共享，調(diào)度指揮效率有本質(zhì)提升，尤其是在故障災(zāi)害情況下，各專業(yè)科學(xué)聯(lián)動。
1.3?全自動無人駕駛綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)解決的問題
1）綜合調(diào)度指揮總體功能要求
整合與行車密切相關(guān)的全部信息，實現(xiàn)對正線、車輛段、停車場全線路所有專業(yè)系統(tǒng)的全自動運行和監(jiān)控。
額外增加對車輛內(nèi)外信息的收集及顯示，實現(xiàn)對全自動駕駛的車輛提供全面信息服務(wù)。
建立直接面向乘客的統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)對火災(zāi)、水淹車內(nèi)狀況監(jiān)視等緊急情況下的安全處理，實現(xiàn)遠程乘客服務(wù)功能，確保故障安全處理能力。
優(yōu)化控制中心行調(diào)、電調(diào)、乘客調(diào)度、車輛等調(diào)度的設(shè)置，保證中心調(diào)度員操作有效便捷，發(fā)揮出全自動駕駛的優(yōu)點。
2）綜合調(diào)度指揮基本模型
全自動無人駕駛更多的是管理理念的巨大變化，以往司機的工作和責(zé)任由中心自動化系統(tǒng)代替。調(diào)度中心所面臨的職責(zé)由以往下達命令、監(jiān)視執(zhí)行、聽取匯報變?yōu)閷ΜF(xiàn)場的遠程實時控制。這種運營調(diào)度指揮、管理、責(zé)任界定的變化，僅僅靠ATP/ATO設(shè)備提高可靠性是不能完成的，現(xiàn)場情況透明化、遠程操控的實時化、故障緊急情況多專業(yè)協(xié)作聯(lián)動處理的迅捷化，這都要求一個透明、實時、多專業(yè)聯(lián)動操控調(diào)度系統(tǒng)。全自動無人駕駛在調(diào)度指揮需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：充分利用全自動無人駕駛的技術(shù)特點，實現(xiàn)調(diào)度與控制一體化，實現(xiàn)節(jié)能運輸；實現(xiàn)ATS為核心的綜合行車調(diào)度指揮功能擴展；從技術(shù)層面集成實現(xiàn)信號與綜合監(jiān)控一體化，建立多專業(yè)聯(lián)合故障救援的綜合調(diào)度指揮統(tǒng)。
3）綜合調(diào)度指揮研究思路
基于自動化系統(tǒng)發(fā)展第三階段的技術(shù)基礎(chǔ)，將ATS與傳統(tǒng)綜合監(jiān)控深度集成，提供更加全面的列車監(jiān)控、乘客服務(wù)、綜合維修調(diào)度功能及輔助決策支持功能，將集成平臺上額外增加車輛的信息（車輛前端增加攝像頭增加瞭望功能、車輛上自己配置的牽引、制動、車門PIS、照明、空調(diào)、PA、CCTV、無線）充分融合進綜合調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度員“視線延伸”至車輛內(nèi)外，最終構(gòu)成面向全自動無人駕駛的以ATS行車為核心的綜合自動化系統(tǒng)。下面通過全自動無人駕駛場景和信息接口分析，研究確定面向全自動無人駕駛的行車綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能和結(jié)構(gòu)。
2?全自動無人駕駛的調(diào)度指揮分析
2.1?全自動無人駕駛場景情況分析
全自動無人駕駛有車輛段庫內(nèi)作業(yè)、正線運營兩大類，從運營狀況分為正常運營和故障處理兩大類，總結(jié)各種運營狀況有41個基本場景，不同線路情況需求稍有差異。其中18種正常運營場景，23種是故障、緊急情況下的場景。在實際運營中所有的場景控制都應(yīng)該是以ATS為核心，多專業(yè)聯(lián)動完成。
2.2?全自動無人駕駛各系統(tǒng)之間信息集成研究
在有人駕駛的第三階段已經(jīng)形成ATS、ISCS（傳統(tǒng)）、變電、機電集成。為了適應(yīng)全自動無人駕駛，掌握車輛前視、車輛內(nèi)部情況，需要將以上信息也集成進TIAS系統(tǒng)中。具體將OCC內(nèi)的車輛PIS、TETRA系統(tǒng)集成進傳統(tǒng)的ISCS系統(tǒng)中，實現(xiàn)與車載PIS/CCTV/廣播/電話的信息集成，實現(xiàn)TIAS對車輛的延伸監(jiān)視和控制。ATS系統(tǒng)、ISCS(集成車載信息的綜合監(jiān)控系統(tǒng))、變電、機電充分集成構(gòu)成了基于全自動無人駕駛的TIAS系統(tǒng)。其他各專業(yè)系統(tǒng)之間的接口關(guān)系維持原模式，但是在各種場景下，工作聯(lián)動策略更加細化，實現(xiàn)全自動無人駕駛的各專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的深度集成。信息集接口具體如圖1所示。
2.3?各專業(yè)之間聯(lián)動研究
TIAS系統(tǒng)接收處理接口系統(tǒng)的報警、狀態(tài)觸發(fā)點，自動發(fā)送控制命令到聯(lián)動系統(tǒng)的全自動聯(lián)動方式；當(dāng)與預(yù)定義的聯(lián)動功能相關(guān)的報警點觸發(fā)動作后，在工作站人機界面上發(fā)出信息提示操作員，操作員確認后，TIAS系統(tǒng)自動向聯(lián)動系統(tǒng)發(fā)出控制指令的半自動聯(lián)動方式；人工選擇啟動一組涉及多個系統(tǒng)的控制序列，系統(tǒng)自動按照順序和閉鎖條件向不同的系統(tǒng)發(fā)布指令，其中涉及到行車安全的控制操作在聯(lián)動中均需要半自動或手動模式，人工確認后執(zhí)行的手動聯(lián)動方式。
1）正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的自動聯(lián)動節(jié)省人力
a.正線正常作業(yè)
信號系統(tǒng)利用其掌握的列車運營時刻表信息，動態(tài)解算出各車站的運營開始和結(jié)束的時間，通過通信接口自動觸發(fā)供電、機電、環(huán)控等各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備進行開啟和關(guān)閉。運營結(jié)束后，自動聯(lián)動關(guān)閉空調(diào)、照明、電扶梯等機電設(shè)備，關(guān)閉AFC系統(tǒng)和進出閘機，并調(diào)整相關(guān)車站隧道區(qū)域的風(fēng)機通風(fēng)模式；運營開始，需要開啟按照ATS運營時刻自動聯(lián)動提前開啟空調(diào)、照明、電扶梯等機電設(shè)備，開啟AFC系統(tǒng)和進出閘機，并調(diào)整相關(guān)車站隧道區(qū)域的風(fēng)機通風(fēng)模式。
b.庫內(nèi)主要作業(yè)
車輛在庫內(nèi)休眠時自動進行降弓、關(guān)閉電源等操作，車載信號報告休眠，與中心保持無線通信連接，所有車休眠，調(diào)度中心遠程關(guān)閉庫內(nèi)牽引供電，鎖閉門禁；中心ATS命令控制開啟牽引供電及門禁，ATS向需要喚醒列車發(fā)喚醒指令，列車進行升弓、開啟電源等操作。車輛內(nèi)系統(tǒng)進行自檢，結(jié)果由車載信號給ATS中心報告車輛狀態(tài)。ATS接收車載報告確認后，發(fā)出發(fā)車指令。
2）故障危急狀態(tài)下自動聯(lián)動減少應(yīng)急時間降低危害
a.站臺、站廳火災(zāi)
FAS檢測到火災(zāi)報警，除了啟動消防滅火措施外，聯(lián)動其他專業(yè)。在TIAS相應(yīng)的操作站界面上彈出火災(zāi)告警，將人機界面監(jiān)視區(qū)域視頻監(jiān)控等自動切換到火災(zāi)發(fā)生區(qū)域，便于操作人員快速判斷火災(zāi)影響并決定作業(yè)命令。在一個專業(yè)控制命令執(zhí)行過程中，將其設(shè)備狀態(tài)同步給其他專業(yè)顯示，便于了解其他專業(yè)的執(zhí)行進度，從而合理選擇自己的作業(yè)步驟，整個處理過程各專業(yè)決策、過程、結(jié)果完全透明化。其中，ATS命令信號系統(tǒng)扣車，并提示轉(zhuǎn)換線路運行交路方式；環(huán)控系統(tǒng)啟動車站防煙排煙模式；其他機電專業(yè)進行關(guān)閉車站普通照明、關(guān)閉車站電扶梯、釋放門禁、釋放所有進出閘機、啟動逃生制式和應(yīng)急照明等操作；通信啟動PA廣播進行旅客安撫和提供疏導(dǎo)路線建議。
b.列車火災(zāi)
TIAS接收到列車火災(zāi)告警，火災(zāi)告警信息通過系統(tǒng)間接口同步傳輸?shù)叫盘?、供電、機電等各系統(tǒng)調(diào)度臺顯示，提醒相關(guān)人員操作步驟，當(dāng)行車調(diào)度員通過CCTV確定火災(zāi)情況，下達疏散指令，系統(tǒng)自動根據(jù)列車位置確定是區(qū)間疏散還是站臺疏散，然后將相應(yīng)停電、通風(fēng)風(fēng)扇、廣播等控制命令通過聯(lián)動接口傳遞至各專業(yè)系統(tǒng)，經(jīng)各專業(yè)操作員人工確認后執(zhí)行，同時系統(tǒng)根據(jù)火災(zāi)列車位置，自動給出調(diào)整線路其他區(qū)域列車運行交路的建議。
c.其他
如隧道水淹、接觸軌失電等危急狀態(tài)下，都有相應(yīng)的多專業(yè)應(yīng)急處理模式。
3）聯(lián)動實現(xiàn)的基礎(chǔ)
TIAS系統(tǒng)搭建ATS、PSCADA、BAS等不同專業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，為實現(xiàn)多專業(yè)的聯(lián)動，只有基于同一軟件平臺基礎(chǔ)才能實現(xiàn)。
TIAS系統(tǒng)應(yīng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲和處理，采用統(tǒng)一的調(diào)度/值班員工作站用于信號、供電、機電、車輛、站臺門、乘客服務(wù)等設(shè)備。
TIAS系統(tǒng)采用統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)，各專業(yè)業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署在同一個工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中。
綜合指揮管理平臺應(yīng)是以ATS行車為核心的綜合調(diào)度系統(tǒng)。
TIAS系統(tǒng)能提供融合信號、供電、機電、車輛、通信、站臺門、乘客服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備管理系統(tǒng)，統(tǒng)一對全線的設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)視，進行設(shè)備的預(yù)防維修、狀態(tài)維修和計劃維修，并針對設(shè)備故障提供分析支持，輔助維護調(diào)度決策。
3?全自動無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)研究
以上是對全自動無人駕駛的場景、信息集成、系統(tǒng)構(gòu)建進行分析，而節(jié)能高效的運營、減員增加效益才是建設(shè)全自動無人駕駛的根本目的，也才能真正體現(xiàn)出全自動無人駕駛的優(yōu)點，而全自動無人駕駛需要解決的關(guān)鍵技術(shù)如下。
3.1?調(diào)度與控制一體化實現(xiàn)節(jié)能
運營制動時，車輛將電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機，進而把動能轉(zhuǎn)換為電能，軌道交通系統(tǒng)中，由于列車在運行過程中需要頻繁牽引與制動，因此制動過程中回收的電能反饋給接觸網(wǎng)再供列車牽引使用比較可觀，再生制動是一項十分有效的節(jié)能措施。我國城市軌道交通站間距離短、發(fā)車間隔小、列車速度快，非常適宜再生能量的直接利用。車輛通過ATO采用加速-惰行-制動的控車曲線，在控車過程中盡可能延遲惰行時間段，即可實現(xiàn)節(jié)能運輸。本車在制動時間段與其他車輛的加速時間段完全重疊，在制動時產(chǎn)生的再生能，將最大限度反饋接觸網(wǎng)并全部應(yīng)用于其他車輛的加速耗能是最節(jié)能模式，綜合考慮一個供電區(qū)間內(nèi)多車運營因素，實現(xiàn)多車之間再生制動動能利用最大化是需要研究的節(jié)能關(guān)鍵問題。
優(yōu)化同一供電區(qū)間內(nèi)列車在各個站的發(fā)車時刻、到站時刻，使得列車在制動產(chǎn)生再生能量的時間段內(nèi)，有更多的列車處于牽引取電狀態(tài)，最大限度的增大列車牽引和制動的重疊時間，以此來提高再生制動能的利用率，達到節(jié)能的目的。所以將列車時刻表所規(guī)定的區(qū)間運行時間作為列車控制模型的基本約束，另一方面將列車運行曲線所決定區(qū)間加速、制動時間作為列車調(diào)度模型的關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)度與控制一體化研究，ATP保證安全實現(xiàn)最小追蹤間隔，ATO優(yōu)化車輛速度曲線，ATS優(yōu)化計算多列車運行時刻表，一方面降低單車能耗，另一方面提高再生能的利用率，而無人駕駛最大優(yōu)點是設(shè)備全自動控制，能更精確控制單列車加速、惰行、制動，ATS在綜合多輛車加速、惰行、制動情況的基礎(chǔ)上，能更精準(zhǔn)計算出多車最佳的加速、制動時間段的重疊最大化，達到無人駕駛系統(tǒng)凈能耗最低的目標(biāo)。作為CBTC的三個子系統(tǒng)精準(zhǔn)配合與銜接，在同一供電區(qū)間最大負荷允許的情況下，實現(xiàn)最大程度的節(jié)能高效運輸。
3.2?ATS為核心的綜合調(diào)度指揮功能擴展
全自動無人駕駛更多是理念的變化及管理、責(zé)任界定的變化，而并非僅僅是ATP/ATO設(shè)備可靠性提高，車輛加前視攝像頭、各子系統(tǒng)信息集成這么簡單。無人駕駛司機的責(zé)任由行車控制管理中心自動化系統(tǒng)代替，從前面分析可以看出，ATS的功能隨著無人駕駛的責(zé)任由司機、站務(wù)人員向中心自動化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，中心遠程控制能力增強及責(zé)任巨大變化才是全自動無人駕駛調(diào)度指揮的核心，需要以ATS功能為核心應(yīng)各種場景的需求做綜合調(diào)度功能細化擴展研究，才能真正應(yīng)對全自動無人駕駛的需求。
3.3?多專業(yè)聯(lián)合故障救援
多專業(yè)之間的快速聯(lián)動協(xié)作是保證故障-安全的關(guān)鍵。在技術(shù)層面上，通過數(shù)據(jù)處理層實現(xiàn)各個專業(yè)信息的集成和充分共享，并實現(xiàn)各個專業(yè)調(diào)度臺操作界面統(tǒng)一，ATS調(diào)度員可以查看其他專業(yè)調(diào)度臺界面信息，ATS的命令能實時下達至任一調(diào)度臺，充分展示現(xiàn)場情況的實時、透明是技術(shù)基礎(chǔ)。而故障救援過程中各專業(yè)之間聯(lián)動實施策略的構(gòu)建環(huán)境是需要長時間的摸索和調(diào)整。
4?展望
隨著云計算技術(shù)、LTE-M技術(shù)的成熟和推廣，基于云計算技術(shù)硬件平臺將更加簡單。而CCTV/PIS等需要高帶寬傳送信息采用LTE-M通信技術(shù)，以行車為核心的綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)構(gòu)建將更加節(jié)約化，是新的研究方向。
素材來源：中國通號/《鐵道通信信號工程技術(shù)》雜志 頂圖為搜索引擎推薦
