地铁全自动运行系统故障软化技术

陈丽君

(上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上海∥高级工程师)

地铁全自动运行(FAO)系统具有安全性高、可靠性高、灵活性高、能提高服务质量、能优化人力配置及降低运营成本等诸多优势。截至2020年年末，国内已运营、在建及规划中的城市轨道交通线路中采用FAO系统的有北京、上海、深圳、广州、成都、郑州、太原等26座城市，共计76条线路，总长达2 414.24 km。国内的在建城市轨道交通线路中，采用自动化等级最高的设计等级GoA4(自动控制等级4)级的有北京、上海、深圳、广州、武汉等13座城市，共计32条线路，总长达988.81 km，占所有在建线路规模的59.51%。由此可见，目前各城市地铁选择采用GoA4级的占绝大多数。从GoA4来看，中国内地已运营的FAO线路中，设计等级为GoA4的有北京、上海、广州、成都、太原等5座城市，共计12条线路［1］。由此可见，FAO线路尤其是采用GoA4的线路将会成为城市轨道交通系统的主流，代表着城市轨道交通运行系统自动化水平的发展趋势。

根据IEC(国际电工委员会)62290和国际公共交通协会(UITP)的规定，目前信号系统的列车运行分为GoA0、GoA1、GoA2、GoA3、GoA4共5个自动化等级，GoA3和GoA4即为FAO。GoA4为无人值守的列车运行(UTO)，列车的起动、停车、车门操作及紧急情况的处理全部实现自动化，无需人员随车。在1个GoA4的FAO系统中，因无工作人员在列车上，所以故障可能会严重影响运营。因而，提高系统的可靠性，以及在降级和异常情况下弱化故障，降低而不是完全丧失系统的自动化功能，以便于救援工作的开展，是一个值得研究的问题。

1 FAO系统故障处理机制

由于GoA4的FAO线路不设置司机，因此FAO系统必须能替代司机完成其在有人驾驶模式中的职责，甚至要比司机做得更好，才有可能实现无人值守的全自动运行。FAO系统在正常情况下具备全自动的全部功能，在异常或降级情况下会丧失部分全自动功能。为了提高FAO系统的可用性，通常采用两种防范措施:①提高系统的可靠性;②在极小概率的异常和降级场景下，根据具体的故障情况保留部分全自动的功能。

为了提高系统的可靠性，对于FAO系统的核心子系统，如车辆、信号、站台门等采用成熟的、具有高可靠性的元器件。但一般来讲，无论硬件所采用的元器件如何可靠，1个系统的随机硬件故障是不可避免的，所以还需要采用冗余设计的方法。如信号系统的关键子系统的核心设备(车载控制器、区域控制器、计算机联锁等)采用二乘二取二或三取二的冗余架构;ATS(列车自动监控)采用热备的冗余架构;对于FAO线路，还可设置有备用的控制中心。此外，连接这些关键子系统的数据通信网络通常采用完全独立的A、B网构成冗余。信号系统的架构设计需要充分体现冗余设计的理念，通常的信号系统架构图如图1所示。

图1 信号系统架构图Fig.1 Diagram of system architecture

图1中的车载设备，不仅核心设备OBCU包含的ATP(列车自动防护)、ATO(列车自动运行)和休眠唤醒单元应采用冗余配置;而且其外部设备，如应答器查询单元和天线、测速设备、车载无线天线、安全网关和车载中级设备及车载人机界面(DMI)等也应做到冗余设置，具体如图2所示。

图2 车载设备架构图Fig.2 Diagram of on-board equipment architecture

FAO系统在异常或降级情况下，为了尽量减少区间救援以及避免对系统运营造成重大影响，故需要弱化故障，适当降低而不是完全丧失系统的自动化功能，可采用故障软化处理技术，例如远程重启、远程旁路、降级运营模式等来提供有限制的自动化功能［1］。FAO系统的场景和功能设计也应重点考虑如何保证乘客安全和实现乘客服务的目的，以尽量避免区间疏散。针对意外情况下的应急处理，FAO系统应做到:

1)轻微故障，如车门或站台门故障不影响系统运营。

2)中等故障下尽量避免迫停区间。对于无人值守列车，无论是地下线路还是高架线路在区间都要花费较长的时间才能上车救援，因此对运营影响较大。这就要求在区间运行的列车发生故障或异常情况下，在调度人员干预或不干预时能运行到站台，而不要迫停在区间;同时，在前方区间有故障或异常情况时，要保证列车不进入区间。

从运营的全局来看，要着重于故障后如何做到更安全。这除了与行车密切相关的信号专业以外，其他如车辆、站台门等专业也需要有同样的故障处理机制。

2 FAO系统故障软化技术

当设备或系统的局部发生故障时，设备或系统的某些功能会减弱，但整体上仍能使设备或系统持续执行一定降级功能的技术叫做故障软化技术。FAO系统由于取消了司机，对整个系统(包括信号、车辆、站台门等)的可靠性提出了更高的要求，在极小概率不可避免的异常或降级情况下，要尽可能降低故障对运营的影响，尽量避免发生区间救援的情况。这就要求系统在降级和异常情况下弱化或软化故障，降低而不是完全丧失系统的自动化功能，如采用轻微故障不影响系统运营、中等故障不迫停区间等故障软化处理技术。FAO系统典型的故障软化技术有:

1)CAM(蠕动模式)下的精准对位。当车辆与信号车载设备发生通信故障时，由控制中心人工确认后，信号系统启动CAM模式;列车以蠕动模式运行时，车辆根据来自信号系统的牵引制动无极控制极位命令，实现CAM模式下的列车进站精准对位及停车后打开车门，以便工作人员上车处理故障;系统支持多次连续CAM命令，以应对调度在某种情况下不安排工作人员救援，而直接将故障列车存放在存车线，或站后折返列车折入过程中发生此类故障，而蠕动到折返线停车不再前进，此时站后折返列车应连续蠕动到发车站台，以便工作人员上车处理故障。

2)车载设备故障后重启策略。列车处在正常运营中，列车中的一系车载设备故障是由故障系车载设备自动重启或OCC(运营控制中心)通过远程人工重启命令进行车载设备重启而造成;此外，工作人员可以登车，在任意一端进行重启故障系的操作，以恢复车载的冗余热备。

3)门对位隔离。当站台门或车门中的某扇门发生故障，列车或站台门都会将具体故障的信息发送给对方，采取故障门的隔离措施，并通过车载PIS(乘客信息系统)和广播告知车上乘客，在站台侧对位隔离门的指示灯和PIS显示屏上显示门隔离信息，以引导上、下车的乘客避开被隔离的车门、站台门。停站对准开门时，被隔离的门和对应的门不再打开［2］。

4)任意点折返应对故障场景。当某区间发生故障或下一站台存在危险的情况，列车不能按原计划继续前行时，系统支持在任意地点以FAM(全自动驾驶模式)折返，进行反向运行。该功能为反向行车提供了与正向运行一致的安全和效率保障，为运营提供了更大的灵活性和更为便捷的故障调整手段，从而确保线路快速安全恢复运营，可整体提升事故处理效率和运营恢复能力。

5)停站再对位控制策略。在FAM模式下，若列车进站停车时过标或欠标不大于5 m，系统可自动控制列车进行停站再对位。在停站再对位过程中，采用了对标目标点的距离一次调整的控制策略，而不是采用按照固定距离进行跳跃调整，以减少停站再对位的调整次数。

6)远程限制人工驾驶模式(RRM)。RRM为列车以FAM/CAM运行，列车丢失定位或位置有效但移动授权无效时，由控制中心远程授权列车缓解紧急制动，以一定限速值继续向前运行一定距离的一种驾驶模式。当轨旁某个应答器故障时不影响列车的正常运行;当连续2个应答器同时故障时，经过该故障区域的所有列车的车载设备产生报警、实施紧急制动。车地通信正常情况下，系统将该区段转换为降级运营模式，列车转换为RRM;当列车越过故障区域、重获定位后，可在不停车的情况下将列车转换至FAM下运行。控制中心在确定列车前方区段空闲、道岔位置正确且锁闭信号已开放后，可授权列车缓解紧急制动以RRM向前以一定限速值移动;列车根据授权可在限速条件下继续运行，重新获得移动授权，从而降低对运营的影响。

7)自动扣车。为了避免FAO下列车在区间迫停，在供电轨失电、区间轨道封锁、区间或下一站台存在危险情况、相邻CBI间和ZC间通信中断、从CBTC(基于通信的列车控制)区域进入后备区域等情况下，应在相应的站台自动进行扣车;在从CBTC区域进入后备区域的情况下，要提示工作人员及时登车处理，顺利以降级模式进行跨区交接通过故障区域。

8)制动重故障。对于制动重故障，信号系统与车辆有两种不同的接口，即制动重故障的硬线接口以及TCMS(列车控制管理系统)网络接口，且网络接口可以明确给出转向架不可用的个数。为了避免FAO下列车在发生此类故障时在区间迫停，系统可根据制动故障的情况进行不同的处理，如1个转向架空气制动不可用时，列车可采用FAM运行至下一站，然后转有人驾驶至终点站退出运营;2个转向架空气制动不可用时，紧急制动停车，退出FAM/AM(自动驾驶模式)，按CM(列车自动防护下的人工模式)驾驶列车，至终点站退出运营，ATS提示调度按照一站一区间运营;3个转向架空气制动不可用时，紧急制动不缓解，退出FAM/AM，限速运营至下一站清客退出运营。

9)远程旁路和远程复位车辆轻微故障。对于FAO系统，车辆的轻微故障可以通过调度员在OCC的ATS上发送远程复位和旁路命令(如车辆辅助逆变器复位命令、车辆蓄电池充电机复位命令、车辆牵引逆变器复位命令、所有制动缓解监控旁路命令和停放制动缓解监控旁路命令等)进行恢复，以减少对运营的影响。

3 结语

目前国内已开通运营的FAO项目还不多，运营时间也不长，已出现和已识别的故障和降级场景还不够，相关的经验积累还不够充分。太原轨道交通2号线信号系统采用富欣自主研发的JeRail CBTC全自动运行系统，支持GoA4全自动运行，在项目实施的过程中采用了一系列故障软化技术，使这些技术在实践中得以验证。本文分析了提高FAO系统可靠性的方法，并介绍了适用于异常和降级场景下的故障软化技术，对于故障软化技术不应该止步于此，要利用新技术来开拓思路，不断完善现有技术、提出新的技术方法，以实现异常和降级情况下服务乘客、降低救援难度、对运营影响最小的目标。