太原地铁2号线车辆全自动运行技术设计

太原地铁 2号线车辆全自动运行技术设计

张哲 张旭

中车大连机车车辆有限公司 辽宁大连 116021

摘 要：太原市轨道交通2号线一期工程车辆为A型不锈钢全自动驾驶列车，为了匹配全自动驾驶技术，增加了多个系统及前沿技术，包括障碍物探测系统、脱轨检测系统、弓网监测系统、智能运维系统、BIM系统化工程、走行部监测系统、LCU等，多项新技术、新功能的融入，全面提升了车辆的智能化、自动化水平。本文主要针对太原地铁2号线无人驾驶车辆相关各项新技术及符合性设计进行介绍。

关键词：地铁车辆 全自动运行 智能 冗余

太原市轨道交通2号线一期工程车辆为A型不锈钢全自动驾驶列车，最高运营速度80km/h，车辆按照自动化驾驶等级最高的GOA4进行设计，具有自动唤醒、自动运营、自动休眠、远程控制等功能，可满足无人值守全自动无人驾驶运营。全自动无人驾驶列车，是以提升轨道交通运营安全性、服务品质，提高经济性为目的，充分利用现代电子、电气、机械以及信息技术的具有高度自动化水平的高智能化、高安全性、高效能、高RAMS的新一代城市轨道交通列车。

太原地铁2号线车辆为了匹配全自动驾驶技术，增加了多个系统及前沿技术，包括障碍物探测系统、脱轨检测系统、弓网监测系统、智能运维系统、BIM系统化工程、走行部监测系统、LCU等，多项新技术、新功能的融入，全面提升了车辆的智能化、自动化水平。本文主要针对太原地铁2号线无人驾驶车辆相关各项新技术及符合性设计进行介绍。

1. 全自动运行概述

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系统。国际公共交通协会(UITP)将列车运行的自动化等级（GoA）划分4级。

GOA 1：为传统意义上的ATP超速防护，信号系统只根据车辆位置确定限速，并承担超速保护的职责。

GOA 2：传统意义上的ATO控车运行，信号系统可以根据车辆位置控制列车行驶、控制车门，但应急事件与故障处理由司机完成。

GOA 3：取消传统意义上的司机设置，转而设置乘务员，信号系统控制车辆运行，但由乘务员负责故障或应急事件处理。

GOA 4：车上取消所有工作人员，完全由信号系统及地面调度控制车辆运行及各项应急事件与故障处理。

太原地铁2号线车辆完全按照GOA 4等级设计，并可以向下兼容，完全可以适应ATP、ATO等各种模式的运营需求。

2. 顶层关键技术

   1. 运营场景分析

无人驾驶的核心是尽量减少人员参与，用机器或设备来代替原始的人工活动， 那么随之而来的就是提升地铁运营系统的自动化能力，在人工参与的环节上想方设法用机器或指令来代替。增加多场景的冗余措施，将行车过程中可能出现的任何状况提前预置到地铁运营系统中，当行车过程中面临紧急情况时，地铁运营系统可以通过预置的方案来有效应对。

全自动运营场景是根据运营经验，从运营组织的角度出发，梳理不同场景下的运营基本处置程序和注意事项，进而推导出设备系统支持的需求，是建立全自动无人驾驶列车系统构架和功能的基础。

1. 2. RAMS分析

RAMS分析是从项目初期开始，围绕车辆可靠性、可用性、维修性、安全性四方面，根据车辆自身及外部环境，对车辆全寿命周期内指标进行分析，是提升全自动无人驾驶列车性能和安全的重要保障。

3. 智能检测技术

太原地铁2号线车辆为了匹配全自动驾驶技术，列车集成多种智能检测及感知系统，实时反馈车辆状态，保障调度人员能够及时掌握车辆运行情况，保障车辆运营安全。

1. 1. 弓网监测系统

实时监控受电弓状态及弓网关系，保障为车辆安全输送源源不断的行车能量。太原地铁2号线车辆弓网监测系统采用非接触式高速图像处理器和传感器，实时检测弓网状态，检测受电弓及羊角异常，受电弓及羊角缺损、变形等异常，车辆运行过程中拉弧现象；检测弓网接触点温度、接触网的拉出值，高度值，导高值（高配），对这些信息进行在线综合分析，实现对弓网异常状态信息的及时监控和报警。

1. 2. 障碍物探测系统

障碍物探测系统主要分为主动障碍物探测及被动障碍物探测，主动障碍物系统为通过视频分析技术，主动识别车辆前方人员、异物，特殊情况控制车辆施加紧急制动。被动探测系统为碰撞检测，当车辆与障碍物发生实质性故障时，被动障碍物探测设备可以检测到碰撞的发生，直接触发车辆紧急制动，以此保证车辆和乘客安全，减小事故损失。

1. 3. 脱轨检测系统

通过脱轨撞击检测、轮对离轨检测，对车辆在轨状态进行时监视，发生脱轨状态控制车辆施加紧急制动，保证车辆和乘客安全；

1. 4. 走行部监测系统：

通过复合传感器，同时监测冲击、振动、温度物理量，实现走行部关键部件在线实时诊断，实现故障早期预警和分级报警，确保走行部的安全可靠。

1. 5. 蓄电池在线检测

太原2号线车辆配置有蓄电池在线监测系统，该系统能够监测车辆控制蓄电池组电压、电流、温度，单体电压、电流等，通过采集蓄电池各项参数反馈整个设备工作状态，并对异常或者故障进行报警。

4. 整车控制电路设计

太原地铁2号线车辆作为满足GOA4的全自动无人驾驶车辆， 车辆关键控制电路，如牵引、制动、车门等都采用了冗余设计。

1. 1. 牵引使能电路

牵引控制采用网络优先，硬线备份的设计策略，车辆正常运行时信号系统根据自身控车需求，牵引使能电路作用为车辆根据自身状态及信号系统根据自身需求对牵引封锁的硬线保障。出现下列情况时封锁牵引：

1. 门选择开关状态异常封锁牵引

2. 客室车门关好状态异常封锁牵引

3. 制动不缓解封锁牵引

4. 停放制动封锁牵引

5. 总风压力低封锁牵引

1. 2. 紧急制动电路

紧急制动为车辆运行安全的最后保障，必须保障车辆状态不佳时能够自动触发紧急制动，从而保障车辆运行安全，因此车辆紧急制动环线电路对于车辆运行安全至关重要。列车建立紧急制动安全环线需满足以下全部条件：

1. DC110V控制电源正常；

2. 司机室激活；

3. 列车静止；

4. 司控器上的警惕装置未触发；

5. 信号判断紧急制动未施加；

6. 列车未超速；

7. 主风管（缸）空气压力正常；

8. 紧急制动蘑菇头按钮未按下；

9. 障碍物及脱轨监测系统未报警；

1. 3. 车门控制电路

太原2号线项目列车车门安全线分别设置左门关好、右门关好、左门锁好、右门锁好四组单独的列车线，并且每路列车线状态均为双路给信号系统反馈车门状态，信号系统可以根据上述反馈进行车门的控制，并且信号系统对发送给车辆的开关门指令均进行了状态回采，以此保障车辆运营安全。

在FAM、CAM、ATB模式下，由信号系统向车辆发送车门使能和开关门指令，车辆发送的使能和开关门指令均无效。

RM、CM模式下，由信号系统向车辆发送车门使能，人工控制开关门指令，只有在信号系统发送开门使能后，人工开关门指令有效。

由人工控制发送车门使能和开关门指令，车辆通过使能旁路电路像车门发送门允许指令，信号系统发送的开门使能和开关门指令均无效。

结束语：无人驾驶地铁车辆为城市轨道交通发展的必然趋势，太原地铁2号线车辆为按照无人驾驶车辆最高级别GOA4设计并制造，增加各项最新的监测系统，设计过程中充分考虑车辆的安全性与可用性，是我公司城轨车辆设计制造的一次重大突破，是一个具有里程碑意义的产品，同时也为以后我公司无人驾驶车辆设计制造奠定了基础，积累了经验。

参考文献：

[1]刘亚宁,李梁,李亘.无人驾驶与有人驾驶地铁列车结构和功能差异分析[J].铁道技术监督,2020,48(08):41-46.
[2].太原地铁2号线首列全自动无人驾驶列车亮相[J].都市快轨交通,2020,33(03):84.
[3]曾要争,高琦.轨道交通无人驾驶技术特点及其发展[J].机车车辆工艺,2018,(05):9-11.