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城轨全自动运行环境感知相关运营需求研究

来源：晰数塔互联网快讯时间：2023年06月05日 02:50

作者：铁四院邹海平

铁道通信信号 2023年59卷第5期页码：52-59

DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-05.23033 中图分类号：U231+.6

针对全自动运行线路对列车运行环境全方位主动感知不尽完善、运营需求不够完整、系统信息采集分散、数据难以资源共享等导致全功能联动实现困难的情况，通过对城市轨道交通环境异常状况进行分析和归纳总结，构建了全自动运行环境异常状况下的运营场景，提出了全自动运行环境全息感知系统方案，使全自动运行系统的应急处置更加集成化、智能化，大幅提高全自动运行系统的环境感知和智能联动处置能力，以期为同类项目的设计、建设和运营提供参考和借鉴。

全自动运行（Fully Automatic Operation，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轨道交通控制系统［1］。伴随着城市轨道交通全自动运行线路建设的快速增长，作为保障列车安全运营的重要手段，列车全息环境感知技术已成为当前研究的热点［2-3］。然而，目前建设和运营的FAO线路环境感知信息还不尽全面，环境异常场景处置多倾向于被动防护，系统联动不足，即便部分线路在障碍物感知方面考虑了主动感知的功能，但仍以报警为主，联动控车的情况较少。如何高效、主动、全面地识别运行环境异常，且在出现异常时快速、有效地处置，对FAO系统缩短处置时间、安全高效运行具有重要的现实意义，也是影响全自动安全运行的关键［4］。因此，有必要对FAO线路环境感知相关的运营需求、运营场景等展开研究。

1　环境感知技术应用现状

轨道交通环境感知技术伴随着传感、通信、信息技术等的发展不断进步，国内外轨道交通先后形成了自成体系的列车环境感知系统。日本在铁路沿线布置了密集的风速监测点和覆盖光缆式传感器，通过风速监测和光信号的衰减等识别是否有异物入侵或风、雨、洪水、雪等灾害，以支持工作人员的灾害处置决策；法国高速铁路通过雨、雪、大风、立交桥落物监测、轨旁监测网等，实现异物入侵和灾害监测；德国在列车上安装激光雷达和摄像机，通过多传感器融合技术，实现了列车运行过程中的异物检测。根据铁路设计规范，国内干线铁路配置了自然灾害及异物侵限监测系统，实现对铁路沿线风、雨、雪、地震及上跨铁路的道路桥梁异物侵限等实时监测，向调度指挥和维护管理提供报警信息。城市轨道交通FAO项目中，根据国内外城市轨道交通规范、中国城市轨道交通协会FAO规范等要求，对避免列车撞击线路上的障碍物、恶劣天气的处置等规定了相应的防范措施。《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中也提出了要加强对于行车空间及车上空间的信息感知能力，形成完整的智能监测感知体系［5］。综上可知，虽然干线铁路对异物侵限监测、自然灾害监测的研究和系统配置较为成熟，可以为城市轨道交通领域的相关研究提供参考，但城市轨道交通具有客流密度大、发车间隔短、多位于城市内、地下车站较多等特点，因此，需结合其自身条件来分析环境感知运营需求。

2　运营需求

城市轨道交通FAO线路需结合异物侵限、自然灾害和火灾等风险点，分析与运行环境相关的运营需求和运营场景，构建环境感知系统方案，保障列车的运行环境安全［6］。异物侵限主要有施工后的遗留物、受损的轨旁基础设施、吹落的异物、隧道击穿等导致的异物侵入限界，以及列车与站台门间的异物侵入［7］。异物侵入后的高效联动处理是关系运营安全、提高运输效率的关键。为提高处置效率，有必要进行列车与站台门间异物检测、轨道障碍物检测、周界防护报警等相关场景研究，进而提出联动处置流程［8］。自然灾害包括风、雨、雪、地震等对运行列车造成的危害。风力使列车的空气动力性能改变；雨雪影响高架线及地面线轮轨的粘着系数，导致列车制动性能变差；轨行区积雪影响道岔的转动及密贴；地震可能会导致轨道变形、道床塌陷等。为降低灾害产生的影响，需开展相关运营场景分析，进而提出系统报警、限速、紧急停车等响应的联动措施［9］。火灾可能会导致FAO列车的迫停，进而需要进行区间或车站人员疏散，如果火灾没有被及时发现并采取有效措施，甚至可能会造成人员伤亡［10］。因此，针对列车、区间、车站不同区域的火灾进行火灾场景的处置流程研究，也对列车运行安全意义重大。

3　环境感知相关运营场景

FAO系统进一步提升了城市轨道交通的安全与效率［11］。实施FAO系统是一项庞大复杂的系统性、创新性工程，涉及车辆、信号、通信、机电系统（综合监控、站台门等）、车辆基地等多个系统和专业［12］，FAO系统架构见图1。

由于FAO系统涉及专业多、系统接口复杂、联动响应频繁，因此编制运营场景是FAO技术体系的核心和顶层设计，是项目及工程实施的纲领［13］。FAO场景包括正常场景、故障场景和应急场景［14］，环境感知相关的运营场景主要是指列车运行环境异常情况下的系统联动方式和处置流程。本文结合城市轨道交通的特点、运营需求、项目实施经验，编制与运行环境感知相关的FAO应急场景。

3.1　异物侵限场景

3.1.1　列车与站台门间异物检测

列车在车站发车时，信号车载控制器（Vehicle On Board Controller，VOBC）只有收到联锁提供的站台门关闭、锁闭，且列车与站台门间无异物的状态信息后，才能启动发车。车门与站台门均关闭后，站台门系统向异物检测系统发送检测异物的请求信息，经异物检测系统判定车门与站台门间无异物后，将无异物信息发送给站台门系统。如果有异物，站台门系统立即打开站台门，同时联动站台摄像头将相关画面推送至控制中心（Operation Control Center，OCC），并在调度台上显示列车和站台门间有异物并报警；OCC调度员查看推送的视频画面，并通知车站值班员组织现场人员处理；现场人员清除车门与站台门间的异物后，通过站台关门按钮关闭站台门，联锁采集到完整信息后提供给VOBC，VOBC启动列车发车；如果现场人员确认是因列车与站台门间的异物检测设备误报而导致站台门不能关闭时，可在就地控制盘（Platform Screen Doors Local Control Panel，PSL）上人工关闭站台门，并使用PSL上的“互锁解除”按钮，让列车发车。

车门关闭后，若联锁系统在规定的时间内没有收到站台门系统提供的关闭且锁闭信息，且列车与站台门间无异物，调度员将按清客流程处理，人工驾驶列车下线。列车与站台门间异物检测场景流程见图2。

3.1.2　轨道障碍物检测

轨道障碍物检测包括检测列车是否碰撞到轨道上障碍物的被动检测，和检测列车运行前方轨行区限界范围内障碍物的主动检测。FAO列车在运行中应监视线路轨行区限界范围内的障碍物，当列车碰撞到障碍物时，列车信息管理系统（Train Control and Management System，TCMS）直接输出紧急制动命令让列车停车，VOBC收到TCMS传递的碰撞到障碍物信息后，上传至OCC调度台报警，同时VOBC输出紧急制动命令。

当列车主动检测到轨道上有障碍物时，TCMS将障碍物的位置报告给VOBC；VOBC经计算后向列车输出常用制动或紧急制动命令，同时将有障碍物的信息上传至OCC。

列车因障碍物导致在区间停车后，TCMS立即联动闭路电视系统（Closed Circuit Television，CCTV），将列车前后端摄像头获取的视频图像推送到OCC，同时联动列车广播（Public Address，PA）告知乘客停车原因；OCC调度员确认和启动疏散及救援模式并通知工作人员；信号系统将对相应的区域实施安全防护。工作人员到达现场清除障碍物后，上车或由OCC远程复位障碍物传感器，传感器复位后，VOBC自动缓解紧急制动，工作人员确认列车具备全自动运行条件后按压确认按钮，列车以全自动运行模式（Fully Automatic Train Operating Mode，FAM）发车。若工作人员无法解除故障报警，列车以非全自动运行模式回段。当主动障碍物检测系统故障或误报而引起列车停车时，OCC调度员可远程复位主动障碍物检测设备，VOBC自动缓解紧急制动，列车继续按FAM模式运行。

3.1.3　周界防护报警

FAO线路在地面与地下连接的U型槽段区域、地面段与高架段的连接区域、区间风井区域、段/场有人区和无人区的转换轨区域、隧道区间的联络通道、线路联络线的边界等位置应设置周界防护设备。当周界防护设备发出报警时，综合监控系统（Integrated Supervision and Control System， ISCS）在OCC或车辆基地控制中心（Depot Control Center，DCC）报警，并推送报警时锁定的图像，同时将报警信息发送给列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS），经OCC或DCC调度台确认后，ATS将报警信息发送给接近该区域列车的VOBC。此时，若未有列车进入周界防护报警区域所在的区间，信号系统将对该区间后方车站的站台及停站列车实施自动扣车，等待报警解除后再向区间发车；若已有列车在报警区域内运行，则对该列车实施常用制动或紧急制动停车，待报警解除后，已实施常用制动的列车自动启动，已实施紧急制动的列车自动缓解后自启动，继续以FAM模式运行。

3.2　自然灾害场景

3.2.1　风害模式

当高架或地面线路有大风、台风气象时，风害检测设备将包含风害等级的信息送至OCC调度台上报警。经中央调度员确认为大风气象时，相应区段线路的信号系统区域控制器（Zone Controller，ZC）将预先设定的临时限速命令发送给该区段的列车，列车限速运行；确认为台风气象时，列车限速运行至车站，停车后VOBC触发列车PA通知乘客下车，列车停在车站退出运行，已经停在站台的列车取消移动授权，清客退出运行。在地面段或高架段线路遭遇台风等极端天气而停止运行时，信号系统将按预先设定的临时交路组织地下段的运营。当确认风害检测设备错误报警时，环调远程复位风害检测报警设备。

3.2.2　雨雪模式

信号系统应具备在地面、高架、场/段、地面与地下的过渡段露天线路雨雪模式下的列车安全运行策略，包括降低可保证的紧急制动率（Guaranteed Emergency Brake Rate，GEBR）进行超速防护曲线的计算，降低列车的最高运行速度、最大牵引的加速度和最大制动的减速度等。信号ATS根据雨雪模式触发条件，自动在行调工作站提示“确认是否采用雨雪模式”，行调明确情况后进行确认。雨雪模式下，ATS根据TCMS提供的信息，判断仍出现转向架空转和滑行状态时，自动在行调工作站提示“确认是否临时限速运行”，OCC调度员根据现场情况进行确认；判断可以退出雨雪模式时，自动在行调工作站提示“确认是否退出雨雪模式”。OCC行调通过中心ATS对全线列车设置/取消雨雪模式，对全线雨雪区域的线路设置临时限速。在FAM模式下运行的列车，车载VOBC收到中心的雨雪模式指令，等待列车运行进站停车后，自动转换至雨雪模式。车载VOBC在收到中心的取消雨雪模式指令时，待列车车站停车后，退出雨雪模式，自动转为正常控车模式。

3.2.3　地震模式

ATS应能实时接收城市地震检测台的地震报警信息。当ATS接收到地震报警信息时，OCC调度员可通过按压“中央紧急停车”按钮或操作调度台的人机界面，向线路上运行的全部列车发送远程紧急制动命令，让所有运行的列车紧急制动、停站的列车不启动发车。

因地震列车紧急制动停车后，VOBC应触发车上预录制的地震PA告知乘客。当地震报警解除后，OCC调度员根据灾害情况，确定恢复列车运行或实施疏散及救援处理。

3.3　火灾场景

3.3.1　列车火灾

列车火灾包括客室内的行李物品着火和列车车体起火，车体着火为严重的列车火灾。

列车运行过程中，TCMS的车上火灾自动报警系统（Fire Alarm System，FAS）检测到发生火灾时，向车载VOBC提供火灾报警信息，VOBC将火灾报警上报OCC行调，并向OCC请求火灾确认信息。TCMS系统联动火灾报警区域的CCTV摄像头，将火警画面推送给OCC，若列车在有人驾驶状态，则向简易驾驶台提供火灾报警。火灾报警信息也可由乘客通过客室的对讲机告知OCC。在启动乘客与中心对讲机时，TCMS会联动CCTV摄像头，自动推送对讲画面至OCC。OCC调度员确认火灾后，TCMS将联动车上PA，告知乘客车上火灾信息，并引导乘客使用车上的灭火器灭火或组织车内疏散。列车将继续运行至下一站对标停车，打开车门和站台门后不关闭，在车站疏散乘客。ISCS将联动站台的乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）和PA，通知站台乘客不要上车并向站外疏散。若列车在区间运行，而OCC调度无法对火警进行确认时，OCC调度需联系车站值班员，在列车进站并停在站台后，由站台工作人员上车进行火灾报警的确认。若确认为列车火灾立即向OCC调度员报告，由环调向车载VOBC发送火灾确认信息，TCMS触发PIS和预录广播对车上乘客进行疏散广播，ISCS联动站台疏散广播，立即按车站疏散处理；若确认无火灾，也向OCC调度员报告，环调向车载VOBC和TCMS发送火灾报警复位信息，TCMS进行FAS报警信息的复位。撤销FAS报警后，处于FAM驾驶模式的列车在车站的作业不受影响。

当调度员确认系严重的列车火灾或列车已失去动力，应对列车实施紧急制动停车，同时启动列车和区间的疏散广播，告知乘客区间的疏散方向，引导乘客通过客室门或端门疏散，疏散结束后组织救援。

列车火灾场景处理流程见图3。

3.3.2　区间火灾

当FAS检测到区间火灾时，ISCS向OCC送出报警信息，同时将火灾地点信息送至ATS。ATS首先对区间后方的车站实行扣车，将区间的火灾报警信息发送给该区域运行列车的VOBC，同时ISCS触发车站PA。联锁收到ATS的区间火灾报警信息后，取消通往该区间的列车进路。ZC收到ATS的火灾位置信息后，将计算运行列车的移动授权，若运行列车能在区间火灾点前停车，则向列车发送新的移动授权。VOBC在收到新的移动授权后，将列车停在火灾点前，同时联动列车前端的CCTV摄像头，将列车运行前方的画面推送至OCC等待处理。若VOBC收到区间火灾报警而未收到ZC的新移动授权，则自动提高列车在区间的运行速度，尽快将列车开往下一站停车。

区间火灾时，ISCS应自动启动区间通风，根据列车位置确定送风方向，行调组织区间火灾的疏散和救援。区间火灾场景处理流程见图4。

3.3.3　车站火灾

当车站FAS火灾报警时，ISCS联动车站CCTV摄像头自动推送火灾现场的画面至OCC和车控室，由OCC调度与车站值班员通过电话或CCTV确认火灾情况。车站火灾确认后，按预设的规则，ISCS实施车站火灾疏散的联动处理，信号实施列车安全运行的处理，环调组织车站火灾的救援，行调组织车站火灾工况下的安全行车。

1）站台火灾确认后，停站列车应立即关闭车门及站台门离开车站。若站台无停站列车，ATS自动或行调人工设置该站的跳停作业。接近该站的列车VOBC在收到站台火灾信息而未收到跳停作业时，若列车能够在站外停车，则实施常用制动；若列车不能在站外停车，则实施紧急制动；若制动过程中或停车后又收到跳停信息，则立即启动列车通过或离开车站。ATS自动或行调人工执行相邻后方车站站台的扣车，VOBC触发相应的车载PA和PIS，ISCS触发站台PA通知站台乘客下一站发生火灾。因站台火灾紧急制动停在站台区域的列车不开车门，等待收到跳停信息后自动启动离开车站。站台火灾场景处理流程见图5。

2）站厅火灾确认后，ATS应自动或行调人工对相邻车站实行扣车，并触发相邻车站站台PA和列车PA，告知乘客邻站的火灾情况。若站台有停站列车，VOBC将联动列车PA，告知乘客站厅火灾、不要在该站下车，ISCS将联动站台PA，通知站台滞留乘客上车，VOBC等待行调确认列车的发车时刻；若站台无停站列车，ATS自动或行调人工向接近该站的列车发送站厅火灾的信息，接近车站的列车照常在车站停车，打开车门及站台门后采用与站台有车相同的控制策略。

4　环境感知系统方案

当前城市轨道交通全自动运行系统环境异常的处置流程和系统联动存在流程不细致、不全面，联动系统设置分散、缺乏统一的监管平台，数据共享度低且缺乏有效的融合等情况，无法全方位感知运行环境的实时状态，从而无法提供强有力的实时系统联动和决策分析，不便于运维管理。因此，借鉴国内城市轨道交通综合监控系统架构，构建城市轨道交通全自动运行环境信息全息感知系统，健全运行环境的实时、全息感知的安全保障体系，对智慧城轨的建设具有重要的意义［15］。

列车运行环境全息感知系统架构见图6，可通过设置传感器、摄像机、激光雷达等前端设备，采集感知危及全自动行车安全的实时状态数据，或结合气象部门的输入信息，应用云计算、大数据、智能视频分析等信息技术，实现列车运行环境状态全息感知、多源信息融合处理、系统智能联动、协同运行控制、应急联动指挥等功能。以期构建列车运行全方位安全防护、实时运营状态可视、赋能运营智能维护、助力城市轨道交通的智慧化建设和数字化转型，筑实轨道交通线路全自动运行的安全屏障。

5　结束语

通过对环境感知国内外技术现状，以及全自动运行运营需求的分析，构建了环境感知相关的全自动运行运营场景，详细阐述了该类运营场景的应急处置流程，提出了运行环境全息感知系统方案，可使全自动运行系统的应急处置更加集成化、智能化，有效提高全自动运行系统的环境感知和智能联动处置能力，保障全自动运行列车智能、可靠、安全的运营。通过技术的不断发展和方案的不断完善，可提高防灾减灾能力，为城市轨道交通可持续发展提供支撑。

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