城市轨道交通运行控制系统的智能化、一体化与自动化

城市轨道交通运行控制系统的智能化、一体化与自动化

作为一种重要的公共交通形式，中国的公共交通已经进入“智能地铁”建设阶段。随着全自动运行技术逐渐成熟，无人驾驶线路备受青睐。北京、上海、广州、香港等城市已具有无人驾驶线路运营经验，深圳、南京、成都、武汉、济南、苏州、郑州等城市均有在建无人驾驶线路。常规既有线向无人驾驶线路改造升级也得到关注。自身的优越性是全自动无人驾驶运营模式快速普及的重要原因之一。以国内首条GoA4级地铁线路———上海地铁10号线为例，5年来，该线路5min及以上晚点事件为0，平均准点率和兑现率均达到99.9%。较常规线路，平均运行速度提升约8.8%，平均出入库时间减少50%，同等服务水平下配车减少3列，每公里运营人员减少13人。这说明，先进可靠的全自动无人驾驶运营模式能显著降低运维成本，提高运营质量。随着以往由运营人员协调组织的城市轨道交通运营模式向高度集成的全自动运行模式快速变革，预设场景固定逻辑控制的全自动运行系统向基于知识和经验自学习的智能系统逐步过渡，城市轨道交通一体化运营趋势日益明显。这不仅体现为复杂运营场景下的单线路、多专业、多系统的一体化，还面向线网级运营管理一体化与出行服务一体化。按照此态势，具有综合自动化、一体化与智能化特征的城市轨道交通全自动一体化智能运行行车指挥模式将是城市轨道交通运控系统的发展方向之一，即全自动一体化智能运行系统。然而，信号系统的安全完整度等级（SIL）要求相对较高，全自动一体化智能运行系统在保证自身安全等级的同时，其内涵、业务功能、架构以及应具备的性能均亟待研究。基于此，本文就该系统相关内容进行讨论。1运营场景的情景-决策在城市轨道交通中，面对复杂的运营场景，全自动运行系统基于预设的逻辑实施决策，即“预测-决策”。未来，轨道交通无人驾驶线路逐步成网，跨线网互联互通与智能技术在城市轨道交通系统中逐渐普及。针对更加复杂的运营场景，全自动一体化智能运行系统将凭借其数据采集、智能学习、智能计算与智能控制能力实现线路运营的实时决策优化与线网运营的协调，即“情景-决策”。全自动一体化智能运行系统建立在功能及其实现模式、体系架构以及性能需求等内容的基础上，可认为是一种以服务乘客为导向，以CBTC系统或全自动运行系统为基础，以子系统实时状态与发展态势为指导，子系统及不同线路之间能有效实施联动决策，具有知识学习技能、智能计算能力及多级后备模式，面向调度、运维、车场与车站智能化，最终实现线网级复杂运营场景的安全、可靠、高效、经济与开放的列车运行控制系统。2系统功能2.1全自动一体化智能运行系统的功能特征城市轨道交通全自动运行系统以常规基于通信的列车自动控制（CBTC）系统为基础，全自动一体化智能运行系统的基本功能与其类似。全自动一体化智能运行系统应当具有保障运行安全、指挥列车运行、保护与辅助乘客、辅助设备维护、提供技术服务等多方面的基本功能，如图1所示。与常规运控系统相比，全自动一体化智能运行系统的数据信息交互、自动化与安全苛求程度更高，软硬件与路网一体化程度更显著，运营人员需求更少，更倾向于服务乘客。其功能特征主要表现为以下方面。1）海量数据支持与应用。基于传感器和物联网技术，城轨部分专业已具备客流、环境以及设施设备状态数据实时采集能力，并辅助列车运行决策。随着系统与专业的一体化，海量数据伴随而来，数据融合与信息安全、运行安全面临新的机遇与挑战。对此，全自动一体化智能运行系统应注重数据资源的拓展与应用，以实时支持列车运行。2）人工智能助力行车指挥。基于海量数据，将车辆、车站、车场及线路等设施设备信息与人工智能技术相结合，可推进运维的智能化，形成智能运维。例如，车载及车站设备的健康度评估与预测、维修决策、障碍物检测等。同时，将车站环境、设备以及客流等信息与人工智能技术相结合，可实现车站的智能化，形成智能车站。例如，客流密度检测、乘客滞留检测、客流趋势预判等。类似的，基于线路或线网的客流实时数据可实现正常调度或应急调度的智能化，即智能调度或动态调度。基于应急场景信息与车场或存车线车辆资源，可实现应急车辆的优化配置，即智能车场。运维、车站、调度与车场的智能化，将进一步保障列车运行安全与线路运营安全。3）跨线网、多专业一体化运营。针对传统运营模式不同专业分立而设所导致的效率不高问题，全自动一体化智能运行系统需要将不同专业子系统互联与集成，通过融合不同专业信息来指导列车运行。同时，考虑到复杂运营情景中不同线路相互协调的需求，全自动一体化智能运行系统还需要基于互联线路信息，指导实施跨线网运营。2.2运营安全耦合城市轨道交通系统中乘客、列车、轨行区（线路）、车站和车场之间，以及线路与线路之间的关系是复杂的，列车运行状态、车站与车内客流大小均会影响乘客安全与运营效率。为实现列车智能化运行，全自动一体化智能运行系统需要整合上述耦合关系，并保证运行安全、运营安全与信息安全。基于此，提出列车智能运行的业务功能联动关系，如图2所示。列车安全可靠的运行是乘客出行的基本保障。全自动一体化智能运行系统应借助运维、车场、调度、车站及列车的联动，满足避免故障列车上线（运维与运行）、紧急情况应急列车快速上线（车场、调度与运行）、大客流或故障情景快速调图（乘客、车场、调度与运行）、乘客乘车舒适度控制（乘客、调度与运行）、车站大客流识别与控制（乘客、车站、调度与运行）等现实需求。可借助信息采集、传输与处理、计算、判别、决策与执行来实现上述功能。以往轨道交通系统功能割裂，效率不高，难以有效应对日益复杂的运营场景，全自动一体化智能运行系统则应满足上述联动需求。3结构研究3.1运行系统参考体系架构人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术与自然学科的蓬勃发展，给予了列车运行与线路运营大量的创新条件，为运控系统转型升级提供强大动力。跨线网多专业信息的应用思路逐渐成熟，线网多专业信息的全息感知、海量大数据的实时存取、决策智能优化与自动执行，以及运营信息的显示与操作等均将逐步实现。基于城市轨道交通发展现状及功能期望，提出全自动一体化智能运行系统参考体系架构，如图3所示。1）跨线网多专业全息感知平台直接面向线网范围内的轨道交通设备，实现海量数据的实时采集。涉及对象包括供电、车辆、行车、通信、信号等专业，以及环境与设备监控系统（BAS）、乘客信息系统（PIS）、自动售检票系统（AFC）、火灾报警系统（FAS）等。该平台通过数据的采集、清洗与融合为上层应用提供全面、可信的数据资源，是精准实现全自动一体化智能运行的数据基础。2）跨线网多专业大数据实时存取平台面向海量数据的分布式实时存储、处理与共享，是实现全自动一体化智能运行的基础环节。其中，互联互操作接口与通信网络的设置与优化是以上功能实现的必要条件。3）全自动一体化智能运行支持平台面向行车指挥的智能化，依托可信数据，运用情景建模、数据驱动、智能计算等方法保障运营质量；基于车场、车站、调度与运维的情景信息，实现列车运行的智能决策，是全自动一体化智能运行系统工作的技术途径。4）全自动一体化智能运行综合监管平台面向信息可视化与人机交互，包括运营信息、运行信息、设备状态、环境信息与运维信息等数据的展示以及相应的操作功能，能以真实、形象的可视信息服务于工作人员与乘客，是全自动一体化智能运行系统的人机操作与信息展示终端。3.2基于架构的路网协同控制全自动一体化智能运行系统属于面向线网级的集散控制系统，是一系列子系统的集成、互联与协同。从宏观上而言，该系统可采用由具有中心调度功能的线网级系统与线路子系统构成的集中式模式，也可采用由线路子系统互联构成的分布式协同网络，如图4所示。采用集中式模式需要由线网级系统开展线网的运营优化与统一指挥，而采用分布式模式则由线路子系统基于耦合关系、交互信息与相应的分布式优化方法实现路网协同指挥。需要提及的是，基于供电（PSCADA）、AFC、FAS、PIS、广播系统（PA）、视频监控系统（CCTV）等多个专业子系统的互联与整合，综合监控系统（ISCS）及其技术已成为实现全自动无人驾驶运营模式的关键。在国内，上海地铁10号线较早地将综合监控系统应用于全自动运行中。综合监控系统及其“大综控”思想已被大量研究与应用，形成了诸如以行车指挥为核心的综合自动化系统（TIAS）、综合指挥调度系统（TIDS）以及智能运控系统（TIDAS）等高集成度运控系统。此类系统在城市轨道交通网络中占比增大，为全自动一体化智能运行系统提供了良好的发展环境。全自动一体化智能运行系统可进一步拓展“大综控”模式，以信号系统为核心，通过物联网、人工智能、大数据以及云计算等技术与方法对单个线路资源进行整合，并借助通信技术与全自动运行线路的ISCS系统或常规线路的ATS系统互联，实现线路间的双向协同或单向协同。根据路网协同实现模式或物理架构分布的不同，可将“集中式”运营设备分为4层，即线网中心层、线路中心层、车站/车场层（含轨旁）和车载层。“分布式”运营设备则可直接分为3层，即中心层、车站/车场层（含轨旁）和车载层。4全自动一体化智能运行系统的安全需求作为安全苛求系统，全自动一体化智能运行系统组成结构相对庞大，涉及技术与方法相对复杂，不同子系统之间的耦合关系较常规系统更为紧密，这对系统性能提出更高要求。一般可从安全性、效率、可靠性、经济性以及开放性5方面考虑该系统的性能指标，如图5所示。在安全性方面，全生命周期的功能安全与信息安全是不容忽视的。功能安全是保证系统输出正确指令、执行正确操作的关键。对于全自动一体化智能运行系统，其整体安全完整度等级应不低于SIL2，关键子系统应达到SIL2以上。以具有高安全完整度等级的信号系统为核心是首推的系统模式。系统的开发、测试与上线应符合相关安全要求，如GB/T24339或EN50159、GBT28808或EN50128、EN50129、EN50126、GB4943或EN60950-1、EN50125-3以及EN50121-4等标准。因此，功能安全要求当系统中部分子系统或设备故障时，系统仍旧能保持安全条件或进入安全状态，即故障导向安全。鉴于子系统的互联与协同联动，当故障或危险发生时，全自动一体化智能运行系统不仅应具有多层系统降级模式，其输出的安全状态还应是考虑全局与事态发展的安全状态，而非局部的安全状态。信息安全是针对信息的可用性、可控性、完整性与保密性。对于智能运行系统，需要关注边界设防与区域隔离，重视通信网络安全、区域边界安全与计算环境安全，其信息安全等级保护应不低于三级。在效率方面，全自动一体化智能运行系统应具有理想的启动速度、响应速度以及信息的传输与处理能力，并能够显著提升运营效率。例如，软件加载、设备冗余切换以及被控设备反应时间可接受，数据实时处理能力可观，列车出库时间显著降低等。在可靠性方面，全自动一体化智能运行系统包含众多服务于车辆运行的监测模块，如烟雾侦测、大客流检测、车辆出库自检等。因此，为保证系统功能可靠，监测精度应尽可能高，告警准确率可接受。在海量信息的支持下，全自动一体化智能运行系统为实现列车的“智能”运行，需要具备针对客流、设备、环境等相当精度的“态势感知”能力，以进一步改善“预测-决策”，推进高水平的运行、运营“情景-决策”。同时，可靠的服务是乘客高效出行的前提，全自动一体化智能运行系统不仅要重视准点率和兑现率，还应进一步关注乘客满意度，提高乘客出行体验，降低车厢拥挤度、站台滞留时间以及平均候车时间等。在经济性方面，全自动一体化智能运行系统不仅要支持无人驾驶，还应考虑列车的节能运行，降低能源消耗。同时，高效的自动化运营与优质的服务，不仅能降低现场人员的工作量与设备维修成本，还能够更多地吸引乘客，提高运营收入水平。在开放性方面，设备与功能的可维护与可拓展是全自动一体化智能运行系统应具有的性能。功能拓展能够应对新需求，软硬件可维护有助于保障系统的使用寿命。同时，系统应具备对新信息的学习机制或对新环境的良好适应性。新信息的学习有助于设备、客流以及环境状态的判