城市軌道交通運行控制系統的智能化、一體化與自動化

作為一種重要的公共交通形式，中國的公共交通已經進入“智能地鐵”建設階段。隨著全自動運行技術逐漸成熟，無人駕駛線路備受青睞。北京、上海、廣州、香港等城市已具有無人駕駛線路運營經驗，深圳、南京、成都、武漢、濟南、蘇州、鄭州等城市均有在建無人駕駛線路。常規既有線向無人駕駛線路改造升級也得到關注。自身的優越性是全自動無人駕駛運營模式快速普及的重要原因之一。以國內首條GoA4級地鐵線路———上海地鐵10號線為例，5年來，該線路5min及以上晚點事件為0，平均準點率和兌現率均達到99.9%。較常規線路，平均運行速度提升約8.8%，平均出入庫時間減少50%，同等服務水平下配車減少3列，每公里運營人員減少13人。這說明，先進可靠的全自動無人駕駛運營模式能顯著降低運維成本，提高運營質量。隨著以往由運營人員協調組織的城市軌道交通運營模式向高度集成的全自動運行模式快速變革，預設場景固定邏輯控制的全自動運行系統向基于知識和經驗自學習的智能系統逐步過渡，城市軌道交通一體化運營趨勢日益明顯。這不僅體現為復雜運營場景下的單線路、多專業、多系統的一體化，還面向線網級運營管理一體化與出行服務一體化。按照此態勢，具有綜合自動化、一體化與智能化特征的城市軌道交通全自動一體化智能運行行車指揮模式將是城市軌道交通運控系統的發展方向之一，即全自動一體化智能運行系統。然而，信號系統的安全完整度等級（SIL）要求相對較高，全自動一體化智能運行系統在保證自身安全等級的同時，其內涵、業務功能、架構以及應具備的性能均亟待研究。基于此，本文就該系統相關內容進行討論。1運營場景的情景-決策在城市軌道交通中，面對復雜的運營場景，全自動運行系統基于預設的邏輯實施決策，即“預測-決策”。未來，軌道交通無人駕駛線路逐步成網，跨線網互聯互通與智能技術在城市軌道交通系統中逐漸普及。針對更加復雜的運營場景，全自動一體化智能運行系統將憑借其數據采集、智能學習、智能計算與智能控制能力實現線路運營的實時決策優化與線網運營的協調，即“情景-決策”。全自動一體化智能運行系統建立在功能及其實現模式、體系架構以及性能需求等內容的基礎上，可認為是一種以服務乘客為導向，以CBTC系統或全自動運行系統為基礎，以子系統實時狀態與發展態勢為指導，子系統及不同線路之間能有效實施聯動決策，具有知識學習技能、智能計算能力及多級后備模式，面向調度、運維、車場與車站智能化，最終實現線網級復雜運營場景的安全、可靠、高效、經濟與開放的列車運行控制系統。2系統功能2.1全自動一體化智能運行系統的功能特征城市軌道交通全自動運行系統以常規基于通信的列車自動控制（CBTC）系統為基礎，全自動一體化智能運行系統的基本功能與其類似。全自動一體化智能運行系統應當具有保障運行安全、指揮列車運行、保護與輔助乘客、輔助設備維護、提供技術服務等多方面的基本功能，如圖1所示。與常規運控系統相比，全自動一體化智能運行系統的數據信息交互、自動化與安全苛求程度更高，軟硬件與路網一體化程度更顯著，運營人員需求更少，更傾向于服務乘客。其功能特征主要表現為以下方面。1）海量數據支持與應用。基于傳感器和物聯網技術，城軌部分專業已具備客流、環境以及設施設備狀態數據實時采集能力，并輔助列車運行決策。隨著系統與專業的一體化，海量數據伴隨而來，數據融合與信息安全、運行安全面臨新的機遇與挑戰。對此，全自動一體化智能運行系統應注重數據資源的拓展與應用，以實時支持列車運行。2）人工智能助力行車指揮。基于海量數據，將車輛、車站、車場及線路等設施設備信息與人工智能技術相結合，可推進運維的智能化，形成智能運維。例如，車載及車站設備的健康度評估與預測、維修決策、障礙物檢測等。同時，將車站環境、設備以及客流等信息與人工智能技術相結合，可實現車站的智能化，形成智能車站。例如，客流密度檢測、乘客滯留檢測、客流趨勢預判等。類似的，基于線路或線網的客流實時數據可實現正常調度或應急調度的智能化，即智能調度或動態調度。基于應急場景信息與車場或存車線車輛資源，可實現應急車輛的優化配置，即智能車場。運維、車站、調度與車場的智能化，將進一步保障列車運行安全與線路運營安全。3）跨線網、多專業一體化運營。針對傳統運營模式不同專業分立而設所導致的效率不高問題，全自動一體化智能運行系統需要將不同專業子系統互聯與集成，通過融合不同專業信息來指導列車運行。同時，考慮到復雜運營情景中不同線路相互協調的需求，全自動一體化智能運行系統還需要基于互聯線路信息，指導實施跨線網運營。2.2運營安全耦合城市軌道交通系統中乘客、列車、軌行區（線路）、車站和車場之間，以及線路與線路之間的關系是復雜的，列車運行狀態、車站與車內客流大小均會影響乘客安全與運營效率。為實現列車智能化運行，全自動一體化智能運行系統需要整合上述耦合關系，并保證運行安全、運營安全與信息安全。基于此，提出列車智能運行的業務功能聯動關系，如圖2所示。列車安全可靠的運行是乘客出行的基本保障。全自動一體化智能運行系統應借助運維、車場、調度、車站及列車的聯動，滿足避免故障列車上線（運維與運行）、緊急情況應急列車快速上線（車場、調度與運行）、大客流或故障情景快速調圖（乘客、車場、調度與運行）、乘客乘車舒適度控制（乘客、調度與運行）、車站大客流識別與控制（乘客、車站、調度與運行）等現實需求。可借助信息采集、傳輸與處理、計算、判別、決策與執行來實現上述功能。以往軌道交通系統功能割裂，效率不高，難以有效應對日益復雜的運營場景，全自動一體化智能運行系統則應滿足上述聯動需求。3結構研究3.1運行系統參考體系架構人工智能、大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術與自然學科的蓬勃發展，給予了列車運行與線路運營大量的創新條件，為運控系統轉型升級提供強大動力。跨線網多專業信息的應用思路逐漸成熟，線網多專業信息的全息感知、海量大數據的實時存取、決策智能優化與自動執行，以及運營信息的顯示與操作等均將逐步實現。基于城市軌道交通發展現狀及功能期望，提出全自動一體化智能運行系統參考體系架構，如圖3所示。1）跨線網多專業全息感知平臺直接面向線網范圍內的軌道交通設備，實現海量數據的實時采集。涉及對象包括供電、車輛、行車、通信、信號等專業，以及環境與設備監控系統（BAS）、乘客信息系統（PIS）、自動售檢票系統（AFC）、火災報警系統（FAS）等。該平臺通過數據的采集、清洗與融合為上層應用提供全面、可信的數據資源，是精準實現全自動一體化智能運行的數據基礎。2）跨線網多專業大數據實時存取平臺面向海量數據的分布式實時存儲、處理與共享，是實現全自動一體化智能運行的基礎環節。其中，互聯互操作接口與通信網絡的設置與優化是以上功能實現的必要條件。3）全自動一體化智能運行支持平臺面向行車指揮的智能化，依托可信數據，運用情景建模、數據驅動、智能計算等方法保障運營質量；基于車場、車站、調度與運維的情景信息，實現列車運行的智能決策，是全自動一體化智能運行系統工作的技術途徑。4）全自動一體化智能運行綜合監管平臺面向信息可視化與人機交互，包括運營信息、運行信息、設備狀態、環境信息與運維信息等數據的展示以及相應的操作功能，能以真實、形象的可視信息服務于工作人員與乘客，是全自動一體化智能運行系統的人機操作與信息展示終端。3.2基于架構的路網協同控制全自動一體化智能運行系統屬于面向線網級的集散控制系統，是一系列子系統的集成、互聯與協同。從宏觀上而言，該系統可采用由具有中心調度功能的線網級系統與線路子系統構成的集中式模式，也可采用由線路子系統互聯構成的分布式協同網絡，如圖4所示。采用集中式模式需要由線網級系統開展線網的運營優化與統一指揮，而采用分布式模式則由線路子系統基于耦合關系、交互信息與相應的分布式優化方法實現路網協同指揮。需要提及的是，基于供電（PSCADA）、AFC、FAS、PIS、廣播系統（PA）、視頻監控系統（CCTV）等多個專業子系統的互聯與整合，綜合監控系統（ISCS）及其技術已成為實現全自動無人駕駛運營模式的關鍵。在國內，上海地鐵10號線較早地將綜合監控系統應用于全自動運行中。綜合監控系統及其“大綜控”思想已被大量研究與應用，形成了諸如以行車指揮為核心的綜合自動化系統（TIAS）、綜合指揮調度系統（TIDS）以及智能運控系統（TIDAS）等高集成度運控系統。此類系統在城市軌道交通網絡中占比增大，為全自動一體化智能運行系統提供了良好的發展環境。全自動一體化智能運行系統可進一步拓展“大綜控”模式，以信號系統為核心，通過物聯網、人工智能、大數據以及云計算等技術與方法對單個線路資源進行整合，并借助通信技術與全自動運行線路的ISCS系統或常規線路的ATS系統互聯，實現線路間的雙向協同或單向協同。根據路網協同實現模式或物理架構分布的不同，可將“集中式”運營設備分為4層，即線網中心層、線路中心層、車站/車場層（含軌旁）和車載層。“分布式”運營設備則可直接分為3層，即中心層、車站/車場層（含軌旁）和車載層。4全自動一體化智能運行系統的安全需求作為安全苛求系統，全自動一體化智能運行系統組成結構相對龐大，涉及技術與方法相對復雜，不同子系統之間的耦合關系較常規系統更為緊密，這對系統性能提出更高要求。一般可從安全性、效率、可靠性、經濟性以及開放性5方面考慮該系統的性能指標，如圖5所示。在安全性方面，全生命周期的功能安全與信息安全是不容忽視的。功能安全是保證系統輸出正確指令、執行正確操作的關鍵。對于全自動一體化智能運行系統，其整體安全完整度等級應不低于SIL2，關鍵子系統應達到SIL2以上。以具有高安全完整度等級的信號系統為核心是首推的系統模式。系統的開發、測試與上線應符合相關安全要求，如GB/T24339或EN50159、GBT28808或EN50128、EN50129、EN50126、GB4943或EN60950-1、EN50125-3以及EN50121-4等標準。因此，功能安全要求當系統中部分子系統或設備故障時，系統仍舊能保持安全條件或進入安全狀態，即故障導向安全。鑒于子系統的互聯與協同聯動，當故障或危險發生時，全自動一體化智能運行系統不僅應具有多層系統降級模式，其輸出的安全狀態還應是考慮全局與事態發展的安全狀態，而非局部的安全狀態。信息安全是針對信息的可用性、可控性、完整性與保密性。對于智能運行系統，需要關注邊界設防與區域隔離，重視通信網絡安全、區域邊界安全與計算環境安全，其信息安全等級保護應不低于三級。在效率方面，全自動一體化智能運行系統應具有理想的啟動速度、響應速度以及信息的傳輸與處理能力，并能夠顯著提升運營效率。例如，軟件加載、設備冗余切換以及被控設備反應時間可接受，數據實時處理能力可觀，列車出庫時間顯著降低等。在可靠性方面，全自動一體化智能運行系統包含眾多服務于車輛運行的監測模塊，如煙霧偵測、大客流檢測、車輛出庫自檢等。因此，為保證系統功能可靠，監測精度應盡可能高，告警準確率可接受。在海量信息的支持下，全自動一體化智能運行系統為實現列車的“智能”運行，需要具備針對客流、設備、環境等相當精度的“態勢感知”能力，以進一步改善“預測-決策”，推進高水平的運行、運營“情景-決策”。同時，可靠的服務是乘客高效出行的前提，全自動一體化智能運行系統不僅要重視準點率和兌現率，還應進一步關注乘客滿意度，提高乘客出行體驗，降低車廂擁擠度、站臺滯留時間以及平均候車時間等。在經濟性方面，全自動一體化智能運行系統不僅要支持無人駕駛，還應考慮列車的節能運行，降低能源消耗。同時，高效的自動化運營與優質的服務，不僅能降低現場人員的工作量與設備維修成本，還能夠更多地吸引乘客，提高運營收入水平。在開放性方面，設備與功能的可維護與可拓展是全自動一體化智能運行系統應具有的性能。功能拓展能夠應對新需求，軟硬件可維護有助于保障系統的使用壽命。同時，系統應具備對新信息的學習機制或對新環境的良好適應性。新信息的學習有助于設備、客流以及環境狀態的判