天津市市政工程设计研究院天津市300392
摘要：为了加快城市轨道交通网络现代化的步伐，计划建设全自动驾驶示范工程。本文从全自动驾驶系统集成的过程入手，研究全自动驾驶系统的功能需求、系统集成、接口及验证，深入论述运营场景、风险源分析和总体需求。介绍系统集成的原则、接口定义和最小系统集成验证的方法。在此基础上，总结系统集成的经验，提出建立自主知识产权全自动驾驶系统集成通用模型的方法，为后续工程设计、施工和系统集成提供技术支撑和指导。
关键词：轨道交通；全自动驾驶；集成技术
全自动驾驶(FAO)是指将列车驾驶员执行的工作完全交由自动化的、高度集中控制的列车运行系统完成。全自动驾驶系统通常具备列车自动唤醒、启动和休眠、自动出入停车场、自动清洗、自动行驶、自动启停车、自动开关车门等功能，并具有常规运行、降级运行和灾害工况等多重运行模式。
1全自动驾驶系统集成概述
有效的系统集成在轨道交通全自动驾驶建设中发挥着至关重要的作用，它能够全面地寻找和发现系统功能需求以确保各子系统之间的兼容性。从功能需求的定义、系统设计、系统集成各阶段全生命周期提高复杂系统的实现能力。系统集成包括以下步骤：需求分析、系统集成、接口定义和系统验证。借鉴国际标准BS/IS015288，利用系统工程的方法及轨道交通行业的最佳实践进行系统集成，可以准确抓住构建全自动驾驶系统的特殊需求，避免遗漏、接口定义不全或冲突，确保现场测试前的先期验证，提高系统集成过程的可见性。
2全自动驾驶系统集成过程
2.1需求分析
参考国际标准IEC62290-2，以运营需求为导向，从运营组织、场景描述和风险源分析入手，深入梳理原来由司机承担的职责，在全自动驾驶条件下哪些被设备系统和控制中心取代，形成全自动驾驶新增功能需求列表。
2.1.1运营场景分析
根据项目的运营目标，确定运营管理模式和岗位设置，制定正常运营、非正常运营和紧急情况的作业流程。（1）正常运营场景包括：运营前的准备、列车唤醒、出库、投入正线运行、进站停车、站台发车、折返换端、清客、停止正线服务、回库、清扫、洗车、维修、休眠等。（2）非正常运营包括：蠕动、救援、跳停、扣车、故障、雨雪模式等。（3）紧急情况包括：撞车脱轨、火灾、乘客紧急告警等。
2.1.2风险源分析
进行风险源的辨识，对碰撞、脱轨、夹伤、触电、刺伤、灾害等16大类风险源，利用故障树进行系统的梳理，定义风险的名称、原因、触发事件、应对措施，明确全自动驾驶在安全性、可靠性方面的要求。
2.1.3全自动驾驶总体需求
根据上述分析并结合国内外调研及对国际标准的研究，梳理出全自动驾驶需求列表，包含50大类的功能需求。与传统列车运行的主要差别体现在以下几个方面：（1）列车在全线自动化运行（含车辆段/停车场）。能达到更高的自动化运行等级，车辆根据运营时刻表自动唤醒、休眠，自动投入、退出运营，自动折返，自动停站、启动，自动控制车门、站台门的开闭，根据运营需要自动加减车，实现最佳的运行控制，满足节能、环保、高效的运营目标。（2）安全性、可靠性高。全自动运行环境下，很多原来由人工完成的作业现在由系统自动完成，如列车的静态、动态自检。列车库内测试制动系统会产生两列位列车之间碰撞的风险及列车与车库门碰撞的风险；因此，需要考虑相关的保护需求。此外，列控系统的核心设备冗余备份、车载设备自诊断、车载设备故障远程恢复能够提高系统的可用性，使系统具备更高的可靠性和安全性。（3）任意地点停车。要求列车在全线任意地点能够停车，能够应对轨道上碰到异物，遇到紧急情况下的人员疏散等情形的应急处理，或者列车故障情况下的紧急停车，列车能自动出入停车场/车辆段，实现自动在指定地点停车。在传统线路上遇到问题，司机可以采取措施停车，车辆段停车也是由司机人工完成的。在全自动驾驶线路，以上控制由信号系统自动完成，或者由中心远程控制实现。
2.2系统集成
系统集成应按照轨道交通设备的地理位置进行组织，包括控制中心、车辆段、车站、轨旁和车辆。按照地理位置分析各系统的功能及相互接口更加贴近运营需求，能够直接关联设备功能和运营需求，从而更好地理解系统功能的内在本质，直观反映各系统功能之间的关系；由于特定地理位置的功能需求易于识别跟踪，系统集成通用模型能够建立一种简单、清晰、结构化的方法对运营需求、系统功能和全自动驾驶系统的设计方法进行检查跟踪，确保在系统的定义和设计阶段，所有的运营需求能够系统地链接和查验；在集成和验收阶段，所有的需求能被全程跟踪和测试。
2.3接口定义
接口是管理2个系统之间信息交互的工具，尽早定义好系统接口，并且识别出全自动驾驶的接口变化，将其包含在合同文件中，是项目成功的关键。两个接口的系统应使用同一份接口文件。
2.4系统验证
系统验证提供一个系统集成验证场所，在现场测试前把各系统设备连接起来搭建一个测试平台进行系统间外部接口先期验证测试，克服现场测试制约因素，提早暴露缺陷，确保各系统集成商的需求功能全面，接口协议兼容。目前燕房线工程搭建了全自动驾驶半实物仿真验证测试最小系统，是覆盖信号、车辆、通信和行车综合自动化等核心系统设备功能和接口的验证平台，
3 我国发展全自动驾驶轨道交通的策略
我国发展全自动驾驶应从选择技术体系，建立技术标准，提升装备制造和系统集成水平，做好系统安全评估、建设管理和运营组织等方面有所突破。
（1）技术路线。根据我国国情，特大城市可以着重研究重载钢轮钢轨制式的自动驾驶系统，二、三线城市可以考虑中低运量的系统，优先选择在纯高架线路上应用示范。在追踪国际前沿技术的基础上，明确各种技术体系下的自动驾驶技术标准和系统方案。
（2）装备制造。信号系统基于现有的国产CBTC系统，通过采用冗余车载ATO、与车辆接口冗余配置等相关措施增强安全性、可靠性；进一步拓展功能，实现列车按照时刻表自动发车、停车、折返、出入停车场等操作。车辆增加自动唤醒、休眠、障碍物检测、脱轨检测等功能，车载设备支持自诊断，故障告警信息和车辆状态参数能够实时上传控制中心。通信系统应提供车地无线高带宽稳定的数据传送能力，能够支持控制中心对列车前方及车内的视频监控，能够建立乘客与控制中心之间的紧急通话。
（3）应急处置。考虑设备系统对灾害和应急处置的需求，如恶劣天气下的低粘着运行、远程故障恢复、远程紧急制动、远程开启逃生门、站台门与车门之间夹人夹物的探测等。
（4）安全评估。在系统的需求分析、设计、制造、验收等各阶段全程引入安全认证，确保装备、设计满足安全应用的需求，没有遗漏的风险点。应由独立的第三方专业安全认证机构负责此项工作。
（5）运营组织。应用全自动驾驶需要从顶层调整现有运营模式，制订完善的灾害、故障处置应急预案。由于国内缺少运营全自动驾驶线路的经验，应逐步培养具有复合业务能力的多职能团队成员；在运营实践中应考虑由人工驾驶逐步平滑过渡到自动驾驶。
4结束语
全自动驾驶技术代表着轨道交通行业未来技术发展的方向，不但能实现列车最优控制，进一步提高运输效率，而且有利于节能减排，改善城市环境。建设完全自主知识产权的燕房线全自动驾驶科技示范工程，开展系统集成创新，对我国轨道交通建设影响深远，应当很好地总结系统集成的经验，形成全自动驾驶系统集成的通用模型，以提高线网建设的质量和技术先进性，对天津乃至全国新线建设及旧网改造有着十分重要的借鉴和指导意义。
参考文献：
[1]李欣,陈洪茹.全自动驾驶轨道交通综合监控系统关键功能要点研究[J].工程建设与设计,2016(14):172-175.
[2]王寅.我国城市轨道交通应用全自动无人驾驶系统的探讨[J].中国工程咨询,2017(02):21-22.
[3]闫宏伟,燕飞.城市轨道交通全自动运行系统及安全需求[J].都市快轨交通,2017,30(03):50-55+87.
[4]莫志刚,骆汉宾.地铁工程运营期全自动驾驶维护[J].土木工程与管理学报,2018,35(03):129-134.
课题名称：天津市轨道交通全自动驾驶技术应用研究（17YFZCSF01210）