城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)的智能化、一體化與自動(dòng)化

城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)的智能化、一體化與自動(dòng)化

作為一種重要的公共交通形式，中國的公共交通已經(jīng)進(jìn)入“智能地鐵”建設(shè)階段。隨著全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)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(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，深圳、南京、成都、武漢、濟(jì)南、蘇州、鄭州等城市均有在建無人駕駛線路。常規(guī)既有線向無人駕駛線路改造升級(jí)也得到關(guān)注。自身的優(yōu)越性是全自動(dòng)無人駕駛運(yùn)營模式快速普及的重要原因之一。以國內(nèi)首條GoA4級(jí)地鐵線路———上海地鐵10號(hào)線為例，5年來，該線路5min及以上晚點(diǎn)事件為0，平均準(zhǔn)點(diǎn)率和兌現(xiàn)率均達(dá)到99.9%。較常規(guī)線路，平均運(yùn)行速度提升約8.8%，平均出入庫時(shí)間減少50%，同等服務(wù)水平下配車減少3列，每公里運(yùn)營人員減少13人。這說明，先進(jìn)可靠的全自動(dòng)無人駕駛運(yùn)營模式能顯著降低運(yùn)維成本，提高運(yùn)營質(zhì)量。隨著以往由運(yùn)營人員協(xié)調(diào)組織的城市軌道交通運(yùn)營模式向高度集成的全自動(dòng)運(yùn)行模式快速變革，預(yù)設(shè)場景固定邏輯控制的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)向基于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)自學(xué)習(xí)的智能系統(tǒng)逐步過渡，城市軌道交通一體化運(yùn)營趨勢日益明顯。這不僅體現(xiàn)為復(fù)雜運(yùn)營場景下的單線路、多專業(yè)、多系統(tǒng)的一體化，還面向線網(wǎng)級(jí)運(yùn)營管理一體化與出行服務(wù)一體化。按照此態(tài)勢，具有綜合自動(dòng)化、一體化與智能化特征的城市軌道交通全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行行車指揮模式將是城市軌道交通運(yùn)控系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，即全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)。然而，信號(hào)系統(tǒng)的安全完整度等級(jí)（SIL）要求相對(duì)較高，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)在保證自身安全等級(jí)的同時(shí)，其內(nèi)涵、業(yè)務(wù)功能、架構(gòu)以及應(yīng)具備的性能均亟待研究。基于此，本文就該系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行討論。1運(yùn)營場景的情景-決策在城市軌道交通中，面對(duì)復(fù)雜的運(yùn)營場景，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)基于預(yù)設(shè)的邏輯實(shí)施決策，即“預(yù)測-決策”。未來，軌道交通無人駕駛線路逐步成網(wǎng)，跨線網(wǎng)互聯(lián)互通與智能技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)中逐漸普及。針對(duì)更加復(fù)雜的運(yùn)營場景，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)將憑借其數(shù)據(jù)采集、智能學(xué)習(xí)、智能計(jì)算與智能控制能力實(shí)現(xiàn)線路運(yùn)營的實(shí)時(shí)決策優(yōu)化與線網(wǎng)運(yùn)營的協(xié)調(diào)，即“情景-決策”。全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)建立在功能及其實(shí)現(xiàn)模式、體系架構(gòu)以及性能需求等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可認(rèn)為是一種以服務(wù)乘客為導(dǎo)向，以CBTC系統(tǒng)或全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以子系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)與發(fā)展態(tài)勢為指導(dǎo)，子系統(tǒng)及不同線路之間能有效實(shí)施聯(lián)動(dòng)決策，具有知識(shí)學(xué)習(xí)技能、智能計(jì)算能力及多級(jí)后備模式，面向調(diào)度、運(yùn)維、車場與車站智能化，最終實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)級(jí)復(fù)雜運(yùn)營場景的安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)與開放的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。2系統(tǒng)功能2.1全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)的功能特征城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)以常規(guī)基于通信的列車自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)的基本功能與其類似。全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有保障運(yùn)行安全、指揮列車運(yùn)行、保護(hù)與輔助乘客、輔助設(shè)備維護(hù)、提供技術(shù)服務(wù)等多方面的基本功能，如圖1所示。與常規(guī)運(yùn)控系統(tǒng)相比，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互、自動(dòng)化與安全苛求程度更高，軟硬件與路網(wǎng)一體化程度更顯著，運(yùn)營人員需求更少，更傾向于服務(wù)乘客。其功能特征主要表現(xiàn)為以下方面。1）海量數(shù)據(jù)支持與應(yīng)用?；趥鞲衅骱臀锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，城軌部分專業(yè)已具備客流、環(huán)境以及設(shè)施設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集能力，并輔助列車運(yùn)行決策。隨著系統(tǒng)與專業(yè)的一體化，海量數(shù)據(jù)伴隨而來，數(shù)據(jù)融合與信息安全、運(yùn)行安全面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。對(duì)此，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)資源的拓展與應(yīng)用，以實(shí)時(shí)支持列車運(yùn)行。2）人工智能助力行車指揮?；诤Ａ繑?shù)據(jù)，將車輛、車站、車場及線路等設(shè)施設(shè)備信息與人工智能技術(shù)相結(jié)合，可推進(jìn)運(yùn)維的智能化，形成智能運(yùn)維。例如，車載及車站設(shè)備的健康度評(píng)估與預(yù)測、維修決策、障礙物檢測等。同時(shí)，將車站環(huán)境、設(shè)備以及客流等信息與人工智能技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)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(yù)判等。類似的，基于線路或線網(wǎng)的客流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)正常調(diào)度或應(yīng)急調(diào)度的智能化，即智能調(diào)度或動(dòng)態(tài)調(diào)度?；趹?yīng)急場景信息與車場或存車線車輛資源，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急車輛的優(yōu)化配置，即智能車場。運(yùn)維、車站、調(diào)度與車場的智能化，將進(jìn)一步保障列車運(yùn)行安全與線路運(yùn)營安全。3）跨線網(wǎng)、多專業(yè)一體化運(yùn)營。針對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)營模式不同專業(yè)分立而設(shè)所導(dǎo)致的效率不高問題，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)需要將不同專業(yè)子系統(tǒng)互聯(lián)與集成，通過融合不同專業(yè)信息來指導(dǎo)列車運(yùn)行。同時(shí)，考慮到復(fù)雜運(yùn)營情景中不同線路相互協(xié)調(diào)的需求，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)還需要基于互聯(lián)線路信息，指導(dǎo)實(shí)施跨線網(wǎng)運(yùn)營。2.2運(yùn)營安全耦合城市軌道交通系統(tǒng)中乘客、列車、軌行區(qū)（線路）、車站和車場之間，以及線路與線路之間的關(guān)系是復(fù)雜的，列車運(yùn)行狀態(tài)、車站與車內(nèi)客流大小均會(huì)影響乘客安全與運(yùn)營效率。為實(shí)現(xiàn)列車智能化運(yùn)行，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)需要整合上述耦合關(guān)系，并保證運(yùn)行安全、運(yùn)營安全與信息安全?；诖?，提出列車智能運(yùn)行的業(yè)務(wù)功能聯(lián)動(dòng)關(guān)系，如圖2所示。列車安全可靠的運(yùn)行是乘客出行的基本保障。全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)借助運(yùn)維、車場、調(diào)度、車站及列車的聯(lián)動(dòng)，滿足避免故障列車上線（運(yùn)維與運(yùn)行）、緊急情況應(yīng)急列車快速上線（車場、調(diào)度與運(yùn)行）、大客流或故障情景快速調(diào)圖（乘客、車場、調(diào)度與運(yùn)行）、乘客乘車舒適度控制（乘客、調(diào)度與運(yùn)行）、車站大客流識(shí)別與控制（乘客、車站、調(diào)度與運(yùn)行）等現(xiàn)實(shí)需求?？山柚畔⒉杉?、傳輸與處理、計(jì)算、判別、決策與執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)上述功能。以往軌道交通系統(tǒng)功能割裂，效率不高，難以有效應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的運(yùn)營場景，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)則應(yīng)滿足上述聯(lián)動(dòng)需求。3結(jié)構(gòu)研究3.1運(yùn)行系統(tǒng)參考體系架構(gòu)人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與自然學(xué)科的蓬勃發(fā)展，給予了列車運(yùn)行與線路運(yùn)營大量的創(chuàng)新條件，為運(yùn)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供強(qiáng)大動(dòng)力?？缇€網(wǎng)多專業(yè)信息的應(yīng)用思路逐漸成熟，線網(wǎng)多專業(yè)信息的全息感知、海量大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存取、決策智能優(yōu)化與自動(dòng)執(zhí)行，以及運(yùn)營信息的顯示與操作等均將逐步實(shí)現(xiàn)。基于城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀及功能期望，提出全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)參考體系架構(gòu)，如圖3所示。1）跨線網(wǎng)多專業(yè)全息感知平臺(tái)直接面向線網(wǎng)范圍內(nèi)的軌道交通設(shè)備，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。涉及對(duì)象包括供電、車輛、行車、通信、信號(hào)等專業(yè)，以及環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）等。該平臺(tái)通過數(shù)據(jù)的采集、清洗與融合為上層應(yīng)用提供全面、可信的數(shù)據(jù)資源，是精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2）跨線網(wǎng)多專業(yè)大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存取平臺(tái)面向海量數(shù)據(jù)的分布式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、處理與共享，是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。其中，互聯(lián)互操作接口與通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置與優(yōu)化是以上功能實(shí)現(xiàn)的必要條件。3）全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行支持平臺(tái)面向行車指揮的智能化，依托可信數(shù)據(jù)，運(yùn)用情景建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能計(jì)算等方法保障運(yùn)營質(zhì)量；基于車場、車站、調(diào)度與運(yùn)維的情景信息，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的智能決策，是全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)工作的技術(shù)途徑。4）全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行綜合監(jiān)管平臺(tái)面向信息可視化與人機(jī)交互，包括運(yùn)營信息、運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境信息與運(yùn)維信息等數(shù)據(jù)的展示以及相應(yīng)的操作功能，能以真實(shí)、形象的可視信息服務(wù)于工作人員與乘客，是全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)的人機(jī)操作與信息展示終端。3.2基于架構(gòu)的路網(wǎng)協(xié)同控制全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)屬于面向線網(wǎng)級(jí)的集散控制系統(tǒng)，是一系列子系統(tǒng)的集成、互聯(lián)與協(xié)同。從宏觀上而言，該系統(tǒng)可采用由具有中心調(diào)度功能的線網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)與線路子系統(tǒng)構(gòu)成的集中式模式，也可采用由線路子系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)成的分布式協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。采用集中式模式需要由線網(wǎng)級(jí)系統(tǒng)開展線網(wǎng)的運(yùn)營優(yōu)化與統(tǒng)一指揮，而采用分布式模式則由線路子系統(tǒng)基于耦合關(guān)系、交互信息與相應(yīng)的分布式優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)協(xié)同指揮。需要提及的是，基于供電（PSCADA）、AFC、FAS、PIS、廣播系統(tǒng)（PA）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）等多個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)的互聯(lián)與整合，綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）及其技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人駕駛運(yùn)營模式的關(guān)鍵。在國內(nèi)，上海地鐵10號(hào)線較早地將綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于全自動(dòng)運(yùn)行中。綜合監(jiān)控系統(tǒng)及其“大綜控”思想已被大量研究與應(yīng)用，形成了諸如以行車指揮為核心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（TIAS）、綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)（TIDS）以及智能運(yùn)控系統(tǒng)（TIDAS）等高集成度運(yùn)控系統(tǒng)。此類系統(tǒng)在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中占比增大，為全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展環(huán)境。全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)可進(jìn)一步拓展“大綜控”模式，以信號(hào)系統(tǒng)為核心，通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算等技術(shù)與方法對(duì)單個(gè)線路資源進(jìn)行整合，并借助通信技術(shù)與全自動(dòng)運(yùn)行線路的ISCS系統(tǒng)或常規(guī)線路的ATS系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)線路間的雙向協(xié)同或單向協(xié)同。根據(jù)路網(wǎng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)模式或物理架構(gòu)分布的不同，可將“集中式”運(yùn)營設(shè)備分為4層，即線網(wǎng)中心層、線路中心層、車站/車場層（含軌旁）和車載層?！胺植际健边\(yùn)營設(shè)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(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)的安全需求作為安全苛求系統(tǒng)，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)相對(duì)龐大，涉及技術(shù)與方法相對(duì)復(fù)雜，不同子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系較常規(guī)系統(tǒng)更為緊密，這對(duì)系統(tǒng)性能提出更高要求。一般可從安全性、效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及開放性5方面考慮該系統(tǒng)的性能指標(biāo)，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(tǒng)輸出正確指令、執(zhí)行正確操作的關(guān)鍵。對(duì)于全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)，其整體安全完整度等級(jí)應(yīng)不低于SIL2，關(guān)鍵子系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到SIL2以上。以具有高安全完整度等級(jí)的信號(hào)系統(tǒng)為核心是首推的系統(tǒng)模式。系統(tǒng)的開發(fā)、測試與上線應(yīng)符合相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)。因此，功能安全要求當(dāng)系統(tǒng)中部分子系統(tǒng)或設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)仍舊能保持安全條件或進(jìn)入安全狀態(tài)，即故障導(dǎo)向安全。鑒于子系統(tǒng)的互聯(lián)與協(xié)同聯(lián)動(dòng)，當(dāng)故障或危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)不僅應(yīng)具有多層系統(tǒng)降級(jí)模式，其輸出的安全狀態(tài)還應(yīng)是考慮全局與事態(tài)發(fā)展的安全狀態(tài)，而非局部的安全狀態(tài)。信息安全是針對(duì)信息的可用性、可控性、完整性與保密性。對(duì)于智能運(yùn)行系統(tǒng)，需要關(guān)注邊界設(shè)防與區(qū)域隔離，重視通信網(wǎng)絡(luò)安全、區(qū)域邊界安全與計(jì)算環(huán)境安全，其信息安全等級(jí)保護(hù)應(yīng)不低于三級(jí)。在效率方面，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)具有理想的啟動(dòng)速度、響應(yīng)速度以及信息的傳輸與處理能力，并能夠顯著提升運(yùn)營效率。例如，軟件加載、設(shè)備冗余切換以及被控設(shè)備反應(yīng)時(shí)間可接受，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力可觀，列車出庫時(shí)間顯著降低等。在可靠性方面，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)包含眾多服務(wù)于車輛運(yùn)行的監(jiān)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(tǒng)功能可靠，監(jiān)測精度應(yīng)盡可能高，告警準(zhǔn)確率可接受。在海量信息的支持下，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)列車的“智能”運(yùn)行，需要具備針對(duì)客流、設(shè)備、環(huán)境等相當(dāng)精度的“態(tài)勢感知”能力，以進(jìn)一步改善“預(yù)測-決策”，推進(jìn)高水平的運(yùn)行、運(yùn)營“情景-決策”。同時(shí)，可靠的服務(wù)是乘客高效出行的前提，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)不僅要重視準(zhǔn)點(diǎn)率和兌現(xiàn)率，還應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注乘客滿意度，提高乘客出行體驗(yàn)，降低車廂擁擠度、站臺(tái)滯留時(shí)間以及平均候車時(shí)間等。在經(jīng)濟(jì)性方面，全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)不僅要支持無人駕駛，還應(yīng)考慮列車的節(jié)能運(yùn)行，降低能源消耗。同時(shí)，高效的自動(dòng)化運(yùn)營與優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，不僅能降低現(xiàn)場人員的工作量與設(shè)備維修成本，還能夠更多地吸引乘客，提高運(yùn)營收入水平。在開放性方面，設(shè)備與功能的可維護(hù)與可拓展是全自動(dòng)一體化智能運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)具有的性能。功能拓展能夠應(yīng)對(duì)新需求，軟硬件可維護(hù)有助于保障系統(tǒng)的使用壽命。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)新信息的學(xué)習(xí)機(jī)制或?qū)π颅h(huán)境的良好適應(yīng)性。新信息的學(xué)習(xí)有助于設(shè)備、客流以及環(huán)境狀態(tài)的判