新誉庞巴迪信号系统有限公司
郭西平孙思南周星
中低速磁悬浮作为中低运量轨道交通中的一种，具有低碳节能、噪声低、无污染、绿色环保，性能安全可靠等突出特点，正成为未来城市轨道交通系统的主要发展方向之一；而无人驾驶中低速磁浮列车的智能化、无人化控制作为整个系统中最为主要的部分，也成为行业内各个系统集成商的主要技术攻关方向。
基于控制智能化、设备集约化等要求，本文提出一种全自动无人驾驶中低速磁悬浮的车控一体化系统研究，即车载运控子系统；该子系统打破了传统的信号系统与车辆控制系统分离设置的方式，具有控制高度智能化，设备高度集成化，接口简单易维护等特点。
一、 研究背景
当前，在城市轨道交通领域（地铁、轻轨及中低速磁悬浮等），全自动运行列车的运行控制功能主要由信号CBTC系统及车辆TCMS系统来实现，CBTC－基于无线通信的列车自动控制系统，包含ATP－自动列车防护子系统与ATO－自动列车运行子系统；TCMS－列车控制管理系统，用于与所有列车子系统进行接口，管理、控制列车运行过程中的车辆数据；车载ATP子系统作为SIL4等级的安全子系统负责列车运行安全防护功能，如牵引使能，紧急制动，车门使能等；车载ATO子系统与车辆TCMS系统作为SIL0或SIL2等级的子系统，相互接口、配合，共同完成列车运行非安全功能，例如牵引力、制动力控制，车门开、关控制，列车空调、照明、乘客广播控制等；主流全自动运行系统车载控制架构示例如图1所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 1传统车载控制系统架构
从以上架构中可以看出，车载ATP子系统作为安全子系统，可直接与车辆牵引、制动及门控等车辆单元通过硬线进行接口，控制其实现列车安全功能；而对于列车非安全功能来说，由于分别由车载ATO、车辆TCMS两部分来执行，且两部分之间需要单独设计接口来实现部分非安全功能，这样就导致列车非安全架构较为复杂，设备较多，不利于在中低速磁悬浮列车内的安装；且由于车载ATO与车辆TCMS分别由信号系统供应商及车辆供应商两家负责，业主在项目招标阶段也需要分别对两个子系统提出功能及接口需求，进而导致实际项目执行过程中接口谈判及设计难度的增加，也不利于客户后期的使用及维护。
二、 车控一体化设计
基于以上实际背景，特提出一种针对全自动无人驾驶中低速磁悬浮系统的车控一体化设计研究；
车控一体化设计对信号车载ATO子系统与车辆TCMS系统的功能进行整合，形成列车运控子系统；在列车上仅配置车载ATP子系统及运控子系统，车载ATP继续作为SIL4等级的安全子系统，对列车运行进行安全防护，而运控子系统可作为SIL2的子系统，负责列车运行其余功能的实现，车控一体化设计架构如图2所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 2车控一体化系统架构
车载ATP子系统与运控子系统通过机架内部网络接口（以太网/MVB）进行通信;
配置于列车两端的两套运控子系统互为热备冗余关系，正常运行过程中，任意一端运控子系统处于激活状态控制列车运行，当激活端运控子系统故障后，热备端自动切换为激活状态，继续控制列车平稳运行。
三、 车控一体化功能
1
2
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(一) 安全功能
全自动无人驾驶中低速磁悬浮车控一体化设计后的安全功能与现有传统的列车控制系统保持一致，根据具体项目需求及设计，由车载ATP子系统控制列车的安全功能，如紧急制动防护，牵引使能防护，车门使能防护，车门抑制防护，列车完整性防护，安全零速防护及障碍物检测等，本文不再对此进行详细描述。
(二) 非安全功能
1. 牵引制动控制
1) 牵引制动指令
运控子系统通过硬线列车线与牵引制动系统接口。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，运控子系统发送牵引、制动指令，用于告知牵引制动单元进入牵引、制动模式；牵引指令和制动指令应为互锁关系，即运控子系统不能同时发出牵引、制动指令。
Ø 在人工驾驶模式下（ATP、RM或纯人工模式），牵引、制动指令由司机控制器发出，当司机控制器手柄进入牵引区域，激活列车牵引命令，当司机控制器手柄进入制动区域，激活列车制动命令。注：当司机控制器手柄处于0位时，默认激活制动列车线。
牵引制动单元接收牵引、制动列车线命令，根据列车线不同命令决定进入牵引或制动状态。
牵引制动指令接口如图3所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 3牵引、制动指令
2) 牵引制动级位
运控子系统与车辆牵引制动单元之间可通过网络（以太网/MVB）和硬线模拟量（PWM/电流环）接口。注：根据具体项目设计，牵引制动的网络接口与硬线接口可互为冗余同时存在，正常运营时以网络接口为主，硬线接口在网络接口故障后的紧急牵引模式下使用。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，运控子系统通过网络信号或模拟量信号输出一定的牵引力或制动力，发送至车辆牵引制动单元，控制列车进行加速及减速，并通过对比车载ATP子系统采集的列车速度信息，实时调整输出牵引力或制动力的大小，使列车在车载ATP子系统生成的运行速度曲线范围内平稳运行。
运控子系统实时速度调整原理如图4所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 4列车牵引制动闭环控制流程
Ø 在信号防护的有人驾驶模式下（ATP、RM模式），运控子系统采集司机控制器状态，将其位置信息转换为相对应的牵引制动级位信息，并发送至牵引制动单元，人工控制列车加速减速；
Ø 当运控子系统故障后，列车进入纯人工驾驶模式，旁路运控子系统对牵引制动的控制，由司机操纵司控器，激活列车紧急牵引列车线，对列车施加固定级位（50%、100%）的牵引制动力，从而通过硬线接口控制列车运行。
2. 方向控制
运控子系统与车辆牵引单元通过硬线列车线接口。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，运控子系统发送方向向前、方向向后指令，用于控制牵引系统的相位方向。列车方向向前、方向向后指令应为互锁关系，即运控子系统不能同时发出方向向前、方向向后指令。
注：列车运行方向的切换只有在列车处于零速状态下才能进行。
Ø 在人工驾驶模式下（ATP、RM或纯人工模式），列车方向列车线由司机控制器激活，根据司机当前所处于的驾驶室端，确定列车向前、向后运行控制逻辑。
方向控制接口如图5所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 5方向控制
3. 悬浮控制
运控子系统与悬浮控制单元可通过网络（以太网/MVB）和硬线接口。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，当列车发车条件具备后，运控子系统通过网络接口发送起浮指令，悬浮控制单元根据命令控制列车起浮；当列车进站时，进入制动工况，列车对位停稳，且安全零速具备时，运控子系统通过网络接口发送降落指令，悬浮控制单元控制列车降落；
Ø 在信号防护的有人驾驶模式下（ATP、RM），运控子系统采集司控器起浮与降落指令，并将其通过网络接口发送至悬浮控制单元，控制列车的起浮和降落；
Ø 当运控子系统故障后，列车进入纯人工驾驶模式，旁路运控子系统对悬浮控制器的控制，由司控器通过硬线接口激活列车的起浮列车线和降落列车线，从而使列车起浮和降落。
注：当列车施加紧急制动时，自动触发降落指令，列车降落在轨道，通过车体与轨道面的摩擦力紧急停车。
悬浮控制接口如图6所示：
图SEQ 图 \* ARABIC6悬浮控制
4. 车门控制
运控子系统与车门控制单元可通过网络（以太网/MVB）和硬线接口。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，当列车进站停稳，开门条件具备后，运控子系统发送与车载ATP子系统使能侧对应车门的网络开门命令，门控单元接收后打开对应的车门；同样，列车关门也经由此网络接口实现。而当列车的某组门故障，其报警信息也由运控子系统进行采集，并发送至轨旁门控单元，实现车门-屏蔽门的故障对位隔离功能。
Ø 在信号防护的有人驾驶模式下（ATP、RM），运控子系统采集司机驾驶台面板的开关门按钮状态，当司机按压对应开关门侧的按钮时，运控子系统将发送指令打开、关闭整侧车门。
Ø 当运控子系统故障后，列车进入纯人工驾驶模式，旁路运控子系统对车门的控制，由司机按压开关门按钮激活左门、右门开关门列车线，从而通过硬线接口控制车门。
开关门控制接口如图7所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 7开关门控制
5. 休眠唤醒
列车休眠、唤醒指令由ATS子系统根据时刻表自动触发或由调度员手动触发，并经由轨旁ATC子系统发送至运控子系统；
当运控子系统接收到列车休眠指令后，自动进行车载ATP子系统与运控系统的休眠准备，同时将休眠指令通过网络接口发送至各车辆单元，各车辆单元完成自身休眠准备后将休眠状态反馈至运控系统，并进入休眠状态，运控系统收到各车辆单元的休眠状态后，将整车休眠成功状态发送至控制中心，同时自身也进入休眠状态（注：列车休眠后，除运控子系统外的其他列车子系统，将断电，如空调、照明、车载ATP子系统等，可根据具体项目需求和车辆电池特性进行设计）；
而当唤醒指令被触发后，运控子系统接收到轨旁ATC子系统发出的唤醒指令，开始自身及其他车辆单元的唤醒程序，唤醒完成后将唤醒成功状态发送至控制中心。
当运控子系统故障后，列车休眠、唤醒无法远程完成，需司机蹬车，在驾驶台按压列车休眠、唤醒按钮完成列车的休眠与唤醒功能。
6. 空调控制
运控子系统与列车空调控制单元可通过网络（以太网/MVB）接口。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，运控子系统接受控制中心远程空调控制指令，控制空调模式设置，空调温度设置，空调顺序启动控制，空调减载控制等，并实时将车厢温度状态、空调运行状态及故障诊断信息发送至轨旁控制中心。
Ø 在信号防护的有人驾驶模式（ATP、RM）下，运控子系统通过接收司机显示器（DMI）输入的相应控制指令，控制各空调功能的实现，并将空调状态监测及故障诊断信息发送至司机显示器（DMI）告知司机。
Ø 运控子系统故障后，列车进入纯人工驾驶模式，空调控制将无法通过网络接口来完成，需根据具体运营场景，在列车回库后在空调控制单元手动进行调整。
空调控制接口如图8所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 8空调控制
7. 照明控制
同空调控制模式，列车照明也是运控子系统通过网络（以太网/MVB）接口进行控制。
Ø 在全自动无人驾驶模式下，运控子系统接受控制中心远程照明控制指令，控制调整车厢内照明，并实时将车厢照明状态发送至轨旁控制中心。
Ø 在信号防护的有人驾驶模式（ATP、RM）下，运控子系统通过接收司机显示器（DMI）输入的照明控制指令，控制各节列车车厢内的亮度，并监控各车厢内的照明状态，发送至司机显示器告知司机。
Ø 运控子系统故障后，列车进入纯人工驾驶模式，照明控制将无法通过网络接口来完成，需根据具体运营场景，在列车回库后在照明控制单元手动进行调整。
照明控制接口如9所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC 9照明控制
8. 广播控制
运控子系统可通过网络（以太网/MVB）接口与车载PIS/PA进行通信；在列车正常运行过程中，运控子系统根据列车实际运行状态，发送相应的触发指令至车载PIS/PA，触发列车到站信息、发车信息、下一站信息等的显示与播报，并采集车载PIS/PA的状态及故障诊断信息。
运控子系统故障后，列车进入纯人工驾驶模式，PIS/PA信息将无法自动触发，需由司机使用紧急广播播报相应的信息。
9. 辅助控制
运控子系统具有辅助控制功能，与辅助系统ACU可通过网络（以太网/MVB）接口，向ACU传输控制指令，同时采集ACU的状态信息及故障诊断信息，并将状态信息及故障诊断信息发送至轨旁控制中心或司机显示屏显示。
10. 弓网监测
运控子系统可通过网络或硬线与弓网监测系统接口，实现受电弓状态监视、线网电压监视及弓网故障诊断等功能。
11. 车辆报警
运控子系统采集车辆各子系统状态，当任一车辆子系统发生故障时，按照不同故障等级，将故障报警状态通过信号CBTC系统发送至控制中心，并根据控制中心指令，手动或自动触发相应的故障响应机制。
四、 结束语
综合上文中描述，将无人驾驶中低速磁悬浮车载ATO子系统与车辆TCMS系统融合，形成整体的运控子系统，提高了中低速磁悬浮列车控制系统的智能化水平；在保证车载ATP安全防护功能的基础上，精简车载非安全架构，从而减少车载非安全控制设备及接口，通过高度集成化硬件节省设备占用空间；优化非安全控制信息流，提高非安全控制功能的实现效率，在降低接口设计难度的前提下，也将能进一步提高业主的维护效率。
进一步面向未来，随着国内无人驾驶轨道交通项目大量实施，此方案也适用于其他制式的轨道交通系统，如地铁、跨坐式单轨及APM捷运系统等，列车控制系统高度融合形成运控子系统，将促进轨道交通各子系统间协调发展，共同提高城市轨道交通系统的智能化、集成化水平，大幅度提高载运的社会经济效益。
