全自动无人驾驶系统ATS联动功能设计

赵青莉

(通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070)

1 概述

随着城市规模不断发展，城市人口也日益增多，因此对城市基础设施的要求也随之提高，而城市轨道交通以其运力强的特点在城市交通系统中占据着不可小觑的地位。近年来，城市轨道交通快速发展，城市轨道交通的线路越来越多，且线路复杂度越来越大，需要的城市轨道交通专业技术人员也就越来越多，另外，基于人工操作的局限性等特点，使城市轨道交通的运行效率遇到了瓶颈，为解决这些问题，全自动无人驾驶系统（Fully Automatic Operation system，FAO）就应运而生。FAO 系统是在城市轨道交通互联互通系统基础上，增加城市轨道交通正常运营的各系统间的信息交互，以满足系统安全、高效运行。

全自动无人驾驶的情况下，控制中心应具备列车的远程控制、远程列车广播、实时接收列车上传的数据等功能，并通过监控设备监视列车车厢乘客动态，且能够自动完成以往由人工保证的运营场景，基于这些需求，传统列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS）已不满足全自动无人驾驶的需求，传统ATS 有必要根据FAO 系统需求进行修改，来满足FAO 系统正常运行。对于传统ATS 系统的控制中心已经具备列车的远程控制、远程列车广播、实时接收列车上传的数据等功能，但对于城市轨道交通的早间上电、列车休眠/唤醒、出库等场景不能自动完成，而要将这些场景自动的串联起来，ATS 系统就需要添加联动功能，联动功能可有效提高这些场景的有序的自动运营，并根据控制对象反馈的结果做应急处理，减轻紧急情况下运营人员的工作压力以及不必要的错误操作，降低工作人员劳动强度，提高城市轨道交通的运营管理水平。因此，分析研究ATS 联动功能的设计具有重要意义。

2 全自动运行系统ATS联动功能概述

2.1 ATS联动功能概述

ATS 联动功能区别于TIAS 系统中综合监控的联动功能，综合监控专业的联动是对通信系统各专业的联动，而ATS 联动主要针对信号系统内部各专业进行联动，根据运营计划，对车、联锁、区域控制器（ZC）等专业进行联动操作，来满足FAO 系统各场景的自动运行，并能够在故障或紧急情况下自动进行操作处理。

2.2 ATS联动场景分析

全自动无人驾驶系统就是使用自动化的、集成化高的控制系统替代驾驶员的工作，从运营状况分，可分为正常运营和故障处理两类场景，共提炼出41个运营场景。

正常运营的场景有：早间上电、唤醒、出库、轧道车运行、正线运行、进站停车、站台发车、折返换端、终点清客、停止正线服务、回库、清扫、清洗、休眠、车辆段内自动转线、日检与维修、列车远程广播、扣车、跳停、行李系统场景。

故障处理的场景有：故障复位控制、再关车门/站台门控制、远程紧急制动、紧急制动缓解、区间疏散、紧急手柄、紧急呼叫、车辆火灾、FAM/CAM 相关模式转换、蠕动模式、车上设备工作状态远程监测、车门/站台门故障隔离、车门状态丢失、雨雪模式、车辆制动系统故障、救援、车站火灾、障碍物/脱轨检测、其他远程控制功能、运营中信号或车辆发生故障后的处理、站台门状态丢失场景。

这41 个场景中ATS 参与的方式有自动执行、半自动执行、以及状态监视3 种，其中自动执行和半自动自行的场景就需要ATS 进行联动处理，来满足各场景的正常高效运行。

3 ATS联动功能的设计

3.1 设计原则

ATS 系统联动功能主要是为了满足FAO 系统各场景的自动运营，根据ATS 内部的运行计划，对VOBC、AOM、TCMS、CI、ZC 等信号系统内部各子系统以及综合监控系统专业进行深度互联，提升FAO 系统的整体自动化水平的技术要求，对FAO 各日常运营场景及故障场景进行设计。因此，ATS 系统的联动功能设计和实施应遵循以下原则。

1） 为增强联动功能的灵活性，联动功能应不仅仅适用于目前的41 个场景，还可以处理临时增加的其他场景，基于此，对FAO 各场景进行抽象，概括出基本的联动步骤，所有场景均可套用，联动动作、触发条件、执行顺序等信息可人工配置。

2） 由于FAO 系统场景繁多，且后期会有不可预期的场景，因此联动功能的配置难免工作量大，因此，联动配置设的计应简洁、易于理解。

3） 在FAO 系统中，ATS 系统是一个非安全系统（部分功能为安全功能），对于某些操作必须进行人工干预，因此，联动类型需设计为自动执行、半自动执行和人工执行3 类。

4） 不管是人工执行的联动还是自动或半自动执行的联动，均需提供清晰的输入条件，并有明确的输出结果。

5） 触发联动的逻辑条件之间通过逻辑表达式的形式完整的逻辑判断。

6） ATS 系统为分布式系统结构，因此，联动的执行位置应明确，可分为中心执行和车站执行两类。

7） 考虑到ATS 的联动为信号系统内部的联动，因此，各联动操作均通过既有ATS 与各系统的接口来完成，必要时需新加接口。

8） ATS 联动功能主要是完成全自动无人自动驾驶系统各运营场景，以及用户提供的功能需求，因此，联动功能主要通过系统配置实现。

3.2 ATS联动分类

根据联动执行地方的不同，可以将联动分为中心联动和车站联动。中心联动功能主要用于需要中心进行控制，多个车站配合协调完成的动作。车站联动功能主要用于车站管辖范围内的各系统和设备间的配合协调动作。

全自动联动是在没有人工干预的情况下，自动完成所有动作。即系统自动监测联动的触发条件，当满足触发条件时，在没有人工干预的情况下，ATS 系统自动完成联动步骤中的所有动作，并将相关控制命令发送给相关被控系统。

半自动联动是指在联动执行过程中，部分操作需要人工干预后才能进行后续的联动动作，一般跟安全相关的操作需要人工干预。当联动被触发后，部分操作由系统自动完成，部分操作会提示操作员进行操作，当操作员执行完成后，联动继续执行，直至联动所有动作完成。例如，唤醒场景中，当每条库线里所有列车都出库后，系统自动在行调工作站上弹出关闭库门提示，待行调确认关闭库门后，ATS 联动执行自动关闭库门操作，在这个联动过程中，前半部分操作由系统自动完成，后半部分有人工干预完成，这类就属于半自动联动。

手动联动是完全由人工参与的联动步骤，操作员可自行编辑联动执行的步骤，并选择执行某一联动动作。

根据联动功能的不同，可以将联动分为预定义联动和自定义联动两类。预定义联动是根据联动场景预先定义好的联动功能，操作员不允许在线修改这些联动定义和设置；自定义联动是由操作员在线自定义的联动，并允许操作员修改或删除自定义的联动。

3.3 预定义联动设计

经过分析全自动无人自动驾驶系统的41 个正常及故障运营场景，将对这41 个场景进行预定义联动设计，其中自动执行的场景有唤醒、 轧道车运营场景、列车进站、区间疏散、障碍物/脱轨检测、跳停场景，需要调度及其他工作人员配合执行的半自动执行场景有早间上电、出库、清客、回库、清扫、洗车场景，完全人工执行的场景有站台门故障隔离车门、车站火灾场景，其他场景ATS 系统只进行状态监视。

ATS 系统预先将各场景的执行顺序定义好，并定义好各场景的触发时机，当触发时机满足时，ATS 系统自动触发各场景的联动，将相关操作按执行顺序发送给相关专业，并在执行过程中不断检查各专业反馈的执行结果，并根据执行结果判断联动是否执行完成，最终将联动执行的结果反馈给行车调度、电力调度、车辆调度、维修调度等工作人员。

当联动被触发或自动联动被执行时，ATS 系统在HMI 上提供显著的响应方式被操作员观察到，针对不同的场景，响应方式包括：弹出提醒对话框、工具栏联动按钮闪烁。其中，根据场景危害的严重级别，工具栏联动按钮闪烁可以分为3 个等级：灾害、警告、一般事件。不同场景对应的危害级别，其中属于灾害等级的有车辆火灾、车站火灾、障碍物/脱轨检测场景，属于警告等级的有区间疏散场景，属于一般事件等级的有早间上电、唤醒、出库、轧道车运营场景、列车进站、清客、回库、清扫、洗车、跳停场景。

3.4 自定义联动设计

3.4.1 联动动作

如果把联动看做一个自动控制系统的话，ATS系统内部的信息属于控制器，信号系统其他系统是被控对象，ATS 联动模块为执行器，各系统反馈给ATS 系统的结果为测量仪表，也就是当ATS 系统提供的信息满足联动触发条件时，联动模块触发响应的联动动作，并发送与该动作相关的命令到信号系统的其他子系统，这些系统处理完收到的这些命令后，将结果反馈给ATS 系统，完成一个闭环控制。联动执行的过程也就是一系列联动动作的执行过程，因此，可以把联动动作定义为联动功能的最小执行单元。

经过对FAO 各运营场的分析，总结出每个场景需参与的专业，并结合ATS 系统本身的特点，归纳出ATS 系统联动功能的联动基本动作有：发送时刻表、唤醒、休眠、出库、正线运行、扣车、跳停、清客、停止正线服务、回库、清扫、洗车、折返等。系统可支持部分固定的联动动作，也可自定义其他的联动动作，并可对这些动作的属性进行编辑和修改。

3.4.2 联动设置

联动功能设置基本操作包括新建、查询、编辑、删除。对于一条联动可选择该联动的触发条件，可设置联动的类型、联动执行方式、联动的危害，以及联动动作等级等内容。

触发条件又分为条件触发、定时触发、周期触发3 类。条件触发中多个判断条件必须用逻辑运算符连接起来，系统的提供的“与”、“或”、“非”等逻辑运算符。

定时触发，只需要设置好触发的日期和时间即可。

周期触发，设置联动触发的周期，例如，每年、每月、每周、每天、每秒等。

联动的类型，根据全自动无人驾驶系统的运营场景进行划分，可设置为早间上电、唤醒、正线运行、洗车、休眠等类型。

联动执行方式，即全自动、半自动、手工3 种执行方式设置。

联动的危害，即联动的危害等级，分为灾害、告警、一般事件等。

联动动作，根据不同的联动场景选择对应的联动动作，设置联动动作的执行顺序。

3.5 联动触发设计

联动是由触发源来触发执行的，即当满足触发条件时系统才执行联动动作。归纳总结全自动无人自动驾驶系统的场景，可抽象出ATS 联动的触发源可以是列车运行计划，也可以是列车所处的位置，以及列车的状态，ATS 联动模块将这些信息组合，作为各个场景的出发条件，例如，唤醒场景，当收到的列车运行计划中，该列车在某时刻上线运行，ATS 联动会提前一定的时间检查列车是否处于可唤醒的轨道（列检库、存车线、折返线），并检查列车的状态是否满足唤醒的条件，当这几方面均满足时，即可给列车下发唤醒命令，并处理后续列车正常运营的其他场景联动。

3.6 联动执行设计

联动执行可根据联动执行的状态将所有联动分为待执行联动和正在执行的联动，且所有联动都有一个联动执行操作区，联动执行操作区包含联动的危害等级、联动名称以及联动的触发时间等。对于“待执行的联动”，操作员可以对这些联动进行“执行”和“终止执行”的操作，也可临时修改联动各步骤的联动动作。对于“正在执行的联动”，操作员可以进行“终止执行”操作，但不可修改联动各步骤。

3.7 联动执行结果设计

联动的执行结果，根据各专业反馈的执行结果进行更新，并作为后续联动执行的判定条件。联动功能通过有向无环图实现，因此联动执行失败后，通过触发条件重新触发联动，不可重复执行失败后的联动。

4 总结

地铁A T S 系统中的联动功能是实现全自动无人驾驶系统功能的一个重要环节，因此，对于A T S 联动功能设计应该以“安全第一”为基础，坚持高度集中、统一指挥的原则，结合既有TIAS的信息集成优势，设计出满足全自动无人驾驶系统所需要的综合联动功能，保证全自动无人驾驶系统的运行效率。