城市轨道交通全自动运行系统外场测试方案研究

郑 辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

城市轨道交通全自动运行因其系统安全可靠、灵活的运营方式、节能减排等诸多优点受到越来越多的青睐。截止至2017年3月，全球已有40个城市开通运营57条，850 km，890个车站的全自动运行线路[1]。从2008年北京机场线按照全自动运行等级建设开始，2017年12月28日国内首条采用自主化全自动运行技术的北京燕房线开通运营。上海10号线采用全自动运行后，平均旅速比有人驾驶提高了2.73 km/h，平均入库时间减少了130 s，站台乘降作业时间缩短了10 s，运营正点率高达99.97%，故障率大幅降低。受到全自动运行系统技术优势的鼓舞，近年来北京、上海、武汉、成都、南京、宁波、广州、南宁等地区开始大力推广全自动运行技术。

1 全自动运行外场测试的概念及内容

全自动运行系统外场测试主要是指车辆、信号、通信、综合监控、站台门等核心子系统除完成产品本身可靠性和必要的功能性试验外，为了保证全自动运行系统完整实现，还应在正式联调前增加外场测试环节，以便确认机电核心系统接口功能，确认软、硬件的静、动态设计的合理性与正确性[2]。外场测试主要包含3部分内容。

(1)集成测试：主要测试和证实各子系统之间的接口已正确无误实现，测试程序应包括所有的接口并证实其兼容性完备。

(2)功能测试：主要对个别子系统的功能表现根据要求进行测试，测试程序应能充分证实需实现的功能已达到在不同模式下所制定的要求。

(3)安全测试：此类测试主要是确定所配备的系统已达到所有的安全要求，而且在任何情况下不会危害到列车的安全运行。

2 工程概况

2.1 线路概况

南宁地铁5号线线路全长20.22 km，设站17座，均为地下站，最大站间距2.27 km，最小站间距0.79 km，平均站间距1.14 km，一期工程设那洪车辆基地1座，主变电站2处[3]。

2.2 主要技术标准

5号线车辆采用B型车6辆编组，直流1 500 V接触网供电，最高运行速度80 km/h，信号系统采用全自动运行技术，运营初期按照全线全时段有人监护，有人在司机室监护列车运行，第二阶段为车辆基地无人值守，正线全时段有人在列车车厢值守，第三阶段正线高峰时段有人在列车车厢值守，平峰时段多职能人员间隙巡视，第四阶段全线全时段无人模式[4]。

3 外场测试的必要性分析

3.1 工期筹划

南宁地铁5号线工程项目施工总工期为4年，计划于2017年9月全线车站开工，2019年11月底全线洞通，2020年8月电通，2020年10月～2021年3月系统联调，2021年3月27日三权移交，2021年6月28日开通试运营。

3.2 全自动运行对工期的影响

本线实行全自动运行，虽然对正线土建工程影响较小，但对车辆、通信、信号、综合监控等系统的功能都有所增加或增强，同时国内目前全自动运行的建设正处于起步状态，参与的各系统功能及接口还有待完善，因此实行全自动运行将使各系统设备及设备间接口调试、车辆制造周期等均需增加。根据国内其他全自动运行线路的经验，系统内各专业调试工期较常规项目调试时间增长20%～30%，在各专业调试完成、具备条件后，增加联调时间约20%，整体调试时间较常规项目增加约50%。全自动运行项目较传统模式线路建设工期至少增加6～12个月[5]。

针对本线采用全自动运行技术后系统联调周期较长，为确保如期开通，建议选取样板段或外场进行提前调试，样板段或外场至少提前12个月开始动车调试，全线联调联试至少提前6个月开始动车调试。

4 外场测试功能需求分析

4.1 行车功能需求

测试需求：启动加速至80 km/h、80 km/h常用制动及紧急制动、列车故障运行、故障救援等。

4.2 车辆功能需求[6]

测试需求：根据信号系统指令完成列车自动检测、列车自动休眠、唤醒、列车自动运行(含起动、加速、减速、制动、与乘客通信、救援疏导等)功能测试；列车故障诊断、数据传输、故障报警信息自动上传功能测试；列车排障功能测试；障碍物检测功能测试；列车脱轨检测功能测试；低压系统恢复供电功能测试；列车远程控制、复位功能测试；车辆关键系统热备份能力功能测试；车辆各子系统冗余测试；列车与火灾报警、视频监控系统联动功能测试；列车车门自动开关门、与屏蔽门对位隔离功能测试；列车电磁兼容性能测试；列车广播系统自动报站、声音采集、故障检测功能测试；列车视频监控及实时上传功能测试；列车制动控制功能测试；列车自动跳跃功能测试；列车停车控制功能测试(雨天、雾天、轮缘喷油情况下)；后备蠕动功能测试；列车车门紧急解锁功能测试；列车空调、照明自动调节功能测试；逃生门控制功能测试；全自动洗车功能模拟测试；有人驾驶/无人驾驶两种驾驶模式相互切换测试。

4.3 通信功能需求[7]

专用无线通信系统：试验线实现无线通信覆盖，测试列车紧急电话与乘客调度员之间的通话功能是否通畅。

乘客信息系统：实现乘客信息系统无线网络覆盖，测试车-地无线网络是否通畅；乘客信息系统与信号系统接口，实现到站信息显示功能，测试该接口功能是否实现。

视频监视系统：试验线全线设置摄像机，对试车过程进行监视；自动驾驶模式下，客室车载摄像机应与乘客对讲、紧急拉锁、烟感、逃生门进行联动，当发生紧急状况时，应触发联动信号，控制中心乘客调度员监视器应弹出发生状况处监视图像，视频监控系统应与相关系统配合，实现视频监视图像自动弹出功能。

广播系统：广播系统与信号系统接口实现到站广播功能，测试该功能是否实现；区间紧急模式下，通过广播系统实现对乘客引导疏散功能，与综合监控配套设置，测试区间引导疏散功能。

时钟系统：为系统提供标准同步时间信号。

4.4 信号功能需求[8]

测试需求：试验线应能够完成列车休眠唤醒、列车全自动运行(含起动、加速、减速、制动、与乘客通信、救援疏导等)功能测试、蠕动模式、雨雪模式、自动洗车、列车对位调整、停车列检库及洗车库库门防护、列车自动出/回场、模式转换、站间运行和精确停车、列车全自动折返、车门及安全门控制、车门/站台门对位隔离、作业区封锁防护、站台紧急关闭、车地通信、临时限速、联锁功能、故障测试(ZC设备故障情况下的列车运行、车载ATP设备故障情况下的列车运行、车载ATO故障情况下的列车运行、车载ATP与ZC通信故障下的列车运行、ZC与CI通信故障下的列车运行、VOBC与CI通信故障下的列车运行、计轴ARB下的列车运行及计轴复位功能测试等)等基本功能，以及信号系统与车辆、通信、综合监控、站台门等系统间的接口联动功能。

4.5 综合监控功能需求[9]

火灾自动报警子系统测试需求：按中央、车站两级调度管理，中央、车站、就地三级监控的方式设置，并负责实现火灾探测、向车站控制室及线路运营控制中心发出火灾警报、报告火灾区域、与综合监控系统配合或独立实现消防设备的联动控制。

门禁子系统测试需求[10]：门禁卡授权管理，设置员工票的安全级别、授权进入的区域、密码等；门禁系统参数管理，设置门禁系统的设备控制参数及安全参数。对系统参数的下载进行管理；采集限制区域读卡器进入的数据，并对数据进行存储与处理；系统报表生成，系统按时生成有关的报表，必要时可以灵活地根据条件查询数据及生成临时报表；接受通信系统时钟信号，同步门禁系统时钟；具有“运行”状态、“在线/备用”状态、“通信失效”报警、非法操作及其他重要信息报警；系统能向管辖范围内的单台、一组、一类或全部门禁设备下达运行控制命令；门禁系统实现火灾模式下，相关区域的门禁释放功能。

4.6 站台门功能需求[11]

需测试常规线路的系统级控制、站台级控制、手动操作、IBP盘紧急开门功能、单道门单元的维修控制功能。此外，采用全自动运行时，增加的与车门的对位隔离功能、语音播报功能、障碍物激光探测功能。

5 外场测试方案研究

5.1 外场测试总体技术原则[12]

(1)应敷设足够的线路、车站配线，满足本线全自动运行基本运行场景的试验。

(2)线路应满足最高时速80 km单车运行。

(3)若在正线开展测试，则至少应满足列车在三站两区间的运行试验，其中某一车站应配置必要的站台、站台门、站台紧急关闭等实体设施，测试与列车在正线运行时相同的场景。

(4)线路需配置必要的通信、信号、供电、综合监控等系统设备，能实现全自动运行的基本功能，在保证功能完整的条件下，设备配置可适度简化。

然而郑某的梦魇也就此开始，他上任不久，程瀚便对郑某说，准备给自己儿子程某某在芜湖碧桂园买房，让郑某准备50万元。第二天郑某便将50万元汇到程某某的账户上。2009年11月份左右，程瀚说要买房子，让其准备40万元，郑某不想给，程瀚态度很不好，并说“能让郑某上去也能让郑某下来”，郑某只得拎了一个黑色塑料袋到程瀚家。2011年年底，程瀚说装修房子让其准备20万元，其表示没钱，程瀚便对郑某大骂，逼得走投无路的郑某只好通过向其朋友宋某某借高利贷的形式借了20万元送到程瀚公安局办公室。

(5)牵引、制动性能合格的车辆是外场测试的前提条件，整个测试须满足调试司机通过一次全牵引操作，列车速度直接提升至80 km/h，并保持惰行一定时间后触发制动指令(包括全常用、快速及紧急制动)。

5.2 外场测试选址方案研究

5.2.1 测试场地设于车辆基地试车线方案

5号线那洪车辆基地内设有1条试车线，有效长为1.25 km，但出于安全考虑，列车速度仅能在瞬间提升到80 km/h，无法达到惰行时间要求，且试车线上无法增设站台、站台门等测试设施和设备，难以完成各类测试项目。此外，车辆基地试车线部分区域位于基本农田保护范围内，受征地影响，短期内无法开工建设。

5.2.2 测试场地设于正线方案

因车辆基地至国凯大道站间的出入段线存在曲线半径小(450 m)、坡度大(32‰)等问题，因此，暂定在正线距车辆基地较近的国凯大道站—那洪立交站—金凯路站的三站两区间进行外场测试，如图1所示。

依据目前的工筹计划安排，该区段线路工期需于2019年7月实现洞通，2019年11月实现轨通，2019年12月实现电通，2020年3月底相关系统安装、调试完成，具备以下测试条件。

图1 正线外场测试区段线路平、纵断面

(1)车辆基地：静调和周月检库提供两列位检修股道、登高平台和检查坑、车间电源及架车条件均应满足；两股道至试车线轨道贯通，接触网带电，具备动车条件；场内外道路具备运输和接车条件；牵混所交流、直流系统均需安装及调试完毕，所有继电保护整定值校验完毕，35 kV开关柜、1 500 V直流柜、400 V开关柜均可受电。

(2)出入段线：轨道贯通、接触网带电，具备动车条件。

(3)主变电所：旱塘主变电站所安装调试完成，各项继电保护整定值均检验完毕，完成送电。

(4)控制中心：控制中心相关核心系统如通信、信号、综合监控等系统设备安装并完成调试，综合监控应能实现与其他系统互联功能，控制中心至测试区段传输链路畅通。

(5)正线：3个车站土建主体结构完成，至少提供1个出入口供调试人员使用，部分设备、管理用房交付使用，配置临时空调、卫生间、上下水等后勤设施；三站两区间洞通、轨通，轨道专业完成调线调坡、长轨锁定；站台结构施工完成，站台边缘具备门体结构安装条件；三站两区间具备折返线或渡线。

(6)通信、信号：完成传输、无线、PIS等子系统和信号室内外设备安装及调试。

(7)站台门：完成设备安装及调试，与信号、综合监控等系统接口连接完备。

(8)供电系统：车站混合所交流、直流系统安装和调试完毕，所内综合自动化系统调试完毕，具备单站工作能力；车站内杂散电流防护系统、钢轨电位限制装置等系统安装调试完成；车站内测试场所具备照明措施。

(9)给排水：如FAS系统未投入使用，车站电气设备机房配置符合设计要求的灭火器，区间排水设备、消防水管、消防栓口、手报、消防报警及配套需安装完成。

(10)环控：车站隧道风机机房中4个轨顶风阀需安装完毕，安装完成后风阀关闭，避免机房施工对接触网和轨道行车安全造成影响。

5.2.3异地试验线方案[13-15]

(1)异地试验线长度研究

全自动运行系统外场测试存在是否需要两车高速追踪的情况，本次追踪研究参照国内其他地方规范高速追踪时间按照间隔60 s和90 s分别计算，考虑到追踪应维持一定时间，本次研究按照前后车达速时间10 s计算，因此试验线达速时间按照70 s和100 s进行计算。国内其他全自动运行线路速度目标普遍在140 km/h左右，为便于后期对比分析，本次研究了除5号线80 km/h以外3种速度目标值的试验线站中心距离长度，详见表1。

表1 不同速度、不同追踪时间的试验线站中心距离

除上述理论计算外，在工程应用中还应考虑安全防护距离、车挡设置条件等。安全防护距离按地面线路取值65 m，车挡设置条件取值25 m。

(2)全自动运行场景功能测试对长度的需求

全自动运行场景功能测试对异地试验线的基本要求为：三站两区间、1条折返线和渡线。车站站台长度与正线一致，区间最小长度为1列车长度，区间最大长度应满足2列车高速追踪运行，折返线长度满足停放1列车，岔线长度需满足模拟出入场段作业；真实车站应设置在第二车站位置，并设置配线。

不考虑高速追踪试车情况下，试验线长度一般不少于1 130 m(列车包络长度取值暂按30 m计)，试验线岔线长度需满足305 m，详见图2。

图2 异地试验线基本布置示意(单位：m)

考虑以80 km/h高速追踪试车的情况下，按照前后车均达速，达速时间按照70 s计，异地试验线正线长度一般不少于2 575 m，如图3所示。

图3 满足80 km/h追踪试车的试验线布置示意(单位：m)

(3)试验线基本配置

满足最高时速80 km双车追踪运行试验的要求，正线线路长度不小于2 575 m。采用地面或高架方式，设置三站两区间，车站设3组9号道岔、1条配线，车站设施配置实物；设置岔线长度不小于305 m，满足车辆进出试验线，兼顾出入场段功能试验要求。此外接触网、供电、无线通信、乘客信息、视频监控、广播、时钟、信号、综合监控系统均要求设置有实物。站台门系统需在真实车站一侧设置4个站台门单元、信号接口设备、障碍物探测设备等。为配套测试，需配置通信、信号等系统设备房、调度指挥用房、休息室等办公用房。

(4)异地试验线投资分析

异地试验线牵引供电、接触网工程投资估算参照南宁地铁5号线初设指标，其中轨道工程300万元/km、接触网按照65万/条·km，桥梁工程暂按3.45万元/延长米，其他各系统、站台门等按照实际需求进行估算，综上异地试验线总投资估算为19 852万元，具体详见表2。

5.2.4 外场测试方案对比(表3)

表2 满足80 km/h速度的异地试验线投资估算

表3 外场测试方案对比分析

由表3分析可知，正线三站两区间方案可减少不必要的外场设备安装、调试、管理问题，有利于提前发现设备安装和调试问题，但对该区段施工工期需提前，且场景测试与该区段其余设备安装和调试存在交叉作业，给建设管理带来一定的困难。异地试验线方案能完全避免与正线施工交叉的影响，对全线工期无影响，但投资较大，其场地选址和资金落实较困难，对于全自动运行线路规模较大的地区可考虑采用此方案。经综合分析，南宁5号线全自动运行外场测试建议采用三站两区间方案。

6 结论及建议

全自动运行外场测试是实现全自动运行场景模拟和调试的必要途径，外场测试方案的选择首先需要考虑车辆基地、正线以及整个线网全自动运行情况的相互关系。在此基础上，根据工期影响、长度因素、线路条件、投资增加、场地条件等各个方面进行综合分析，针对不同的前提条件选取相应的测试方案。根据对南宁地铁5号线车辆基地、相邻正线线路条件及工程实施进度等各方面分析，得出以下结论。

(1)考虑到试验线单独选址和投资的困难，在车辆基地条件允许情况下，优先考虑将试车线长度加长，并增设相应全自动运行测试设备、设施和用房。

(2)选取正线区间作为外场测试场地对正线车站、区间、车辆基地、主变电站施工工期存在较大影响，受控因素较多，存在滞后风险，但若选取的正线区间设计和施工可控，工期可调的情况下考虑此方案。

(3)从线网资源共享的角度出发，对于全自动运行线路规模较大或者本地区有车辆制造厂的地区，其试验线可考虑线网单独建设或者由车辆厂商配套建设的模式。