城市轨道交通全自动运行系统多功能仿真平台设计与实现

冯浩楠，黄苏苏，付 伟，李 智

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2. 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

近年来，随着城市轨道交通快速发展，基于通信的列车控制（communication based train control,CBTC）信号系统已经无法满足现有需求，全自动运行（fully automatic operation, FAO）技术正成为下一代发展趋势[1-2]。

FAO 系统将信号系统、车辆、综合监控、通信和站台门等多个系统深度融合，取消司机驾驶，车辆实现从出库到回库高度自动化运行，全面提升城市轨道交通系统自动化水平[3-4]。目前，国内上海10 号线、北京机场线、亦庄线等应用了FAO 系统，更多城市正在规划使用此类系统[5-7]。

城市轨道交通控制系统在投入工程应用前，为了验证其功能完备性和安全性，确保系统安全可靠运行，需要借助实验室的仿真系统进行仿真测试，完成多项性能检验[8-9]；此外，仿真系统还在控制系统的教学培训和实践学习中发挥重要作用[10-13]。

对比现有的CBTC 信号系统，FAO 系统在自动化集成度、可靠性、大数据运维和组织调配的灵活性等4 个方面实现了系统性能和功能全面提升[14]，相应的CBTC 系统仿真平台已经无法适应 FAO 系统的新需求。因此，本文针对FAO 系统的新特点，依托中国铁道科学研究院轨道交通实验平台，针对中国城市轨道交通协会的城市轨道交通全自动运行系统技术规范，基于广州线路实际应用背景，建立FAO 系统多功能仿真平台。仿真平台在继承现有CBTC 系统仿真平台的基础上，对功能和应用进行了拓展，除了具备现场工程参数的评估、系统性能评估和验证基本功能外，增加贴合工程实践需要的人员操作培训和工程故障分析等功能，使仿真平台更好地为工程应用服务，在工程生命周期中发挥最大功效。

1 FAO 系统仿真平台设计

1.1 FAO 系统运营场景

根据中城协城市轨道交通全自动运行系统技术规范的要求，FAO 系统的工作状况设计为一个8 种工况转换图，如图1 所示。车辆系统在唤醒上电命令下从断电工况变为待命工况，在出库命令条件下进入车辆段内变为场内工况。当车辆进入洗车线开始洗车命令和驶离洗车线结束洗车线的命令下，洗车工况与场内工况相互转换。在出段命令下，车辆进入正线工况。在终点站清客和清客完成启动条件下，正线工况与清客工况相互转换。入库条件下车辆转换为清扫工况。在按压检修和复位检修条件下，系统在清扫工况与检修工况之间转换。

1.2 FAO 系统架构

针对FAO 系统工况任务，设计FAO 多功能仿真平台分为中心级、轨旁级和车载级三个部分，结构如图 2 所示。中心级系统包括中心自动列车监控（automatic train supervision, ATS）系统、综合监控系统；轨旁级系统包括位于车辆段和正线的计算机联锁（computer interlocking, CI）系统、区域控制（zone controller, ZC）系统、轨旁仿真输入输出（input and output, IO）系统和车站ATS 系统；车载级系统包括列车自动驾驶（automatic train operation, ATO）系统、列车自动保护（automatic train protection, ATP）系统和车载检测系统。所有系统通过数据通信系统（data communication system，DCS）按照规定协议完成数据信息交互，实现列车全自动驾驶。

图1 FAO 系统工况转换图

图2 FAO 仿真平台组成架构图

2 实验内容设计与实现

2.1 FAO 系统仿真平台实现

FAO 系统仿真平台选取广州7 号线车辆段和正线4 个集中站作为应用场景，其中车辆段和广州南站使用真实设备、其余三个设备集中站使用仿真设备模拟真实系统。这种混合系统配置方式既节省成本、减少空间占用，又很好地实现了系统功能的需求，仿真平台全景如图3 所示，各个系统功能如表1 所示。

图3 FAO 系统仿真平台全景图

表1 FAO 组成的系统功能表

2.2 FAO 系统仿真平台实验内容设计

FAO 系统多功能仿真平台具备工程参数评估、系统功能验证和评估、人员培训和故障分析4 大功能，贯穿于系统的工程全寿命周期，即从研发、预交付、交付使用和售后维保4 个阶段。FAO 系统仿真平台在工程生命周期各阶段的功能、使用者和输出如表2 所示。

（1）现场工程参数的评估。FAO 系统是一个复杂系统，涉及众多系统协同运转。为了能够实现自身设计目标和FAO 整体系统有效运转的目标，需要对各个系统的配置参数在合理区间中选取优选值，使系统性能达到最优。

表2 FAO 系统仿真平台功用表

（2）系统功能验证和评估。在工程生命周期中，功能验证和评估可以分为内部测试、第三方认证测试和验收测试三个阶段。内部测试是系统完成后，开发人员交付测试工程师进行白盒和黑盒测试，验证系统功能；目前城市轨道交通工程需要有资质的认证机构进行第三方认证并提供认证报告，在此过程中认证人员会对系统的功能进行现场认证，并对系统功能测试报告进行评估；系统交付工程应用前，建设单位和运营单位依据系统和工程需求，利用仿真平台进行功能测试，验证系统功能是否达到系统初期设计要求，在实验室功能测试满足系统要求后，进一步将系统送往现场安装，并进行真实环境下现场测试。

（3）人员培训。虽然采用 FAO 系统后，司机的作用将弱化甚至取消，但是系统的正常运行仍涉及其他人员的支持和保证。人员培训重点包括运营人员和故障检修人员。针对人员职责不同，有针对性地编排培训实操内容。针对运营人员，重点是ATS 操作人员，在对其进行系统用户手册、系统界面显示意义等内容的培训和考核后，通过在仿真平台上设置典型运营场景，对运营人员进行实操培训考察；针对现场维保人员，系统研发人员在向其进行系统性能、故障指示灯意义、常见故障分析处理的培训后，通过在仿真平台预设故障考察现场维护人员的掌握程度；此外，仿真平台还可以作为单位新员工培训工具，为新员工快速掌握系统性能、积极参与项目开发提供了途径。

（4）故障分析。故障分析功能包括两部分：一种是FAO 系统设计时建立的预设故障库，包括报警意义表述、常见故障模式分析。在实验阶段，通过在仿真平台上进行故障注入的方式实现对系统的可靠性、安全性进行评估。另一种是现场故障分析，通过对综合监测系统的现场记录回放分析，研发人员判断系统故障原因，利用仿真平台模拟现场故障产生条件复现故障，最终确认故障原因和出具故障分析报告，以及相应的系统提升方案；同时将新故障进行归类，升级完善预设故障知识库，统计运行期间的故障数目，评估系统运行性能。

3 FAO 系统仿真平台实验室应用

FAO 系统仿真平台实验室应用内容包括：

（1）现场工程参数评估。城市轨道交通工程涉及众多工程参数，可以分为设计工程数据、系统管理数据、运营数据和维护数据4 大类，如图4 所示。开发人员依据行业规范和系统需求完成系统设计和实现。在FAO 仿真平台上进行参数评估，待评估的参数可以分为两类：一类属于固定参数，如各系统通信IP 地址、端口号、轨道区间长度、各类继电器数目等，这类参数变动很小，只需在仿真平台上进行配置可行性评估；另一类属于可变参数，如通信周期、通信超时判断等，这类参数通过在系统配置并进行集成实验，根据实验结果评估选取最优值，提升系统运行性能。

（2）系统功能验证和评估。在系统功能验证和评估方面，FAO 系统仿真平台包含的三类测试项目样例如表3 所示。

（3）现场人员操作培训。FAO 系统仿真平台的培训实验内容如表4 所示。

图4 城市轨道交通FAO 系统工程参数

表3 FAO 仿真平台测试项目列表

表4 FAO 系统仿真平台培训内容

（4）故障分析。FAO 系统仿真平台的预设故障库的内容包括故障原因、故障产生的预期报警、故障应对及解决措施等；现场故障分析功能包含系统故障描述、故障影响、故障记录、故障原因以及故障解决方案等内容。

4 结语

针对中城协城市轨道交通全自动运行系统技术规范的要求，结合具体工程应用需求，依托中国铁道科学研究院创新基地，以广州7 号线为应用背景，设计并实现了FAO 系统多功能仿真平台。仿真平台涵盖工程参数评估、系统性能验证和评估、人员培训和故障分析四大功能，在加速系统工程化应用、提升系统性能、加强运营技术支持和系统维护保障等方面发挥了重要作用。