無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)和典型場景應(yīng)用分析

王 鵬

無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)和典型場景應(yīng)用分析

王 鵬

（石家莊市軌道交通有限責任公司，050011，石家莊//工程師）

城市軌道交通無人駕駛系統(tǒng)是一種代替司機行使列車控制和駕駛功能的信號系統(tǒng)，可以做到無人值守，因此對各信號子系統(tǒng)有較高的性能要求。介紹了無人駕駛技術(shù)的概念及優(yōu)勢，綜合分析了無人駕駛信號系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和無人駕駛模式下的典型場景；結(jié)合迪拜、韓國無人駕駛線路開通后的運營狀況，推廣無人駕駛技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)中的應(yīng)用，并為廣大工程設(shè)計人員提供參考。

城市軌道交通信號系統(tǒng)；基于通信的列車控制；無人駕駛；關(guān)鍵技術(shù)

1 無人駕駛技術(shù)概念及優(yōu)勢

1.1 無人駕駛技術(shù)的概念

按照IEC 62290的定義，無人駕駛有DTO（Driverless Train Operation，自動化等級為GOA 3）和UTO（Unattended Train Operation，自動化等級為GOA 4）兩個等級。無人駕駛更多的是運營理念上的變化，而非僅是ATP/ATO（列車自動保護/列車自動運行）設(shè)備的變化。更好的系統(tǒng)性能、靈活性和低能耗是其公認的優(yōu)勢。

目前，城市軌道交通（以下簡為“城軌”）列車的運行方式和駕駛模式可分為5種類型：目視下列車運行（TOS）、非自動列車運行（NTO）、半自動列車運行（STO）、有人值守列車自動運行（DTO）和無人值守列車自動運行（UTO）。按照國際電工委員會在2004年發(fā)布的IEC 62290-1《Railway Applications Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems》中的定義，其分別對應(yīng)GOA0至GOA4五個自動化等級，如表1所示。

目前大部分CBTC（基于通信的列車控制）線路都基于GOA2的標準設(shè)計，列車的運行方式為STO，駕駛模式通常為ATP/ATO。此模式下，列車可以實現(xiàn)在站間的自動行駛，但列車上需設(shè)置駕駛室并配置一名司機。司機的主要職責是負責列車的安全進站和發(fā)車，以及緊急情況下的乘客救援。STO方式的列車可以做到自動牽引和制動，但司機在緊急情況下可手動制動列車。

1.2 無人駕駛技術(shù)的優(yōu)勢

對于城軌業(yè)主來說，一套理想的信號系統(tǒng)首先要確保極高的RAMS（可靠性、可用性、可維護性、安全性）；其次要盡可能減少生命周期的成本支出，降低日常維護的工作量；最后應(yīng)具備優(yōu)異的工作性能，能夠支持最短的行車間隔和最多的列車數(shù)量，并具備進一步升級的潛力。本文以加拿大溫哥華的SkyTrain為例，說明無人駕駛的優(yōu)勢。

1.2.1 成本優(yōu)勢

無人駕駛技術(shù)有效減少了人員和設(shè)備數(shù)量，因而降低了運營和維護的成本。美國公共交通協(xié)會（APTA）的“BC Transit Fact Sheet-SkyTrain Performance”報告顯示，采用無人駕駛技術(shù)的SkyTrain相比同一時期開通的其他線路，總承包費降低了14%以上。圖1列出了北美主要線路的直接運營成本［2］，可以看出，SkyTrain每運輸1名旅客1 km的成本僅為6.9美分，而有的線路接近30美分，相當于前者的4倍。

圖1 北美主要線路每公里旅客運輸成本

1.2.2 節(jié)能優(yōu)勢

無人駕駛技術(shù)使得VOBC（車載控制器）可根據(jù)列車的質(zhì)量、速度、加速度等參數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)牽引和制動的輸出功率，相比人工駕駛降低了能耗。此外，通過更科學(xué)的自動調(diào)度功能，無人駕駛可做到在一列車進站時另一列車同步出站，這樣進站車減速時產(chǎn)生的能量可通過電網(wǎng)輸送到出站車，可進一步提高能量利用率。圖2為北美主要線路的能效［2］，可見每耗費1 kWh的電力，使用無人駕駛技術(shù)的SkyTrain可將1名乘客運輸9.5 km，接近平均值5.2 km的2倍。

2 無人駕駛關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計需求

為了實現(xiàn)無人駕駛，在現(xiàn)有CBTC信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要作出一些關(guān)鍵性的變化。本文按照信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)的順序進行分析。

2.1 車載系統(tǒng)設(shè)計需求分析

圖2 北美主要線路乘客運輸單位能耗

車載系統(tǒng)設(shè)計最重要的一點，是車載系統(tǒng)將直接與控制中心相連，且必須具備故障檢測和報警功能，尤其是安全相關(guān)的故障信息，需實時報告給控制中心的值班員而不再是司機。典型的安全相關(guān)故障信息包括制動器拖滯、牽引故障、火/煙警、低氣壓、駐車制動故障、側(cè)滑、門狀態(tài)丟失和列車完整性丟失等。此外，控制中心需具備遠程列車門控制功能，以及遠程重置、啟用冗余車載CBTC設(shè)備的能力。

從車載設(shè)備的功能上看，無人駕駛技術(shù)要求VOBC具備列車自動牽引功能，以及停站、對標、緊急制動（EB）和EB自動緩解能力。同時，VOBC應(yīng)能針對不同場景采用不同的制動率，以獲得最佳的制動效果。VOBC應(yīng)具備根據(jù)列車牽引、制動以及線路狀況計算速度曲線的能力，并控制列車根據(jù)速度曲線自動、實時調(diào)整運行速度。

另外一個比較重要的需求是VOBC需要具備更強的車門控制能力。在緊急情況下，車載設(shè)備需要切斷列車牽引并實時監(jiān)控制動系統(tǒng)工作狀態(tài)，同時在控制中心授權(quán)的情況下通過旁路功能打開處于“門狀態(tài)丟失”故障下的車門。

為了確保可用性，通常需為無人駕駛列車配置兩臺VOBC，其中一臺工作而另一臺處于熱備狀態(tài)。當需要時，控制中心可遠程控制并啟用備機，實現(xiàn)車載設(shè)備的無擾切換。

無人駕駛列車無需司機，自然也不需要駕駛室，只需為車頭、車尾的車載設(shè)備各配置一間設(shè)備室即可。因此，無人駕駛可以在保持列車尺寸不變的前提下整合出更大的乘客空間，從而提升運能。

2.2 軌旁系統(tǒng)設(shè)計需求分析

軌旁系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵需求主要有以下三點：

（1）取消后備模式及聯(lián)鎖和計軸等設(shè)備。無人駕駛列車，絕大多數(shù)時間工作在CBTC模式下并按照系統(tǒng)控制自動運行，無需人員干預(yù)。在此模式下，列車運行由ATP設(shè)備控制，列車定位由信標或感應(yīng)環(huán)線探測，因而無需配置聯(lián)鎖和計軸等設(shè)備；同時，無人駕駛技術(shù)提高了CBTC設(shè)備的冗余度，進一步降低了設(shè)備故障乃至癱瘓的可能性；最后，若在最不利條件下發(fā)生了所有CBTC冗余設(shè)備都故障的情況，控制中心亦只需調(diào)度一輛受控列車通過牽引或是拖曳的方式將故障列車調(diào)回庫，從而降低對日常運營的干擾。

（2）需要配置軌道異物入侵檢測系統(tǒng)。目前的CBTC中并沒有配置軌道異物入侵檢測系統(tǒng)，列車運行前方軌道條件的檢查和瞭望由司機人工完成。無人駕駛模式下，由于沒有司機，這些工作需由異物入侵檢測系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)已在城際鐵路線上得到廣泛應(yīng)用。其工作原理通?；诩す?、紅外線或雷達波，當有異物（無論是金屬還是非金屬）進入軌行區(qū)時，該系統(tǒng)會自動報警并發(fā)送信號給VOBC，列車會自動采取制動措施。

（3）強化視頻監(jiān)控和乘客廣播系統(tǒng)。在當前的CBTC系統(tǒng)中，如果遭遇突發(fā)狀況，如列車延誤、緊急疏散或系統(tǒng)故障導(dǎo)致列車原地等待時，由司機通過車載廣播告知乘客，并安撫乘客情緒。無人駕駛模式（尤其是UTO模式）下，如果列車由于自身或前方故障等原因在隧道中停車而車上又沒有地鐵工作人員的話，很容易誘發(fā)乘客的恐慌情緒。因此，車載及站臺必須安裝高度可靠的視頻監(jiān)控和乘客廣播系統(tǒng)，并向乘客播報諸如站名、延誤、火警、疏散等語音信息。此外，需要在站臺和列車的顯著位置設(shè)置可靠而易用的緊急通信裝置，允許乘客在緊急情況下通過此裝置主動聯(lián)系控制中心。

除此之外，CCTV（閉路電視）視頻監(jiān)控系統(tǒng)也變得不可或缺?；谲囕d系統(tǒng)設(shè)計需求的分析，站臺和列車內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像需要實時傳遞到中央，且監(jiān)控范圍需覆蓋到每一個車廂。上述關(guān)鍵系統(tǒng)需配置一定程度的冗余，且冗余系統(tǒng)可由控制中心遠程直接啟用。

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于LTE（4G通信技術(shù)）的車地通信方案正逐步得到應(yīng)用。LTE技術(shù)可實現(xiàn)車地間更快速、更高帶寬的數(shù)據(jù)傳遞需求及更強的保密性，也使得語音和圖像等多媒體信息能夠通過ATS（列車自動監(jiān)視）網(wǎng)絡(luò)進行傳遞。

2.3 提高設(shè)備集中度

在全無人駕駛線路，軌旁信號機的作用再次減弱，從建設(shè)、維護、節(jié)能等各個角度，信號機不再必要。此外，計軸等輔助列車檢測設(shè)備在許多無人駕駛線路中都不再使用。通過提高系統(tǒng)的故障自恢復(fù)能力，CBTC有能力保持對列車的追蹤和間隔防護。如表2所示，計軸和信號機等輔助列車檢測設(shè)備消耗大量的能源，取消輔助列車檢測設(shè)備，不僅能提高信號系統(tǒng)整體的集成度，也降低了能源消耗。CBTC系統(tǒng)向著減少設(shè)備特別是軌旁設(shè)備的方向發(fā)展，無論是增強型的聯(lián)鎖還是增強的VOBC（車-車通信）都是在這個方向上的嘗試。發(fā)展的技術(shù)路線包括了聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的集成融合，以及車地之間的集成融合。安全平臺在聯(lián)鎖、區(qū)域控制器（ZC）以及VOBC的統(tǒng)一使用，也為CBTC功能的集成提供了平臺。因此，聯(lián)鎖與區(qū)域控制器的結(jié)合是今后發(fā)展的方向。

表2 列車輔助檢測設(shè)備耗能統(tǒng)計

3 無人駕駛場景分析

無人駕駛模式的完整場景應(yīng)包含列車喚醒、出庫上線、正線運營、車輛段運營、故障處理等，表3列出了較為詳細的無人駕駛場景。本文選取幾個具有代表性的典型場景進行分析。

3.1 日常運營

無人駕駛模式的正常運營包含車輛段中列車的喚醒和自檢、出庫上線、投入運營、正線載客、退出運營回庫等5個階段。其中喚醒和自檢是正常運營的基礎(chǔ)。在時刻表中指定的時間，OCC（運營控制中心）人員通過ATS系統(tǒng)遠程啟動VOBC，VOBC收到控制命令并對自身數(shù)據(jù)和故障情況進行檢查，確認條件無誤后向列車發(fā)送全面喚醒指令；列車收到喚醒指令，隨即開啟列車上的照明、空調(diào)及其他車身控制系統(tǒng)電源，VOBC通過與列車的接口接受來自車輛的外部檢查結(jié)果，并將結(jié)果及狀態(tài)報告給OCC，所有條件具備后列車自動進入FAO（全自動運行）模式，完成喚醒。

表3 無人駕駛完整場景

自檢通過后，根據(jù)場段派班員編制的出入庫計劃，ATS系統(tǒng)自動為列車排列出庫進路至第一個運營車站。此外，在派班員的操作界面上應(yīng)顯示列車自檢信息，以便其根據(jù)列車狀態(tài)隨時修改派班計劃。當列車完成當日的運行任務(wù)運營至最后一個車站，確認清客后，ATS自動為列車排列回庫進路，列車運行至指定停車列位停車。列車的休眠可以看做喚醒的逆過程，即當VOBC收到ATS發(fā)來的控制命令后向列車發(fā)出休眠指令，列車檢查自身狀態(tài)并報告給VOBC；VOBC則匯總反饋到OCC，確認條件無誤后，VOBC接受指令并關(guān)閉空調(diào)、照明及各控制系統(tǒng)電源，但保持VOBC自身不斷電并進入休眠狀態(tài)，直到第二天的喚醒命令到來。

3.2 首列車巡道

通常，在開始一天的正式運營前，應(yīng)安排一列車進行巡道。巡道的目的在于確保軌道條件具備且區(qū)間內(nèi)沒有異物。巡道工作分為有人值守和無人值守。在有人值守條件下，巡道列車上可配置1名乘務(wù)員在頭車值守，列車以受限速度運行，當乘務(wù)員發(fā)現(xiàn)異物時手動按壓EB按鈕停車。在無人值守條件下，由車上的CCTV系統(tǒng)自動切換至巡道車前方的攝像頭，OCC可以通過攝像頭實時觀察線路前方狀態(tài)，或由列車障礙物探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)異物并報警。當需要人員進入軌行區(qū)處理異物時應(yīng)切斷相應(yīng)區(qū)域的三軌供電，人員進入前激活區(qū)域鎖閉功能，并調(diào)動視頻監(jiān)控顯示處理過程。巡道結(jié)束后，列車開始以正常速度載客運行。

3.3 區(qū)間停車

計劃外的區(qū)間停車屬于故障場景，具體可分為兩類：一類是單純的由于車-地通信丟失（即VOBC與軌旁ZC的無線通信中斷）而導(dǎo)致的停車；另一類是由于列車自身設(shè)備故障導(dǎo)致的在區(qū)間內(nèi)無法移動。對于第一類情況，行駛中的列車會觸發(fā)EB，之后VOBC會嘗試與ZC建立通信，若建立失敗，VOBC自動控制列車以受限的蠕動速度行駛至移動授權(quán)終點，即下一個可停車的站臺。列車到達站臺后，若通信恢復(fù)正常，則列車在停站時間結(jié)束后繼續(xù)正常行駛；若通信仍無法建立，則由OCC廣播或者由車站值班員引導(dǎo)乘客下車清客。對于第二類情況，首先由OCC通過CCTV監(jiān)控車上狀況，并通過廣播系統(tǒng)通知車上乘客列車故障無法繼續(xù)運營，要求乘客等待救援，并安撫乘客情緒，同時取消故障車的進路設(shè)置；其次由存車線或車輛段安排救援列車，為救援列車安排距離故障車最近的站臺，此時故障列車被系統(tǒng)識別為障礙物，無人駕駛系統(tǒng)將在ATP的防護下控制救援列車行駛至距離障礙物最近的位置，然后由救援列車上的人員轉(zhuǎn)為手動駕駛模式靠近故障車并完成連掛；之后救援列車牽引或拖曳故障車至最近站臺，同時將該站臺設(shè)置為防護區(qū)域，在站臺引導(dǎo)乘客清客；最后將故障車牽引至存車線停放。救援列車完成解編即可繼續(xù)投入運營。

3.4 火警警情

發(fā)生火警是緊急事態(tài)中非常嚴重的一種，也是非?？简灍o人駕駛系統(tǒng)性能和運營公司組織能力的場景?；鹁譃榱熊嚮鹁驼九_火警。對于列車上的火災(zāi)，應(yīng)由煙霧探測器和熱源探測器第一時間報告給VOBC，VOBC將報警發(fā)至OCC；OCC工作人員通過CCTV和呼叫系統(tǒng)與乘客保持聯(lián)系，積極引導(dǎo)乘客，待列車行駛至下一站時停車，并保持車門和站臺屏蔽門長開，由車站值班員引導(dǎo)乘客疏散。對于站臺發(fā)生的火警，應(yīng)由站臺綜合監(jiān)控系統(tǒng)將火災(zāi)報警信息發(fā)給信號系統(tǒng)，信號系統(tǒng)判斷所有列車距火警站臺的位置，并根據(jù)這些列車與站臺的距離組織列車執(zhí)行跳停、站臺外停車或者緊急制動。

3.5 自動洗車

車輛段應(yīng)定期組織車輛清洗工作。進行洗車作業(yè)前，由信號系統(tǒng)根據(jù)中央命令和車管計劃設(shè)置列車至洗車庫的進路，并根據(jù)移動授權(quán)通知列車停在洗車庫前；之后，由信號系統(tǒng)通過與洗車機的接口控制（或由車輛段工作人員本地開啟）洗車機；在洗車過程中，由信號系統(tǒng)監(jiān)督列車狀態(tài)，并控制列車以預(yù)設(shè)的洗車速度通過洗車機（洗車機狀態(tài)由信號系統(tǒng)或車輛段工作人員進行監(jiān)督）；洗車完成后，由信號系統(tǒng)控制關(guān)閉洗車機（或由本地工作人員關(guān)閉），之后信號系統(tǒng)控制列車退出洗車庫。

4 無人駕駛技術(shù)項目應(yīng)用情況

目前，我國內(nèi)地暫無全功能無人駕駛線路。在已開通的地鐵項目中，北京機場線、上海軌道交通10號線均實現(xiàn)了無人駕駛功能，但目前運營中還是有人值守，武漢地鐵1號線開通時已提供正線無人駕駛功能，包括自動發(fā)車、自動折返等，武漢地鐵3號線目前也在增加此能力；上海軌道交通5號線和武漢地鐵7號線將按照GOA3標準實施有人值守的無人駕駛功能和自動化車輛段，已有系統(tǒng)的功能支持包括濕軌命令、不同區(qū)域內(nèi)設(shè)置不同的GEBR（最小緊急制動率值）、工作人員防護、與激活駕駛端無關(guān)的車載系統(tǒng)、受阻移動檢測等。

國外對無人駕駛的研究起步較早，許多國家均有無人駕駛線路，本文分別以迪拜和韓國為例進行分析。迪拜紅綠線分別于2009年和2011年開通，運營伊始每列車均配備乘務(wù)人員；2年后，通過適當?shù)娘L(fēng)險評估，乘務(wù)員減至每2列車1位；再過6個月后，乘務(wù)員減至每3列車1位；最終在2013年后實現(xiàn)無人駕駛。無人駕駛線路的所有列車均不配備乘務(wù)員，只在每2個站臺配置少量車站工作人員，以在需要時駕駛列車；每個車站設(shè)有站長且每個輪班至少有2名車站管理人員，即每個車站僅配置3～3.5名人員。

韓國的情況類似，表4列出了韓國新盆塘線和仁川2號線采用無人駕駛技術(shù)后的線路情況。由表4可見，采用無人駕駛技術(shù)后，不僅全線的運營能力有所提升，每個車站所需的人員數(shù)量下降到2～3人，極大地節(jié)省了管理和人力成本。

表4 韓國新盆塘線和仁川2號線采用無人駕駛技術(shù)后的情況

5 結(jié)語

從系統(tǒng)設(shè)計的角度，無人駕駛技術(shù)的核心思想是提高冗余度及加強控制中心對車載系統(tǒng)的控制能力。在無人駕駛條件下，信號系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)雖然保持分布式，但控制邏輯則大幅強化了中央集權(quán)的作用，控制中心的控制能力將得到極大的強化，甚至具備直接遠程關(guān)閉或重啟列車車載設(shè)備的能力。對運營組織來說，工作人員數(shù)量雖然有所減少，但對人員的素質(zhì)會有更高的要求。考慮到我國城軌的發(fā)展狀況，推薦采用DTO模式的無人駕駛，經(jīng)過一段時間的運營經(jīng)驗積累后，再升級到UTO的無人駕駛。

［1］ GEORGESCU M P.Driverless CBTC-specific requirements for CBTC systems to overcome operation challenges［R］.USA：APTA，1991.

［2］ APTA B C.Transit Fact Sheet-SkyTrain Performance［R］.USA：APTA，1991.

［3］ 吳卉，杜呈欣.城市軌道交通全自動停車場信號系統(tǒng)需求分析［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2015，24（3）：60.

Key Technologies and Application of Driverless Signaling System in Typical Scenario

WANG Peng

Driverless signaling system of urban rail transit is a system that controls and operates without drivers as seen in traditional driving mode，it requires relatively higher performance of signaling subsystems.In this paper，the concept and advantages of driverless system are introduced，the key technologies in this system and the application in typical scenarios，such as Dubai and South Korea unmanned line operations are analyzed，in order to popularize the application of driverless signaling system in urban rail transit，and provide a reference for project designers.

UMT signaling system； CBTC； driverless mode；key technology

U231.6

10.16037/j.1007-869x.2017.10.015

Author′s address Shijiazhuang Rail Transportation Co.，Ltd.，050011，Shijiazhuang，China

2017-06-02）