自動(dòng)駕駛列車在軌道交通中的安全性能分析

郭永安

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)第一運(yùn)營(yíng)有限公司，山東濟(jì)南 250300）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)逐漸融入軌道交通系統(tǒng)中，引發(fā)了軌道交通領(lǐng)域的革命性變革。自動(dòng)駕駛列車作為自動(dòng)化交通工具的代表，被廣泛視為未來(lái)城市交通的一部分，它承載著減少交通事故、提高運(yùn)輸效率和改善交通環(huán)境的希望。然而，隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何確保自動(dòng)駕駛列車的安全性能，以保障乘客和城市居民的安全。

1 自動(dòng)駕駛列車技術(shù)概述

自動(dòng)駕駛列車的技術(shù)原理基于高度集成的硬件和軟件系統(tǒng)，這些系統(tǒng)協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)列車的自主運(yùn)行。以下是自動(dòng)駕駛列車的關(guān)鍵技術(shù)原理：

一是傳感器技術(shù)，自動(dòng)駕駛列車配備了多種傳感器，包括激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器、GPS 和慣性測(cè)量單元（IMU）。這些傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車周圍的環(huán)境，包括軌道、障礙物、信號(hào)和其他列車，傳感器數(shù)據(jù)被用于創(chuàng)建環(huán)境地圖和實(shí)時(shí)感知，以協(xié)助導(dǎo)航和決策。

二是控制系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛列車的控制系統(tǒng)基于先進(jìn)的控制算法，可以精確控制列車的速度、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向。通過(guò)這些算法使傳感器數(shù)據(jù)能自動(dòng)響應(yīng)環(huán)境變化，確保列車始終保持在安全軌道上，并遵守交通規(guī)則和信號(hào)。

三是通信技術(shù)，包括無(wú)線通信和數(shù)據(jù)鏈接，自動(dòng)駕駛列車通常使用高度可靠的通信技術(shù)與列車控制中心和其他列車進(jìn)行通信。這種通信允許列車接收實(shí)時(shí)更新的路況信息、交通信號(hào)和調(diào)度命令，從而優(yōu)化列車運(yùn)行。

四是人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)，自動(dòng)駕駛列車依賴人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法來(lái)處理大量傳感器數(shù)據(jù)、制定決策并進(jìn)行路徑規(guī)劃。這些算法可以不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化，以適應(yīng)不同的環(huán)境和交通情況。

五是安全系統(tǒng)，為確保列車的安全性能，自動(dòng)駕駛列車配備了多層安全系統(tǒng)，包括故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)、冗余設(shè)計(jì)和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以在傳感器或硬件故障時(shí)采取適當(dāng)措施，確保列車安全停車[1]。

2 自動(dòng)駕駛列車的安全性能考量

2.1 安全性能指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

為了衡量和評(píng)估這種安全性能，需要制定一系列安全性能指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。以下是一些關(guān)鍵的安全性能考量：

一是碰撞避免，安全性能的一個(gè)關(guān)鍵方面是列車的碰撞避免能力，這包括檢測(cè)并避免與其他列車、障礙物或行人的碰撞。指標(biāo)可以包括避免碰撞的成功率和距離。二是應(yīng)急制動(dòng)，自動(dòng)駕駛列車必須能夠在緊急情況下進(jìn)行制動(dòng)，以減緩或停止列車，這需要定義應(yīng)急制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間和效果，并確保在各種情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)。三是信號(hào)識(shí)別與遵守，列車必須能夠識(shí)別和遵守交通信號(hào)、標(biāo)志和規(guī)則。安全性能可以通過(guò)列車是否正確識(shí)別信號(hào)、是否遵守速度限制等來(lái)評(píng)估。四是安全通信，自動(dòng)駕駛列車與列車控制中心和其他列車之間的通信必須是高度安全和可靠的，這包括通信的加密、完整性檢查和防止干擾等方面的標(biāo)準(zhǔn)。五是故障檢測(cè)與診斷，安全性能還包括列車系統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷能力。列車必須能夠識(shí)別并應(yīng)對(duì)傳感器故障、控制系統(tǒng)故障或其他硬件故障。六是應(yīng)急演練和培訓(xùn)，培訓(xùn)駕駛員和操作人員以應(yīng)對(duì)緊急情況也是安全性能的一部分，這包括緊急情況下的操作程序和演練的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

為確保自動(dòng)駕駛列車的安全性能，采用系統(tǒng)化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法至關(guān)重要。這些方法幫助識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的控制和應(yīng)對(duì)策略。以下是一些關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法：

其一，危險(xiǎn)分析和評(píng)估（Hazard Analysis and Risk Assessment，HARA），HARA 是一種常用于軌道交通領(lǐng)域的方法，用于識(shí)別潛在危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)系統(tǒng)性地分析列車系統(tǒng)的組成部分、操作環(huán)境和可能發(fā)生的故障情況，可以建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣，將風(fēng)險(xiǎn)按照概率和嚴(yán)重性分級(jí)，以確定哪些風(fēng)險(xiǎn)需要優(yōu)先處理。

其二，失效模式和影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，F(xiàn)MEA），F(xiàn)MEA 是一種逐步分析方法，用于識(shí)別系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種失效模式、其潛在影響以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。這有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)可靠性，并確定風(fēng)險(xiǎn)最高的部分。

其三，場(chǎng)景建模和模擬，通過(guò)建立不同交通場(chǎng)景的模型和進(jìn)行模擬，可以評(píng)估自動(dòng)駕駛列車在各種情況下的性能，包括正常運(yùn)行、緊急制動(dòng)、遇到障礙物或天氣不佳等情況。這有助于識(shí)別系統(tǒng)在特定情況下可能面臨的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 安全性能測(cè)試與驗(yàn)證

為確保自動(dòng)駕駛列車的安全性能，進(jìn)行全面的安全性能測(cè)試和驗(yàn)證是不可或缺的步驟。以下是一些關(guān)鍵的測(cè)試和驗(yàn)證方法：

其一，仿真測(cè)試，使用高度逼真的仿真環(huán)境，模擬各種交通場(chǎng)景和緊急情況，以評(píng)估自動(dòng)駕駛列車在虛擬環(huán)境中的性能。這種方法可以安全地測(cè)試列車系統(tǒng)的各種功能，包括碰撞避免、制動(dòng)和控制響應(yīng)等。

其二，測(cè)試臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)在專用測(cè)試臺(tái)上模擬列車硬件和軟件系統(tǒng)的運(yùn)行，可以進(jìn)行一系列控制試驗(yàn)和性能測(cè)試。這有助于評(píng)估列車在受控條件下的性能，并驗(yàn)證其各個(gè)子系統(tǒng)的功能。

其三，實(shí)地測(cè)試，在實(shí)際軌道交通環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估自動(dòng)駕駛列車的實(shí)際性能。這包括在不同天氣條件下、不同時(shí)間和路段進(jìn)行列車運(yùn)行測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

其四，應(yīng)急情況測(cè)試，模擬各種緊急情況，如制動(dòng)故障、通信中斷或障礙物出現(xiàn)，以評(píng)估列車系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力。這種測(cè)試有助于確保列車在不同情況下的安全性能[2]。

3 自動(dòng)駕駛列車的安全性能挑戰(zhàn)

3.1 傳感器故障

傳感器故障是自動(dòng)駕駛列車面臨的一個(gè)嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些列車在運(yùn)行中依賴多種傳感器來(lái)感知周圍環(huán)境。傳感器故障或不準(zhǔn)確性可能導(dǎo)致列車無(wú)法準(zhǔn)確感知道路、其他車輛和障礙物，從而影響到?jīng)Q策和控制系統(tǒng)的性能。例如，攝像頭或激光雷達(dá)的故障可能導(dǎo)致列車無(wú)法正確識(shí)別前方交通信號(hào)或道路標(biāo)志，甚至在無(wú)障礙物的情況下誤認(rèn)為有障礙物，導(dǎo)致緊急制動(dòng)。傳感器故障還可能導(dǎo)致列車對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生誤解，無(wú)法正確識(shí)別行人或其他車輛，增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，傳感器故障對(duì)于自動(dòng)駕駛列車的安全性能構(gòu)成潛在威脅，需要通過(guò)冗余設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)減少這一挑戰(zhàn)所帶來(lái)的不利影響。

3.2 人工智能算法的穩(wěn)定性

自動(dòng)駕駛列車的人工智能（AI）算法的穩(wěn)定性問(wèn)題可能對(duì)安全性能帶來(lái)不利影響。這些列車依賴于AI 算法來(lái)感知周圍環(huán)境、作出決策和執(zhí)行控制，但AI算法的性能和穩(wěn)定性可能受多種因素干擾。例如，不同天氣條件、交通情況的變化、傳感器數(shù)據(jù)的可靠性波動(dòng)以及硬件故障都可能導(dǎo)致AI 算法的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性可能表現(xiàn)為決策的不一致性、誤判環(huán)境情況或無(wú)法適應(yīng)突發(fā)情況，從而增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，確保AI 算法的穩(wěn)定性對(duì)于自動(dòng)駕駛列車的安全性能至關(guān)重要，需要不斷的研究和改進(jìn)，以減少AI 算法在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的道路環(huán)境中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，以確保列車的安全性能和乘客的安全。

3.3 與傳統(tǒng)列車的互操作性

自動(dòng)駕駛列車與傳統(tǒng)列車的互操作性問(wèn)題可能對(duì)安全性能產(chǎn)生不利影響。傳統(tǒng)列車通常依賴于一套嚴(yán)格的信號(hào)系統(tǒng)和通信協(xié)議來(lái)保持運(yùn)行的安全性。然而，自動(dòng)駕駛列車采用了不同的技術(shù)和控制方法，這可能導(dǎo)致與傳統(tǒng)列車之間的通信和協(xié)作問(wèn)題。例如，自動(dòng)駕駛列車的行為可能在傳統(tǒng)列車的信號(hào)系統(tǒng)中引發(fā)混淆，導(dǎo)致不明確的交通行為。此外，傳統(tǒng)列車的機(jī)車司機(jī)和列車調(diào)度員通常能夠根據(jù)視覺(jué)和語(yǔ)音通信進(jìn)行即時(shí)決策和應(yīng)對(duì)緊急情況，而自動(dòng)駕駛列車可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)同樣的交互和反應(yīng)。這些因素可能導(dǎo)致自動(dòng)駕駛列車與傳統(tǒng)列車之間的互操作性問(wèn)題，可能對(duì)鐵路系統(tǒng)的整體安全性能產(chǎn)生負(fù)面影響，需要綜合考慮和解決[3]。

4 自動(dòng)駕駛列車的安全性能提升策略

4.1 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在安全性能方面的應(yīng)用

為提高自動(dòng)駕駛列車的安全性能，人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過(guò)AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)，自動(dòng)駕駛列車可以不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)不同的交通場(chǎng)景和道路條件，這些技術(shù)使列車能夠更準(zhǔn)確地感知和理解周圍環(huán)境，從而更可靠地作出決策。例如，AI 算法可以分析攝像頭、激光雷達(dá)和雷達(dá)數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)識(shí)別道路標(biāo)志、交通信號(hào)、行人和其他車輛。通過(guò)深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)駕駛列車還可以預(yù)測(cè)其他車輛的行為并采取相應(yīng)的措施，以減少潛在的危險(xiǎn)情況。

AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)還可以幫助自動(dòng)駕駛列車更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)，AI 系統(tǒng)可以檢測(cè)到異常情況并迅速做出反應(yīng)。例如，如果某個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，AI 系統(tǒng)可以切換到其他可用傳感器以保持列車的安全操作，這種智能決策和反應(yīng)能力有助于減少事故風(fēng)險(xiǎn)[4]。

4.2 通信與數(shù)據(jù)安全性

4.2.1 通信安全

首先，在保障通信與數(shù)據(jù)安全性方面，采用加密技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵舉措。通信數(shù)據(jù)可以使用強(qiáng)大的加密算法進(jìn)行加密，以確保在傳輸過(guò)程中即使被截獲，也無(wú)法被未經(jīng)授權(quán)的人訪問(wèn)或篡改。這種加密可以基于公共密鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中通信雙方使用各自的公鑰和私鑰來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，這樣，數(shù)據(jù)在傳輸中被加密，并且只有具有正確私鑰的接收方能夠解密，這種方式確保了數(shù)據(jù)的機(jī)密性。

其次，身份驗(yàn)證和授權(quán)機(jī)制也是通信安全的關(guān)鍵組成部分。在車輛通信系統(tǒng)中，每個(gè)通信實(shí)體都需要進(jìn)行身份驗(yàn)證，以確保他們是合法的通信參與者。身份驗(yàn)證通常使用數(shù)字證書(shū)或令牌來(lái)完成，只有具有有效證書(shū)或令牌的實(shí)體才能連接到車輛網(wǎng)絡(luò)。此外，授權(quán)機(jī)制可以控制哪些實(shí)體有權(quán)訪問(wèn)特定的車輛數(shù)據(jù)或系統(tǒng)功能。這樣，即使身份驗(yàn)證通過(guò)，也需要獲得適當(dāng)?shù)氖跈?quán)才能執(zhí)行特定操作。

最后，物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議和通信標(biāo)準(zhǔn)也是確保通信鏈路安全性的關(guān)鍵工具。這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的加密、身份驗(yàn)證和授權(quán)要求，以便所有車輛和設(shè)備都能夠在一個(gè)安全的通信系統(tǒng)中運(yùn)行。通過(guò)遵循這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，車輛制造商和通信設(shè)備提供商可以確保其產(chǎn)品在通信安全性方面達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 數(shù)據(jù)安全

數(shù)據(jù)安全性方面，自動(dòng)駕駛列車需要采取多層次的安全措施來(lái)保護(hù)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

首先，數(shù)據(jù)可以在采集時(shí)進(jìn)行加密，以確保即使在傳感器捕獲數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)也是安全的。這防止了數(shù)據(jù)在采集和傳輸過(guò)程中被未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。其次，訪問(wèn)控制是保護(hù)數(shù)據(jù)安全性的關(guān)鍵。只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的實(shí)體才能訪問(wèn)敏感數(shù)據(jù)。訪問(wèn)控制可以根據(jù)用戶角色和權(quán)限進(jìn)行管理，確保只有合適的人員才能查看或修改特定數(shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)備份策略也是必要的。定期備份數(shù)據(jù)可以確保即使發(fā)生故障、數(shù)據(jù)丟失或破壞，仍能夠恢復(fù)重要的信息，這種備份可以存儲(chǔ)在安全的離線位置，以防止數(shù)據(jù)被不法分子攻擊。

4.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)與乘客教育

人機(jī)界面設(shè)計(jì)的重要性在于它直接影響了乘客與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)之間的溝通和理解。一個(gè)優(yōu)秀的人機(jī)界面應(yīng)該直觀、清晰，易于操作，以幫助乘客更好地理解車輛的狀態(tài)、行為和決策。

首先，在車內(nèi)顯示屏上實(shí)時(shí)展示車輛的運(yùn)行狀態(tài)是至關(guān)重要的。這可以包括車輛的當(dāng)前速度、行駛方向、計(jì)劃路線以及周圍環(huán)境的信息，如檢測(cè)到的其他車輛、行人和障礙物。通過(guò)這些信息，乘客可以跟蹤車輛的運(yùn)行情況，確保一切正常。其次，人機(jī)界面還應(yīng)提供有關(guān)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)決策的透明度。乘客需要了解為什么車輛會(huì)做出特定的行動(dòng)，例如減速、變道或停車。因此，界面可以提供關(guān)于系統(tǒng)感知和決策的簡(jiǎn)要說(shuō)明，以便乘客了解自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是如何分析數(shù)據(jù)并作出決策的，這有助于建立信任和安全感。

乘客教育同樣是至關(guān)重要的。乘客需要了解自動(dòng)駕駛列車的工作原理、能力和局限性，以便在需要時(shí)能夠適應(yīng)和反應(yīng)。教育可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，包括宣傳資料、培訓(xùn)課程和互動(dòng)體驗(yàn)。在教育過(guò)程中，乘客可以了解自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的傳感器和技術(shù)，以及它們?nèi)绾胃兄車h(huán)境。乘客還需要明白自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的能力，包括在不同天氣和道路條件下的性能。同時(shí)，乘客也需要知道系統(tǒng)的局限性，如在極端情況下可能需要人工干預(yù)。教育還應(yīng)涵蓋緊急情況下的應(yīng)對(duì)策略，以便乘客知道如何采取行動(dòng)或與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，自動(dòng)駕駛列車代表了未來(lái)交通系統(tǒng)的創(chuàng)新，但其安全性能仍然是一個(gè)持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。通過(guò)綜合考慮技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和挑戰(zhàn)，可以不斷改進(jìn)自動(dòng)駕駛列車的安全性能，為未來(lái)的道路交通帶來(lái)更高的安全性和便利性，這需要科研人員不懈的努力，以確保自動(dòng)駕駛列車的安全性能不斷提升，為乘客和道路用戶提供更安全的出行體驗(yàn)。