人工智能在無(wú)人駕駛軌道列車(chē)中的應(yīng)用

摘?要：人工智能已經(jīng)開(kāi)始對(duì)交通行業(yè)發(fā)展發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用，軌道列車(chē)作為交通行業(yè)的重要組成部分，未來(lái)發(fā)展也離不開(kāi)人工智能技術(shù)，特別是無(wú)人駕駛軌道列車(chē)作為軌道列車(chē)未來(lái)發(fā)展的重要方向，如何應(yīng)用人工智能，是軌道列車(chē)領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)意義的重要問(wèn)題。本文針對(duì)無(wú)人駕駛軌道列車(chē)、人工智能在該領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)等問(wèn)題作了詳細(xì)分析和說(shuō)明，合理運(yùn)用人工智能技術(shù)，助推無(wú)人駕駛軌道列車(chē)跨越式發(fā)展。

關(guān)鍵詞：人工智能;大數(shù)據(jù);深度學(xué)習(xí);無(wú)人駕駛;軌道列車(chē)

1 無(wú)人駕駛軌道列車(chē)概述

無(wú)人駕駛軌道列車(chē)，是軌道列車(chē)自動(dòng)化控制水平的最高體現(xiàn)，是未來(lái)軌道列車(chē)運(yùn)行的基本運(yùn)行模式。國(guó)內(nèi)外軌道列車(chē)領(lǐng)域?qū)o(wú)人駕駛軌道列車(chē)方向都已經(jīng)積累了數(shù)十年的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并且，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有多條無(wú)人駕駛軌道線路開(kāi)通運(yùn)行。軌道交通與道路交通相比，由于線路相對(duì)固定，站點(diǎn)相對(duì)固定，時(shí)間可控性好等因素，因此，軌道交通更加適合無(wú)人駕駛。

無(wú)人駕駛軌道列車(chē)是采用高度自動(dòng)化的先進(jìn)軌道列車(chē)控制系統(tǒng)，由軌道控制中心用大型電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控整個(gè)線路網(wǎng)的站際聯(lián)系、信號(hào)系統(tǒng)、列車(chē)運(yùn)行、車(chē)輛調(diào)度等，完全實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化全自動(dòng)化運(yùn)行的軌道列車(chē)。無(wú)人駕駛軌道列車(chē)的總體架構(gòu)如下圖所示。

從上圖中可以看出，無(wú)人駕駛軌道列車(chē)的研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟。目前，國(guó)內(nèi)外在無(wú)人駕駛軌道列車(chē)在技術(shù)研究上也已經(jīng)有豐富的技術(shù)基礎(chǔ)積累和工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在我國(guó)，目前已經(jīng)有七條試驗(yàn)用無(wú)人駕駛軌道列車(chē)實(shí)現(xiàn)了示范性運(yùn)行。其中，北京機(jī)場(chǎng)快軌、廣州珠江新城旅客自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)、上海軌道交通10號(hào)線在運(yùn)行初期采用過(guò)一段時(shí)間無(wú)人駕駛，但是由于技術(shù)條件不成熟，后期運(yùn)營(yíng)也開(kāi)始加入駕駛?cè)藛T。并且，這些無(wú)人駕駛技術(shù)分別來(lái)自加拿大龐巴迪公司和德國(guó)西門(mén)子公司，我國(guó)需要花費(fèi)高昂的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。從2016年開(kāi)始，隨著我國(guó)軌道交通技術(shù)的迅速發(fā)展，由我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)經(jīng)營(yíng)的無(wú)人駕駛軌道列車(chē)陸續(xù)開(kāi)始示范工程建設(shè)并運(yùn)行，這些線路分別是：香港南港島線、上海軌道交通8號(hào)線三期工程、北京地鐵燕房線、上海軌道交通浦江線。這四條線路都是自2016年開(kāi)始，近三年示范建設(shè)并運(yùn)行的無(wú)人駕駛軌道列車(chē)的典型案例。

在國(guó)外，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、丹麥、迪拜和澳大利亞等國(guó)家都依托自身的條件和技術(shù)建設(shè)了無(wú)人駕駛軌道列車(chē)。

雖然目前國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有無(wú)人駕駛軌道列車(chē)的示范案例，但是總體來(lái)說(shuō)，無(wú)人駕駛軌道列車(chē)在整個(gè)軌道列車(chē)運(yùn)行行業(yè)中僅屬于非常小的一部分。特別是許多長(zhǎng)線路、站點(diǎn)多，車(chē)次多的線路，控制方法復(fù)雜，運(yùn)行期刊突變條件特別多的線路，主要還是以人工駕駛為主。

隨著人工智能的飛速發(fā)展和其在交通行業(yè)中應(yīng)用成熟度越來(lái)越高，人工智能在軌道交通的中的應(yīng)用未來(lái)必將是無(wú)人軌道交通發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 人工智能在交通行業(yè)應(yīng)用概述

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，特別是深度學(xué)習(xí)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法的日趨成熟，人工智能在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在無(wú)人駕駛汽車(chē)、智慧交通等方向，人工智能已經(jīng)成為道路交通行業(yè)快速發(fā)展必須要應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外在無(wú)人駕駛領(lǐng)域都在積極搶占行業(yè)制高點(diǎn)，可以說(shuō)誰(shuí)最先掌握成熟的人工智能技術(shù)，誰(shuí)就能在未來(lái)無(wú)人駕駛和指揮交通方向占據(jù)最大優(yōu)勢(shì)。隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)人駕駛汽車(chē)和智慧交通是解決現(xiàn)階段交通運(yùn)輸存在的運(yùn)量、堵塞、環(huán)保等問(wèn)題的突破口，是解決這些交通頑疾的特效藥。

國(guó)內(nèi)的百度公司、蔚來(lái)汽車(chē)、小鵬汽車(chē)，國(guó)外的谷歌公司、特斯拉、通用汽車(chē)、福特汽車(chē)等公司都在積極探索利用人工智能打造最可靠的無(wú)人駕駛汽車(chē)。國(guó)內(nèi)的北京市、杭州市、深圳市等一線城市都在積極探索利用人工智能解決智慧交通出行，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化決策車(chē)輛出行策略。未來(lái)，智慧交通將公路系統(tǒng)與信息系統(tǒng)相結(jié)合，采用多種新技術(shù)解決我國(guó)大城市的交通出行壓力，使人們的出行更便捷，更舒心。

可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)交通行業(yè)的發(fā)展將會(huì)以人工智能為核心，而軌道交通作為交通行業(yè)的重要組成部分，未來(lái)也必將依托人工智能，獲得井噴式發(fā)展。

3 人工智能在無(wú)人駕駛軌道列車(chē)中的關(guān)鍵技術(shù)分析

在軌道列車(chē)方向，由于軌道列車(chē)的特殊性，線路固定，車(chē)站位置固定，行車(chē)時(shí)間較為準(zhǔn)確，因此，軌道列車(chē)方向是最早開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人駕駛研究和應(yīng)用的領(lǐng)域，并且也是目前唯一能夠在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)用上無(wú)人駕駛的領(lǐng)域。但是正是因?yàn)檐壍懒熊?chē)在無(wú)人駕駛領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，反而限制了其在無(wú)人駕駛方向的大規(guī)模發(fā)展，而人工智能在軌道列車(chē)運(yùn)行控制、軌道車(chē)輛調(diào)度配置和整車(chē)車(chē)聯(lián)網(wǎng)方向的優(yōu)勢(shì)就能夠極大促進(jìn)無(wú)人駕駛在軌道列車(chē)領(lǐng)域的推廣，未來(lái)，無(wú)人駕駛必將是軌道列車(chē)運(yùn)行的主要方式。

本文將對(duì)人工智能在無(wú)人駕駛軌道列車(chē)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的軌道列車(chē)控制技術(shù)

人工智能最重要的體現(xiàn)就是采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法形成的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)在控制領(lǐng)域具有不可撼動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而軌道列車(chē)控制，特別是超遠(yuǎn)距離行駛、多車(chē)次列車(chē)、路途經(jīng)過(guò)許多站點(diǎn)的路線。列車(chē)的控制關(guān)系到乘客的人身安全和能夠準(zhǔn)確、準(zhǔn)時(shí)的將乘客送到指定的站點(diǎn)。對(duì)于城市內(nèi)的地鐵和輕軌，車(chē)次與車(chē)次之間的時(shí)間間隔最短可能只有2-3分鐘，如何控制列車(chē)運(yùn)行的車(chē)速，剎車(chē)的時(shí)間，在不同站點(diǎn)等待的時(shí)間，對(duì)于無(wú)人駕駛的列車(chē)是至關(guān)重要的。

而基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的控制技術(shù)對(duì)于上述軌道列車(chē)的運(yùn)行控制是最有行之有效的解決途徑。并且，人工智能系統(tǒng)隨著列車(chē)車(chē)況變化的不斷學(xué)習(xí)，能夠積累更多的解決算法，能夠處理更復(fù)雜的車(chē)況變化。特別是通過(guò)環(huán)境感知是無(wú)人駕駛汽車(chē)進(jìn)行一切決策和控制行為的基礎(chǔ)，而目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別是環(huán)境感知最基本和最重要的功能之一，在線和離線決策以及車(chē)輛車(chē)次規(guī)劃的方法，是最適用于軌道列車(chē)控制的方法。

3.2 基于大數(shù)據(jù)分析的軌道車(chē)輛配置技術(shù)

對(duì)于軌道列車(chē)而言，包括城鐵和高鐵，運(yùn)行在城市內(nèi)部或者不同城市之間，由于運(yùn)行路線不同，載客量差異很大。比如京津城際和京滬高鐵，每天的客運(yùn)量都相當(dāng)于普通路線節(jié)假日的客流水平，而向一些三四線城市的高鐵線路，很可能在春運(yùn)期間的客流量也達(dá)不到熱門(mén)線路平時(shí)的水平。因此，如何在不同的客運(yùn)路線上合理配置車(chē)輛也是人工智能最擅長(zhǎng)的應(yīng)用方向。

基于大數(shù)據(jù)分析的軌道車(chē)輛配置技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生，特別適用于根據(jù)不同車(chē)輛路線的大數(shù)據(jù)分析對(duì)該路線的配置車(chē)輛的數(shù)量、車(chē)次、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行數(shù)量等做到最合理的配置，達(dá)到最優(yōu)化利用有限資源。既能夠降低運(yùn)行成本，又能夠提高運(yùn)輸效益，還能夠完全滿足的乘客的出行要求，可以說(shuō)基于大數(shù)據(jù)分析的軌道車(chē)輛配置技術(shù)應(yīng)用對(duì)于車(chē)輛運(yùn)行方和乘客是雙贏的方案?；诖髷?shù)據(jù)分析的軌道列車(chē)配置技術(shù)是針對(duì)多條出行線路，大規(guī)模乘客乘車(chē)最優(yōu)的解決方案。

3.3 基于5G通訊和云計(jì)算的整車(chē)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在道路交通領(lǐng)域，5G通訊和車(chē)聯(lián)網(wǎng)都已經(jīng)是道路交通發(fā)展必要的技術(shù)手段。5G技術(shù)的高速發(fā)展將大大推動(dòng)整車(chē)物聯(lián)網(wǎng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)的深度運(yùn)用。5G和云計(jì)算將會(huì)最大限度的釋放車(chē)載系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，為用戶提供最好的技術(shù)服務(wù)和算力支持。

5G的通訊速度能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)載影音娛樂(lè)系統(tǒng)全面升級(jí)，實(shí)現(xiàn)4k、8k、3D或者AR視頻服務(wù)，特別是虛擬內(nèi)容與乘客之間的交互。并且，由于軌道列車(chē)終端對(duì)于系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了更高的要求，5G帶來(lái)的超高速通訊能夠在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中大幅提高系統(tǒng)與控制中心的連接速度，能夠在第一時(shí)間完成系統(tǒng)升級(jí)。保證列車(chē)在無(wú)人駕駛條件下能夠通過(guò)車(chē)載系統(tǒng)與控制中心實(shí)施鏈接，保證列車(chē)行駛安全可控。5G和云計(jì)算技術(shù)也必將是支撐無(wú)人駕駛軌道列車(chē)實(shí)現(xiàn)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)論

綜上所述，人工智能在無(wú)人駕駛軌道列車(chē)的發(fā)展中將發(fā)揮不可替代的作用，展現(xiàn)對(duì)該行業(yè)顛覆性的影響。人工智能對(duì)于未來(lái)全面推廣實(shí)行無(wú)人駕駛軌道列車(chē)具有非常重要的意義。因此，將人工智能運(yùn)用到無(wú)人駕駛軌道列車(chē)中，是軌道列車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必要途徑，合理運(yùn)用人工智能關(guān)鍵技術(shù)，助推無(wú)人駕駛軌道列車(chē)跨越式發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：施?，q（1986-），工程師，主要從事地鐵列車(chē)的可靠性設(shè)計(jì)、獨(dú)立安全評(píng)估和工程監(jiān)造及首檢管控等工作。