融合軌道的智能化與列車的無(wú)人駕駛的研究進(jìn)展

徐 凡 郭俊杰 燕元楨 何 蘇 陳永琪 潘梓瑤 蘭天奇

南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167

鐵路運(yùn)輸是最為常見的交通運(yùn)輸方式之一，具有載運(yùn)量大、快速方便等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于客貨運(yùn)輸。然而鐵道同時(shí)也存在占地過多、造價(jià)過高等劣勢(shì)。新型融合軌道作為一種新的軌道交通方式，具有占地面積小、資源利用率高的優(yōu)勢(shì)，可以緩解空間對(duì)鐵路發(fā)展的限制問題和鋼材等資源浪費(fèi)的問題，符合當(dāng)今綠色環(huán)保、節(jié)約發(fā)展的時(shí)代理念。同時(shí)融合鐵路也是目前提高鐵路運(yùn)輸效率的一種有效、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的新型運(yùn)輸方式。由于無(wú)人駕駛技術(shù)的出現(xiàn)與迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的成熟，以及5G 通信技術(shù)的上線，無(wú)人駕駛列車也應(yīng)得到發(fā)展，無(wú)人駕駛列車完全可借鑒汽車的無(wú)人駕駛技術(shù)進(jìn)行軌道交通的應(yīng)用。

1 三鐵融合綜合軌道交通方案的融合方向

在我國(guó)的鐵路規(guī)劃中，國(guó)鐵、市域鐵路和城市規(guī)劃鐵路都有各自獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)方式，如線路、運(yùn)營(yíng)方式、管理方案等，所以實(shí)現(xiàn)三鐵融合的規(guī)劃過程也極其復(fù)雜。對(duì)此需要三者對(duì)應(yīng)的軌道交通部門相互溝通，根據(jù)三軌一體化發(fā)展理念，對(duì)三鐵軌道的融合進(jìn)行合理規(guī)劃與指導(dǎo)。第一，明確規(guī)劃方向，加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)。在融合發(fā)展過程中，需要確定正確合理的發(fā)展目標(biāo)，以目標(biāo)為連接點(diǎn)。連接點(diǎn)的合理確定能使各地的旅客出行都有集中的中轉(zhuǎn)站，使交通更加便捷，旅客出行的規(guī)劃更加明確，以南京市的南京南站為例，南京南站做到了將城市鐵路（地鐵為主）與市域鐵路集合中轉(zhuǎn)的目的。這要求交通部門從規(guī)劃層面進(jìn)行確定，從不同的鐵路線中確定連接點(diǎn)，從而使三鐵融合發(fā)展得到更好的實(shí)現(xiàn)。第二，加強(qiáng)融合，共享資源。對(duì)于國(guó)鐵、市域鐵路及城市軌道，三者間很多方面都能實(shí)現(xiàn)資源共享[1]，如通道、線路、車站以及供電與控制中心等，交通部門應(yīng)當(dāng)對(duì)三者規(guī)劃進(jìn)行合理布局，對(duì)于三條不同鐵路軌道交通中的資源布局以及如何共享進(jìn)行研究，這給予了三鐵融合發(fā)展的大方向，有助于三鐵融合的實(shí)現(xiàn)。第三，調(diào)整交通運(yùn)輸，進(jìn)行公交化服務(wù)。在三鐵融合建設(shè)過程中，除了考慮城市內(nèi)部已有的軌道交通資源，更應(yīng)對(duì)軌道交通相對(duì)缺乏的區(qū)域進(jìn)行充分的建設(shè)，同制式同標(biāo)準(zhǔn)線路中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通列車[2]，并且在國(guó)鐵干線、市域鐵路及城市軌道間組織實(shí)現(xiàn)公交化服務(wù)，增加專車去往車站的數(shù)量，使三鐵軌道交通所具備的交通運(yùn)輸功能可以充分的發(fā)揮。第四，統(tǒng)籌規(guī)劃，分期實(shí)施。三鐵融合工程任務(wù)浩大，涉及領(lǐng)域眾多，包括三類鐵路的各個(gè)方面，因此要實(shí)現(xiàn)三鐵融合，就必須從開始的項(xiàng)目規(guī)劃到后期工程項(xiàng)目的具體實(shí)施實(shí)行統(tǒng)籌規(guī)劃，也要依據(jù)不同城市的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，分階段進(jìn)行工程建設(shè)，保證每一階段的建設(shè)都能提高相關(guān)地區(qū)的運(yùn)輸能力，從而使三鐵融合能夠盡快實(shí)現(xiàn)。

2 三鐵融合的融合條件

2.1 三鐵融合中的線路融合

在實(shí)現(xiàn)三鐵線路融合的過程中，遇到如下問題：第一，如果在同一或相近線路上的不同軌道交通功能定位相互重合造成資源浪費(fèi)怎么辦？第二，在線路融合過程中，對(duì)于已存的不合理線路該如何解決？第三，不同線路之間的互聯(lián)互通究竟能否完整實(shí)現(xiàn)？因?yàn)槿F線路融合的關(guān)鍵是各個(gè)部門的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此想要解決上述問題需要規(guī)劃層對(duì)三類鐵路部門的運(yùn)行數(shù)據(jù)充分掌握。數(shù)據(jù)采集需要大量的人力、物力、財(cái)力。現(xiàn)階段如何高效準(zhǔn)確地獲取列車運(yùn)行數(shù)據(jù)是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。雖然現(xiàn)階段軌道交通系統(tǒng)中的多傳感器融合研究已大力開展，但在數(shù)據(jù)融合處理中仍然存在著大量的難題亟待解決。因此，融合軌道交通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)列車數(shù)據(jù)的采集，沒有數(shù)據(jù)的合理采集就談不上融合軌道交通。目前已知的數(shù)據(jù)融合算法較為豐富，常用算法有：D-S 證據(jù)理論、卡爾曼濾波法、模糊邏輯，決策模型等[6]。雖然根據(jù)軌道交通系統(tǒng)中的多傳感器研究已甚多，但如何處理數(shù)據(jù)在融合中的準(zhǔn)確性亟待解決。

2.2 三鐵融合中的安全融合

軌道交通安全研究的基本框架基本為：車輛、鐵路環(huán)境、事故救援等，就目前的三種不同鐵路運(yùn)輸方式而言，各自對(duì)于安全研究的側(cè)重點(diǎn)不盡相同。而安全融合就是要實(shí)現(xiàn)三種鐵路運(yùn)輸方式在安全研究方面達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一的模式。因此，需要了解這三種鐵路運(yùn)輸方式的安全性要求，然后制定出不同的安全性標(biāo)準(zhǔn)要求，最后針對(duì)三鐵進(jìn)行統(tǒng)一管理，使得安全性得到有效的融合。軌道交通系統(tǒng)由人－車－道路三要素構(gòu)成，軌道交通系統(tǒng)中每個(gè)要素自成系統(tǒng)而又相互作用，軌道交通事故的出現(xiàn)是因?yàn)槟骋幌到y(tǒng)出現(xiàn)問題或多個(gè)系統(tǒng)相互間作用失調(diào)。因?yàn)楦黜?xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素與交通事故的關(guān)系，若要實(shí)現(xiàn)軌道交通安全，交通部門應(yīng)當(dāng)提出針對(duì)性的干預(yù)手段或改善措施，以達(dá)到降低事故風(fēng)險(xiǎn)和減輕事故傷害程度的目的[2]。在車輛安全方面，研究應(yīng)集中于車輛智能防撞技術(shù)，如車輛碰撞預(yù)警系統(tǒng)、車道偏離警告系統(tǒng)等。此外，事故發(fā)生后的緊急救援服務(wù)，如事故識(shí)別和報(bào)警、救援資源分布與調(diào)度、緊急疏導(dǎo)及醫(yī)療救治等也是重要的研究方向。

3 無(wú)人駕駛的功能需求與運(yùn)控技術(shù)要點(diǎn)

3.1 列車啟用與入庫(kù)

列車在運(yùn)行結(jié)束后，駛?cè)胲噹?kù)，在下一次啟用前通過大數(shù)據(jù)中心直接對(duì)列車實(shí)施喚醒，對(duì)列車直接發(fā)送工作指令，接收指令后列車方可升起電弓，大數(shù)據(jù)中心指示列車進(jìn)入下一個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)。為更快捷方便地投入運(yùn)營(yíng)，大數(shù)據(jù)中心和列車調(diào)配中心會(huì)配合天氣等情況分配營(yíng)運(yùn)路線、行駛速度并且列車將實(shí)時(shí)回傳列車行駛情況。列車運(yùn)營(yíng)完畢后交由大數(shù)據(jù)中心自動(dòng)入庫(kù)和泊車。

3.2 自動(dòng)洗車與自動(dòng)檢修

在無(wú)人駕駛場(chǎng)景中，洗車全程為全自動(dòng)操作，大數(shù)據(jù)中心感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)列車的駛?cè)牒?，以設(shè)置目的地的方式或者根據(jù)大數(shù)據(jù)作業(yè)計(jì)劃的方式，大數(shù)據(jù)中心將列車駕駛至車庫(kù)前完成洗車工作。列車開車前實(shí)施檢修工作由大數(shù)據(jù)中心和對(duì)應(yīng)系統(tǒng)對(duì)列車發(fā)出檢修命令，通過檢修程序檢修，并將檢修結(jié)果回傳至大數(shù)據(jù)中心，由大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行判斷是否發(fā)車，若判斷檢修不合格則不進(jìn)行發(fā)車工作直接進(jìn)行回庫(kù)處理，將問題上傳至大數(shù)據(jù)中心通知修理師傅為其修理，修理完畢后修理師傅回傳修理結(jié)果，修理后的列車啟用前會(huì)進(jìn)行檢修工作程序，檢修合格方可發(fā)車，檢修不合格將重復(fù)上述修理工作[3]。

3.3 遠(yuǎn)程駕駛模式

列車營(yíng)運(yùn)由大數(shù)據(jù)中心協(xié)調(diào)配合共同完成，大數(shù)據(jù)中心和列車調(diào)度中心配合制定出列車的調(diào)度安排和出車計(jì)劃，并由大數(shù)據(jù)中心操作列車進(jìn)入軌道，列車在相應(yīng)時(shí)刻根據(jù)場(chǎng)調(diào)安排進(jìn)入站臺(tái)。人工駕駛場(chǎng)景將會(huì)因某部分原因?qū)е铝熊嚩ㄎ粊G失，或者車載控制器重啟，列車將問題反饋給大數(shù)據(jù)中心，由大數(shù)據(jù)中心指示；無(wú)法實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛，交由數(shù)據(jù)中心分配給模擬駕駛室中的駕駛員，交由人工駕駛的這段時(shí)間內(nèi)列車將進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，其間駕駛員將按照原定計(jì)劃駕駛列車，待列車系統(tǒng)恢復(fù)正常后恢復(fù)無(wú)人駕駛狀態(tài)[9]。

3.4 站臺(tái)自動(dòng)對(duì)位調(diào)整

為了供乘客正常下車，無(wú)人駕駛列車能自動(dòng)執(zhí)行站臺(tái)自動(dòng)對(duì)位調(diào)整，列車在?？空九_(tái)時(shí)會(huì)出現(xiàn)列車與站臺(tái)對(duì)準(zhǔn)的精度不夠，列車進(jìn)站超過停車精度的一定范圍時(shí)，將由列車數(shù)據(jù)中心反饋給列車調(diào)整對(duì)位程序進(jìn)行站臺(tái)對(duì)位調(diào)整，對(duì)位系統(tǒng)接收到工作信號(hào)后自動(dòng)控制列車重新進(jìn)行對(duì)位調(diào)整，列車將進(jìn)行多次重復(fù)對(duì)位工作直至列車對(duì)位完畢后方可開啟車門，供乘客下車[3]。若列車多次調(diào)整對(duì)位不合格，將回傳至大數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)中心根據(jù)列車所處的環(huán)境重新制定對(duì)位站臺(tái)計(jì)劃，大數(shù)據(jù)中心的駕駛員將列車調(diào)整對(duì)位合格后自動(dòng)恢復(fù)列車的無(wú)人駕駛系統(tǒng)，對(duì)位合格后自動(dòng)開啟車門供乘客下車。

4 大數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)人駕駛列車的影響

4.1 無(wú)人駕駛技術(shù)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平不斷提升，對(duì)于一些設(shè)備與物質(zhì)的要求也在不斷提高。在未來(lái)，無(wú)人駕駛汽車會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。因此，無(wú)人駕駛列車軌道是未來(lái)軌道列車運(yùn)行的基本模式。海內(nèi)外科學(xué)人士對(duì)于無(wú)人駕駛技術(shù)以及列車軌道已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年的科學(xué)研究，在一些國(guó)家與地區(qū)，已經(jīng)開始運(yùn)行了多條無(wú)人駕駛軌道路線。無(wú)人駕駛系統(tǒng)在一定程度上可以減少事故發(fā)生率，緩解資源短缺的問題，對(duì)于社會(huì)的穩(wěn)定具有重大意義。因此，列車未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)必然是無(wú)人駕駛列車。

4.2 無(wú)人駕駛技術(shù)數(shù)據(jù)的計(jì)算

盡管各國(guó)科學(xué)家對(duì)于無(wú)人駕駛技術(shù)進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，但無(wú)人駕駛技術(shù)尚未成熟。多種問題、發(fā)展障礙均未得以解決，例如，傳感數(shù)據(jù)的傳輸，自動(dòng)控制時(shí)延等問題[4]。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以緩解這些問題，為無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展提供更多的可能。無(wú)人駕駛是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)的收集與處理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合對(duì)無(wú)人列車的運(yùn)行起著十分重要的作用。在數(shù)據(jù)方面，需要收集方方面面的數(shù)據(jù)，例如：車輛遠(yuǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)，歷史累積的數(shù)據(jù)，車輛本身的數(shù)據(jù)，環(huán)境感知數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的計(jì)算方面，利用車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行邊緣計(jì)算，利用云中心進(jìn)行需要大量算力但時(shí)效性要求不高的海量數(shù)據(jù)計(jì)算[7]。這些數(shù)據(jù)與計(jì)算共同配合，輔助無(wú)人列車的行駛[8]。

4.3 無(wú)人駕駛技術(shù)數(shù)據(jù)的分析

數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算在無(wú)人駕駛技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。利用對(duì)車輛本身數(shù)據(jù)的分析，可以提醒車主哪些部位、哪些零件需要更新?lián)Q代。利用對(duì)歷史累積駕駛數(shù)據(jù)的分析，可以幫助車主遠(yuǎn)離路況復(fù)雜的路段，對(duì)路況顛簸、行人密集的路段進(jìn)行自主的減速處理。利用對(duì)車輛遠(yuǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合無(wú)人駕駛列車所包含的超聲波傳感器、雷達(dá)、攝像頭等設(shè)備[6]，進(jìn)行全方位的感知，減少天氣和外部環(huán)境的影響，對(duì)濃霧天氣、黑夜環(huán)境下的物體識(shí)別度更高，視野更加廣泛，對(duì)于危險(xiǎn)的反應(yīng)以及對(duì)于危險(xiǎn)情況的處理更加迅速而具體。無(wú)人駕駛列車系統(tǒng)通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并不斷調(diào)整，從而保證了列車的安全。

5 融合鐵路和無(wú)人駕駛列車在工程中的應(yīng)用

鐵路運(yùn)輸是生產(chǎn)、生活中最為重要的運(yùn)輸方式，因其快速方便、運(yùn)輸量大的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于日常的生活運(yùn)輸中。但是由于其造價(jià)較高、占地較多等原因，在其發(fā)展到一定程度后很難有突破性的進(jìn)展。為了解決這些問題，科學(xué)家們致力于研究融合性鐵路。在21世紀(jì)興起了三融鐵路——國(guó)鐵、市域鐵路和城市鐵路的三軌融合鐵路，而且在鐵路迅速發(fā)展的同時(shí)必然帶來(lái)列車駕駛?cè)藛T的負(fù)擔(dān)，但是列車的自動(dòng)駕駛可以將駕駛員解放出來(lái)，去做更有意義的事情。三融鐵路占地較少，可以有效緩解人地矛盾。因此本項(xiàng)目旨在研究三融鐵路和其智能化的發(fā)展，一方面三融鐵路可以減少鐵路占地，緩解人地矛盾，而且減少了鋼鐵的用量，幫助我們更加合理的應(yīng)用自然資源，符合當(dāng)今時(shí)代可持續(xù)發(fā)展的主題，也節(jié)約了建造成本，在未來(lái)的城市軌道交通建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用空間，另一方面，列車的自動(dòng)駕駛技術(shù)有效地提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和運(yùn)輸效率。

6 結(jié)語(yǔ)

大量調(diào)研表明，融合軌道對(duì)鐵路運(yùn)輸效率有顯著的提高。融合軌道可以將各類軌道的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，不僅有效提高鐵路的運(yùn)輸效率，而且對(duì)日后多種融合干線的發(fā)展有著借鑒意義。同時(shí)具有大量、高速、多樣、低價(jià)值密度優(yōu)勢(shì)的大數(shù)據(jù)計(jì)算正在對(duì)人們生活的方方面面產(chǎn)生重大影響。而對(duì)于無(wú)人駕駛列車，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以解決具體的傳感數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)控制時(shí)延等發(fā)展障礙問題，為無(wú)人駕駛列車提供了有力的技術(shù)保障。同時(shí)，大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量擴(kuò)展和數(shù)據(jù)處理速度的提升效果也是十分明顯的，而這些都是未來(lái)發(fā)展無(wú)人駕駛列車的核心技術(shù)[5]。然而，如何解決融合軌道的資源占用和提高融合軌道的使用壽命以及如何不斷提高大數(shù)據(jù)在無(wú)人駕駛列車方面的應(yīng)用仍是亟待解決的課題，值得進(jìn)一步深入研究和探討。