全自動無人駕駛軌道交通車輛技術(shù)研究

呂元穎

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 軌道交通車輛自動化等級

根據(jù)國際公共交通協(xié)會的定義,軌道交通車輛運行的自動化水平劃分為五個等級,分別為GoA0、GoA1、GoA2、GoA3、GoA4。軌道交通車輛自動化等級具體內(nèi)容見表1。

表1 軌道交通車輛自動化等級

GoA3等級已可以實現(xiàn)軌道交通車輛在正線上有人值守下自動運行,不需要配備傳統(tǒng)司機,但仍需要配備具有綜合能力的乘務(wù)員,實現(xiàn)車輛上下線和應(yīng)急事件處理等工作。GoA4等級是軌道交通車輛的最高自動化等級,可以實現(xiàn)無人值守下的自動運行,達到全自動無人駕駛的要求。軌道交通全自動無人駕駛技術(shù)指將傳統(tǒng)車輛司機執(zhí)行的工作完全交由自動化、高度集中控制的車輛運行系統(tǒng)完成[4-5],所有車輛在地面控制中心統(tǒng)一指揮下自動運行,車輛通常應(yīng)具備自動喚醒、自動休眠、自動出入車輛段、自動清洗、自動行駛、自動加減速、自動啟停車、自動開關(guān)門等功能,并且具有常規(guī)運行、降級運行、災(zāi)害工況等多種運行模式。

軌道交通全自動無人駕駛技術(shù)是一門綜合性技術(shù),除車輛專業(yè)外,還需要通信、信號、供電、軌道、站臺門、綜合監(jiān)控、運營、維保等其它專業(yè)通力合作,共同完成場景功能討論、架構(gòu)接口定義、研究設(shè)計、綜合聯(lián)調(diào)聯(lián)試等工作[6-7]。

2 全自動無人駕駛技術(shù)優(yōu)勢

目前,國內(nèi)各大城市軌道交通的運營主要采用GoA2或GoA3等級。GoA2等級為司機監(jiān)督下車輛自動運行等級,GoA3等級為有人值守車輛自動運行等級。這兩種等級在正線運營中已實現(xiàn)車輛自動化運行的要求。由于GoA4等級車輛具備自動化運行的多種功能,與前兩個等級相比,不需要司機或乘務(wù)員值守車輛,可以完全實現(xiàn)無人全自動運行。相比GoA2和GoA3等級,GoA4等級全自動無人駕駛技術(shù)主要有四方面優(yōu)勢。

第一,全面提升運營管理水平,提高整體運營效率。全自動無人駕駛技術(shù)可以實現(xiàn)全程車輛自動化操作,縮短車輛準(zhǔn)備時間、發(fā)車時間、折返時間、發(fā)車間隔時間。運營中心可以根據(jù)乘客數(shù)量在線自動調(diào)節(jié)發(fā)車間隔和在線車輛數(shù),以達到最優(yōu)的乘客和在線車輛比。對于車輛正線運行故障,可以通過遠程隔離、復(fù)位、旁路,提高處理操作的準(zhǔn)確性和及時性,提高車輛故障排除效率。

第二,綜合提升系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性。全自動無人駕駛車輛通過提高系統(tǒng)自動化程度,減少人為操作,降低誤操作的可能性,提升系統(tǒng)的安全性。同時,通過在車內(nèi)外增設(shè)車輛輪廓、輪軌、軸溫、振動、弓網(wǎng)、煙火報警等全方位車輛綜合檢測,進一步提高車輛的安全性。通過提升車輛軟硬件能力,增強車輛自檢功能,采用冗余互備,實現(xiàn)提升系統(tǒng)的可靠性和可用性。

第三,降低運營人員勞動強度,優(yōu)化人力資源配置,提升服務(wù)質(zhì)量。全自動無人駕駛技術(shù)不單純?yōu)榱藴p少司機或乘務(wù)員,而是為了實現(xiàn)優(yōu)化人力資源配置,提升服務(wù)質(zhì)量。原本通過司乘操控車輛的機械式動作可由系統(tǒng)代替,車輛運行狀態(tài)和客室場景可由運營中心遠程監(jiān)控。運營中心和站臺可以通過無線通信系統(tǒng)直接面向乘客提供服務(wù)。全自動無人駕駛運營是連貫而系統(tǒng)化的,在單車上發(fā)現(xiàn)的服務(wù)需求,可及時利用整條線路資源去調(diào)配服務(wù)。

第四,綜合降低運營維保成本,提升乘客的舒適性。全自動無人駕駛車輛能夠充分利用區(qū)間線路工況,通過車輛牽引、惰行、制動模式的組合,按照優(yōu)化后的速度曲線運行,從而達到節(jié)省能耗、降低成本、提升乘客舒適性的目的。同時,提升各種運營和維保場景的自動化等級,配置智能化設(shè)備,根據(jù)條件降低人車比,降低人力資源成本。

3 全自動無人駕駛車輛場景

與目前軌道交通主流采用的GoA2或GoA3等級車輛相比,全自動無人駕駛軌道交通車輛的運營場景更加復(fù)雜和多樣。在初期設(shè)計過程中,設(shè)計者需要綜合其它專業(yè),對每個運營場景進行分析和設(shè)計[8]。首先,對線路運營過程中的所有運營場景進行預(yù)規(guī)劃,包括正常、應(yīng)急、故障三大類場景。其次,針對每個場景充分考慮乘客的行為、車輛及外界環(huán)境可能出現(xiàn)的狀況。最后,對各專業(yè)系統(tǒng)的功能提出合理需求,對職責(zé)承擔(dān)進行清晰分配,對接口功能進行明確定義。上海軌道交通15號線全自動無人駕駛車輛定義的基本場景如圖1所示,共分為41個基本場景,綠色序號代表正常場景,紅色序號代表應(yīng)急或故障場景。

圖1 全自動無人駕駛軌道交通車輛基本場景

4 全自動無人駕駛車輛功能設(shè)計

根據(jù)全自動無人駕駛軌道交通車輛場景分析和設(shè)計結(jié)果,對整車所有子系統(tǒng)進行詳細功能設(shè)計。由于采用無人駕駛方式,因此車輛的功能設(shè)計都需要充分考慮安全性、可靠性、運營和維保效率[9]。以上海軌道交通15號線全自動無人駕駛車輛的功能為參考,典型功能設(shè)計包括13個方面。

4.1 自動喚醒和休眠

相比非全自動駕駛車輛,全自動無人駕駛車輛具備自動喚醒和休眠功能,如圖2所示。由排班系統(tǒng)或人工對車輛基地或正線休眠的車輛實施喚醒作業(yè),可通過排班系統(tǒng)根據(jù)出入庫計劃自動喚醒和休眠,也可由調(diào)度員通過信號系統(tǒng)執(zhí)行遠程喚醒和休眠,還可通過人工登車喚醒和休眠。前兩種方式受信號系統(tǒng)控制,喚醒和休眠控制功能由車載蓄電池供電。

圖2 全自動無人駕駛軌道交通車輛喚醒和休眠功能

4.2 系統(tǒng)自檢

車載信號喚醒后,對全自動運行必需的車輛功能執(zhí)行綜合自檢,包括車載信號設(shè)備自檢,以及開關(guān)車門、施放制動等聯(lián)合自檢,同時車輛完成子系統(tǒng)車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信、牽引、輔助供電、車門、空調(diào)、制動、乘客信息、廣播、監(jiān)控、煙火報警、軸端振動、溫度等的在線自檢。車輛自檢及靜、動態(tài)測試完成后,完成自檢報告,并自動上傳報告至運營中心,由運營中心判斷車輛是否可以參與正線運營。車輛自檢界面如圖3所示。

圖3 全自動無人駕駛軌道交通車輛自檢界面

4.3 精準(zhǔn)停車

車輛進站后,自動對位停車。若發(fā)生欠?；蜻^停小于5 m,車輛將自動采取跳躍調(diào)整,直至對準(zhǔn)停車點。若發(fā)生過停超過5 m,則車輛經(jīng)運營中心人工確認后跳過本站直接運行至下一站,同時通過車載乘客信息系統(tǒng)向乘客廣播越站通知。

4.4 蠕動

車輛在全自動無人駕駛運行模式下,監(jiān)測到車輛網(wǎng)絡(luò)與信號網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障、車輛網(wǎng)絡(luò)故障,或出現(xiàn)牽引制動反饋異常工況,則車輛在區(qū)間停車,經(jīng)運營中心授權(quán)后進入蠕動模式,以不高于25 km/h的速度自動運行到下一站,并自動扣車,由運營中心派工作人員登車處置。在運行期間,自動車輛防護系統(tǒng)監(jiān)督蠕動模式運行速度,若超速,車輛將進行緊急制動。

4.5 車門與站臺門對位隔離

當(dāng)車輛在運營過程中發(fā)生車門開關(guān)故障時,車輛可關(guān)閉并鎖定故障車門,向信號系統(tǒng)報告故障車門位置,由站臺門系統(tǒng)電氣隔離對應(yīng)站臺門,在車輛停站時不操作開關(guān)門動作。反之,當(dāng)個別站臺門故障時,系統(tǒng)可關(guān)閉并鎖定故障站臺門,向信號系統(tǒng)報告故障站臺門位置,由信號系統(tǒng)將故障站臺門的位置發(fā)送給車輛,電氣隔離對應(yīng)的車門,使車門在停站時不動作。車門與站臺門故障隔離時,車輛應(yīng)觸發(fā)車門故障信息廣播,向乘客播報相關(guān)信息。

4.6 車門緊急解鎖

車輛客室內(nèi)設(shè)置有車門緊急解鎖手柄,乘客拉下緊急手柄后,解鎖信號上報運營中心,自動聯(lián)動車載監(jiān)控視屏。乘客可通過緊急對講裝置與運營中心工作人員對話。車門緊急解鎖功能激活時,車輛一般處于運行區(qū)間,則車輛以無人駕駛模式繼續(xù)保持運行。若車輛處于站臺區(qū)間,則車輛切除牽引并施加緊急制動,在車輛靜止后,經(jīng)運營中心開門授權(quán),乘客方可進行車門解鎖和打開操作。

4.7 自動洗車

車輛根據(jù)作業(yè)計劃,自動運行至洗車庫前。自動或人工啟動洗車機,車輛以3 km/h～5 km/h的洗車模式速度通過洗車機,完成洗車。洗車結(jié)束后,自動或人工關(guān)閉洗車機,車輛自動運行駛離洗車庫。

4.8 無線數(shù)據(jù)傳輸

車輛將檢測到的車輛狀態(tài)及故障信息通過4G或5G無線通信模塊傳送至運營中心,用于數(shù)據(jù)分析處理、故障診斷處理、各種場景判斷。同時,運營中心也可以通過無線通信實施對車輛的監(jiān)控,綜合提高車輛的運營和維保效率。車輛無線數(shù)據(jù)傳輸如圖4所示。

4.9 故障遠程處理

傳統(tǒng)有司機監(jiān)督或乘務(wù)員值守的車輛發(fā)生故障時,可由司機或乘務(wù)員經(jīng)運營中心指揮后進行故障處理。全自動無人駕駛車輛原則上均可通過運營中心進行遠程處理。全自動無人駕駛車輛在關(guān)鍵系統(tǒng)中采用冗余和旁路設(shè)計,在影響正常運行功能的關(guān)鍵電路中采用遠程可復(fù)位斷路器,其操作如圖5所示。當(dāng)車輛發(fā)生故障時,車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可以自動執(zhí)行復(fù)位和旁路操作。如操作失敗,則由運營中心通過遠程復(fù)位、隔離、旁路等操作手段處理車輛故障。

圖5 遠程可復(fù)位斷路器操作

4.10 遠程調(diào)控

相比有司機監(jiān)督或乘務(wù)員值守的車輛,全自動無人駕駛車輛在各子系統(tǒng)功能應(yīng)用方面可以實現(xiàn)遠程調(diào)控,既可以對單車進行遠程調(diào)控,也可以對車隊進行遠程集控。例如,運營中心可以遠程發(fā)送命令至車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),對空調(diào)進行模式轉(zhuǎn)換、溫度調(diào)節(jié)、新回風(fēng)門調(diào)節(jié)。車輛溫度遠程集控界面如圖6所示。運營中心還可以遠程調(diào)取車輛弓網(wǎng)監(jiān)控視頻、前置攝像視頻、客室內(nèi)監(jiān)控視頻等。

圖6 全自動無人駕駛軌道交通車輛空調(diào)溫度遠程集控界面

4.11 障礙物探測與脫軌檢測

全自動無人駕駛車輛在轉(zhuǎn)向架上裝有障礙物探測及脫軌檢測設(shè)備,保證車輛的安全可靠,如圖7、圖8所示。一旦探測到影響車輛運行安全的軌面障礙物或脫軌風(fēng)險,車輛立即切除牽引,并觸發(fā)緊急制動,同時將車輛狀態(tài)信號發(fā)送至運營中心,由運營中心人工設(shè)置相應(yīng)的防護區(qū),防護區(qū)內(nèi)其它車輛立即切除牽引并觸發(fā)緊急制動。與此同時,調(diào)動工作人員至事發(fā)車輛地點處理。障礙物探測時,通過在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架前端安裝主動接觸式探測梁來進行分析判斷。當(dāng)探測到軌道上有障礙物時,探測梁會通過觸發(fā)行程開關(guān)進行報警,執(zhí)行車輛緊急制動。脫軌檢測時,通過安裝在軸端的三向振動檢測設(shè)備進行檢測分析,同時通過軸溫檢測設(shè)備對車軸溫度進行監(jiān)控。

圖7 全自動無人駕駛軌道交通車輛障礙物探測設(shè)備

圖8 全自動無人駕駛軌道交通車輛脫軌檢測設(shè)備

4.12 救援

當(dāng)車輛在運營過程中發(fā)生故障無法動車時,由運營中心調(diào)度員指揮實施救援。首先,調(diào)度員調(diào)用車載監(jiān)控視頻查看客室內(nèi)情況,遠程觸發(fā)預(yù)設(shè)的緊急廣播或進行人工廣播,安撫乘客,同時可編輯文字發(fā)送至車載乘客信息系統(tǒng)進行顯示。其次,選擇相鄰車輛作為施救車,對施救車扣車清客。再次,調(diào)度員派出工作人員和司機登乘施救車,以人工模式駕駛車輛至故障車所在區(qū)段的相鄰區(qū)段,轉(zhuǎn)為限速模式接近故障車,連掛故障車,并緩解故障車制動。最后,司機以限速模式駕駛施救車以推進或牽引的方式將故障車推進或牽引至站臺清客,駕駛連掛車輛至就近停車線或車輛段退出運營,同時運營中心調(diào)整運營計劃。

4.13 開放式司機室

為了使乘客有更好的乘車體驗,全自動無人駕駛車輛采用開放式司機室設(shè)計,不設(shè)司機室側(cè)門[10],如圖9所示。車輛將設(shè)備和系統(tǒng)集成化,兼顧合理布局,采用封閉但可展開的司機臺、可展開的司機室座椅,寬敞的客室與司機室完美過渡融合。前端司機室設(shè)置逃生通道,確保在緊急狀況下迅速安全疏散乘客。逃生通道打開需經(jīng)運營中心授權(quán)。

圖9 全自動無人駕駛軌道交通車輛開放式司機室

5 結(jié)束語

筆者介紹了軌道交通車輛自動化等級分類和全自動無人駕駛技術(shù)的定義,通過與傳統(tǒng)軌道交通車輛自動運行技術(shù)進行對比,得出全自動無人駕駛技術(shù)具有提升運營管理水平和效率,提升整體系統(tǒng)安全性、可靠性、可用性,降低運營人員勞動強度,優(yōu)化人力資源配置,降低運營維保成本,提升乘客舒適性等優(yōu)勢。以上海軌道交通15號線車輛為例,對全自動無人駕駛車輛場景進行規(guī)劃、分析和設(shè)計,并對整車典型功能設(shè)計展開論述。各類傳感器數(shù)據(jù)采集、無線通信數(shù)據(jù)傳輸、計算機智能控制及分析診斷等基礎(chǔ)類技術(shù)的不斷進步,將帶動車輛系統(tǒng)深度融合、車輛無線數(shù)據(jù)傳輸、車車無線通信、全方位檢測、運維一體化、智能駕駛、多元化信息等課題實現(xiàn)深入研究和迅速發(fā)展,從而進一步提升軌道交通車輛運行全過程的自動化水平,同時提升軌道交通車輛自動運行技術(shù)的安全性、可靠性和運營維保效率。