全自動無人駕駛模式下對通信系統(tǒng)的需求分析

李蘇雯，王 浩

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

軌道交通信息系統(tǒng)

全自動無人駕駛模式下對通信系統(tǒng)的需求分析

李蘇雯，王 浩

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

為達到車輛全自動無人駕駛的目的，軌道交通通信系統(tǒng)在既有接口功能的基礎(chǔ)上，針對使用場景重新進行需求分析，優(yōu)化了與車載設(shè)備、地面相關(guān)系統(tǒng)的接口功能和實施方案，滿足全自動無人駕駛的運營指揮需求，并提供了應(yīng)急故障情況下的通信及監(jiān)控手段。

全自動無人駕駛；通信系統(tǒng)；需求分析

軌道交通的全自動無人駕駛是指在沒有司乘人員參與的情況下，車輛經(jīng)由線路控制中心的統(tǒng)一控制指揮，實現(xiàn)全自動運營，并且在故障情況下能夠自動恢復(fù)等。

全自動駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)駕駛系統(tǒng)的功能變化主要體現(xiàn)在車輛、信號、通信、綜合監(jiān)控等核心子系統(tǒng)要求的改變，以及車輛段管理、行車組織的轉(zhuǎn)變。因此需要各系統(tǒng)在原有功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，增強與車輛及地面系統(tǒng)的接口功能及其可用性和穩(wěn)定性。

本文以通信系統(tǒng)為例，分析了在全自動無人駕駛模式下對通信技術(shù)的需求。

1 通信系統(tǒng)支持的全自動無人駕駛操作場景

1.1 車輛遠程上電

車輛運營前，調(diào)度人員通過地面廣播、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）對無人庫內(nèi)的情況進行確認(rèn)，在環(huán)境安全的情況下由調(diào)度人員執(zhí)行遠程送電。

1.2 軋道車運營

軋道車（首車輛）在正線運營的第一圈，不停站不開門，經(jīng)過站臺時，通過通信系統(tǒng)站臺廣播告知站內(nèi)人員本次車輛不停車。

1.3 車輛進站停車

車輛進站時通過行車綜合自動化系統(tǒng)（TIAS）與廣播的接口，將自動發(fā)出到站廣播信息；停車位置過標(biāo)不允許退行調(diào)整時，需調(diào)度人員經(jīng)由車內(nèi)廣播、站臺廣播告知旅客注意，并通知司機上車排除故障。

1.4 站臺發(fā)車

正常情況下，車輛發(fā)車時車載系統(tǒng)將觸發(fā)發(fā)車廣播，車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）顯示屏也將切換下一站到站信息；如在車輛停站扣車期間，車輛車門和站臺門應(yīng)重新打開，并將自動觸發(fā)站臺廣播，告知旅客和站臺工作人員注意。

1.5 車輛折返換端及清客

車載控制接口開啟乘客廣播，并在車載PIS顯示屏上顯示清客信息，中心調(diào)度人員通過車輛CCTV進行車內(nèi)清客確認(rèn)；TIAS聯(lián)動車站廣播和站臺PIS顯示屏，提示本站清客，站臺乘客請勿上車；如果運營中存在必須折返轉(zhuǎn)通過進路的情況，通過車站廣播和車輛廣播通知乘客。

1.6 車門故障及再關(guān)門控制

TIAS聯(lián)動站臺CCTV及車上CCTV人工遠程確認(rèn)可以關(guān)門時，通過車輛監(jiān)控調(diào)度臺下發(fā)關(guān)門命令。

1.7 列車緊急制動

車輛PIS將緊急手柄拉下報警區(qū)域定位后的畫面主動推送給中心調(diào)度CCTV監(jiān)視器；緊急手柄恢復(fù)后，中心調(diào)度經(jīng)CCTV確認(rèn)后由中心車輛或本地司機確認(rèn)后允許發(fā)車。

1.8 發(fā)起緊急呼叫

客室內(nèi)設(shè)置緊急呼叫按鈕，當(dāng)乘客觸發(fā)客室內(nèi)的緊急呼叫按鈕后，可通過其與車載無線電臺的接口，實現(xiàn)乘客與中心調(diào)度臺或司機人員的通話。

1.9 車輛異常情況

車輛故障或運營區(qū)間內(nèi)發(fā)生意外情況時，中心調(diào)度員可實時對車輛或站內(nèi)、區(qū)間進行廣播，起到應(yīng)急告知疏散乘客的作用；同時中心調(diào)度員可通過車內(nèi)、站臺、區(qū)間攝像終端遠程調(diào)看圖像，及時了解現(xiàn)場情況，開展救援。

2 對車載通信系統(tǒng)的新增需求

為保證無人駕駛情況下，調(diào)度指揮對車輛的正常操控以及應(yīng)急故障時的救援，車載通信設(shè)備需能夠滿足視頻監(jiān)控、車地?zé)o線通信以及車載應(yīng)急對講等功能需求：

（1）全自動駕駛系統(tǒng)中, 通信系統(tǒng)需要為控制中心調(diào)度人員提供運行車輛前方、內(nèi)部及沿線圖像。

（2）乘客與控制中心的雙向語音通話。

（3）車地?zé)o線通信的質(zhì)量要求更高。

2.1 新增車載應(yīng)急電話功能

每節(jié)車廂都應(yīng)在車門位置新增車載應(yīng)急電話，利用集群無線電（TETRA）的通道，通過車載廣播系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng)的接口，既可以實現(xiàn)既有線路中心調(diào)度員對車輛發(fā)起廣播的功能，也可以實現(xiàn)乘客與控制中心調(diào)度員或車輛駕駛室控制臺的雙向通信對講功能。

2.2 增強車輛前后方視頻監(jiān)控功能

由于取消了駕駛室的封閉設(shè)置，車頭尾加裝具有紅外夜視功能的視頻監(jiān)視設(shè)備，用于增強對車輛前后方的監(jiān)視及記錄事故信息，便于日后分析事故原因；車輛故障時，輔助控制中心遠程控制車輛蠕動到待避線、車站。拍攝的圖像將通過車地通信接口上傳控制中心或保存在車輛本地硬盤。

2.3 增強車內(nèi)視頻監(jiān)視聯(lián)動功能

在全自動駕駛條件下，車輛本身的監(jiān)控信息及特殊事件的告警信息均通過信號專業(yè)進行收集，如門拉手動作、火災(zāi)報警等。同時車輛收集車內(nèi)對講電話報警終端位置信息、火災(zāi)報警位置信息和相關(guān)復(fù)位信息，通過車輛或車輛集成管理系統(tǒng)（TIMS）的接口觸發(fā)PIS車載系統(tǒng)將司機室觸摸屏顯示內(nèi)容自動切換到相應(yīng)報警畫面，同時上傳至控制中心顯示。

2.4 車載廣播系統(tǒng)功能增強

無人駕駛情況下，車載廣播通過與TETRA無線系統(tǒng)的接口實現(xiàn)以下3種功能：

（1）行車自動運行駕駛模式（AM）下播放計劃的乘客通知；

（2）人工模式下駕駛員現(xiàn)場廣播；

（3）運行控制中心（OCC）調(diào)度員遠程人工廣播。

2.5 通信系統(tǒng)需提高的性能

2.5.1 增強通信車載設(shè)備安全性和穩(wěn)定性

為增強車載PIS、CCTV、TETRA無線設(shè)備運行的安全性、穩(wěn)定性，車載相關(guān)設(shè)備進行冗余配置，互為熱備份。同時所有設(shè)備具備自動檢測和報告，自動開機、關(guān)機的功能。并且車地?zé)o線實現(xiàn)的PIS 、CCTV 支持兩個頻點的主備冗余。

2.5.2 增強對車載通信設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控

中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）需實現(xiàn)對車載無線、CCTV、 PIS設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)控。車載TETRA、PIS的自檢和故障信息通過擴展與車輛的接口傳送給TIMS，TIMS統(tǒng)一管理車載設(shè)備信息并且上報給信號系統(tǒng)，經(jīng)信號車載設(shè)備和車地?zé)o線通信傳送給地面ATS，再與車輛其他設(shè)備的狀態(tài)及故障信息一并告知綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控。

3 車輛與車載通信系統(tǒng)的接口實現(xiàn)

通信系統(tǒng)車載設(shè)備與車輛接口如圖1所示。

圖1 通信系統(tǒng)車載設(shè)備與車輛接口

3.1 車載廣播與TETRA車載電臺的接口

TETRA系統(tǒng)車載臺提供1路RS422串行接口和線音頻接口，采用14芯航空插頭的形式與車載廣播設(shè)備對接，實現(xiàn)車輛與通信系統(tǒng)之間的音頻傳輸和車載電臺的狀態(tài)信息采集。

3.1.1 中心下發(fā)廣播實現(xiàn)流程

廣播由中心調(diào)度人員發(fā)起，車載臺在接收到調(diào)度的廣播開始指令后，發(fā)送廣播開始請求給車載廣播系統(tǒng)，車載臺收到車載廣播系統(tǒng)的確認(rèn)消息后打開廣播音頻，同時回復(fù)廣播開始消息給調(diào)度系統(tǒng)，至此廣播建立。

同樣廣播結(jié)束也由中心調(diào)度人員發(fā)起，車載臺在接收到廣播結(jié)束指令后，發(fā)送廣播結(jié)束消息給車載廣播系統(tǒng)，同時關(guān)閉廣播音頻，調(diào)度本次廣播結(jié)束。

中心下發(fā)廣播流程如圖2所示。

圖2 中心下發(fā)廣播流程

3.1.2 乘客緊急呼叫實現(xiàn)流程

緊急呼叫由車載廣播系統(tǒng)發(fā)起，車載臺在接收到車載廣播系統(tǒng)的請求開始消息后，將把該消息發(fā)送到中心，中心調(diào)度員按此提示建立呼叫，車載臺會發(fā)送乘客緊急呼叫開始確認(rèn)消息給車載廣播，同時打開音頻通道，乘客緊急呼叫開始實施。

當(dāng)呼叫結(jié)束后，車載臺接收中心調(diào)度員指示，發(fā)送緊急呼叫結(jié)束消息給車載廣播系統(tǒng)，同時關(guān)閉音頻通道。

圖3 乘客緊急呼叫建立流程

乘客緊急呼叫建立流程如圖3所示。

3.2 車輛TIMS與PIS車載設(shè)備的接口

車輛TIMS提供1路MVB接口與PIS車載設(shè)備對接，實現(xiàn)以下數(shù)據(jù)交互：

（1）車輛為PIS提供到站及預(yù)告信息等；由PIS系統(tǒng)負責(zé)在車載顯示終端播放。

（2）由車輛為PIS提供本車統(tǒng)一的時鐘信號。

（3）車輛為PIS提供對講電話報警終端位置信息、通話終端的位置信息、火災(zāi)報警位置信息和相關(guān)復(fù)位信息 ；PIS負責(zé)實現(xiàn)將司機室觸摸屏顯示內(nèi)容自動切換到相應(yīng)報警畫面（全屏顯示），同時上傳至控制中心顯示。

（4）車輛為PIS提供車頭車尾切換信號。

（5）PIS向車輛提供自檢狀態(tài)信息及設(shè)備故障信息。

（6）PIS預(yù)留車輛非安全信息上傳通道。

4 對地面通信系統(tǒng)的新增需求

4.1 增強對行車沿線的視頻監(jiān)視功能

在線路沿線重要的地點設(shè)置視頻監(jiān)控，作為事故調(diào)查的依據(jù)。視頻可以通過傳輸通道匯集到鄰近的車站存儲，或再上傳到OCC。

4.2 增加對車輛段CCTV、PA設(shè)備聯(lián)動控制功能

在車輛段無人區(qū)進行車輛出庫、調(diào)車作業(yè)、自動洗車等操作過程中，車輛段調(diào)度員需通過車場內(nèi)CCTV監(jiān)視車輛的動作過程，通過ISCS根據(jù)ATS提供的車輛運行位置，對車輛段CCTV進行隨車切換聯(lián)動。在車輛動作前，需要對現(xiàn)場自動進行廣播提示通過ISCS根據(jù)ATS提供的車輛動作信息，對車輛段乘客廣播（PA）系統(tǒng)進行自動播報聯(lián)動。

通信系統(tǒng)底面設(shè)備與車輛段ISCS接口示意圖如圖4所示。

圖4 通信系統(tǒng)地面設(shè)備與車輛段ISCS接口示意圖

4.3 配合車載通信系統(tǒng)功能實現(xiàn)的設(shè)備定位

為滿足中心調(diào)度員對車輛實況的準(zhǔn)確定位，需信號系統(tǒng)為TETRA車載無線電臺、站臺廣播、車載CCTV系統(tǒng)提供本次通信的車次編號等信息。

5 結(jié)束語

提高車載CCTV功能后，對車地通信無線通信系統(tǒng)帶寬要求增大，目前車地?zé)o線的帶寬受到一定限制，時延較長。為進一步增強車地通信傳輸帶寬和質(zhì)量，軌道交通領(lǐng)域正在嘗試通過新一代無線通信技術(shù)支持PIS車地?zé)o線傳輸，其穩(wěn)定性、可靠性正在試驗過程中，有望推出試行。

責(zé)任編輯 陳 蓉

Requirement analysis of Communication System in automatic unmanned driving mode

LI Suwen,WANG Hao
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

In order to achieve the purpose of automatic unmanned driving, based on the existing interface function of Urban Transit Communication System, requirement analysis was made for the usage scenarios. The interface functions and implementation plans associated with the vehicle equipment and other systems were optimized. The Communication System could meet the requirements of operation of automatic unmanned driving, provide communication and monitoring under the conditions of emergency failure.

automatic unmanned driving; Communication System; requirement analysis

U285.211∶TP39

A

1005-8451（2015）07-0057-04

2014-11-29

李蘇雯，助理研究員；王 浩，助理研究員。