全自動無人駕駛模式下系統(tǒng)功能與場景分析*

鄭 偉

全自動無人駕駛模式下系統(tǒng)功能與場景分析*

鄭 偉

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，100081，北京∥助理研究員）

全自動無人駕駛系統(tǒng)作為目前集成化、自動化程度最高的列車運(yùn)行系統(tǒng),能夠更好地適應(yīng)高密度、大客流的運(yùn)營需求，代表了城市軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展方向。通過全自動無人駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)有人駕駛系統(tǒng)的比較,闡述了全自動無人駕駛列車的功能和特點(diǎn)，并對其特有功能和場景進(jìn)行分析和研究，為全自動無人駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考和建議。

城市軌道交通；全自動無人駕駛；功能分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及城市軌道交通自動化水平的不斷提高,全自動無人駕駛系統(tǒng)已在世界很多城市的軌道交通中得到了成功實(shí)踐和應(yīng)用。目前，國內(nèi)外如哥本哈根、巴黎、溫哥華、香港、上海、北京等城市的全自動無人駕駛列車已正式投入運(yùn)行，而且還有越來越多的在建城市軌道交通項(xiàng)目選擇了全自動無人駕駛系統(tǒng)。

雖然國內(nèi)全自動無人駕駛技術(shù)發(fā)展起步較晚，但是伴隨近十余年國內(nèi)城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，車輛、信號、通信、綜合監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，以及系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)的全自動無人駕駛技術(shù)也將進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，并將在我國城市軌道交通中得到更多的應(yīng)用。

1 全自動無人駕駛

1.1 概念與特點(diǎn)

列車無人值守的全自動無人駕駛（UTO）是指列車上無需司機(jī)進(jìn)行駕駛，而是由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車的自動駕駛和防護(hù)，并具有自動化等級為GOA4的列車自動駕駛模式。它主要依靠高可靠性和安全性的信號系統(tǒng)（列車自動控制系統(tǒng)）進(jìn)行列車控制，并利用高可靠性、大容量的通信系統(tǒng)，將列車信息與控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)交互；控制中心人員結(jié)合綜合監(jiān)控系統(tǒng)信息，依靠人工監(jiān)視與干預(yù)機(jī)制來確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)集成化、自動化水平高，行車間隔??；②系統(tǒng)具有安全性和可靠性高的特點(diǎn)；③由于采用無人駕駛，避免了人為誤操作，降低了人員成本。

1.2 與其他自動駕駛模式的比較

列車的自動駕駛模式可以分為3種：有人駕駛的列車自動運(yùn)行（STO，自動化等級為GOA2）模式、有人監(jiān)督的無人駕駛（DTO，自動化等級為GOA3）模式、UTO模式。目前，國內(nèi)地鐵線路通常采用的是自動化等級為GOA2的有人駕駛的列車自動運(yùn)行模式。

表1為3個(gè)自動化等級的自動駕駛模式所對應(yīng)的列車運(yùn)行基本功能對比。從表1中可以看出，UTO模式在整個(gè)運(yùn)行過程中都無需人員參與操作，能夠?qū)崿F(xiàn)列車的自動投入或退出運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)自動發(fā)車、監(jiān)督上下客等作業(yè)；此外，UTO還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動調(diào)車、自動洗車等功能。而傳統(tǒng)的STO模式需要司機(jī)駕駛列車投入和退出運(yùn)營，司機(jī)確認(rèn)列車自動運(yùn)行發(fā)車，并監(jiān)督上、下客等作業(yè)。同時(shí)，UTO模式還增加了監(jiān)測火災(zāi)、脫軌、前方障礙物等功能，極大地提高了系統(tǒng)的故障診斷能力，從而最大限度地保障了人員安全。對于設(shè)備故障和緊急情況的處理，UTO與STO的區(qū)別就是將原來司機(jī)的工作轉(zhuǎn)移給運(yùn)行控制中心（OCC）或站務(wù)人員處理，不再存在傳統(tǒng)意義上的司機(jī)，而是將運(yùn)營和維護(hù)統(tǒng)一起來，故對維護(hù)人員提出了更高的要求。

表1 3個(gè)自動化等級的自動駕駛模式對應(yīng)的列車運(yùn)行基本功能對比

2 列車運(yùn)行系統(tǒng)功能

2.1 喚醒與休眠

2.1.1 喚醒

每天早上投入運(yùn)營前，OCC會根據(jù)運(yùn)行時(shí)刻表提前對即將投入運(yùn)營的車輛進(jìn)行高、低壓上電，并進(jìn)行喚醒操作；車載收到喚醒命令后，車輛和車載控制器（VOBC）首先進(jìn)行上電自檢操作，車輛將通過列車監(jiān)控管理系統(tǒng)（TCMS）將車輛自檢結(jié)果發(fā)送給VOBC，VOBC會將自身的自檢結(jié)果和車輛的自檢結(jié)果匯總報(bào)告給OCC。

如果自檢成功，列車滿足靜、動態(tài)測試條件，VOBC向軌旁區(qū)域控制器（ZC）申請列車靜態(tài)測試和動態(tài)測試授權(quán)，獲得授權(quán)后，由VOBC發(fā)起、車輛配合，進(jìn)行列車靜、動態(tài)測試。如果測試成功，VOBC將向OCC匯報(bào)喚醒成功；如果自檢失敗或不滿足測試條件，將不進(jìn)行列車靜、動態(tài)測試，則列車喚醒失敗。如果列車靜態(tài)或動態(tài)測試過程中，某一項(xiàng)測試失敗，均將中止執(zhí)行下一步，并向OCC匯報(bào)列車喚醒失敗。如果列車喚醒失敗，則需要進(jìn)行人工干預(yù)。具體喚醒流程如圖1所示。

圖1 列車運(yùn)行系統(tǒng)喚醒流程圖

2.1.2 休眠

列車退出正線運(yùn)行，返回停車庫或正線存車線，OCC會根據(jù)VOBC實(shí)時(shí)發(fā)送的當(dāng)前列車狀態(tài)，判斷列車是否具備休眠條件，自動或人工向VOBC發(fā)送休眠命令；VOBC收到命令后，通過與車輛TCMS進(jìn)行交互，最后將休眠結(jié)果反饋給OCC。

同時(shí)，司機(jī)也可以按壓休眠按鈕人工進(jìn)行休眠。當(dāng)TCMS和VOBC采集到休眠按鈕被按壓后，將分別執(zhí)行休眠操作，并將休眠結(jié)果反饋給OCC。

以下情況VOBC、TCMS不應(yīng)該執(zhí)行休眠操作：①鑰匙有效時(shí)，應(yīng)先提示關(guān)閉鑰匙，鑰匙關(guān)閉前不執(zhí)行休眠；②VOBC判斷自身發(fā)生重大故障時(shí)，將不能給出休眠允許；③車輛通過TCMS向VOBC匯報(bào)車輛存在重大故障時(shí)，將不能給出休眠允許。

2.2 站臺區(qū)域控制

2.2.1 停站控制

列車以無人駕駛模式滿足進(jìn)站條件后，進(jìn)行對標(biāo)停車控制：①如果自動停在停車窗內(nèi)，VOBC向OCC匯報(bào)停穩(wěn)信息；②如果欠標(biāo)超過5 m時(shí)，VOBC向OCC報(bào)警，并繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)行對標(biāo)停車；③如果欠標(biāo)或沖標(biāo)未超過5 m，VOBC向OCC匯報(bào)未停穩(wěn)信息，并以向前或向后跳躍方式進(jìn)行對標(biāo)調(diào)整，向前或向后可多次進(jìn)行跳躍動作；④ 如果沖標(biāo)超過5 m時(shí)，VOBC直接越過本站運(yùn)行至下一站，向OCC報(bào)警，并通過車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）向列車乘客進(jìn)行廣播。

2.2.2 車門、安全門控制

如果列車有個(gè)別車門有故障現(xiàn)象，車輛TCMS會將故障信息報(bào)告給VOBC；VOBC將車門狀態(tài)信息發(fā)送給與之通信的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）系統(tǒng)，同時(shí)匯報(bào)給OCC；CBI系統(tǒng)將信息發(fā)送給對應(yīng)站臺的站臺門系統(tǒng)，然后站臺門系統(tǒng)將對應(yīng)的站臺門進(jìn)行對位隔離，列車停站開關(guān)門時(shí)，故障的車門和對應(yīng)站臺門將不參與開關(guān)門動作。如果某個(gè)站臺有個(gè)別站臺門有故障現(xiàn)象，站臺門系統(tǒng)會將故障信息發(fā)送給CBI系統(tǒng)；CBI系統(tǒng)將站臺門信息發(fā)送給即將進(jìn)站的VOBC，同時(shí)匯報(bào)給OCC；VOBC會將站臺門信息發(fā)送給車輛TCMS，然后車輛TCMS將對應(yīng)的車門進(jìn)行對位隔離，列車停站開關(guān)門時(shí)，故障的站臺門和對應(yīng)車門將不參與開關(guān)門動作。具體車門和站臺門的狀態(tài)信息傳遞流程圖如圖2所示。

圖2 車門/站臺門狀態(tài)信息傳遞流程

2.2.3 再關(guān)門控制

當(dāng)列車停站時(shí)，車輛進(jìn)行關(guān)門操作，若開、關(guān)車門3次后仍未成功關(guān)閉，車輛將通過TCMS給VOBC反饋進(jìn)入防夾狀態(tài)；站臺人員確認(rèn)可以關(guān)門后，按壓站臺關(guān)門按鈕，由CBI系統(tǒng)通知VOBC輸出關(guān)車門和站臺門命令。

2.3 遠(yuǎn)程控制功能

2.3.1 遠(yuǎn)程觸發(fā)緊急制動及制動緩解

為了應(yīng)對緊急情況，OCC應(yīng)該能夠?qū)θ詣訜o人駕駛列車發(fā)送緊急制動指令，使列車緊急停車；也可以遠(yuǎn)程將導(dǎo)致緊急制動的條件恢復(fù)，遠(yuǎn)程緩解緊急制動。

2.3.2 視頻與廣播

列車每節(jié)車廂和司機(jī)室內(nèi)、外需安置攝像頭，用于監(jiān)控客室內(nèi)、司機(jī)室和前方隧道情況。一旦出現(xiàn)緊急情況，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠即時(shí)將視頻切換至事發(fā)地點(diǎn)，為乘客和OCC工作人員提供即時(shí)的現(xiàn)場信息，便于相關(guān)緊急情況的處理。OCC通過地面無線中心將廣播信息發(fā)送給車載無線單元，列車廣播系統(tǒng)根據(jù)車載無線單元的廣播信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行列車廣播。

2.3.3 其他功能

OCC還具有遠(yuǎn)程控制客室照明的打開與關(guān)閉、遠(yuǎn)程監(jiān)測列車狀態(tài)等功能。

2.4 緊急情況處理

2.4.1 緊急手柄與緊急呼叫

為了應(yīng)對客室中的緊急事件，在每個(gè)客室內(nèi)設(shè)置一個(gè)緊急手柄，乘客可以在緊急情況下拉下該手柄。一旦手柄被拉下，車輛TCMS和VOBC都將施加緊急制動命令，使列車停車。同時(shí)客室內(nèi)還設(shè)置緊急對講裝置，允許乘客請求與OCC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

2.4.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

全自動無人駕駛列車配備火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)車輛向VOBC提供火災(zāi)報(bào)警信息；VOBC將火災(zāi)報(bào)警信息上報(bào)至OCC，OCC通過CCTV確認(rèn)現(xiàn)場火災(zāi)情況。當(dāng)車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，車站火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將車站的火災(zāi)報(bào)警信息傳送給OCC，OCC進(jìn)行火災(zāi)確認(rèn)。當(dāng)火災(zāi)被確認(rèn)后，將向乘客進(jìn)行廣播，并采取相應(yīng)措施，對乘客進(jìn)行救援和疏散。

2.4.3 蠕動模式與雨雪模式

當(dāng)VOBC與車輛TCMS網(wǎng)絡(luò)間或車輛網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，或者牽引制動反饋異常等情況但制動硬線未報(bào)故障時(shí)，列車將向OCC申請進(jìn)入蠕動模式。蠕動模式是列車限速運(yùn)行（如25 km/h）的一種后備運(yùn)行模式。當(dāng)OCC確認(rèn)列車進(jìn)入蠕動模式后，列車將在列車自動防護(hù)（ATP）系統(tǒng)的監(jiān)督下運(yùn)行進(jìn)入站臺停車，等待司機(jī)上車進(jìn)行救援；如果VOBC與車輛TCMS間通信中斷且制動硬線上報(bào)故障時(shí)，VOBC將向OCC申請救援。

雨雪模式是指當(dāng)列車運(yùn)行于雨雪等導(dǎo)致列車牽引力和制動力下降的工況下，信號系統(tǒng)采用的特殊控制模式。該模式下VOBC會限制最大牽引和最大制動的輸出，從而盡量防止空轉(zhuǎn)打滑及按照限制的牽引和制動進(jìn)行列車運(yùn)行控制。OCC可以對全自動無人駕駛列車設(shè)置雨雪模式，并根據(jù)天氣情況為全線設(shè)置臨時(shí)限速，從而更好地保證特殊天氣情況下列車的運(yùn)行安全。

3 技術(shù)難點(diǎn)

（1）全自動無人駕駛模式下，列車運(yùn)行幾乎全部依靠列車運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行控制和駕駛，因此對系統(tǒng)的可靠性、安全性以及冗余性提出了更高要求，并且車地間需要能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定雙向、大容量通信，以保證車載與軌旁、OCC間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

（2）由于全自動無人駕駛列車，車上無司機(jī)進(jìn)行駕駛，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障或突發(fā)事件，需要列車運(yùn)行系統(tǒng)能夠在保證安全的情況下，高效和快速地對故障和突發(fā)事件進(jìn)行反應(yīng)，這同時(shí)也要求運(yùn)營方有完備的運(yùn)營規(guī)則和高素質(zhì)的運(yùn)維人員進(jìn)行應(yīng)急處理。

（3）對于列車前方障礙物的探測和預(yù)警以及特殊區(qū)域（如站臺區(qū)域）的人員安全防護(hù)，也還需要作進(jìn)一步研究；系統(tǒng)出現(xiàn)涉及安全的故障后，如何排除安全風(fēng)險(xiǎn)并保證運(yùn)營，還需進(jìn)一步摸索和探討。

（4）與傳統(tǒng)的有人駕駛系統(tǒng)相比，全自動無人駕駛系統(tǒng)是一個(gè)高度集成化的系統(tǒng)，因此為確保整個(gè)系統(tǒng)能夠安全、可靠運(yùn)行，需要進(jìn)行大量的系統(tǒng)間的聯(lián)合調(diào)試以及救援、應(yīng)急疏散等聯(lián)合演練，并進(jìn)行長時(shí)間的不載客試運(yùn)行，以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性，并且建議在運(yùn)營初期安排司機(jī)在列車上進(jìn)行緊急事件處理。

4 結(jié)語

全自動無人駕駛系統(tǒng)是高集成化、高自動化的系統(tǒng)，能夠適應(yīng)現(xiàn)代地鐵高密度、大客流的運(yùn)營需求，避免了人為操作造成的不利因素，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。但由于我國對于全自動無人駕駛技術(shù)的研究起步較晚，尚無國產(chǎn)化的系統(tǒng)投入運(yùn)營，所以應(yīng)該充分借鑒已開通全自動無人駕駛系統(tǒng)的線路運(yùn)營和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，針對國內(nèi)地鐵線路的特點(diǎn)，加快全自動無人駕駛技術(shù)的國產(chǎn)化開發(fā)。

［1］ British Standards Institution.Railway applications—Urban guided transport management and command/control systems：Part1：System principles and fundamental concepts：EN 62290-1［S］.London：BSI Standards Limited，2014：16-19.

［2］ 王日凡．全自動無人駕駛系統(tǒng)——全新理念的城市軌道交通模式［J］．城市軌道交通研究，2006（8）：l．

［3］ 朱蓓玲，宋鍵.全自動無人駕駛車輛功能與特點(diǎn)［J］．地下工程與隧道，2005（4）：33.

［4］ 張海濤，梁汝軍.地鐵列車全自動無人駕駛系統(tǒng)方案［J］．城市軌道交通研究，2015（5）：33.

Analysis of the Function and Scene of Train Operation in Full Unattended Mode

ZHENG Wei

Representing the highest level of integrated and automatic train operation system，the full unattended train operation system can meet better the demands for high density and large flow of passengers，lead the development direction of urban rail transit.With a comparison between the unattended train operation system and the traditional driving system，the functions and features of the former are explained,the specific functions and scenes of which are analyzed.This study provides reference and advice to the application of unattended train operation system.

urban rail transit；full unattended train operation；functional analysis

U284.48

10.16037/j.1007-869x.2017.11.024

Author′s address CARS Signal&Communication Research Institute，100081，Beijing，China

*中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目（2016YJ053）

2016-09-06）