高鐵自動駕駛系統(tǒng)存在問題及發(fā)展方向

劉文龍

摘要：在我國，高鐵逐漸成為旅客的首選交通工具，高鐵出行具有快速、方便、安全等諸多優(yōu)點。目前，我國高鐵自動駕駛技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位，不斷推動我國高鐵智能化發(fā)展。自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了高鐵列車運行的自動控制，提高駕駛系統(tǒng)自動化程度和列車運行速率。近幾年，國內(nèi)外逐漸開始研究干線鐵路自動駕駛技術(shù)，但在高鐵自動駕駛技術(shù)應(yīng)用過程中，自動駕駛系統(tǒng)會面臨多種安全風險，評估高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)安全風險具有重要意義，能為高鐵自動化駕駛發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：高鐵;自動駕駛技術(shù);安全風險

中圖分類號：TP24 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

高鐵以其快速、準時、環(huán)保等諸多優(yōu)點深受中短途旅客的歡迎，我國高鐵自2008年開始陸續(xù)建成通車，近幾年來發(fā)展迅速，位于世界領(lǐng)先水平[1]。隨著高鐵自動化駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，列車自動駕駛系統(tǒng)將會逐漸代替駕駛?cè)藛T。目前，高鐵自動駕駛系統(tǒng)還處于起步階段，很多技術(shù)和研究尚未成熟，系統(tǒng)架構(gòu)、功能設(shè)計及分配仍需要進一步討論、研發(fā)和應(yīng)用。關(guān)注高鐵自動駕駛系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，通過分析不同情況下高鐵自動化駕駛系統(tǒng)存在的安全風險，針對風險提出針對性解決方法和進行技術(shù)改進，保障行車安全和乘客生命財產(chǎn)安全。

1 高鐵自動駕駛系統(tǒng)目前存在問題及發(fā)展方向

1.1 高鐵自動駕駛系統(tǒng)的概念及評判標準

高鐵自動駕駛系統(tǒng)是指列車系統(tǒng)能夠根據(jù)地面控制系統(tǒng)的命令、不同運行工作情況及運行區(qū)間內(nèi)運行時分，選擇最優(yōu)控制策略，完成列車到站停靠自動開門、關(guān)門，站臺準確?？考傲熊嚻饎?、加減速等的控制，滿足站間行車安全間隔和列車運行時速要求，達到節(jié)能環(huán)保及自動調(diào)整的目的。列車自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用具有諸多優(yōu)點，有效地提高了列車運行能力、降低能耗，減少駕駛員疲勞程度，標志著高鐵列控系統(tǒng)智能化發(fā)展。

自動化駕駛系統(tǒng)評判標準不僅僅只是列車的安全性問題，還包括列車準點率、準停率、列車舒適程度及列車運行過程中的能耗等。未來列車自動駕駛系統(tǒng)的研究和發(fā)展方向應(yīng)該為在不同的線路條件、氣象條件和車型狀況下能夠達成上述指標。除此之外，高鐵是一套完整的復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每一部分故障均有可能造成運輸故障，因此，整個系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)如通信信號、工務(wù)工程等的可靠性、準確性必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷提升。

1.2 高鐵自動駕駛系統(tǒng)的等級劃分

按照城市軌道交通管理和控制系統(tǒng)運營功能的劃分標準，可以將我國高鐵自動駕駛系統(tǒng)劃分為GOA1～GOA4共4個不同等級。我國高鐵列車目前采用的CTCS-2/CTCS-3等級列控系統(tǒng)都屬于此等級[2];GOA2系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)可以自動駕駛列車，但駕駛室需要保留駕駛員進行必要的列車安全啟動條件檢查、關(guān)閉車門及進行緊急情況處置，珠三角城際使用的C2+ATO系統(tǒng)[3]和京沈?qū)？褪褂玫腃3+ATO系統(tǒng)[4]均是該等級系統(tǒng);GOA3系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)能夠自動駕駛列車運行，駕駛室內(nèi)不需要駕駛員，但列車內(nèi)仍需保留乘務(wù)人員，他們主要負責關(guān)閉車門和應(yīng)對各種緊急情況;GOA4系統(tǒng)已經(jīng)不需要在車內(nèi)保留駕駛員和乘務(wù)人員，直接由系統(tǒng)或列車控制中心調(diào)度人員處理各種緊急情況。GOA3和GOA4系統(tǒng)較GOA1、GOA2系統(tǒng)有了較大的進步，但目前該兩種系統(tǒng)并未得到應(yīng)用。

目前，我國高鐵列車運行控制系統(tǒng)主要是由CTCS-3系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)是在CTCS-2系統(tǒng)列車運行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而來的。該系統(tǒng)采用GSM-R無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)控制信息雙向?qū)崟r傳輸，以保障列車的運行要求。

2 ? 高鐵自動駕駛系統(tǒng)安全風險評估方法

高鐵事故造成人員傷亡的主要原因有兩個，分別是列車顛覆和列車運營安全事故。不同的自動化等級，即GOA1～GOA4等級能夠承擔不同的安全功能，針對不同自動化系統(tǒng)等級進行安全風險分析，有助于清晰了解各等級自動駕駛系統(tǒng)可能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，為高鐵自動化駕駛系統(tǒng)的發(fā)展提供借鑒。

GOA1系統(tǒng)僅僅能夠提供連續(xù)的速度防護，對于駕駛列車運行、開關(guān)門和緊急情況處置均由駕駛員負責，因此系統(tǒng)的安全風險主要包括超速和相撞兩個方面。列車超速可能包含的情況有超過線路、岔路口設(shè)置的勻速速度或臨界速度不同的情況;一旦駕駛?cè)藛T出現(xiàn)超速的情況，該系統(tǒng)將會自動產(chǎn)生制動，保障運行安全。列車相撞的情形有追尾、迎面相撞和側(cè)面碰撞3種，系統(tǒng)能夠保證不同行車許可有效避免碰撞，且在駕駛員出現(xiàn)錯誤時緊急制動，保證安全。

GOA2系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)可以自動駕駛列車，但駕駛室需要保留駕駛員進行必要的列車安全啟動條件檢查、關(guān)閉車門及進行緊急情況處置，因此，該系統(tǒng)的主要安全風險包括兩大部分，分別是GOA1系統(tǒng)安全風險和自動駕駛帶來的開關(guān)車門、加減速處理等情況。開關(guān)車門要避免開錯兩側(cè)車門、未在列車停穩(wěn)后或適當時機開關(guān)門、未在站臺合適位置開關(guān)門等情況。列車加減速過程應(yīng)避免突然加速或減速，造成乘客受傷。

GOA3系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)能夠自動駕駛列車運行，駕駛室內(nèi)不再需要駕駛員，但列車內(nèi)仍需保留乘務(wù)人員，他們主要負責關(guān)閉車門和應(yīng)對各種緊急情況。該系統(tǒng)的主要安全風險包括GOA2系統(tǒng)的全部風險，此外，還必須承擔原本由駕駛員人工監(jiān)控的幾類風險，如列車顛覆時碰到障礙物，或異常情況下出現(xiàn)超速等問題。

GOA4系統(tǒng)已經(jīng)取消了駕駛員和乘務(wù)人員，因此在面臨GOA3系統(tǒng)需要面臨的全部風險后，還必須要面臨由原有駕駛員和乘務(wù)人員負責監(jiān)控的風險，如錯誤關(guān)閉車門、列車內(nèi)煙火檢查、乘客跌落站臺等情況。

目前來說GOA1和GOA2系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展較為成熟并且成功應(yīng)用于不同的運輸線路，對于這兩種系統(tǒng)出現(xiàn)的安全風險目前已經(jīng)有較為完善、成熟的應(yīng)對解決方案，后續(xù)將不再對這兩種系統(tǒng)進行分析。GOA3和GOA4系統(tǒng)由于自動化程度高，分別引入了不同的新風險源。高鐵和城市軌道交通自動化駕駛系統(tǒng)存在一些聯(lián)系，同時也存在不同，在進行高鐵自動化駕駛系統(tǒng)研究時，可以借鑒城市軌道交通自動化駕駛成熟的經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上，針對高鐵自動化駕駛系統(tǒng)特有的問題進行分析，找到有效的解決方法。

3 ? 高鐵自動化駕駛系統(tǒng)GOA3和GOA4系統(tǒng)問題解決策略

GOA3和GOA4自動化駕駛系統(tǒng)必須以代替駕駛員和乘務(wù)人員完成復(fù)雜外部環(huán)境的感知為前提進行新增功能的實現(xiàn)，但目前該技術(shù)發(fā)展未能支撐，因此，未來的發(fā)展方向應(yīng)該為解決大量的狀態(tài)感知和監(jiān)測。

3.1 線路條件檢測

高鐵線路能夠支撐一定的運行速度并且留有合理的設(shè)計裕量，列車信號系統(tǒng)根據(jù)線路設(shè)計的速度限制線路允許速度并以此監(jiān)控列車行車安全。但是，在某些特殊的情況下可能會出現(xiàn)異常，即當列車按照信號系統(tǒng)給出的速度在合理范圍內(nèi)運行但仍然存在一定的風險，針對此類風險目前主要利用人工降速實現(xiàn)。如在暴風、暴雨雪等惡劣天氣條件下，駕駛員會根據(jù)列車駕駛過程中的情況，采取措施保障列車運行安全。GOA3和GOA4自動駕駛系統(tǒng)取代了駕駛員和乘務(wù)人員，面對各種惡劣環(huán)境條件均需由系統(tǒng)自行控制。

3.2 障礙物檢測

在我國，高鐵運行路線錯綜復(fù)雜，形成密集的網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)雜的天氣或運行時間過久等情況下，很可能出現(xiàn)地面與列車不吻合狀況導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。目前，此類風險的解決主要依靠駕駛員進行判斷并采取一定的措施，如確定故障路段區(qū)間內(nèi)是否存在其他運行車輛，鐵路道岔是否位置正確及需要調(diào)車或重新進行信號連接時，區(qū)域內(nèi)是否存在其他列車。此外，在列車運行的環(huán)境中，很可能會有其他障礙物遮擋和入侵線路，對行車安全產(chǎn)生影響，如山體滑坡、泥石流、動物等，針對這種風險，目前主要解決措施是視頻監(jiān)控及障礙物監(jiān)測技術(shù)監(jiān)控，駕駛員采取如停車或鳴笛等措施解決。GOA3和GOA4自動駕駛系統(tǒng)取代了駕駛員和乘務(wù)人員，在障礙物判斷方面要求有所提高。自動駕駛系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)隨時隨地、各種天氣條件、各種線路選擇情況下，準確、及時、有效地監(jiān)測障礙物并及時發(fā)出正確指令，解決風險問題。

3.3 人員檢測

高鐵在車站?？?，乘客上下車過程中，很可能出現(xiàn)乘客跌落站臺的危險情況，并且在一些大站，上下車乘客較多，此時若仍然按照嚴格的列車發(fā)車運行時間開關(guān)車門很可能造成未上車乘客發(fā)生碰撞危險。此外，在鐵路上工作的施工人員、鐵路維護工作人員可能由于來不及離開而出現(xiàn)事故。針對這些風險，目前主要是由駕駛員和車站地面工作人員實時溝通解決。GOA3和GOA4自動駕駛系統(tǒng)取代了駕駛員和乘務(wù)人員，地面和列車人員的監(jiān)測工作均由系統(tǒng)完成，并且由系統(tǒng)發(fā)出一系列指令。

4 ? 結(jié)語

我國高鐵自動化駕駛系統(tǒng)的發(fā)展位居世界前列，我國擁有前端的高鐵自動化駕駛系統(tǒng)，引領(lǐng)世界各國鐵路事業(yè)發(fā)展的方向。但我們應(yīng)該清楚地認識到，高鐵自動化駕駛系統(tǒng)代替駕駛員或乘務(wù)人員的前提必須是有效保證列車的行車安全。目前，自動駕駛系統(tǒng)仍然存在安全隱患，應(yīng)該注重安全風險分析，利用更加完善的技術(shù)保障高鐵運行安全。

參考文獻

[1] 江明.高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)安全風險分析及發(fā)展方向[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2019，41（4）：1-6.

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[3] 羅松.CTCS2+ATO城際鐵路列控系統(tǒng)總體技術(shù)研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2015，12（3）：1-5.

[4] 中國鐵路總公司.TJ/DW202-2018高速鐵路ATO系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案[S].北京：中國鐵路總公司，2018.