我國智能高鐵自動駕駛技術應用進展

李紅俠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速鐵路已成為國民中短途旅客出行首選的交通工具，具有安全、準時、舒適、環(huán)保等特點，高鐵技術、裝備、建設、運營已經(jīng)達到國際先進水平，部分處于領先水平。面對鐵路運輸需求的不斷增長，增強運輸安全保障能力、提升運輸服務質(zhì)量、提高運輸效率等需要，鐵路需要向智能化方向發(fā)展，智能高鐵是現(xiàn)代高速鐵路的發(fā)展方向[1]。推進我國高鐵向智能化方向升級發(fā)展對于貫徹黨的“十九大”報告提出的交通強國戰(zhàn)略，實現(xiàn)“交通強國、鐵路先行”的目標，支撐經(jīng)濟和社會更好發(fā)展，實現(xiàn)全球高鐵技術領跑優(yōu)勢的目標具有重大意義。

中國列車運行控制系統(tǒng)[2-5]CTCS(Chinese Train Control System)有兩個子系統(tǒng)，即車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)，CTCS根據(jù)功能要求和設備配置劃分應用等級(分為0～4級)，其中目前我國高速鐵路建設均采用CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)，是確保行車安全的基礎設備。裝備在動車組上的CTCS-2/3級列控車載子系統(tǒng)設備ATP(Automatic Train Protection列車自動防護)能夠起到超速防護、保障行車安全的作用，列車的正常駕駛還是依靠司機。司機實時觀察車載ATP的DMI(Driver Machine Interface人機界面)顯示、動車組狀態(tài)顯示以及運行前方路況，勞動強度大，容易發(fā)生人因事故。

列車自動運行/駕駛(Automatic Train Operation)系統(tǒng)是城市軌道交通列車自動控制ATC (Automatic Train Control)系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一。ATO可以在ATP的監(jiān)督下自動控制列車運行[5]，目前也正在成為高鐵的一個重要發(fā)展方向。實施ATO系統(tǒng)可以減輕司機勞動強度，降低全壽命周期成本，提高列控系統(tǒng)總體性能，能夠有效減少因司機疲勞、操作失誤、突發(fā)疾病等人為因素導致的安全隱患。高鐵自動駕駛(ATO)技術既是我國高速鐵路技術發(fā)展以及確立我國高速鐵路整體技術水平國際地位的需要，也是智能高鐵系統(tǒng)的關鍵核心技術之一。

2 運營自動化級別

國際標準按照軌道交通線路自動化程度定義了4層自動化等級GOA(Grade of Automation)，常用自動化程度從低至高依次為GOA1至GOA4，介紹如下。

ATP監(jiān)督下的人工駕駛(GOA1)：裝備有列車自動防護系統(tǒng)(ATP)。列車運行控制系統(tǒng)監(jiān)督列車速度，由司機控制列車的所有運行，包括啟動、停車、運行速度、站臺停靠、開關車門等，并由司機對列車運行中的突發(fā)情況進行處理[7]。目前，我國絕大多數(shù)高鐵都屬于這一等級。

有司機監(jiān)控自動駕駛(GOA2)：裝備有自動駕駛系統(tǒng)(ATO)，自動化程度相比上一等級有了進一步提升，又稱為ATO模式，或者STO(Semi-automatic Train Operation)模式。有司機值守，信號系統(tǒng)提供安全防護，控制列車運行和站臺停車，但是關門和發(fā)車指令由司機下達。這是目前大部分地鐵都采用的駕駛模式，京沈高鐵高速試驗段，京張高鐵，珠三角莞惠[7]、佛肈城際[8]均采用這種自動駕駛模式。

有人值守無人自動駕駛(GOA3)：司機被ATO等系統(tǒng)功能所取代，自動化程度進一步提高，車上沒有司機，僅安排乘務人員應對突發(fā)事件，又稱為DTO(Driverless Train Operation)模式。這種模式的列車已基本具備全自動駕駛的功能，由信號系統(tǒng)對列車運行進行全程控制，列車的啟動、停站、運行均由信號系統(tǒng)控制，但列車上仍需配備1名隨車人員，以應對突發(fā)情況。

無人值守自動駕駛(GOA4)：是目前軌道交通自動化運營的最高級別，列車上沒有司機和值守人員，又稱為UTO(Unattended Train Operation)模式。列車的休眠、喚醒、啟動、停車、車門開關、洗車、車站和列車的設備管理以及故障和突發(fā)情況的應對全部由系統(tǒng)自動管理，無任何人員參與。北京地鐵燕房線為此種模式。另外，國外還有一種UTO(Unmaned Train Operation)模式，在非正常運營時列車救援不需要人員參與，直接將故障車拉走，該模式僅在個別小運量的觀光園區(qū)線路應用。

對于GOA3、GOA4對應的有人值守及無人值守下列車自動運行線路一般均稱為“無人駕駛”模式，因此業(yè)界普遍認為自動駕駛是有司機駕駛的；無人駕駛是沒有司機駕駛的，有值守人員或者無值守人員。自動化等級為整體系統(tǒng)概念，不僅表現(xiàn)為列車駕駛方式是有司機還是無司機，與列車運行控制、調(diào)度管理和設備維護體制等都直接相關。

3 高速鐵路列控系統(tǒng)自動駕駛技術發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會于2013年啟動歐洲下一代列車控制系統(tǒng)NGTC(Next Generation of Train Control System)項目，研究包括ATO系統(tǒng)應用于干線鐵路及城市軌道交通標準化的下一代列車運行控制系統(tǒng)，旨在提高列控系統(tǒng)總體性能[1]。2015年歐盟全面啟動“構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動計劃(Shift2Rail)”，通過運用新技術創(chuàng)新，把提升歐洲鐵路服務質(zhì)量以及降低全壽命周期成本作為工作重點，而以自動駕駛為代表的先進列控系統(tǒng)是其重要的創(chuàng)新內(nèi)容，法國計劃2022年實施列車自動駕駛ATO系統(tǒng)，德國計劃2023年實現(xiàn)干線鐵路自動駕駛技術的應用[9]。

我國2016年在珠三角城際莞惠[7]及佛肈線[8]上實施了CTCS-2+ATO系統(tǒng)并運營至今，首次實現(xiàn)了將自動駕駛技術運用到時速200 km等級鐵路[10]，而時速300～350 km高鐵自動駕駛[5]技術的應用尚屬空白，2018年京沈高鐵進行了時速350 km高鐵自動駕駛系統(tǒng)現(xiàn)場試驗，標志著我國智能高鐵自動駕駛關鍵技術研發(fā)取得重要階段成果，北京至張家口、北京至雄安新區(qū)城際鐵路的智能高鐵建設計劃采用京沈高鐵自動駕駛現(xiàn)場試驗的成果。

4 我國現(xiàn)階段高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)實施技術進展情況[11-17]

結(jié)合我國時速200 km、300～350 km等級鐵路ATO系統(tǒng)關鍵技術研發(fā)、運營及試驗情況，高速鐵路自動駕駛技術應用范圍為在高速鐵路正線實現(xiàn)，列車進出動車運用段(所)都是在ATP安全監(jiān)控下，由司機人工駕駛進、出動車運用段(所)。結(jié)合我國國情，對高速鐵路自動駕駛ATO系統(tǒng)進行了分級設計，分級原則以地面設備為基礎，車載設備與地面設備統(tǒng)一設計，高速鐵路自動駕駛ATO系統(tǒng)能根據(jù)高速鐵路不同的線路情況，實現(xiàn)相適應的ATO功能[18-19]。根據(jù)分級原則，高速鐵路自動駕駛ATO系統(tǒng)分為兩級：一是適用于既有高鐵線路，僅車載設備增加ATO設備/功能，既有的車站股道和正反向出站應答器(組)增加發(fā)送停車位置信息包，實現(xiàn)站間車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行(裝備ATO的列車可按照默認駕駛策略或由司機人工選擇預選駕駛策略自動運行)、車門開門防護和車站自動停車功能；二是適用于新建高鐵線路，在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)基礎上，實現(xiàn)車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門開門防護、車門/站臺門聯(lián)動控制等高速鐵路ATO系統(tǒng)全部功能[20-21]。以下主要介紹第二種實現(xiàn)高速鐵路ATO系統(tǒng)全部功能的列控系統(tǒng)技術方案。

高速鐵路自動駕駛ATO系統(tǒng)[5]不同于珠三角城際莞惠[7]及佛肈線[8]的CTCS-2+ATO系統(tǒng)，需要新增通信控制服務器CCS(Communication and Control Server)，高速鐵路ATO系統(tǒng)是在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎上，車載設置ATO單元[11-16]實現(xiàn)自動駕駛控制，地面設置專用精確定位應答器實現(xiàn)精確定位(地面并不新增信號系統(tǒng)設備，而是通過修改列控中心、臨時限速服務器、行車指揮等系統(tǒng)設備來實現(xiàn))，地面設備通過GPRS通信實現(xiàn)站臺門(安全門或屏蔽門，以下簡稱站臺門)控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和運行計劃處理。ATO系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 高速鐵路+ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

高速鐵路自動駕駛ATO系統(tǒng)向下兼容，實現(xiàn)三個方面的互聯(lián)互通[18]：未裝備ATO車載設備的列車在裝備高速鐵路ATO系統(tǒng)的線路按CTCS-2/CTCS-3級列控運行；裝備ATO車載設備的列車在未裝備高速鐵路ATO系統(tǒng)的線路可按CTCS-2/CTCS-3級列控運行；裝備ATO車載設備的列車在裝備高速鐵路ATO系統(tǒng)的不同線路可以實現(xiàn)ATO跨線運行。

5 實現(xiàn)高速鐵路無人駕駛功能的技術升級探討

隨著下一代通信技術、北斗衛(wèi)星導航、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的進一步發(fā)展與應用，有必要探討實現(xiàn)高鐵無人駕駛功能需要考慮的因素。

首先，實現(xiàn)高速鐵路無人駕駛功能需要把實施范圍從高鐵正線擴大到動車運用段(所)，而不能局限于目前高鐵自動駕駛功能僅為高速鐵路正線。高速鐵路ATO系統(tǒng)在京沈高鐵試驗以及將應用于京張高鐵自動駕駛功能的范圍不包括動車段(所)，為此，需要啟動動車段(所)組自動駕駛技術的研究工作，成熟的系統(tǒng)設備需要經(jīng)過科研立項、科研成果轉(zhuǎn)化、現(xiàn)場試驗、試運行等環(huán)節(jié)。

其次，要以高度集成化、信息化的綜合大系統(tǒng)來完成需要司機完成的各項工作，需要通過相關多個主要系統(tǒng)如信號、動車、通信、動車運用段(所)等的升級方案來實現(xiàn)。下面主要以信號、通信、站臺門等方面為例，分析實現(xiàn)無人駕駛功能需要的系統(tǒng)性、綜合性技術升級。

(1)信號系統(tǒng)

為實現(xiàn)無人駕駛功能，信號系統(tǒng)ATO自動駕駛系統(tǒng)需要更完備的系統(tǒng)冗余配置，在故障情況下，系統(tǒng)可以在冗余設備和不同方式之間無擾切換，而完全不影響信號系統(tǒng)對列車的安全控制，信號系統(tǒng)ATO自動駕駛系統(tǒng)還需要在車站、區(qū)間、動車運用段(所)、控制中心等進行設備增強配置。

在無人駕駛情況下，對于列車的非預期移動，需要為工作人員提供可靠的安全防護，結(jié)合運營需求，在車站、區(qū)間、動車運用段(所)設置人員防護設備；根據(jù)需要，在高速鐵路車站停車線、折返線等增設列車休眠喚醒和列車定位的應答器設備；動車運用段(所)需要劃分出自動駕駛區(qū)域和非自動駕駛區(qū)域，自動駕駛區(qū)域采用與正線一致的列控系統(tǒng)，可實現(xiàn)列車的自動駕駛功能，非自動駕駛區(qū)域為動車維修庫線等人工作業(yè)區(qū)；控制中心增設車輛管理調(diào)度，實現(xiàn)對動車的相關監(jiān)視、控制及調(diào)度工程等。

(2)通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)在智能感知方面需要視頻監(jiān)控對動車前后方路況的監(jiān)視功能，以及與視頻監(jiān)控聯(lián)動的車載應急電話功能；在控制中心增加乘客調(diào)度、車輛調(diào)度，實現(xiàn)與列車上的乘客溝通、對動車的集中監(jiān)控等。

(3)站臺門

在無人駕駛情況下，對于站臺門的系統(tǒng)級控制沒有人工確認環(huán)節(jié)，需要考慮設置防夾人檢測裝置、障礙物自動探測裝置等。對于站臺門與列車門間距離以及站臺門的現(xiàn)場控制盤的設置等需要結(jié)合運營模式進一步進行研究。

6 結(jié)語

我國高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)符合互聯(lián)互通標準[8]，提升了高速鐵路CTCS系統(tǒng)功能，為我國智能高鐵建設奠定了堅實的技術基礎，實現(xiàn)對時速350 km高鐵列車的精準控制，全面提升控車舒適度和停車精度以及節(jié)能降耗性能等，對于減輕司機勞動強度，提高旅行舒適度具有重要意義。在2018年～2020年，依托智能京張[19]、京雄建設的契機，探索智能高鐵落地實施方法，提出覆蓋智能化功能需求、支撐系統(tǒng)和設備、相關資源需求的智能高鐵應用示范方案，并對智能京張高鐵建設情況進行評價，總結(jié)形成可復制可推廣的建設經(jīng)驗，完成智能京張高鐵列車自動駕駛關鍵技術研究及京張高鐵示范應用，構(gòu)建高速鐵路自動駕駛技術標準體系，初步形成智能高鐵自動駕駛系統(tǒng)應用格局；2021年～2025年，突破全面感知的列車無人駕駛(DTO)技術體系的重大智能鐵路理論與技術；2026年～2035年，智能鐵路應用由輔助協(xié)同向自主操控升級，探索全自動無人駕駛UTO。

高鐵自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展對以后智能高鐵在我國的推廣具有重要推動作用。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、下一代移動通信、北斗衛(wèi)星導航等技術的進一步發(fā)展，突破構(gòu)建極端復雜情況下高鐵智能安全體系，進一步探索實現(xiàn)鐵路運營面向自主操控以及無人化。