列車自動化運行故障時的人機協(xié)作潛力

1研究背景

鐵路運輸自動化進程始于數(shù)十年前。列車運行自動化主要指駕駛功能的自動化，如今已經(jīng)通過連續(xù)式列車自動控制系統(tǒng)（LZB）和自動駕駛與制動控制系統(tǒng)（AFB）實現(xiàn)。

近幾年來，在歐洲范圍內(nèi)開展了一系列以歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）為基礎(chǔ)的列車半自動運行測試，即列車運行自動化等級2級（GoA 2）測試。測試中，列車駕駛員的任務(wù)是在駕駛室中監(jiān)視行車路線，并隨時對列車的牽引和制動控制進行干預(yù)，但無需對運行程序進行任何重大改變。而在 GoA 4（自動化最高等級，即全自動運行）中無需駕駛員操作。這依托于包含新功能和新組件的新型系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)。GoA 4的新組件除了現(xiàn)有駕駛技能外，還將具有人類的某些能力，如感知、認知和交流能力，具體如下。

（1） 感知能力是指監(jiān)控行車線路和識別危險的能力，通過感知組件（即傳感器）實現(xiàn)。

（2） 認知能力是指數(shù)據(jù)分析、計劃和決策能力，通過認知組件實現(xiàn)。認知組件的功能有：①分析傳感器收集的數(shù)據(jù)，從而識別自動運行車輛在建筑接近限界中的當(dāng)前位置;②對行駛環(huán)境中的重要元素進行分類和定位。

（3） 交流能力是指與相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和機構(gòu)（主要指控制中心）進行連續(xù)數(shù)據(jù)交換的能力，通過通信組件實現(xiàn)。

由于這些能力所需的部分組件目前尚未成功開發(fā)，因此難以估算預(yù)期成本。

在列車自動化運行中，鑒于技術(shù)故障不可避免，因此必須通過冗余和故障后備方案來確保設(shè)備的可用性。GoA 4的故障后備方案之一是，當(dāng)列車發(fā)生故障時，控制中心操作員遠程接管控制。這種方案必須以設(shè)備（如列車上的傳感器）的高可用性以及通信的低延遲性為基礎(chǔ)（這2點通過冗余實現(xiàn)）。因此，若列車在全自動運行中出現(xiàn)因通訊故障而停車的情況，就必須讓專人登車接管控制，但由于登車人員與列車的距離不確定，所以登車時間也不確定，這將嚴(yán)重影響鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的可用性。

為了實現(xiàn)更經(jīng)濟有效的列車運營，可以考慮采用GoA 3。采用GoA 3時，列車上至少有1名列車員，他負責(zé)處理緊急情況以及操作車門。通過讓列車員參與故障后備方案，可以不安裝GoA 4所需的某些組件。因此，本文將重點研究GoA 3在故障情況下的適用性。故障情況下，列車員干預(yù)列車運行時需要與控制中心操作員、車站值班員、調(diào)度員等相關(guān)工作人員協(xié)作，在某些情況下甚至需要與機器合作，所以本文的目的是描述GoA 3故障后備方案中可能的人機協(xié)作方式，并從技術(shù)和人員成本及對運營的影響方面對其進行比較。

2 列車自動化運行故障后備方案中的人機協(xié)作

鐵路交通是多人（如駕駛員、車站值班員、調(diào)度員）根據(jù)操作程序?qū)α熊囘\行進行外部控制的系統(tǒng)。每個參與者都有特定的職責(zé)和一個共同目標(biāo)，即保障鐵路運營的安全。在自動化運行中，機器也通過承擔(dān)任務(wù)為實現(xiàn)上述共同目標(biāo)出力。協(xié)作是指人與人之間有目的的互動，因此鐵路交通中人與機器之間為達到共同目標(biāo)的互動與合作也可以稱為人機協(xié)作。

人機協(xié)作可以用人類信息處理的4階段模型來描述。該模型描述了人類信息處理的4個任務(wù)，即信息收集、情況分析、決策和執(zhí)行。這4個任務(wù)之間是相互依存、相繼執(zhí)行的關(guān)系。

圖1顯示了故障后備方案中人機交互的階段。階段1

為請求接管或連接階段，在此階段，自動化系統(tǒng)檢測到列車故障，向人發(fā)出接管請求。階段2為人機協(xié)作階段，此階段包含上述人類信息處理的4個任務(wù)，圖中使用滑塊描述故障后備方案中人機之間的任務(wù)分配。階段3為從故障后備方案過渡到正常運行階段，在此階段，人在保證列車安全運行的前提下，將列車運行控制權(quán)重新交還給機器。

圖1中人機交互的自動化等級可高可低。自動化程度由分配給列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）任務(wù)的多少決定。如果所有4個任務(wù)都實現(xiàn)了完全自動化，則自動化等級為最高;相反，如果任務(wù)完全由人接管，則自動化等級最低。正如研究背景中所提到的，經(jīng)濟原因阻礙了前者的發(fā)展。因此，在分配自動化運行中涉及的任務(wù)時，應(yīng)將人類智能的靈活性與機器智能的速度相結(jié)合，以期獲得最大的運行收益。

3 故障后備方案中的人機協(xié)作方式

在未來，車站值班員將繼續(xù)負責(zé)列車運行的安全，調(diào)度員將繼續(xù)確保列車運行過程的平穩(wěn)順暢，駕駛員將從列車駕駛室轉(zhuǎn)移到控制中心，列車員將負責(zé)在列車故障后、啟用后備方案時與機器一起參與和執(zhí)行列車的控制。由于故障后備方案的參與者眾多，因此協(xié)作方式也多種多樣。協(xié)作方式的選擇取決于故障的類型以及采用故障后備方案繼續(xù)控制列車所需的系統(tǒng)元件。由于ATO系統(tǒng)、ETCS系統(tǒng)以及通信鏈路會對運營管理起決定性作用，因此其可用性對于協(xié)作方式的選擇至關(guān)重要。根據(jù)系統(tǒng)元件的可用性以及對于各個參與者操作權(quán)限有限的假設(shè)（例如不允許調(diào)度員獨立控制列車），故障后備方案中的協(xié)作基本上可以通過6種方式實現(xiàn)，其中方式3和方式5可各分為3個子項，如圖2 所示。

當(dāng)然，上述6種方式是在以下3個假設(shè)的前提下得出的：①車輛控制系統(tǒng)（如牽引和制動控制系統(tǒng)）在所有情況下都正常工作;②至少有1名列車員可參與后備方案的實施;③ATO系統(tǒng)、ETCS系統(tǒng)和通信鏈路3個系統(tǒng)元件不會同時不可用。表1顯示了6種方式中系統(tǒng)元件可用或不可用的情況。

在列車與控制中心之間存在通信連接的所有情況下，控制中心操作員都將與機器及列車員協(xié)作，積極參與故障后備方案的實施。在有列車員參與的所有方式中，都遵循一個假設(shè)，即列車員會以及時且安全的方式參與故障后備方案的實施過程。下面將簡要介紹這6種方式。

3.1 方式 1：傳統(tǒng)的人-人協(xié)作

傳統(tǒng)的人-人協(xié)作是指控制中心操作員與車上列車員之間的協(xié)作。在這種方式中，ETCS系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)不可用，只有列車與控制中心之間的通信鏈路可用。由控制中心操作員發(fā)出操作指令，列車員負責(zé)信息收集及車輛現(xiàn)場情況分析。列車員將情況分析的結(jié)果報告給控制中心操作員，然后由操作員與車站值班員一起決定采取下一步的措施。操作指令由列車員手動執(zhí)行，例如操作牽引桿或制動桿。

3.2 方式 2：采用 ETCS 系統(tǒng)、無需 ATO 系統(tǒng)的列車員自主駕駛

該方式是列車員與ETCS系統(tǒng)的直接協(xié)作，沒有控制中心人員的參與。列車員負責(zé)車輛現(xiàn)場情況分析，以及根據(jù)操作程序決定下一步應(yīng)采取的措施;而ETCS系統(tǒng)負責(zé)收集信息并操控車輛控制系統(tǒng)。

3.3 方式 3：有控制中心操作員參與、無需 ATO 系統(tǒng)的人機協(xié)作

3.3.1 方式 3 a：控制中心操作員遠程控制

此方式中，控制中心操作員會與車輛上的ETCS系統(tǒng)協(xié)作。當(dāng)出現(xiàn)故障時，ETCS系統(tǒng)會請求控制中心操作員接管對列車的控制。接管和遠程控制通過無線電實現(xiàn)。車輛信息的收集通過車輛上安裝的、可用性高的傳感器實現(xiàn)。控制中心操作員還可以從調(diào)度員或車站值班員處獲取更多必要信息。后續(xù)流程由控制中心操作員執(zhí)行。此種協(xié)作方式可用于GoA 3和GoA 4。

3.3.2 方式 3 b：借助列車員信息反饋的遠程控制

此方式與方式3a相似。不同的是，列車員也參與了故障后備方案的實施。這種情況下，控制中心操作員負責(zé)控制ETCS系統(tǒng)，他有2個信息源：①列車員，負責(zé)提供視覺信息;②ETCS系統(tǒng)，負責(zé)提供列車實時速度、位置等其他重要數(shù)據(jù)。列車員在控制中心操作員進行情況分析和決策時起輔助作用。

3.3.3 方式 3 c：人-人-機器協(xié)作

方式3c與方式3a、3b的不同點在于：列車員在后備方案中要承擔(dān)更多的任務(wù)?？刂浦行牟僮鲉T不再直接控制ETCS系統(tǒng)，而是向列車員提供關(guān)于ETCS系統(tǒng)的控制指導(dǎo)。由于信息收集和現(xiàn)場情況分析由列車員負責(zé)，因此列車上不需安裝可用性高的傳感器。列車員將情況分析的結(jié)果報告給控制中心操作員，然后由操作員與車站值班員一起決定采取下一步的措施。

3.4 方式 4：采用 ATO 系統(tǒng)，無需 ETCS 系統(tǒng)的列車員自主駕駛

此方式與方式2相似。不同點在于，此方式中ATO系統(tǒng)可用，而ETCS系統(tǒng)不可用。ATO系統(tǒng)可以通過加工海量數(shù)據(jù)來分析現(xiàn)場情況。

3.5 方式 5：有控制中心操作員參與、無需 ETCS 系統(tǒng)的人機協(xié)作

3.5.1 方式 5 a：控制中心操作員遠程控制

此方式中，控制中心操作員會與車輛上的ATO系統(tǒng)協(xié)作。當(dāng)出現(xiàn)故障時，ATO系統(tǒng)會請求控制中心操作員接管對列車的控制。接管和遠程控制通過無線電實現(xiàn)。車輛信息的收集通過車輛上安裝的、可用性高的傳感器實現(xiàn)。接下來的流程與方式3a相同。此種協(xié)作方式可用于GoA 3和GoA 4。

3.5.2 方式 5 b：借助列車員信息反饋的遠程控制

此方式中，列車員會參與故障后備方案的實施，并與控制中心操作員和ATO系統(tǒng)協(xié)作。控制中心操作員負責(zé)控制ATO系統(tǒng)，列車員負責(zé)為控制中心操作員提供視覺信息。ATO系統(tǒng)的任務(wù)是通過加工海量數(shù)據(jù)來分析現(xiàn)場情況。

3.5.3 方式 5 c：人-人-機器協(xié)作

此方式中，由列車員負責(zé)控制ATO系統(tǒng)。控制中心操作員將向其提供必要的指導(dǎo)。由于信息收集和現(xiàn)場情況分析由列車員負責(zé)，因此車上不需安裝可用性高的傳感器。列車員還要將情況分析結(jié)果報告給控制中心操作員。

3.6 方式 6：同時采用 ETCS 系統(tǒng)和 ATO 系統(tǒng)的列車員自主駕駛

在此方式中，由ETCS和ATO系統(tǒng)操控列車，列車員從旁輔助，并可隨時干預(yù)。ATO系統(tǒng)的任務(wù)與方式4中相同，即通過加工海量數(shù)據(jù)來分析現(xiàn)場情況。ETCS系統(tǒng)的任務(wù)是監(jiān)控，在危及列車安全的情況下（如列車超速）進行干預(yù)，實施制動。而列車員與方式2中一樣具有采取下一步措施的決定權(quán)。

總之，當(dāng)通信鏈路故障時，可采用方式2、方式4和方式6;若列車與控制中心的通信鏈路正常，協(xié)作方式的選擇則取決于ETCS和ATO系統(tǒng)的可用性。由于車上的列車員和控制中心操作員都可用，因此方式3和方式5還可以通過不同的形式實現(xiàn)。

4 協(xié)作方式 3 和方式 5 的定性評估

協(xié)作方式3和方式5是基于可用的通信連接以及控制中心操作員的參與而實現(xiàn)的，本節(jié)僅以它們作為評估對象。采用的評估方法是Pugh矩陣。Pugh矩陣適用于將多個概念與基本概念進行比較，從而對其進行定性評估。此處設(shè)定的基本概念是具有自動駕駛功能的GoA2、正常運行的ETCS 2級系統(tǒng)，以及目前操作程序的故障后備方案。

要對上述方式進行評估，需要首先根據(jù)基本概念定義和評價評估標(biāo)準(zhǔn)?；靖拍钍怯米鲄⒖嫉?，在所有評估標(biāo)準(zhǔn)中都將其賦值為“0”。如果某一協(xié)作方式對評估標(biāo)準(zhǔn)的符合程度比基本概念高，則其評估值為“1”;如果與基本概念相同，則為“0”;如果低于基本概念，則為“-1”。評估標(biāo)準(zhǔn)有2條，具體如下。

（1）經(jīng)濟支出。此評估標(biāo)準(zhǔn)包括為實施協(xié)作方案而進行必要技術(shù)升級的支出，以及對列車員進行培訓(xùn)和繼續(xù)教育所需的支出。其中，技術(shù)升級包括實現(xiàn)ATO或ETCS系統(tǒng)分析和決策的智能化，實現(xiàn)ETCS系統(tǒng)的牽引控制功能，以及安裝用于信息收集的高可用性硬件元件（傳感器）。

（2）運行效果（時間耗費）。此評估標(biāo)準(zhǔn)包含2個部分：①列車員參與故障后備方案所需的時間;②人員退出故障后備方案的時間。

在經(jīng)濟支出方面，方式3a和方式5a中由于列車上沒有人員參與到后備方案中，因此需要實現(xiàn)ETCS或ATO系統(tǒng)分析和決策的智能化。此外，為確保ETCS或ATO系統(tǒng)的良好分析能力，需要安裝可用性高且可靠的傳感器，以收集現(xiàn)場信息。因此，這2種方式對技術(shù)的要求很高，也導(dǎo)致其成本高;其優(yōu)點在于不需要對列車員進行培訓(xùn)和繼續(xù)教育。相反，方式3b和方式5b在經(jīng)濟上有優(yōu)勢，原因在于：①列車員僅負責(zé)為控制中心操作員提供視覺信息，即使沒有經(jīng)過培訓(xùn)或繼續(xù)教育也應(yīng)具有這種能力，因此列車員的培訓(xùn)和繼續(xù)教育費用較低;②控制中心操作員所需的視覺信息由列車員提供，因此不需要安裝可用性高的傳感器;③列車由控制中心操作員控制，因此不必實現(xiàn)ETCS或ATO系統(tǒng)的分析和決策智能化。方式3c和方式5c需要人員培訓(xùn)方面的花費。由于列車員需要與調(diào)度員和ETCS/ATO系統(tǒng)協(xié)作，因此需要對其進行培訓(xùn)，使其能夠在故障后備方案中支持甚至完全取代控制中心操作員。此外，列車員對ETCS和ATO系統(tǒng)不熟悉，也使實現(xiàn)這2種系統(tǒng)的分析和決策智能化成為必要。如果故障后備方案（方式3a～c）中ATO系統(tǒng)不可用，則必須擴展ETCS系統(tǒng)的牽引控制功能。

在運行效果方面，方式3a和方式5a，由于控制中心與車載ETCS/ATO系統(tǒng)的無線電連接速度快，遠程控制效率高，且無需列車員參與，從而使運行程序的延遲少，因此其運行效果被整體評估為“1”。其中，由于控制中心操作員與車站值班員之間需要進行通信，因此人員參與時間的評估值為“0”;由于這2種方式中沒有列車員的參與，也無需退出，因此人員退出故障后備方案時間的評估值為“1”。其他4種方式都需要列車員參與，他們在過渡到正常運行時（階段3）必須退出。在退出故障后備方案的過程中，列車員要花費一定的時間輸入ETCS或ATO系統(tǒng)正常運行所需的數(shù)據(jù)，這意味著故障后備方案（階段1～3）總體上可能會花費更長的時間。如果列車員僅在控制中心操作員收集信息、分析情況和做出決策的過程中起輔助作用，則其退出故障后備方案的時間不會太長，因為他不直接與系統(tǒng)進行交互，故障排除后可以迅速回到原來的工作中。

通常，人的操作容易出錯，尤其是在操作復(fù)雜系統(tǒng)時。每種方案應(yīng)至少具有與目前相同的安全級別，這是必須遵循的前提。在直接與ETCS/ATO系統(tǒng)或列車控制系統(tǒng)進行交互的方式中，由于列車員不僅需要了解現(xiàn)場情況，而且要掌握系統(tǒng)相關(guān)的知識，因此應(yīng)接受相應(yīng)的培訓(xùn)或繼續(xù)教育。在信息獲取、情況分析和決策等領(lǐng)域，使列車員成為控制中心操作員的支持者，可以實現(xiàn)更高的安全增益。

5 總結(jié)和展望

本文揭示了列車自動化運行發(fā)生故障時人機協(xié)作的潛力。為了確保列車高效穩(wěn)定地運行，隨著自動化程度的提高，應(yīng)更多地考慮人的因素。在故障后備方案中，列車上人員的參與可以減少對所需組件的智能化要求，并且能夠以較低的成本確保列車可靠穩(wěn)定地運行。本文為GoA 3設(shè)計出6種協(xié)作方式。協(xié)作方式的選擇取決于故障的類型以及采用故障后備方案繼續(xù)控制列車所需要的系統(tǒng)元件。如果ETCS和ATO系統(tǒng)同時故障，則采用方式1。由于列車系統(tǒng)需滿足可靠性和可用性要求，所以2個系統(tǒng)同時發(fā)生故障的可能性非常低。事實上，更可能發(fā)生的是列車與控制中心之間的通信鏈路故障。此時可采用方式2、方式4和方式6。對方式3和方式5的定性評估表明，方式5b是最好的協(xié)作方式，因為列車員可以在認知方面輔助控制中心操作員。如果ATO系統(tǒng)不可用，則適合采用方式3b。

參考文獻

[1]Bilal ?yümez. Potenziale einer Mensch-Maschine Kooperation bei St?rungen im automatisierten Betrieb[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：18-24.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-01-05