無人駕駛地鐵列車控制系統(tǒng)的研究

封宇

（鄭州中建深鐵軌道交通有限責(zé)任公司，河南鄭州 450000）

0 引言

我國城市軌道交通事業(yè)的崛起促進(jìn)了上中下游行業(yè)的高速發(fā)展，不論是電子感應(yīng)器技術(shù)、信息通信技術(shù)還是視頻監(jiān)測技術(shù)，在城市軌道交通列車的全自主無人駕駛技術(shù)理念的推動(dòng)下，也獲得了逐步革新與優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高了無人駕駛控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性。

1 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)介紹

無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)是一種高度智能化的新型軌道交通技術(shù)，該技術(shù)由軌道交通智能化中心控制。全自動(dòng)無人駕駛技術(shù)的推出為傳統(tǒng)地鐵運(yùn)營帶來以下變化：第一，系統(tǒng)過濾掉了過去駕駛員作業(yè)的失誤、延遲等人為因素導(dǎo)致的對時(shí)間、效率的浪費(fèi)，過去由駕駛員完成的工作，現(xiàn)在可以全部(或者基本)交給系統(tǒng)自行完成，降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。第二，無人駕駛行車系統(tǒng)能隨著客流量變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)列車計(jì)劃，并合理限制空車走行，節(jié)省牽引功率，運(yùn)營組合也更為靈活多樣，參照國外已運(yùn)營的無人駕駛線路測算，單車系統(tǒng)每千米的運(yùn)營能耗減少了30%。第三，無人駕駛技術(shù)能夠顯著減少行駛距離，增加行進(jìn)效率，在相同運(yùn)力前提下，可以加快列車的周轉(zhuǎn)，增加車廂利用率，從而降低配置車廂數(shù)量。

無人駕駛列車控制系統(tǒng)可降低駕駛員定員，減少人力投入成本，改善車站行車調(diào)度。我國建造的國內(nèi)首列無人駕駛軌道交通動(dòng)車組，于2014 年6 月17 日在上海中國國際軌道交通博覽會(huì)亮相。其最大的看點(diǎn)就是應(yīng)用了先進(jìn)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)解決方案，無須駕駛員操作即可完成車輛的自主喚醒、自檢、手動(dòng)發(fā)車離站、上下坡運(yùn)行、到站點(diǎn)精準(zhǔn)?？恳约笆謩?dòng)開閉車門等全自動(dòng)運(yùn)行。

2 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)現(xiàn)狀

2010年4月啟用的上海10號(hào)線，于2014年8月開始投入使用無人駕駛智能列車。全線長36km，有29個(gè)站臺(tái)，目前平均運(yùn)營時(shí)間為5min，最高客流斷面2.88 萬人次，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)最高客流斷面為4.84 萬人次，遠(yuǎn)期時(shí)間為100s。南京燕房線，是國內(nèi)第一條應(yīng)用自主式無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)的線路。在未來，無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)將越來越普及。而在控制系統(tǒng)中，信號(hào)控制器是列車運(yùn)行管理的重要基礎(chǔ)設(shè)備，在FAO 模式下，通過信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備完成的最重要工作，就是把駕駛員對車輛發(fā)送的操作命令，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)設(shè)備能接收并執(zhí)行的信息，從而達(dá)到列車調(diào)度員和列車值班員的運(yùn)營意圖[1]。

目前的ATO 模式信號(hào)系統(tǒng)還面臨著以下困難。一是信號(hào)的邏輯需要經(jīng)過車載—區(qū)域控制—聯(lián)鎖子系統(tǒng)的協(xié)同處理，而當(dāng)前信號(hào)車的無線通信系統(tǒng)中一般采用2.4G 的WLAN 技術(shù)，多個(gè)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸延遲，會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效能和安全性。二是軌道設(shè)備多，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間長。三是一旦區(qū)域設(shè)備故障，影響范圍較大，且后備模式轉(zhuǎn)換時(shí)間過長，對運(yùn)營環(huán)境危害較大[2]。

3 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)特點(diǎn)

因此，針對UTO 系統(tǒng)，不論是設(shè)備配置還是功能、邏輯上均采取了冗余備份的措施。同時(shí)，考慮在設(shè)備故障后能夠遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)降級(jí)，從硬件和軟件方面均需采取相關(guān)補(bǔ)充或補(bǔ)償措施，以保證列車運(yùn)行的安全可靠。每天運(yùn)營前或有列車插入時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)列車的運(yùn)行時(shí)刻表給每列車自動(dòng)分配識(shí)別號(hào)，當(dāng)列車的兩端駕駛室都選擇為0.5 自動(dòng)模式時(shí)，在列車即將發(fā)車前，OCC 自動(dòng)給列車發(fā)送喚醒指令，在收到喚醒指令后，列車的各車載子系統(tǒng)執(zhí)行啟動(dòng)、自檢和靜態(tài)測試等程序。ATC 以及所有子系統(tǒng)均實(shí)施靜態(tài)自檢，由TCMS 綜合列車的各子系統(tǒng)靜態(tài)檢查自檢情況、車輛喚醒情況等數(shù)據(jù)后，將結(jié)果發(fā)送至信號(hào)系統(tǒng)ATC 或OCC。如果車輛喚醒工作未完成，OCC 調(diào)度員就會(huì)人工進(jìn)行干預(yù)；如果車輛喚醒工作完成，則車輛將等待信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的命令，隨時(shí)運(yùn)行。在任意時(shí)間，OCC 調(diào)度員都可以召喚車輛[3]。

4 無人駕駛地鐵列車控制技術(shù)效益分析

4.1 全壽命周期成本經(jīng)濟(jì)分析

一方面，可以讓施工投入減少，大大提高運(yùn)營效益。采用無人駕駛系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)能提高，相對于增加列車編組的方式，這種方法能夠用較少的投入達(dá)到較為合理的目標(biāo)。無人駕駛控制系統(tǒng)可對列車實(shí)施合理的編組，減少車輛間隔，使系統(tǒng)的運(yùn)輸能力得以提高，從而適應(yīng)線路的客運(yùn)需求，同時(shí)還可以預(yù)留運(yùn)能儲(chǔ)存的空間，是較為理想的方案。采用自動(dòng)無人駕駛技術(shù)可以使列車停站和再入站耗費(fèi)的時(shí)間減少，使車輛時(shí)速提高，同時(shí)，可使車輛周轉(zhuǎn)速度加快，從而減少備車時(shí)間，使配車量降低。經(jīng)過分析，無人駕駛技術(shù)可以節(jié)約5%～6%的車輛。雖然城市軌道交通使用無人駕駛控制技術(shù)在機(jī)電系統(tǒng)方面的投資會(huì)增加，但是對于整個(gè)交通系統(tǒng)而言，建設(shè)成本會(huì)大幅度減少[4]。

另一方面，能夠降低固定人員數(shù)量，從而使經(jīng)營成本降低。使用自動(dòng)無人駕駛技術(shù)后，通常不再要求配備列車駕駛員，正常運(yùn)營的定員數(shù)量也會(huì)降低，管理培訓(xùn)工作時(shí)間可以相應(yīng)縮短。能夠精簡企業(yè)運(yùn)營層面，提升管理水平，使企業(yè)經(jīng)營管理水平得以提高。使用無人駕駛技術(shù)，可利用電子跟蹤技術(shù)根據(jù)流量的實(shí)時(shí)變動(dòng)情況對列車的運(yùn)營方案作出微調(diào)，從而使在線運(yùn)行的車輛數(shù)量增加或下降，科學(xué)合理地分配各時(shí)段運(yùn)能，以適應(yīng)客流分布曲線，并避免了空車運(yùn)行的現(xiàn)象，使運(yùn)行成本降低，同時(shí)減少了列車保養(yǎng)費(fèi)用。

4.2 全自動(dòng)無人駕駛技術(shù)綜合效益分析

無人駕駛技術(shù)可以提升行駛過程中車輛、乘員和操作人員的安全水平，對發(fā)生的各種異常情況進(jìn)行自動(dòng)化的安全保護(hù)。自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的車載控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等都可以通過冗余技術(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)主、后備控制系統(tǒng)的無縫轉(zhuǎn)換，提升車輛自檢的功能水平，保證列車持續(xù)正常工作，使監(jiān)控和站臺(tái)門系統(tǒng)使用更為合理、安全、可靠。

無人駕駛系統(tǒng)通過ATC 技術(shù)，可以自動(dòng)進(jìn)行列車的連續(xù)軌跡控制，使自動(dòng)駕駛可以準(zhǔn)時(shí)、穩(wěn)定地進(jìn)行，還能通過列車上的視頻控制和緊急對話功能使緊急處置功能得以完善。

5 無人駕駛地鐵列車控制系統(tǒng)應(yīng)用方案

5.1 駕駛控制功能

在人工控制方式下，必須完全由駕駛員來操縱車輛，而當(dāng)車輛處于UTO 模式中時(shí)，則可以完全通過信息傳感器，并按照對應(yīng)的時(shí)刻表信息來控制車輛的行駛。通過UTO 模式控制信息傳輸方式，并使用車輛自動(dòng)控制裝置將對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息傳遞到車輛管控模式中，同時(shí)根據(jù)相關(guān)模式信息可以進(jìn)行車輛的自動(dòng)折回行駛。另外，駕駛員能夠通過信息傳感器的授權(quán)信息來確定行駛方式，同時(shí)也具有激活控制室的功能；駕駛員也能夠?qū)ο鄳?yīng)模式信息進(jìn)行切換使用，從而避免在模式切換過程的信息損失。

5.2 喚醒功能

在每日運(yùn)營之前或在有列車接入的情況下，由信號(hào)系統(tǒng)按時(shí)間順序?yàn)槊恳惠v列車指定標(biāo)識(shí)號(hào)。當(dāng)列車的兩個(gè)車廂都保持自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，OCC 就會(huì)在列車開始運(yùn)行之前對車廂發(fā)送喚醒命令，當(dāng)?shù)玫絾拘衙钪?，全部的分系統(tǒng)都會(huì)完成啟動(dòng)、自檢和靜態(tài)測試。在靜態(tài)自檢的基礎(chǔ)上，TCMS 還對動(dòng)車組內(nèi)所有子系統(tǒng)的靜態(tài)自檢以及動(dòng)車組喚醒狀態(tài)等信息進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)論回復(fù)到ATC 和OCC。一旦喚醒失敗，由OCC 調(diào)度員按照動(dòng)車組的故障狀況進(jìn)行人工干預(yù)，在提醒后可隨時(shí)啟動(dòng)，并等待新的指令。

5.3 休眠功能

在列車運(yùn)行任務(wù)完成之后，可自動(dòng)在停車區(qū)域進(jìn)行停車維護(hù)。列車達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)后，若想合理節(jié)約能源，就可以啟用全自動(dòng)或無人駕駛系統(tǒng)的休眠模式。車輛上所有的車載子系統(tǒng)都處于休眠狀態(tài)，而在此狀態(tài)中，就必須要求車輛的自動(dòng)控制器保持喚醒狀態(tài)，因此自動(dòng)控制器必須保證帶電[5]。此外，為了保證良好的工作狀態(tài)，對處于休眠狀態(tài)的列車而言，可以整合信號(hào)系統(tǒng)的功能，及時(shí)將維護(hù)信息傳送給地面的維護(hù)系統(tǒng)。

5.4 列車自動(dòng)運(yùn)行

全自動(dòng)行車控制系統(tǒng)的核心技術(shù)是軌道自動(dòng)控制器，它主要由機(jī)載車輛內(nèi)部件和固定駐站部分構(gòu)成，不僅連接了聯(lián)鎖設(shè)備，還連接了沿線的列車軌道監(jiān)測控制系統(tǒng)以及其他控制系統(tǒng)。

計(jì)算工況：靜力計(jì)算按照旁多心墻壩分期施工的填筑順序，自底向上模擬施工填筑的過程。填筑完成后模擬兩級(jí)蓄水的過程。動(dòng)力計(jì)算模擬穩(wěn)定滲流時(shí)的正常運(yùn)行期間遭遇9級(jí)地震的情況。計(jì)算方案及工況見表1。

5.5 駕駛室轉(zhuǎn)換

列車折返時(shí)，可以手動(dòng)判斷行駛方向，或手動(dòng)激活并關(guān)閉相應(yīng)駕駛員終端，從而完成與駕駛室的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)并不會(huì)造成數(shù)據(jù)損失。列車在站臺(tái)進(jìn)行駕駛端轉(zhuǎn)換時(shí)，前車門與屏蔽門均處于打開狀態(tài)；在非折返線等非進(jìn)站區(qū)時(shí)，車門則處于關(guān)閉狀態(tài)。

5.6 車門與屏蔽門技術(shù)要求

無人駕駛列車的屏蔽門和車門開關(guān)均為半自動(dòng)開關(guān)。除一般情況外，還須考慮故障時(shí)的實(shí)際使用情況。

一是當(dāng)屏蔽門故障時(shí)，須由人工將故障屏蔽門關(guān)閉或鎖緊；屏蔽門系統(tǒng)將向信號(hào)控制器匯報(bào)已被鎖定屏蔽門的情況，當(dāng)列車抵達(dá)站點(diǎn)前，由信號(hào)控制器將屏蔽門的故障信息傳給車站對應(yīng)的車門，使其在該站停車時(shí)不參與開啟、閉鎖的動(dòng)作。

二是當(dāng)車門故障時(shí)，可自動(dòng)將其關(guān)閉并鎖緊；當(dāng)關(guān)門失靈后可手動(dòng)將車門關(guān)閉并鎖緊；同時(shí)，系統(tǒng)向信息控制器發(fā)送被鎖車門位置，并向前方到站的相應(yīng)屏蔽門發(fā)送信息，使之在該站?？科陂g不進(jìn)行開啟、閉鎖等操作。

三是人工開關(guān)門：在車輛停站期間，可人工開關(guān)車輛屏蔽門。當(dāng)信息傳感器收到人工打開屏蔽門指令，并在開門條件成立時(shí)，系統(tǒng)才可向車輛、屏蔽門發(fā)出指令。另外，所有與乘客換乘有關(guān)的情況都經(jīng)由車載廣播系統(tǒng)告知乘客。

5.7 輔助聯(lián)動(dòng)的相關(guān)系統(tǒng)

車站上應(yīng)安裝自動(dòng)列車運(yùn)行監(jiān)測裝置，使控制中心能夠監(jiān)測車站和各軌道情況，并實(shí)時(shí)觀測車廂內(nèi)和外部車頭車尾狀態(tài)，方便用于監(jiān)測列車運(yùn)行狀態(tài)和對突發(fā)狀況作出處置；列車上應(yīng)設(shè)置無線電通信網(wǎng)絡(luò)，可通過專用電話與控制中心通信；在列車行駛過程中，要能隨時(shí)監(jiān)測到前方是否有人員或物體進(jìn)入軌道區(qū)域內(nèi)，并作出不同反應(yīng)，同時(shí)將信號(hào)發(fā)送給控制中心，調(diào)度員即能迅速掌握現(xiàn)場情況。

5.8 報(bào)警裝置

以上系統(tǒng)均需設(shè)有報(bào)警裝置。若有意外狀況將開啟應(yīng)急報(bào)警，車上的閉路監(jiān)測攝像機(jī)將及時(shí)監(jiān)測事故情況，并將現(xiàn)場畫面?zhèn)鬏斀o控制中心。

5.9 停車控制

不良外界條件下，列車停站時(shí)會(huì)遭遇相應(yīng)的阻礙，在距離不準(zhǔn)或不準(zhǔn)時(shí)等情況下，也可利用信號(hào)系統(tǒng)的特性，重新調(diào)節(jié)列車定位，因此，如果列車沒有正確到達(dá)停車站，則在250m 以內(nèi)距離誤差下，將進(jìn)行緩慢停車式調(diào)整直到重新對準(zhǔn)停靠地點(diǎn)。如果列車與?？空军c(diǎn)存在5m 以上距離偏差，甚至進(jìn)行多次調(diào)節(jié)也無法正確停靠時(shí)，車輛會(huì)直接啟動(dòng)越過該站，運(yùn)行到下一個(gè)站點(diǎn)，并第一時(shí)間將結(jié)果發(fā)送至信號(hào)系統(tǒng)，然后利用車載廣播系統(tǒng)通知全體乘客。

5.10 列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要是為了能夠?qū)α熊嚨碾娐?、網(wǎng)絡(luò)、裝置等進(jìn)行有效管理，當(dāng)列車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)緊急情況或者必須迅速撤離時(shí)，利用相關(guān)的列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，就能夠迅速地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟逃跑窗，從而便于乘客迅速撤離，同時(shí)為了提高該控制系統(tǒng)工作的安全、穩(wěn)定性，相關(guān)控制系統(tǒng)還應(yīng)采用雙路電纜，從而使得有關(guān)的信息得以迅速傳輸并且不干擾列車工作的其他性能。

6 結(jié)語

總而言之，正是由于無人駕駛地鐵列車控制系統(tǒng)具備安全智能化和不需要人工輔助等優(yōu)勢，而得到廣泛推行，該系統(tǒng)可以降低運(yùn)營負(fù)擔(dān)，保證安全、可靠運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下的低危險(xiǎn)性及高舒適性。