城市軌道全自動無人駕駛技術應用探討

武長海

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

城市軌道全自動無人駕駛技術應用探討

武長海

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

從全自動無人駕駛技術的基本概念和國內外發展情況入手，首先提出系統的總體結構，其次對系統功能進行分類并對不同項目中如何選擇全自動無人駕駛的功能進行探討，最后對我國城市軌道交通全自動無人駕駛系統的設計、建設、運營提出4點建議。

城市軌道；全自動；無人駕駛

1 概述

1.1 基本概念

按照IEC 62290的定義，全自動無人駕駛有兩個等級：DTO和UTO（統稱為FAO）。在正常運營情況下，由自動化設備取代司機自動駕駛列車在全線運行，其中，DTO（Driverless Train Operation）為無司機有人值守下的列車自動運行（自動化等級為GOA3）；UTO（Unattended Train Operation）為無人值守下的列車自動運行（自動化等級為GOA4）；此外，目前廣泛應用的CBTC系統可以定義為STO（Semi-automatic Train Operation）為有司機監督下的ATO駕駛。

1.2 技術特點

全自動無人駕駛技術主要特點和優勢如下。

1）減少人為操作，提升運營安全性

無人自動駕駛系統不僅考慮運行中的列車安全（防止追尾、正面、側面沖撞、脫軌、障礙物碰撞），而且考慮乘客及運營人員的安全（上下車乘客、車廂內乘客、站臺上乘客、維護人員）；實現列車運行全過程（除正線外，還包括車輛段、停車場）各種運行工況（正常和異常）的自動安全防護。

2）提升運營可靠性、可用性

無人自動駕駛系統的車輛控制、列車控制系統、通信網絡等設備均采用冗余技術進行配置，冗余互備技術實現主、備系統的“無縫”切換；同時，增強車輛自檢能力，保證上線列車的不間斷正常持續運行；增強了綜合監控系統、站臺門系統等系統可靠性、可用性。

3）提升運營組織的靈活性

實現無人駕駛，擺脫了有人駕駛系統司機配置和周轉的制約；根據需要靈活調整運行間隔，減少因人工參與而對運營效率的影響，隨時增、減列車，提高系統對突發大客流（大型活動，如體育比賽）的響應能力，提升運營組織靈活性。

4）提供更高的服務質量

無人駕駛設備運用先進的ATC系統，實現對列車連續速度曲線控制和自動調整功能，可確保提供準時、準點、平穩舒適的自動行車；同時，通過增強列車上的視頻監控和緊急對講功能，提高應急處置能力。

5）優化人力資源配置

將司機從重復作業中解放出來，列車上可以配置乘務人員；提高了系統的自動化程度，增強設備的自診斷功能，運營維護功能得到加強，降低了運營人員勞動強度。

6）控制投資，降低運營成本

運營期間，通過加大列車行車密度來滿足客流運輸要求，大大提高運輸能力。減少維護、管理、車輛駕駛人員數量，以及人員培訓等，有效降低運營成本。

1.3 國內外現狀

國外1980年開始出現軌道交通無人駕駛系統，截止2013年，全球共有32個城市開通運營48條線全自動駕駛系統（FAO）。

我國2008年7月開通的北京機場線，是國內首條按照全自動駕駛等級建設的線路；2010年4月開通的上海10號線，于2014年8月開始應用有人值守的全自動駕駛；上述兩線目前均按DTO模式運營。正在建設的北京燕房線，是國內首條采用自主化全自動駕駛技術的線路，計劃2016年開通；此外，我國深圳、天津、廣州、寧波等多個城市開展了全自動駕駛技術的研究和應用。

總體而言，全自動無人駕駛技術在國際上多個國家和城市已經有近30年的應用，但在我國的應用尚處于初級階段，未來有廣闊的應用空間。

2 總體結構說明

常規的全自動無人駕駛系統總體結構如圖1所示。

全自動無人駕駛系統較以往系統相比，主要地面新增部分設備及車輛調度和乘客調度；車載新增全自動駕駛車載設備、緊急呼叫按鈕、障礙物探測器、車頭CCTV等；同時對于系統原有的行車調度及綜合監控系統、車站站臺門控制系統、通信系統、CCTV等設備的功能進行增強。

其中，信號系統增設的設備主要包括：列車喚醒模塊、選擇性開關門PSL、SPKS作業封鎖開關、智能化車輛段ATC設備等；同時，車載TDMS（列車數據管理系統）和車載ATO設備均按冗余方式配置。

圖1 全自動無人駕駛系統總體結構示意圖

3 無人駕駛功能分類和選擇

與有人駕駛線路不同，對于無人駕駛的線路，原由司機完成的各項功能，需由設備系統完成。信號系統在CBTC系統的基礎上需要增加（強）相關功能，在綜合自動化系統和維護支持系統保障下，使信號系統能夠控制列車，實現喚醒、自檢、出段、區間運行、精確停車、開關車門/站臺門、折返、回段和休眠等功能，同時保證列車運行安全、有序、快速和舒適。

3.1 系統功能分類

全自動無人駕駛系統的功能按照技術角度進行分類，可以分為：

1）列車控制技術：包括休眠喚醒、過沖回退、重新開關門、自動出入庫、自動洗車、車輛管理和工程車管理等；

2）監測系統聯動技術：包括障礙物檢測、屏蔽門防夾、工作人員防護、煙火報警聯動、牽引供電聯動等；

3）故障管理技術：包括牽引制動故障、門故障處理、遠程復位、蠕動模式、列車救援和備份OCC等；

4）乘客監督和管理技術：包括乘客緊急手柄/緊急呼叫；逃生門控制等；

3.2 全自動功能選擇

上述功能在UTO線路中應全部或部分自動實現；在DTO線路中多數功能可以通過遠程命令由調度控制或司乘人員實現。在具體工程中，應結合具體項目需求和定位，選擇適宜的系統功能。本文分為建議基本功能、UTO/DTO功能、僅UTO功能（DTO不建議）3個層級。

3.2.1 建議基本功能（DTO、UTO都應具備）

1）自動運行功能

特殊情況下的EB自動緩解功能；

列車全自動站臺對位功能；

列車全自動運行功能；

列車自動工況模式轉換功能；列車自動鳴笛功能。

2）自動化車輛段（場）功能

建議在無人駕駛的線路中均實現自動化車輛段（場）的相關功能，包括：

休眠、喚醒功能；

遠程/現地啟動列車蠕動模式功能；

自動洗車功能；

遠程重啟列車車載設備功能；

車載設備自動重啟；

工作人員防護SPKS。

在維護人員或車務人員進入自動化區域前通過激活SPKS開關，系統對自動化區域進行防護，禁止列車進入和在防護區域內動車。

3）后備OCC

為了在OCC故障情況下盡快恢復正常運營，無人駕駛線路可以考慮增設后備OCC設備。3.2.2 UTO/DTO功能（UTO必備、DTO可選）

需要更加完善的中央遠程監督控制功能及遠程應急控制功能；

1）過沖回退功能；信號系統判斷停車過沖距離（一般小于1.2 m），信號命令車輛低速點動回退；需要信號、車輛聯動。

2）重新開關車門：列車停站結束檢測到車門或屏蔽門因乘客或物品導致無法關門，信號系統給出重新開關車門的指令。

3）車輛管理：車載信號系統可以控制列車完成弓網轉換、打開關閉空調和照明等車上設備，以及在正線通過無電區；控制列車（在庫內動車或出入庫時）鳴笛、閃亮頭尾大燈；控制進行緊急制動動態性能檢測等。

4）工程車管理：工程車可以安裝VOBC，提供ATP功能。

5）障礙物檢測功能：車載探測設備在碰撞到障礙物時，通過車輛列車線向車載信號系統報告檢測狀態。

6）牽引制動故障：當車輛制動力損失時，車輛通過通信網絡將常用制動損失程度（損失的轉向架個數）告知車輛維護中心。

7）蠕動模式：在牽引制動系統故障無法自動恢復時進入的特殊控制模式，信號系統通過硬線固定限速的方式控制線路上的列車以小于25 km/h的速度運行。

3.2.3 僅UTO功能（不建議DTO項目采用）

1）屏蔽門防夾：用來檢測在車門關好和屏蔽門關好后，車體和屏蔽門之間是否有乘客。

2）煙火報警（分車上、站臺）：煙火報警發生時，乘客疏散引導需要遠程或本地人工介入；行調和環調根據CCTV監視和確認現場火災狀態。

3）牽引供電聯動：信號系統與ISCS接口獲得SCADA供電區段狀態信息，并控制列車通過無電區域或防止列車進入無電區域。

4）車門、屏蔽門故障對位隔離：當單扇車門故障時，車載信號系統命令（通過TCMS）對故障車門進行隔離，車門保持關閉狀態，并在停靠站臺時隔離對位的屏蔽門。

5）遠程復位：單套冗余設備故障后，設備應能自動進行復位以嘗試清除故障。

7）車輛救援：列車故障導致列車無法移動，有系統提供自動連掛救援功能。

4 工程建設的相關建議

以下對于工程項目的設計和建設提一些初步的建議。

4.1 建議土建及系統整體設計

要真正實現全自動無人化運營，在項目前期設計階段就應做好全自動運營目標的設定，比如DTO、UTO的設計目標，根據不同的自動化程度逐步提高或增加對各系統的指標及功能要求。建議從運營維護場景入手，列出所有的自動化運營、維護等場景，考慮不同場景下各個系統接口和功能分配；提取出所有與土建設計有關的因素（如停車庫長度、停車庫型式、自動化區域及非自動化區域、牽引電控制、弱電設備安裝等）作為邊界條件；同時，基于確定的功能要求，結合車地通信帶寬、線路條件、車輛條件等因素提出相關的性能指標和可靠性指標，完成項目的前期設計。

1）車輛段/停車場：庫線長度往往影響車輛段、停車場的規模，需要在前期盡早確定，由于不同廠商的無人駕駛系統對于安全防護方式和距離的要求不同，因此，建議在前期采取包容性設計的方式；車輛段有人區和無人區的劃分，轉換軌設計需考慮車輛運轉作業的便捷性，同時，土建設計需要考慮工作人員進出無人區的地下/地上通道；此外，為防止列車在意外情況下沖出線路末端，造成車輛和設施損壞，在正線和輔助線末端需設置緩沖車擋。

2）無人駕駛對車輛系統提出更高的要求，比如蠕動模式、防過沖等功能需要車輛提供獨立的制動系統硬線接口，也需要車輛對于低速的控制更加精準；列控系統多數功能的實現需要通過與車輛TCMS系統的信息交互實現，因此需要盡早明確車輛系統的相關指標和技術要求。

4.2 建議盡早確立運營管理模式和團隊

由于全自動無人駕駛對于運營最主要的區別在于崗位位置和職責的變化，對于已經運營多年的城軌系統而言，是不小的沖擊和改變；無人駕駛系統具有運行控制及運營管理高度集中化的特點，主要體現在以下方面。

1）控制中心調度員從面向列車司機和司機再面向乘客的關系，轉變為直接面向乘客，并通過控制中心與列車間的視頻及語音通信設備，識別及處理列車上乘客的突發情況。

2）由原來通過司機處理的設備故障和列車控制職能轉變為由控制中心調度員直接處理和控制無人駕駛列車的運行；中心調度調度人員需要增加職能或增加崗位，對于更多信息的識別和判斷以及遠程控制命令的使用都需要對調度人員加強職業培訓和能力培養。

3）增加了線路多職能保障隊伍，直接聽從控制中心調度員的指令，完成和處理非正常運營狀態下的緊急作業，可以輔助引導乘客，處理屏蔽門故障，以及在必要時作為司乘人員上車處理列車故障，對保障人員的綜合素質有更高的要求。

建議在項目建設期間即成立獨立的運營團隊，與建設方、設計方、系統方共同研究確立系統功能需求、運營管理的模式、崗位設計、人員培訓等，以便推進項目的建設同時做好運營準備工作；建議按扁平化和集中高效的原則設計，設立獨立的運營部門，將控制中心、車站、各維修專業相互協調配合進行管理，減少內部溝通環節，提高運作效率；在系統巡檢維護方面，建議將相近專業適當合并，提高故障應急處理效率；同時，需根據全自動無人駕駛的特點，采用全新的理念提出相應的運營模式和組織架構，特別要針對我國城市軌道交通客流量大的特點，研究乘客的應急疏散和救援方式。

4.3 建議做好多系統同步匹配工作

全自動無人駕駛的實現必然要求各系統的可靠性可用性的提高，包括信號、車輛及各類監督檢測系統，通過增加設備的冗余性可以提高可用性；與信號系統聯動且會對信號系統控車造成影響的，其可靠性指標也需要與信號系統保持一致。

1）車輛系統：信號系統與車輛控制系統采用智能接口及硬線接口，既有離散模擬電信號，也有網絡信號，無人駕駛對車輛各系統（牽引、制動、門控、網絡、通信、廣播、PIS等）的可靠性、可用性提出很高要求，車輛設計須對目前成熟平臺控制電路進行改造，增加大量控制電氣器件，增加車輛控制網絡冗余性；設計還需要考慮增加各種設備故障情況的遠程診斷和處置手段。

2）自動化車輛基地：實現車輛基地包括出入車輛基地線、洗車線、正線和折返線的無人駕駛運行，車輛各庫線、車檔的設計應符合車輛自動泊車的安全要求；車輛基地無人駕駛區域需設安全圍欄，防止非操作人員進入，同時設置維修人員作業的安全防護控制裝置，以保證人身安全。

3）無線通信系統：通道帶寬要求增加，由于需要傳輸更多的車上設備信息，包括更多的CCTV視頻信號，無線傳輸的帶寬要求進一步提高。

4）監測設備：各檢測系統（包括障礙物檢測、屏蔽門夾人探測、煙火探測及其它入侵檢測設備）對無人駕駛安全非常重要，但在目前這些系統的可靠性安全性指標還無法匹配信號系統的要求。

4.4 建議盡早培養和提高運營人員工作能力

全自動無人駕駛技術的應用必然對項目運營管理的要求產生巨大變化，高效的控制中心調度和專業維修隊伍是無人駕駛控制系統有效運作的重要保證。調度人員不僅要懂基本的車輛技術，還應掌握供電、信號、線路、機電、駕駛技術等，加強OCC調度員的控制和指揮能力，掌握行車基礎知識、具備較強溝通與心理疏導能力，提升中央集中實時控制的管理水平；多職能站務人員也需要具有一崗多責的職責，在正常運營和故障運營情況下擔負不同的責任，正線上出現各類故障或突發情況時，能夠快速有效處理。在明確了各崗位的業務技能要求后，還需要界定清晰各崗位在各項生產工作中的分工和職責，以有效減少工作中的推諉扯皮。

5 小結

全自動無人駕駛技術在我國的應用尚在初級階段，全自動無人駕駛的實現需要設計、建設、運營、供應商等多個參與方確立共同的目標、需求、功能，需要土建和系統的統籌規劃設計，需要建設目標的層層分解，需要運營部門的盡早確立和介入，對系統技術及運營維護的研究和應用尚有廣闊的空間，在我國未來的城軌交通中，全自動無人駕駛技術的應用將成為發展方向，僅以此文對全自動無人駕駛技術的應用提出粗淺的建議。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50157-2013 地鐵設計規范［S］.2013.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50490-2009 城市軌道交通技術規范［S］.2009.

［3］管建華，王喜軍.無人駕駛控制技術及工程化實施方案研究［Z］.鐵道第三勘察設計院，2015.

From the basic concepts and the developing situation of full automatic driverless technologies at home and abroad， the paper introduces the overall structure and classification of the full automatic driverless system， and discusses how to choose the automatic driverless functions in different projects. Finally， it presents four proposals in terms of the design， construction and operation of the full automatic driverless system.

urban rail transit； full automation； driverless technology

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.015

（2016-09-12）