高鐵自動駕駛系統存在問題及發展方向

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、安全等諸多優點。目前，我國高鐵自動駕駛技術處于全球領先地位，不斷推動我國高鐵智能化發展。自動駕駛技術的應用實現了高鐵列車運行的自動控制，提高駕駛系統自動化程度和列車運行速率。近幾年，國內外逐漸開始研究干線鐵路自動駕駛技術，但在高鐵自動駕駛技術應用過程中，自動駕駛系統會面臨多種安全風險，評估高速鐵路自動駕駛系統安全風險具有重要意義，能為高鐵自動化駕駛發展提供參考。

關鍵詞：高鐵;自動駕駛技術;安全風險

中圖分類號：TP24 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

高鐵以其快速、準時、環保等諸多優點深受中短途旅客的歡迎，我國高鐵自2008年開始陸續建成通車，近幾年來發展迅速，位于世界領先水平[1]。隨著高鐵自動化駕駛技術的不斷發展，列車自動駕駛系統將會逐漸代替駕駛人員。目前，高鐵自動駕駛系統還處于起步階段，很多技術和研究尚未成熟，系統架構、功能設計及分配仍需要進一步討論、研發和應用。關注高鐵自動駕駛系統的安全性至關重要，通過分析不同情況下高鐵自動化駕駛系統存在的安全風險，針對風險提出針對性解決方法和進行技術改進，保障行車安全和乘客生命財產安全。

1 高鐵自動駕駛系統目前存在問題及發展方向

1.1 高鐵自動駕駛系統的概念及評判標準

高鐵自動駕駛系統是指列車系統能夠根據地面控制系統的命令、不同運行工作情況及運行區間內運行時分，選擇最優控制策略，完成列車到站停靠自動開門、關門，站臺準確停靠及列車起動、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，達到節能環保及自動調整的目的。列車自動駕駛技術的應用具有諸多優點，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智能化發展。

自動化駕駛系統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的研究和發展方向應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雜的系統，系統中的每一部分故障均有可能造成運輸故障，因此，整個系統中的各個子系統如通信信號、工務工程等的可靠性、準確性必須在現有基礎上不斷提升。

1.2 高鐵自動駕駛系統的等級劃分

按照城市軌道交通管理和控制系統運營功能的劃分標準，可以將我國高鐵自動駕駛系統劃分為GOA1～GOA4共4個不同等級。我國高鐵列車目前采用的CTCS-2/CTCS-3等級列控系統都屬于此等級[2];GOA2系統的主要特點是系統可以自動駕駛列車，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、關閉車門及進行緊急情況處置，珠三角城際使用的C2+ATO系統[3]和京沈專客使用的C3+ATO系統[4]均是該等級系統;GOA3系統的主要特點是系統能夠自動駕駛列車運行，駕駛室內不需要駕駛員，但列車內仍需保留乘務人員，他們主要負責關閉車門和應對各種緊急情況;GOA4系統已經不需要在車內保留駕駛員和乘務人員，直接由系統或列車控制中心調度人員處理各種緊急情況。GOA3和GOA4系統較GOA1、GOA2系統有了較大的進步，但目前該兩種系統并未得到應用。

目前，我國高鐵列車運行控制系統主要是由CTCS-3系統組成，該系統是在CTCS-2系統列車運行控制系統的基礎上進一步發展而來的。該系統采用GSM-R無線通信系統，實現控制信息雙向實時傳輸，以保障列車的運行要求。

2 ? 高鐵自動駕駛系統安全風險評估方法

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可能造成的人員傷亡和財產損失，為高鐵自動化駕駛系統的發展提供借鑒。

GOA1系統僅僅能夠提供連續的速度防護，對于駕駛列車運行、開關門和緊急情況處置均由駕駛員負責，因此系統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、岔路口設置的勻速速度或臨界速度不同的情況;一旦駕駛人員出現超速的情況，該系統將會自動產生制動，保障運行安全。列車相撞的情形有追尾、迎面相撞和側面碰撞3種，系統能夠保證不同行車許可有效避免碰撞，且在駕駛員出現錯誤時緊急制動，保證安全。

GOA2系統的主要特點是系統可以自動駕駛列車，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、關閉車門及進行緊急情況處置，因此，該系統的主要安全風險包括兩大部分，分別是GOA1系統安全風險和自動駕駛帶來的開關車門、加減速處理等情況。開關車門要避免開錯兩側車門、未在列車停穩后或適當時機開關門、未在站臺合適位置開關門等情況。列車加減速過程應避免突然加速或減速，造成乘客受傷。

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

GOA4系統已經取消了駕駛員和乘務人員，因此在面臨GOA3系統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人員負責監控的風險，如錯誤關閉車門、列車內煙火檢查、乘客跌落站臺等情況。

目前來說GOA1和GOA2系統已經發展較為成熟并且成功應用于不同的運輸線路，對于這兩種系統出現的安全風險目前已經有較為完善、成熟的應對解決方案，后續將不再對這兩種系統進行分析。GOA3和GOA4系統由于自動化程度高，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存在一些聯系，同時也存在不同，在進行高鐵自動化駕駛系統研究時，可以借鑒城市軌道交通自動化駕駛成熟的經驗，在此基礎上，針對高鐵自動化駕駛系統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GOA3和GOA4系統問題解決策略

GOA3和GOA4自動化駕駛系統必須以代替駕駛員和乘務人員完成復雜外部環境的感知為前提進行新增功能的實現，但目前該技術發展未能支撐，因此，未來的發展方向應該為解決大量的狀態感知和監測。

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計裕量，列車信號系統根據線路設計的速度限制線路允許速度并以此監控列車行車安全。但是，在某些特殊的情況下可能會出現異常，即當列車按照信號系統給出的速度在合理范圍內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。如在暴風、暴雨雪等惡劣天氣條件下，駕駛員會根據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自動駕駛系統取代了駕駛員和乘務人員，面對各種惡劣環境條件均需由系統自行控制。

3.2 障礙物檢測

在我國，高鐵運行路線錯綜復雜，形成密集的網絡，在復雜的天氣或運行時間過久等情況下，很可能出現地面與列車不吻合狀況導致設備發生故障。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，如確定故障路段區間內是否存在其他運行車輛，鐵路道岔是否位置正確及需要調車或重新進行信號連接時，區域內是否存在其他列車。此外，在列車運行的環境中，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控及障礙物監測技術監控，駕駛員采取如停車或鳴笛等措施解決。GOA3和GOA4自動駕駛系統取代了駕駛員和乘務人員，在障礙物判斷方面要求有所提高。自動駕駛系統必須能夠實現隨時隨地、各種天氣條件、各種線路選擇情況下，準確、及時、有效地監測障礙物并及時發出正確指令，解決風險問題。

3.3 人員檢測

高鐵在車站停靠，乘客上下車過程中，很可能出現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車運行時間開關車門很可能造成未上車乘客發生碰撞危險。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自動駕駛系統取代了駕駛員和乘務人員，地面和列車人員的監測工作均由系統完成，并且由系統發出一系列指令。

4 ? 結語

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

參考文獻

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

[2] 江明，王建敏.自主化CTCS-3級列控系統技術創新及裝備研制[J].鐵路通信信號工程技術，2018，15（4）：1-4.

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

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