人工智能在無人駕駛軌道列車中的應(yīng)用

摘?要：人工智能已經(jīng)開始對交通行業(yè)發(fā)展發(fā)揮巨大的推動作用，軌道列車作為交通行業(yè)的重要組成部分，未來發(fā)展也離不開人工智能技術(shù)，特別是無人駕駛軌道列車作為軌道列車未來發(fā)展的重要方向，如何應(yīng)用人工智能，是軌道列車領(lǐng)域具有現(xiàn)實意義的重要問題。本文針對無人駕駛軌道列車、人工智能在該領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)等問題作了詳細分析和說明，合理運用人工智能技術(shù)，助推無人駕駛軌道列車跨越式發(fā)展。

關(guān)鍵詞：人工智能;大數(shù)據(jù);深度學(xué)習(xí);無人駕駛;軌道列車

1 無人駕駛軌道列車概述

無人駕駛軌道列車，是軌道列車自動化控制水平的最高體現(xiàn)，是未來軌道列車運行的基本運行模式。國內(nèi)外軌道列車領(lǐng)域?qū)o人駕駛軌道列車方向都已經(jīng)積累了數(shù)十年的研究、設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗，并且，國內(nèi)外都已經(jīng)有多條無人駕駛軌道線路開通運行。軌道交通與道路交通相比，由于線路相對固定，站點相對固定，時間可控性好等因素，因此，軌道交通更加適合無人駕駛。

無人駕駛軌道列車是采用高度自動化的先進軌道列車控制系統(tǒng)，由軌道控制中心用大型電子計算機監(jiān)控整個線路網(wǎng)的站際聯(lián)系、信號系統(tǒng)、列車運行、車輛調(diào)度等，完全實現(xiàn)了無人化全自動化運行的軌道列車。無人駕駛軌道列車的總體架構(gòu)如下圖所示。

從上圖中可以看出，無人駕駛軌道列車的研究已經(jīng)相對比較成熟。目前，國內(nèi)外在無人駕駛軌道列車在技術(shù)研究上也已經(jīng)有豐富的技術(shù)基礎(chǔ)積累和工程運行經(jīng)驗。在我國，目前已經(jīng)有七條試驗用無人駕駛軌道列車實現(xiàn)了示范性運行。其中，北京機場快軌、廣州珠江新城旅客自動運輸系統(tǒng)、上海軌道交通10號線在運行初期采用過一段時間無人駕駛，但是由于技術(shù)條件不成熟，后期運營也開始加入駕駛?cè)藛T。并且，這些無人駕駛技術(shù)分別來自加拿大龐巴迪公司和德國西門子公司，我國需要花費高昂的價格購買其知識產(chǎn)權(quán)。從2016年開始，隨著我國軌道交通技術(shù)的迅速發(fā)展，由我國自主知識產(chǎn)權(quán)經(jīng)營的無人駕駛軌道列車陸續(xù)開始示范工程建設(shè)并運行，這些線路分別是：香港南港島線、上海軌道交通8號線三期工程、北京地鐵燕房線、上海軌道交通浦江線。這四條線路都是自2016年開始，近三年示范建設(shè)并運行的無人駕駛軌道列車的典型案例。

在國外，英國、法國、德國、丹麥、迪拜和澳大利亞等國家都依托自身的條件和技術(shù)建設(shè)了無人駕駛軌道列車。

雖然目前國內(nèi)外都已經(jīng)有無人駕駛軌道列車的示范案例，但是總體來說，無人駕駛軌道列車在整個軌道列車運行行業(yè)中僅屬于非常小的一部分。特別是許多長線路、站點多，車次多的線路，控制方法復(fù)雜，運行期刊突變條件特別多的線路，主要還是以人工駕駛為主。

隨著人工智能的飛速發(fā)展和其在交通行業(yè)中應(yīng)用成熟度越來越高，人工智能在軌道交通的中的應(yīng)用未來必將是無人軌道交通發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 人工智能在交通行業(yè)應(yīng)用概述

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，特別是深度學(xué)習(xí)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法的日趨成熟，人工智能在交通運輸行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在無人駕駛汽車、智慧交通等方向，人工智能已經(jīng)成為道路交通行業(yè)快速發(fā)展必須要應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)。

目前，國內(nèi)外在無人駕駛領(lǐng)域都在積極搶占行業(yè)制高點，可以說誰最先掌握成熟的人工智能技術(shù)，誰就能在未來無人駕駛和指揮交通方向占據(jù)最大優(yōu)勢。隨著科技的不斷發(fā)展，無人駕駛汽車和智慧交通是解決現(xiàn)階段交通運輸存在的運量、堵塞、環(huán)保等問題的突破口，是解決這些交通頑疾的特效藥。

國內(nèi)的百度公司、蔚來汽車、小鵬汽車，國外的谷歌公司、特斯拉、通用汽車、福特汽車等公司都在積極探索利用人工智能打造最可靠的無人駕駛汽車。國內(nèi)的北京市、杭州市、深圳市等一線城市都在積極探索利用人工智能解決智慧交通出行，實現(xiàn)最優(yōu)化決策車輛出行策略。未來，智慧交通將公路系統(tǒng)與信息系統(tǒng)相結(jié)合，采用多種新技術(shù)解決我國大城市的交通出行壓力，使人們的出行更便捷，更舒心。

可以預(yù)見，未來交通行業(yè)的發(fā)展將會以人工智能為核心，而軌道交通作為交通行業(yè)的重要組成部分，未來也必將依托人工智能，獲得井噴式發(fā)展。

3 人工智能在無人駕駛軌道列車中的關(guān)鍵技術(shù)分析

在軌道列車方向，由于軌道列車的特殊性，線路固定，車站位置固定，行車時間較為準確，因此，軌道列車方向是最早開始進行無人駕駛研究和應(yīng)用的領(lǐng)域，并且也是目前唯一能夠在實際運行中應(yīng)用上無人駕駛的領(lǐng)域。但是正是因為軌道列車在無人駕駛領(lǐng)域的優(yōu)勢，反而限制了其在無人駕駛方向的大規(guī)模發(fā)展，而人工智能在軌道列車運行控制、軌道車輛調(diào)度配置和整車車聯(lián)網(wǎng)方向的優(yōu)勢就能夠極大促進無人駕駛在軌道列車領(lǐng)域的推廣，未來，無人駕駛必將是軌道列車運行的主要方式。

本文將對人工智能在無人駕駛軌道列車應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細闡述。

3.1 基于深度強化學(xué)習(xí)的軌道列車控制技術(shù)

人工智能最重要的體現(xiàn)就是采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法形成的深度強化學(xué)習(xí)方法，深度強化學(xué)習(xí)在控制領(lǐng)域具有不可撼動的技術(shù)優(yōu)勢。而軌道列車控制，特別是超遠距離行駛、多車次列車、路途經(jīng)過許多站點的路線。列車的控制關(guān)系到乘客的人身安全和能夠準確、準時的將乘客送到指定的站點。對于城市內(nèi)的地鐵和輕軌，車次與車次之間的時間間隔最短可能只有2-3分鐘，如何控制列車運行的車速，剎車的時間，在不同站點等待的時間，對于無人駕駛的列車是至關(guān)重要的。

而基于深度強化學(xué)習(xí)的控制技術(shù)對于上述軌道列車的運行控制是最有行之有效的解決途徑。并且，人工智能系統(tǒng)隨著列車車況變化的不斷學(xué)習(xí)，能夠積累更多的解決算法，能夠處理更復(fù)雜的車況變化。特別是通過環(huán)境感知是無人駕駛汽車進行一切決策和控制行為的基礎(chǔ)，而目標檢測與識別是環(huán)境感知最基本和最重要的功能之一，在線和離線決策以及車輛車次規(guī)劃的方法，是最適用于軌道列車控制的方法。

3.2 基于大數(shù)據(jù)分析的軌道車輛配置技術(shù)

對于軌道列車而言，包括城鐵和高鐵，運行在城市內(nèi)部或者不同城市之間，由于運行路線不同，載客量差異很大。比如京津城際和京滬高鐵，每天的客運量都相當于普通路線節(jié)假日的客流水平，而向一些三四線城市的高鐵線路，很可能在春運期間的客流量也達不到熱門線路平時的水平。因此，如何在不同的客運路線上合理配置車輛也是人工智能最擅長的應(yīng)用方向。

基于大數(shù)據(jù)分析的軌道車輛配置技術(shù)因此應(yīng)運而生，特別適用于根據(jù)不同車輛路線的大數(shù)據(jù)分析對該路線的配置車輛的數(shù)量、車次、運行時間、運行數(shù)量等做到最合理的配置，達到最優(yōu)化利用有限資源。既能夠降低運行成本，又能夠提高運輸效益，還能夠完全滿足的乘客的出行要求，可以說基于大數(shù)據(jù)分析的軌道車輛配置技術(shù)應(yīng)用對于車輛運行方和乘客是雙贏的方案。基于大數(shù)據(jù)分析的軌道列車配置技術(shù)是針對多條出行線路，大規(guī)模乘客乘車最優(yōu)的解決方案。

3.3 基于5G通訊和云計算的整車物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在道路交通領(lǐng)域，5G通訊和車聯(lián)網(wǎng)都已經(jīng)是道路交通發(fā)展必要的技術(shù)手段。5G技術(shù)的高速發(fā)展將大大推動整車物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的深度運用。5G和云計算將會最大限度的釋放車載系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，為用戶提供最好的技術(shù)服務(wù)和算力支持。

5G的通訊速度能夠?qū)崿F(xiàn)車載影音娛樂系統(tǒng)全面升級，實現(xiàn)4k、8k、3D或者AR視頻服務(wù)，特別是虛擬內(nèi)容與乘客之間的交互。并且，由于軌道列車終端對于系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了更高的要求，5G帶來的超高速通訊能夠在列車運行過程中大幅提高系統(tǒng)與控制中心的連接速度，能夠在第一時間完成系統(tǒng)升級。保證列車在無人駕駛條件下能夠通過車載系統(tǒng)與控制中心實施鏈接，保證列車行駛安全可控。5G和云計算技術(shù)也必將是支撐無人駕駛軌道列車實現(xiàn)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)論

綜上所述，人工智能在無人駕駛軌道列車的發(fā)展中將發(fā)揮不可替代的作用，展現(xiàn)對該行業(yè)顛覆性的影響。人工智能對于未來全面推廣實行無人駕駛軌道列車具有非常重要的意義。因此，將人工智能運用到無人駕駛軌道列車中，是軌道列車行業(yè)未來發(fā)展的必要途徑，合理運用人工智能關(guān)鍵技術(shù)，助推無人駕駛軌道列車跨越式發(fā)展。

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作者簡介：施浚琿（1986-），工程師，主要從事地鐵列車的可靠性設(shè)計、獨立安全評估和工程監(jiān)造及首檢管控等工作。