城市軌道交通無人駕駛系統研究

吳永深

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

城市軌道交通無人駕駛系統是能夠代替司機控制列車、駕駛汽車的信號系統，在無人值守的情況下能夠為城市軌道交通運輸提供必要的指導。在城市軌道交通的快速發展下，與之關聯配套的技術形式也層出不窮，特別是在客流量大的一線城市，增加軌道交通線路、完善新線建設成為緩解城市人流量大的一大關鍵。另外，城市軌道交通的深入建設發展對司機、乘務人員的人員需求不斷增加，不僅加大了交通運輸成本，而且復雜的工作量完全依賴人工處理，在高額度重復作業的模式下容易出現安全事故。為了減少城市軌道交通安全事故發生，借助全自動化交通無人駕駛技術替代人工駕駛技術成為城市軌道交通發展的一個熱點[1]。

1 城市軌道交通無人駕駛的核心理念

1.1 運營駕駛環節的自動化發展

無人駕駛的核心是在保障質量的情況下減少人員參與，使用先進的機器設備替代傳統的人工活動。在自動化技術的支持下可以提升地鐵運營系統的自動化能力；同時，通過增加設施設備可以提前預警車輛行駛過程中可能遇到的問題，并采取對應的措施予以解決。在地鐵行車過程中，遇到緊急情況的時候，地鐵運營系統可以借助提前制定好的方案來應對這些情況。城市軌道交通運營駕駛各環節的自動化流程如圖1所示[2]。

圖1 城市軌道交通運營駕駛各環節的自動化流程

1.2 減少軌道交通信號系統后備模式

在城市軌道交通運轉過程中，無人駕駛是自動化程度最高的，而與較高自動化程度對應的是低后備模式。在軌道交通無人駕駛系統自動化程度提升之后，與之對應的后備模式就會減少。

1.3 轉移列車司機的職能

在城市軌道交通運轉的過程中由于沒有司機，之前需要司機解決的問題就會由行車控制系統的團隊來完成。特別是在遇到緊急事故的時候，現場工作人員要能夠根據廣播要求來執行一系列的操作。

2 城市軌道交通無人駕駛的關鍵技術

2.1 各類接口

信號系統和洗車機接口，在聯鎖子系統和洗車機接口的順利連接下能夠實現對洗車機的有效控制，進而實現全自動洗車的功能。信號系統和有線廣播系統的順利連接，信號系統和有線廣播系統接口，在整個系統建設的過程中通過開展控制中心到列車的無障礙信息傳送模式，在列車運行出現問題的時候可以在第一時間通過PAS 來通知乘客，增加門控制接口，針對單扇門系統故障，信號系統能夠和車輛、站臺屏蔽門控制設備連接在一起，通過彼此的連接能夠實現單扇門的隔離功能。

信號系統和列車的接口，軌道交通無人駕駛接口關聯到上車門接口、牽引接口、制動接口；當信號系統、逃生門接口在出現問題的時候可以及時觸動逃生門[3]。

2.2 停車場的設計

為了能夠實現無人駕駛，在城市軌道交通系統運作的時候要為城市軌道交通配備對應的自動化停車場。地鐵軌道交通停車場按照需要會被劃分成防護區域，各個防護區域之間可以使用門禁系統來進行隔離，并通過門禁系統來實現彼此的互通互聯。

2.3 全方位視頻監控系統

在城市軌道交通無人駕駛信號系統運行中，傳統意義上的閉路電視、車內監督控制操作局限性較大，在具體實施的時候只針對站廳、站臺以及出入口位置上的乘客監控。雖然車內設置了視頻監控系統，但是獲取的信息無法被及時傳輸到地面上，基本上是采取交互的信息傳遞方式。

在使用無人駕駛系統之后，需要打造出一個全方位、沒有盲點的實時性監督控制體系，在這個體系的作用下能夠全方位監測站臺、停車場、列車、隧道的信息，同時打造出綜合監督控制系統，在出現危險問題的時候可以及時啟動緊急停車裝置，并將報警信息通過聯動的方式傳遞到視頻監控系統上[4]。

另外，為了能夠實現實時性監督控制，還需要借助先進的技術形式來打造出視頻分析系統。從實際運行角度來看，傳統意義上的地鐵視頻是依托圖像來完成信息的監督控制，很少會涉及視頻分析。在地鐵全自動化監督控制之后，借助視頻能夠對干擾信息進行精準地分析，幫助相關人員及時了解車站的客流量信息，并將所獲得的信息反饋給中央調度系統，中央調度系統在獲取信息之后會向下發送處理方案，解決各個站臺客流量大的問題。

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2.4 通信系統

使用長期性的演進分析系統來對一系列的數據信息進行傳輸，為了保障信息傳遞質量，需要使用1.8GHz 專網頻段來完成信息的收集整理，并在信息整理的時候減少外界干擾。在信息收集整理之后，可以使用20MHz 的載波頻率來進行配置，從而保障地鐵車站內部擁有足夠數量的無線通道。

同時，在信息傳遞的時候還需要建立雙LTE 通信網絡備份機制，在一個通信網絡系統出現故障的時候，另外一個網絡就能夠實現無縫切換。在所有信息管理的時候兩張LTE 網絡信息互為備份[5]。

3 城市軌道交通無人駕駛信號系統的功能需求和運行控制

3.1 列車的休眠喚醒

城市軌道列車在退出運營之后會進入車庫，車上的列車監督控制管理系統、閉路電視、牽引系統、照明空調等都需要斷開電源，在電源切開之后列車會進入休眠的狀態。列車的休眠指令會由列車自動監控下達給車載信號設備，列車監督控制能夠向下發送休眠命令。

3.2 車輛自動投入正線

在城市軌道車輛有人員駕駛的時候，列車會正式投入運營。在列車運行的過程中，場調負責車輛運行計劃的制定，信號樓的值班人員會接受場調的指揮，通過層級配合能夠為列車安排接受場調的指揮。在軌道列車由專門人員轉換到其他軌道且停車之后，列車自動監控系統會為列車自動監控系統分配時刻表班次。

3.3 列車回庫和自動化停車

自動回庫的工程操作過程比較簡單，在軌道交通無人駕駛的線路中，列車自動監控會按照既定的計劃將列車調度到投入或者退出的點，在到達指定的位置之后，投入和退出的列車會由列車自動監控系統分配庫線，列車會自動運行到庫線停靠，在完成運營之后進入休眠狀態。

3.4 自動洗車

地鐵列車自動防護系統會和洗車機的接口密切連接在一起，列車在運行的時候按照指令自動停靠在洗車庫的虛擬站臺上，在接收到上級指令之后列車會以比較低的速度運行，同時洗車刷對運行中的車輛進行清洗[6]。

3.5 城市軌道交通自動化區域作業人員的防護

對于能夠進入自動化區域的工作人員，包含自動化系統作業人員、列車巡檢維護人員等，在他們正式進入防護區域之前，系統作業人員要采取措施激活請求開關，在獲取允許之后作業人員才能夠進入場地。

3.6 列車停站

列車停站需要考慮停站對準情況，列車自動監督控制系統在檢測到停站的時候不會在對準的時候進入點動模式，在進入這個模式的時候其會將列車的行駛情況報告給各個乘客。多次嘗試之后獲得成功，列車自動監督系統會向行調報告報警[7]。

3.7 門故障處理

3.8 列車故障運行模式

如果列車的制動能力超過了限定值的列車，列車就會退出FAO 模式，列車由此會進入牽引模式或者蠕動模式。在車輛進入牽引或者蠕動模式后，車載控制器就會通過專用車線來控制列車的運行，這個時候列車維護人員再到車上處理問題。

4 城市軌道交通無人駕駛系統設計需求分析

4.1 車載子系統設計需求

車載子系統會和軌道交通控制中心無縫連接在一起，通過強強連接能夠及時發現地鐵軌道交通的運行故障，再根據故障來做出相應的預警。城市軌道交通無人駕駛系統運行可能遇到的故障信息包含制動器拖滯、牽引故障、火煙報警系統、低氣壓系統、駐車制動故障。另外，城市軌道交通無人駕駛系統的控制中心還需要具備遠程控制車門和遠程重置的能力。從車載設備的功能來看，無人駕駛技術要求地鐵車輛具備自動牽引功能、停站、對標、緊急制動的緩解能力，在運行的時候要能夠根據不同場景來采取不同的制動率，從而獲得最為理想的制動效果[8]。

4.2 軌旁子系統設計需求

取消城市軌道交通無人駕駛系統的后備模式、聯鎖、計軸設備，城市軌道交通無人駕駛系統會在CBTC 模式的作用下按照系統控制要求自行運行，列車由自動防護設備控制，列車定位由傳感器以及感應環線負責，不需要額外配置聯鎖設備。配備軌道異物入侵檢測系統，在無人駕駛模式的影響下，列車自動運行需要由異物入侵檢測系統構成，系統中的激光、紅外線和雷達波會及時檢測到進入軌道交通系統中的異物。強化視頻監控和乘客廣播系統，在CBTC 模式控制下的城市軌道交通系統一旦遇到突發情況，列車會將這些信息告知乘客；而在城市軌道交通無人駕駛系統的作用下，在不需要地鐵工作人員的情況下就能夠解決地鐵運行中可能遇到的故障[9]。

4.3 自動化停車場的設計需求

為了能夠實現城市軌道交通的無人駕駛，在城市軌道中需要設置全自動停車場，全自動停車場的內部會設置專門的CBTC 區域和人工維修區域。在設置好區域之后，為了保障人員安全，還需要對兩個區域實施必要的物理隔離。CBCT 區域內部應設置門禁和防護區域，為信號的接入提供必要支持。在有人員入侵CBTC 系統的時候，城市軌道交通無人駕駛系統控制中心以及停車場的值班人員能夠借助從ATS 上獲取的信息來調控車輛。

4.4 城市軌道交通無人駕駛系統的運行服務需求分析

4.4.1 日常運營需求

在地鐵軌道交通運行的時候會有很多信息匯入其中，城市軌道交通無人駕駛系統中只需要配備少量的人員就能夠在地鐵系統遇到緊急故障的時候及時提供救援。

4.4.2 地鐵軌道交通出現故障和緊急狀況下的需求

（1）ATS 系統故障時的應對

ATS 作為城市軌道交通無人駕駛系統的人機交互接口，在使用的時候能夠在突發情況的時候仍然保障系統的運行。

（2）軌旁ATP 系統故障的解決對策

在軌道交通工作設備出現故障的時候就會出發緊急制動，這個時候故障報警信息會在控制中心ATS界面上顯示出來。列車調度人員可以通過車載廣播系統將故障的情況告知乘客，在器械準備好之后立即啟動，故障信息會被綜合處理，為列車的穩定運行提供支持。

5 城市軌道交通無人駕駛系統未來發展需要解決的關鍵問題

列車系統是安全苛求系統。在城市軌道交通無人駕駛系統中，列控系統設備會承擔比較多的功能，系統運行所管控的內容比較多，且有些場景中的風險是需要專人管控的。為了能夠更好地促進系統運行，在城市軌道交通無人駕駛系統運行的時候需要相關人員應用所學的知識分析和緩解系統安全風險，比如：在設計線路的時候要為線路的運行提供封閉、安全的環境，并在車輛行駛的過程中借助傳感器來監督控制車輛的運行。另外，在城市軌道交通駕駛系統設備出現緊急故障或者突發故障的時候，借助無人駕駛系統能夠對故障實施遠程監督控制，根據故障的表現來采取有針對的措施予以處理。特別是在設備出現故障的時候，提前設計的預案要能夠充分緩解影響車輛運行的不確定因素。此外，城市軌道交通無人駕駛系統會依托通信的列車控制系統來連接外部，網絡連接的穩定性是保障系統和外界順利通信的關鍵。城市軌道交通無人駕駛系統對現有的軌道交通管理會產生變革性的影響，同時也給項目的建設帶來了全新的挑戰。在未來，為了保障軌道交通無人駕駛系統的穩定運行，我們需要充分吸收和借鑒國內外成熟的項目規劃方案，對地鐵駕駛系統進行科學設計。

6 結語

綜上所述，從設計角度來看，城市軌道交通無人駕駛技術的關鍵思想是通過提高冗余度和完善控制中心對車載系統的控制能力來穩定車輛的運行。城市軌道交通無人駕駛系統的物理結構為分布結構，在這個結構的作用下系統控制中心的強度會增強。另外，強化對地鐵軌道運行人員的培訓，通過培訓使其掌握更多的地鐵軌道交通無人駕駛技能，從而更好地發揮出城市軌道交通無人駕駛系統的作用。