全自動無人駕駛系統遠程控制方案研究

張 琛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

目前，全自動無人駕駛線路已經成為我國城市軌道交通建設的新主流方向。 2020年至2021年初，上海軌道交通15號線、18號線，以及成都地鐵9號線等多條無人值守的列車運行GoA(Grade of Automation，自動化等級)4級線路相繼開通,而蘇州、深圳及鄭州等城市的GoA 4級全自動無人駕駛線路也在建設中。全自動無人駕駛技術憑借高度自動化、智能化、高效率、高可靠性等優點正逐步取代傳統駕駛。

但是，由于全自動無人駕駛線路的列車不再配置司機，一旦出現了車載信號故障或車輛設備故障，如何通過一定的手段快速消除故障恢復正常運營，便成了亟待解決的問題。通過控制中心遠程復位故障設備，或遠程輔助因故障而降級運行的列車恢復無人駕駛模式,是最快解決以上問題的方式。當然這還需要一定的技術手段以保證安全性。

本文將從典型故障[2]入手，深入研究全自動無人駕駛線路的遠程控制方案。

1 全自動無人駕駛系統的典型故障

1.1 車輛設備故障

車輛設備發生的故障較多，有些故障將直接影響列車的安全運行。此類故障包括車門故障、輔助系統故障、列車網絡故障、牽引系統故障、供電故障、受電弓故障、客室照明故障、空調故障、制動故障、廣播故障及逃生門故障等。

1.2 信號設備故障

某些信號設備發生故障，尤其是信號系統冗余設備也完全發生故障，將導致列車無法運行。對于冗余設備而言，其單套設備發生故障時，信號系統會有明顯的告警，這時如果能通過遠程復位的方式成功重啟故障設備，則會有效地解決問題。

信號設備的典型故障包括車載信號設備故障、軌旁聯鎖故障、軌旁區域控制器故障、軌旁線路控制器故障及網絡設備故障等。其中，車載信號設備故障的情況較特殊。車載信號設備直接控制列車運行，其發生故障后，如果列車無法提供位置信息，就無法獲得有效的移動授權，此時，即使車載信號設備已排除故障恢復正常，列車也依然無法運行。

2 全自動運行系統的遠程控制方式

為了盡快恢復故障設備功能，需要開發相應的遠程控制方式，才能在全自動無人駕駛線路中有效、快速地解決問題。基于典型故障的需求分析，全自動運行系統應具備的遠程控制方式包括車輛設備遠程復位、信號設備遠程復位及車輛遠程輔助駕駛[1]。

2.1 車輛設備遠程復位

車輛設備的遠程復位應由控制中心下達復位命令，且復位命令需滿足安全等級要求。故車輛設備遠程復位命令的傳輸路徑如圖1所示：對于安全相關的命令須在安全協議的防護下，先由控制中心ATS (列車自動監控系統)將復位命令下達到車載控制器，再由車載控制器通過TCMS(列車控制和管理系統)轉發到車輛；對于非安全相關的命令可由控制中心車輛調度工作站直接下發至車輛。

圖1 車輛遠程控制命令傳輸路徑

建議的車輛遠程控制命令如表1所示。

表1 車輛遠程控制命令列表

2.2 信號設備遠程復位

2.2.1 信號設備遠程復位設計

信號設備遠程復位所采用的遠程控制系統主要包括遠程控制操作終端、遠程控制服務器和遠程控制硬件，如圖2所示。

圖2 遠程控制系統結構

2.2.2 雙套軟硬件設計

基于地鐵項目中的高可靠性需求，遠程控制系統采用雙套軟硬件設計，并保證冗余設備的獨立性。在外部輸入命令控制設備的情況下，冗余設備的輸出控制邏輯必須一致，以保證遠程控制系統的準確性、可靠性。否則，控制命令視為無效操作。

在雙套軟硬件設計的基礎上，遠程控制系統構建各自獨立的2路通信鏈路，以保證信息傳輸的獨立性。

遠程控制服務器采用雙機熱備方式，即使1臺服務器失效，另外1臺服務器也能夠維持遠程控制系統正常工作。

2.2.3 操作機制

為保證信號設備在復位過程中仍能夠正常工作，作出如下規定：

1) 如同一部信號設備采用A、B機主備配置，則無論何種情況下，主備機不能同時復位，只能控制復位其中1臺；

2) 在滿足條件1)的情況下，可以控制斷開多部不同信號設備的電源；

3) 在多部設備的復位命令同時下發時，不能一次命令下發包括多個設備的控制命令，必須按照設備分別逐條下發復位命令，圖3為遠程控制系統的操作機制。

圖3 操作機制原理圖

具體操作流程為：

1) 控制中心操作人員在遠程控制終端A機上執行復位控制命令。

2) 該命令通過遠程控制操作終端發送至遠程控制服務器。

3) 遠程控制服務器通過規定的通信協議發送控制命令至遠程控制硬件A。

4) 遠程控制硬件A收到該控制命令后，生成隨機命令校驗碼。遠程控制硬件A將命令校驗碼分別發送至遠程控制硬件B和沿原通道發送至遠程控制操作終端A機上。當校驗碼傳輸到遠程控制服務器時，服務器會完成校驗碼和源控制命令的校驗，以確保校驗碼和控制命令相符。如果校驗不通過，則服務器丟棄該控制命令校驗碼并給出提示信息。

5) 控制中心操作人員可直觀地獲取該命令校驗碼。

6) 控制中心操作人員在遠程控制終端B機上執行復位控制命令，同時還需要手動輸入從A機獲得的命令校驗碼。

7) 該復位控制命令通過遠程控制服務器轉發至遠程控制硬件B。遠程控制服務器收到校驗碼和控制命令后，需要同終端A發出控制命令后所獲取的命令校驗碼進行對比。對比通過才能繼續執行；如不通過，則服務器丟棄操作終端B發送的控制命令。

8) 遠程控制硬件B將遠程控制終端B機和遠程控制硬件A生成的命令校驗碼進行對比。如對比結果一致，那么遠程控制硬件A、B同時執行命令；如不一致，則命令控制器A、B丟棄控制命令。

9) 遠程控制硬件A和遠程控制硬件B收到命令后允許有一定的延時處理。如果二者收到命令的時間間隔超過設定值，則丟棄控制命令。

2.3 車輛遠程輔助駕駛

要實現車輛遠程輔助駕駛，需要車載設備遠程重啟和遠程輔助駕駛相結合。車載設備遠程重啟的實現過程見圖4[3]。

圖4 車載設備遠程重啟的實現過程示意圖

由控制中心先分別向列車兩端的車載控制器下發重啟命令；任何1個可用的車載控制器收到有效的重啟命令后，完成自身和另外一端車載設備的重啟操作；待車載設備重啟成功后，由于沒有有效定位，列車處于待命狀態，控制中心可以設置列車進入遠程輔助駕駛模式；通過遠程輔助駕駛，使列車獲得有效的定位，進而升級為無人駕駛模式。

當遠程輔助駕駛模式激活時，由于列車無具體定位，故其防護區域需要覆蓋整個計軸區段(見圖5)。當信號系統判斷其運行前方進路建立后，區域控制器根據列車運行前方線路條件計算列車的移動授權。

圖5 無定位列車防護原則

以上條件滿足后，列車可以用遠程輔助駕駛模式自動低速行車；在列車讀取軌旁信標后，便可獲得具體位置，此時列車可自動升級為全自動運行模式運行。

3 結語

全自動無人駕駛系統雖具有高度的自動化、智能化、效率高等諸多優點，但在故障情況下實現快速恢復正常，面臨較大挑戰。而遠程控制技術的應用，可以有效解決這一難題。本文基于全自動運行系統的故障，從車輛設備遠程復位、信號設備遠程復位及列車遠程輔助駕駛三方面，對全自動無人駕駛的遠程控制方案進行研究。