基于感知自主運(yùn)行的列控系統(tǒng)后備模式研究

張蕾，宋麗麗，張俊林，程浩，陳科

（1.交控科技股份有限公司，北京 100070；2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100044）

0 引言

城市軌道交通路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大使網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)更加復(fù)雜，包括巨量的設(shè)備設(shè)施、高密度的隨機(jī)客流、復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)要素及傳播機(jī)制，其中任一要素或環(huán)節(jié)的故障都可能帶來(lái)長(zhǎng)時(shí)間段、大面積的連鎖效應(yīng)，造成“小故障、大影響”［1-2］。作為城市軌道交通的重要組成部分的信號(hào)系統(tǒng)，其故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響突出，以北京地鐵為例，2014—2018年的405起故障數(shù)中信號(hào)故障高達(dá)198 起［3］，因此亟須提升信號(hào)系統(tǒng)故障下的運(yùn)行能力，以及快速恢復(fù)能力。

基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)自主運(yùn)行控制系統(tǒng)（TACS）作為繼CBTC之后的主流方向，法國(guó)阿爾斯通的車(chē)車(chē)通信的信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用于法國(guó)里爾線的線路改造。交控科技也率先提出了車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)［4］并后續(xù)在北京11號(hào)線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，青島地鐵牽頭研發(fā)的TACS 在青島地鐵6 號(hào)線完成動(dòng)車(chē)調(diào)試驗(yàn)證［5-6］，中國(guó)通號(hào)卡斯柯公司TACS在深圳地鐵20 號(hào)線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)［7-8］。TACS 相較于CBTC系統(tǒng)，有效精簡(jiǎn)了系統(tǒng)架構(gòu)，使得系統(tǒng)更適用于改造線路，能夠降低改造工程的復(fù)雜度，但與此同時(shí)，由于系統(tǒng)功能的高度集中，任一設(shè)備出現(xiàn)故障則系統(tǒng)可用性大幅下降。

針對(duì)以上問(wèn)題，一方面可增加設(shè)備冗余提高系統(tǒng)可靠性來(lái)降低故障率，另一方面系統(tǒng)的后備模式也是必不可少的。現(xiàn)有TACS 的后備模式多為參考既有CBTC 系統(tǒng)，采用區(qū)間閉塞或點(diǎn)式系統(tǒng)作為后備模式下的運(yùn)行。雖然這2 種方式均較為成熟穩(wěn)定，但存在的主要問(wèn)題是，當(dāng)故障發(fā)生后，由TACS 運(yùn)行切換至區(qū)間閉塞或點(diǎn)式系統(tǒng)運(yùn)行所需的時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，以線路通信系統(tǒng)故障為例，在線所有列車(chē)需要停車(chē)等待調(diào)度與司機(jī)逐一確認(rèn)列車(chē)位置，并逐次安排列車(chē)以區(qū)間閉塞的方式運(yùn)行，方可完成從主用模式到后備模式的切換。

研究提出一種基于感知自主運(yùn)行的車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)后備模式，故障發(fā)生后，該后備模式能夠在主用模式故障的情況下，快速切換至后備模式運(yùn)行，而無(wú)需復(fù)雜長(zhǎng)時(shí)間的人工確認(rèn)；故障恢復(fù)過(guò)程中，該后備模式能夠提供高于區(qū)間閉塞的故障運(yùn)行能力；故障修復(fù)后，由于該后備模式支持的列車(chē)運(yùn)行間隔較小，因此具備快速由后備模式恢復(fù)到主用模式的運(yùn)行能力。

1 車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)后備模式的研究現(xiàn)狀

1.1 必要性及作用

信號(hào)系統(tǒng)的后備模式是在主用系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備故障無(wú)法維持主用模式運(yùn)行時(shí)，能夠支持在線列車(chē)保持一定運(yùn)營(yíng)秩序的技術(shù)手段［9］。例如現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障時(shí)，可轉(zhuǎn)為點(diǎn)式級(jí)別運(yùn)行，在低于主用模式效率的情況下提供安全運(yùn)營(yíng)保障。為保證運(yùn)營(yíng)安全，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路中后備模式已經(jīng)成為標(biāo)配［10］。

對(duì)于TACS 系統(tǒng)而言，區(qū)別于既有聯(lián)鎖進(jìn)路控制的方式，采用自主的資源精細(xì)化管理方式對(duì)軌旁資源進(jìn)行申請(qǐng)和釋放，取消了對(duì)次級(jí)檢測(cè)設(shè)備的依賴［6-8，11-12］。若不為T(mén)ACS 配置后備模式，則僅能依靠人工調(diào)度的方式指揮非通信列車(chē)，同時(shí)資源的釋放也需要人工完成列車(chē)重定位，存在誤操作風(fēng)險(xiǎn)［8，13］。由此可見(jiàn)，后備模式對(duì)于TACS系統(tǒng)是必要的。

根據(jù)TACS系統(tǒng)的通用構(gòu)成（見(jiàn)圖1），后備模式需在主要系統(tǒng)出現(xiàn)故障的場(chǎng)景下發(fā)揮作用：第一類是車(chē)載安全防護(hù)系統(tǒng)故障，包含了測(cè)速設(shè)備故障、定位設(shè)備故障以及車(chē)載主機(jī)板卡故障等；第二類是軌旁資源管理器故障，包括關(guān)鍵設(shè)備道岔安全門(mén)等的采集失效故障、軌旁資源管理器主機(jī)板卡故障等；第三類是車(chē)地/車(chē)車(chē)通信設(shè)備故障。

圖1 TACS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

由此，后備模式作為能夠獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，需具備以下3項(xiàng)主要功能：

（1）后備模式下的列車(chē)位置檢測(cè)，列車(chē)的定位功能是閉塞防護(hù)的基礎(chǔ)，可采用計(jì)軸等次級(jí)檢測(cè)設(shè)備，也可采用應(yīng)答器、激光雷達(dá)等主動(dòng)連續(xù)的檢測(cè)設(shè)備；

（2）軌旁資源的占用及釋放管理，該功能直接影響到后備模式下的列車(chē)運(yùn)行間隔，宜具備較高的自動(dòng)化程度及較小的管理區(qū)段；

（3）列車(chē)運(yùn)行間隔防護(hù)及超速防護(hù)，由于后備模式下多為人工駕駛，作為信號(hào)系統(tǒng)的后備模式，須保證基本的間隔和速度防護(hù)。

1.2 主要方案

基于TACS 后備模式下主要需求，根據(jù)不同的重定位方式，后備模式主要方案包括四類（見(jiàn)表1）。其中，前3種后備模式方案是當(dāng)前主要信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備提供商提出的方案；前2 種后備模式方案同樣是傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)的后備方案，較為成熟。第3種后備模式是伴隨著感知技術(shù)的不斷發(fā)展［14］，演進(jìn)得到的新型后備模式解決方案。因此，本研究重點(diǎn)關(guān)注感知后備模式的方案。

表1 TACS后備模式主要方案

2 基于感知自主運(yùn)行的后備模式

2.1 總體概述

相較于傳統(tǒng)的CBTC 系統(tǒng)，TACS 系統(tǒng)推動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)從自動(dòng)化向自主化發(fā)展，對(duì)列車(chē)運(yùn)行環(huán)境及關(guān)鍵組成要素的多源感知是自主列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵特征（見(jiàn)圖2）。基于環(huán)境感知的自主運(yùn)行作為后備模式解決方案，當(dāng)主用系統(tǒng)發(fā)生故障無(wú)法維持運(yùn)行時(shí)，如車(chē)地?zé)o線通信故障，可無(wú)縫切換至基于感知自主運(yùn)行的后備模式。后備模式運(yùn)行過(guò)程中，在區(qū)間按照“看多遠(yuǎn)、運(yùn)行多遠(yuǎn)”的原則自行計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并進(jìn)行安全防護(hù)，在岔區(qū)按照信號(hào)機(jī)的開(kāi)放狀態(tài)運(yùn)行。主用系統(tǒng)故障修復(fù)后，列車(chē)無(wú)需再進(jìn)行篩選等復(fù)雜的操作，滿足主用系統(tǒng)運(yùn)行條件后可直接升級(jí)至主用系統(tǒng)運(yùn)行，該系統(tǒng)可大幅度提升故障下的運(yùn)行效率，保持一定的乘客服務(wù)質(zhì)量。

圖2 基于感知自主運(yùn)行的后備模式示意圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于感知的自主運(yùn)行裝備，通常由列車(chē)車(chē)載和軌旁2 部分設(shè)備構(gòu)成。以首都機(jī)場(chǎng)線示范應(yīng)用裝備為例，車(chē)載配備激光雷達(dá)、工業(yè)相機(jī)等多種感知設(shè)備，通過(guò)多源感知融合，保證感知結(jié)果的安全性和可靠性；軌旁配備必要的標(biāo)識(shí)牌，用于提升定位的精度。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)見(jiàn)圖3，現(xiàn)場(chǎng)安裝效果見(jiàn)圖4。

圖3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)安裝效果

2.3 關(guān)鍵技術(shù)組成

基于感知自主運(yùn)行的后備模式，其關(guān)鍵技術(shù)包括基于感知的列車(chē)自主定位技術(shù)、基于感知的行車(chē)凈空檢測(cè)技術(shù)以及基于高可靠感知的列車(chē)自主防護(hù)技術(shù)。

2.3.1 基于感知的列車(chē)自主定位技術(shù)

區(qū)別于傳統(tǒng)的計(jì)軸、應(yīng)答器檢測(cè)定位需要布置軌旁設(shè)備的要求，基于感知的列車(chē)自主定位技術(shù)，通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)線路環(huán)境進(jìn)行掃描獲得大量的實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，利用的激光SLAM技術(shù)和傳感器融合技術(shù)，經(jīng)過(guò)環(huán)境特征匹配、列車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)、回環(huán)檢測(cè)等過(guò)程構(gòu)建線路高精度點(diǎn)云地圖。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)列車(chē)前方進(jìn)行掃描，獲得前方運(yùn)行區(qū)域點(diǎn)云，基于實(shí)時(shí)傳感技術(shù)識(shí)別前方線路特征，與存儲(chǔ)的高精度地圖進(jìn)行匹配，從而計(jì)算得到列車(chē)高精度位置。特別的，為進(jìn)一步提升定位精度，軌旁設(shè)置標(biāo)識(shí)牌設(shè)備，當(dāng)檢測(cè)到編碼標(biāo)識(shí)牌時(shí)，基于線路高精度點(diǎn)云地圖中標(biāo)定的編碼牌設(shè)備位置，對(duì)當(dāng)前列車(chē)的位置進(jìn)行校正和更新。

2.3.2 基于感知的行車(chē)凈空檢測(cè)技術(shù)

由于城軌交通列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)封閉，由此列車(chē)行車(chē)的凈空檢測(cè)，其檢測(cè)對(duì)象相對(duì)道路交通大幅減少，主要對(duì)列車(chē)、維修人員、信號(hào)機(jī)、入侵到限界內(nèi)的障礙物（例如樹(shù)木、線纜、廣告牌）等內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別。可采用相機(jī)視覺(jué)、激光雷達(dá)等多種光學(xué)傳感器設(shè)備，通過(guò)圖像采集、圖像預(yù)處理、軌行區(qū)識(shí)別、點(diǎn)云篩選、目標(biāo)分類等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)列車(chē)前向軌行區(qū)障礙物的檢測(cè)與分類。此外，該檢測(cè)需保證安全完整度等級(jí)SIL4 要求的誤檢率及漏檢率，方可用于作為安全防護(hù)功能的輸入。特別的，若線路的彎道半徑超出感知設(shè)備的檢測(cè)距離上限，則可在地面布置感知設(shè)備，通過(guò)車(chē)軌協(xié)同感知的方式延長(zhǎng)列車(chē)運(yùn)行凈空檢測(cè)“視距”。

2.3.3 基于感知的信號(hào)機(jī)識(shí)別技術(shù)

系統(tǒng)通過(guò)主動(dòng)感知的視覺(jué)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行區(qū)域前方的信號(hào)機(jī)狀態(tài)采集及分析。列車(chē)根據(jù)當(dāng)前位置、運(yùn)行方向，結(jié)合電子地圖計(jì)算視距范圍內(nèi)是否包含信號(hào)機(jī)以及信號(hào)機(jī)在畫(huà)面中的位置；當(dāng)視覺(jué)模塊識(shí)別到信號(hào)機(jī)且其位置與預(yù)期一致后，系統(tǒng)通過(guò)抗干擾算法處理實(shí)時(shí)采集的畫(huà)面識(shí)別信號(hào)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)（是否點(diǎn)亮、亮燈色等），在判斷點(diǎn)亮燈位符合信號(hào)機(jī)類型后，將識(shí)別得到的信號(hào)機(jī)狀態(tài)用于列車(chē)安全防護(hù)處理。

2.3.4 基于感知的列車(chē)自主防護(hù)技術(shù)

基于感知的自主運(yùn)行后備模式需提供安全防護(hù)功能，列車(chē)基于自主定位獲取當(dāng)前的精確位置，結(jié)合行車(chē)凈空檢測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)。列車(chē)在無(wú)道岔非站臺(tái)區(qū)域運(yùn)行時(shí)，根據(jù)視距范圍內(nèi)的前方列車(chē)、維護(hù)人員、入侵障礙物等檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算本列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)；列車(chē)在有道岔或站臺(tái)區(qū)域運(yùn)行時(shí)，根據(jù)信號(hào)機(jī)狀態(tài)識(shí)別的結(jié)果計(jì)算本列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)是否可以延伸至對(duì)應(yīng)區(qū)域。列車(chē)在移動(dòng)授權(quán)范圍內(nèi)按照限速進(jìn)行防護(hù)，保證該后備模式下的行車(chē)安全及效率。

2.4 典型故障場(chǎng)景下的效果分析

以列車(chē)高峰期通信設(shè)備故障為例，具體分析基于感知自主運(yùn)行的后備模式的效率提升。首先將故障下的運(yùn)行分為3 個(gè)階段：第1 階段，故障發(fā)生時(shí)刻至后備模式運(yùn)行；第2階段，故障修復(fù)的時(shí)段內(nèi)列車(chē)后備模式運(yùn)行；第3階段，故障修復(fù)后恢復(fù)至主用模式運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)階段感知后備模式與傳統(tǒng)后備模式的運(yùn)行水平進(jìn)行對(duì)比。后備模式對(duì)比分析示意見(jiàn)圖5。

圖5 后備模式對(duì)比分析示意圖

第1階段，出現(xiàn)通信故障，全線列車(chē)故障緊急制動(dòng)停車(chē)，在該階段感知后備模式與傳統(tǒng)后備模式效率相同。第2階段，列車(chē)從主用故障停車(chē)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)入后備模式運(yùn)行。這一階段中，由于感知后備模式具備自主定位和自主防護(hù)的功能，則能夠支持在線列車(chē)并行恢復(fù)，相比于傳統(tǒng)后備模式下的調(diào)度員人工確認(rèn)列車(chē)位置后串行恢復(fù)的方式，其效率大幅度提升；同時(shí)在進(jìn)入到后備模式運(yùn)行后，感知后備采用感知視距運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)列車(chē)不掉線、不清客，繼續(xù)維持運(yùn)營(yíng)，最大限度減少對(duì)乘客的影響。第3階段，通信設(shè)備故障修復(fù)后，從備用模式升級(jí)到主用模式，因感知后備模式能夠有效檢查列車(chē)間的障礙物（包含工程車(chē)），不再需要進(jìn)行類似篩選的功能即可快速升級(jí)到主用模式。總的來(lái)說(shuō)，在故障發(fā)生至恢復(fù)到主用模式常態(tài)運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程中，感知后備模式的各個(gè)階段運(yùn)行效率均高于傳統(tǒng)后備模式，能夠維持較好的服務(wù)水平。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)分析對(duì)比，可以得出基于感知自主運(yùn)行的后備模式，提供了較高的后備模式運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量，符合現(xiàn)有智慧城軌的發(fā)展需求。目前為滿足既有安全管理體系要求，對(duì)于感知信息的使用以及自主化水平尚處于起步狀態(tài)，后續(xù)隨著自主算法的可解釋性、全場(chǎng)景測(cè)試驗(yàn)證手段以及新的系統(tǒng)安全保障理論和方法等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，基于感知自主運(yùn)行的后備模式運(yùn)行水平存在較大的提升空間。