無人駕駛地鐵列車控制系統的研究

封宇

（鄭州中建深鐵軌道交通有限責任公司，河南鄭州 450000）

0 引言

我國城市軌道交通事業的崛起促進了上中下游行業的高速發展，不論是電子感應器技術、信息通信技術還是視頻監測技術，在城市軌道交通列車的全自主無人駕駛技術理念的推動下，也獲得了逐步革新與優化，從而進一步提高了無人駕駛控制系統的安全性、穩定性。

1 無人駕駛地鐵列車控制技術介紹

無人駕駛地鐵列車控制技術是一種高度智能化的新型軌道交通技術，該技術由軌道交通智能化中心控制。全自動無人駕駛技術的推出為傳統地鐵運營帶來以下變化：第一，系統過濾掉了過去駕駛員作業的失誤、延遲等人為因素導致的對時間、效率的浪費，過去由駕駛員完成的工作，現在可以全部(或者基本)交給系統自行完成，降低了駕駛員的勞動強度。第二，無人駕駛行車系統能隨著客流量變化，動態調節列車計劃，并合理限制空車走行，節省牽引功率，運營組合也更為靈活多樣，參照國外已運營的無人駕駛線路測算，單車系統每千米的運營能耗減少了30%。第三，無人駕駛技術能夠顯著減少行駛距離，增加行進效率，在相同運力前提下，可以加快列車的周轉，增加車廂利用率，從而降低配置車廂數量。

無人駕駛列車控制系統可降低駕駛員定員，減少人力投入成本，改善車站行車調度。我國建造的國內首列無人駕駛軌道交通動車組，于2014 年6 月17 日在上海中國國際軌道交通博覽會亮相。其最大的看點就是應用了先進的全自動控制系統解決方案，無須駕駛員操作即可完成車輛的自主喚醒、自檢、手動發車離站、上下坡運行、到站點精準停靠以及手動開閉車門等全自動運行。

2 無人駕駛地鐵列車控制技術現狀

2010年4月啟用的上海10號線，于2014年8月開始投入使用無人駕駛智能列車。全線長36km，有29個站臺，目前平均運營時間為5min，最高客流斷面2.88 萬人次，遠期設計最高客流斷面為4.84 萬人次，遠期時間為100s。南京燕房線，是國內第一條應用自主式無人駕駛地鐵列車控制技術的線路。在未來，無人駕駛地鐵列車控制技術將越來越普及。而在控制系統中，信號控制器是列車運行管理的重要基礎設備，在FAO 模式下，通過信號系統設備完成的最重要工作，就是把駕駛員對車輛發送的操作命令，轉化為系統設備能接收并執行的信息，從而達到列車調度員和列車值班員的運營意圖[1]。

目前的ATO 模式信號系統還面臨著以下困難。一是信號的邏輯需要經過車載—區域控制—聯鎖子系統的協同處理，而當前信號車的無線通信系統中一般采用2.4G 的WLAN 技術，多個子系統間的數據傳輸延遲，會大大降低網絡運行的效能和安全性。二是軌道設備多，系統調試時間長。三是一旦區域設備故障，影響范圍較大，且后備模式轉換時間過長，對運營環境危害較大[2]。

3 無人駕駛地鐵列車控制技術特點

因此，針對UTO 系統，不論是設備配置還是功能、邏輯上均采取了冗余備份的措施。同時，考慮在設備故障后能夠遠程控制或自動降級，從硬件和軟件方面均需采取相關補充或補償措施，以保證列車運行的安全可靠。每天運營前或有列車插入時，信號系統根據列車的運行時刻表給每列車自動分配識別號，當列車的兩端駕駛室都選擇為0.5 自動模式時，在列車即將發車前，OCC 自動給列車發送喚醒指令，在收到喚醒指令后，列車的各車載子系統執行啟動、自檢和靜態測試等程序。ATC 以及所有子系統均實施靜態自檢，由TCMS 綜合列車的各子系統靜態檢查自檢情況、車輛喚醒情況等數據后，將結果發送至信號系統ATC 或OCC。如果車輛喚醒工作未完成，OCC 調度員就會人工進行干預；如果車輛喚醒工作完成，則車輛將等待信號系統發出的命令，隨時運行。在任意時間，OCC 調度員都可以召喚車輛[3]。

4 無人駕駛地鐵列車控制技術效益分析

4.1 全壽命周期成本經濟分析

一方面，可以讓施工投入減少，大大提高運營效益。采用無人駕駛系統可以實現運能提高，相對于增加列車編組的方式，這種方法能夠用較少的投入達到較為合理的目標。無人駕駛控制系統可對列車實施合理的編組，減少車輛間隔，使系統的運輸能力得以提高，從而適應線路的客運需求，同時還可以預留運能儲存的空間，是較為理想的方案。采用自動無人駕駛技術可以使列車停站和再入站耗費的時間減少，使車輛時速提高，同時，可使車輛周轉速度加快，從而減少備車時間，使配車量降低。經過分析，無人駕駛技術可以節約5%～6%的車輛。雖然城市軌道交通使用無人駕駛控制技術在機電系統方面的投資會增加，但是對于整個交通系統而言，建設成本會大幅度減少[4]。

另一方面，能夠降低固定人員數量，從而使經營成本降低。使用自動無人駕駛技術后，通常不再要求配備列車駕駛員，正常運營的定員數量也會降低，管理培訓工作時間可以相應縮短。能夠精簡企業運營層面，提升管理水平，使企業經營管理水平得以提高。使用無人駕駛技術，可利用電子跟蹤技術根據流量的實時變動情況對列車的運營方案作出微調，從而使在線運行的車輛數量增加或下降，科學合理地分配各時段運能，以適應客流分布曲線，并避免了空車運行的現象，使運行成本降低，同時減少了列車保養費用。

4.2 全自動無人駕駛技術綜合效益分析

無人駕駛技術可以提升行駛過程中車輛、乘員和操作人員的安全水平，對發生的各種異常情況進行自動化的安全保護。自動無人駕駛系統的車載控制系統、通信網絡設備等都可以通過冗余技術設置，實現主、后備控制系統的無縫轉換，提升車輛自檢的功能水平，保證列車持續正常工作，使監控和站臺門系統使用更為合理、安全、可靠。

無人駕駛系統通過ATC 技術，可以自動進行列車的連續軌跡控制，使自動駕駛可以準時、穩定地進行，還能通過列車上的視頻控制和緊急對話功能使緊急處置功能得以完善。

5 無人駕駛地鐵列車控制系統應用方案

5.1 駕駛控制功能

在人工控制方式下，必須完全由駕駛員來操縱車輛，而當車輛處于UTO 模式中時，則可以完全通過信息傳感器，并按照對應的時刻表信息來控制車輛的行駛。通過UTO 模式控制信息傳輸方式，并使用車輛自動控制裝置將對應的統計數據信息傳遞到車輛管控模式中，同時根據相關模式信息可以進行車輛的自動折回行駛。另外，駕駛員能夠通過信息傳感器的授權信息來確定行駛方式，同時也具有激活控制室的功能；駕駛員也能夠對相應模式信息進行切換使用，從而避免在模式切換過程的信息損失。

5.2 喚醒功能

在每日運營之前或在有列車接入的情況下，由信號系統按時間順序為每一輛列車指定標識號。當列車的兩個車廂都保持自動狀態時，OCC 就會在列車開始運行之前對車廂發送喚醒命令，當得到喚醒命令之后，全部的分系統都會完成啟動、自檢和靜態測試。在靜態自檢的基礎上，TCMS 還對動車組內所有子系統的靜態自檢以及動車組喚醒狀態等信息進行分析，并將分析的結論回復到ATC 和OCC。一旦喚醒失敗，由OCC 調度員按照動車組的故障狀況進行人工干預，在提醒后可隨時啟動，并等待新的指令。

5.3 休眠功能

在列車運行任務完成之后，可自動在停車區域進行停車維護。列車達到相對穩定的狀態后，若想合理節約能源，就可以啟用全自動或無人駕駛系統的休眠模式。車輛上所有的車載子系統都處于休眠狀態，而在此狀態中，就必須要求車輛的自動控制器保持喚醒狀態，因此自動控制器必須保證帶電[5]。此外，為了保證良好的工作狀態，對處于休眠狀態的列車而言，可以整合信號系統的功能，及時將維護信息傳送給地面的維護系統。

5.4 列車自動運行

全自動行車控制系統的核心技術是軌道自動控制器，它主要由機載車輛內部件和固定駐站部分構成，不僅連接了聯鎖設備，還連接了沿線的列車軌道監測控制系統以及其他控制系統。

計算工況：靜力計算按照旁多心墻壩分期施工的填筑順序，自底向上模擬施工填筑的過程。填筑完成后模擬兩級蓄水的過程。動力計算模擬穩定滲流時的正常運行期間遭遇9級地震的情況。計算方案及工況見表1。

5.5 駕駛室轉換

列車折返時，可以手動判斷行駛方向，或手動激活并關閉相應駕駛員終端，從而完成與駕駛室的轉換，轉換時并不會造成數據損失。列車在站臺進行駕駛端轉換時，前車門與屏蔽門均處于打開狀態；在非折返線等非進站區時，車門則處于關閉狀態。

5.6 車門與屏蔽門技術要求

無人駕駛列車的屏蔽門和車門開關均為半自動開關。除一般情況外，還須考慮故障時的實際使用情況。

一是當屏蔽門故障時，須由人工將故障屏蔽門關閉或鎖緊；屏蔽門系統將向信號控制器匯報已被鎖定屏蔽門的情況，當列車抵達站點前，由信號控制器將屏蔽門的故障信息傳給車站對應的車門，使其在該站停車時不參與開啟、閉鎖的動作。

二是當車門故障時，可自動將其關閉并鎖緊；當關門失靈后可手動將車門關閉并鎖緊；同時，系統向信息控制器發送被鎖車門位置，并向前方到站的相應屏蔽門發送信息，使之在該站停靠期間不進行開啟、閉鎖等操作。

三是人工開關門：在車輛停站期間，可人工開關車輛屏蔽門。當信息傳感器收到人工打開屏蔽門指令，并在開門條件成立時，系統才可向車輛、屏蔽門發出指令。另外，所有與乘客換乘有關的情況都經由車載廣播系統告知乘客。

5.7 輔助聯動的相關系統

車站上應安裝自動列車運行監測裝置，使控制中心能夠監測車站和各軌道情況，并實時觀測車廂內和外部車頭車尾狀態，方便用于監測列車運行狀態和對突發狀況作出處置；列車上應設置無線電通信網絡，可通過專用電話與控制中心通信；在列車行駛過程中，要能隨時監測到前方是否有人員或物體進入軌道區域內，并作出不同反應，同時將信號發送給控制中心，調度員即能迅速掌握現場情況。

5.8 報警裝置

以上系統均需設有報警裝置。若有意外狀況將開啟應急報警，車上的閉路監測攝像機將及時監測事故情況，并將現場畫面傳輸給控制中心。

5.9 停車控制

不良外界條件下，列車停站時會遭遇相應的阻礙，在距離不準或不準時等情況下，也可利用信號系統的特性，重新調節列車定位，因此，如果列車沒有正確到達停車站，則在250m 以內距離誤差下，將進行緩慢停車式調整直到重新對準停靠地點。如果列車與停靠站點存在5m 以上距離偏差，甚至進行多次調節也無法正確停靠時，車輛會直接啟動越過該站，運行到下一個站點，并第一時間將結果發送至信號系統，然后利用車載廣播系統通知全體乘客。

5.10 列車運行監控系統

列車運行監控系統主要是為了能夠對列車的電路、網絡、裝置等進行有效管理，當列車在運行過程中出現緊急情況或者必須迅速撤離時，利用相關的列車運行監控系統，就能夠迅速地實現遠程開啟逃跑窗，從而便于乘客迅速撤離，同時為了提高該控制系統工作的安全、穩定性，相關控制系統還應采用雙路電纜，從而使得有關的信息得以迅速傳輸并且不干擾列車工作的其他性能。

6 結語

總而言之，正是由于無人駕駛地鐵列車控制系統具備安全智能化和不需要人工輔助等優勢，而得到廣泛推行，該系統可以降低運營負擔，保證安全、可靠運營，實現軌道交通車輛在高速運行狀態下的低危險性及高舒適性。