李紅俠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速鐵路已成為國(guó)民中短途旅客出行首選的交通工具，具有安全、準(zhǔn)時(shí)、舒適、環(huán)保等特點(diǎn)，高鐵技術(shù)、裝備、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，部分處于領(lǐng)先水平。面對(duì)鐵路運(yùn)輸需求的不斷增長(zhǎng)，增強(qiáng)運(yùn)輸安全保障能力、提升運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量、提高運(yùn)輸效率等需要，鐵路需要向智能化方向發(fā)展，智能高鐵是現(xiàn)代高速鐵路的發(fā)展方向[1]。推進(jìn)我國(guó)高鐵向智能化方向升級(jí)發(fā)展對(duì)于貫徹黨的“十九大”報(bào)告提出的交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的目標(biāo)，支撐經(jīng)濟(jì)和社會(huì)更好發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全球高鐵技術(shù)領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì)的目標(biāo)具有重大意義。

中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)[2-5]CTCS(Chinese Train Control System)有兩個(gè)子系統(tǒng)，即車(chē)載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)，CTCS根據(jù)功能要求和設(shè)備配置劃分應(yīng)用等級(jí)(分為0～4級(jí))，其中目前我國(guó)高速鐵路建設(shè)均采用CTCS-2級(jí)或CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，是確保行車(chē)安全的基礎(chǔ)設(shè)備。裝備在動(dòng)車(chē)組上的CTCS-2/3級(jí)列控車(chē)載子系統(tǒng)設(shè)備ATP(Automatic Train Protection列車(chē)自動(dòng)防護(hù))能夠起到超速防護(hù)、保障行車(chē)安全的作用，列車(chē)的正常駕駛還是依靠司機(jī)。司機(jī)實(shí)時(shí)觀察車(chē)載ATP的DMI(Driver Machine Interface人機(jī)界面)顯示、動(dòng)車(chē)組狀態(tài)顯示以及運(yùn)行前方路況，勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易發(fā)生人因事故。

列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行/駕駛(Automatic Train Operation)系統(tǒng)是城市軌道交通列車(chē)自動(dòng)控制ATC (Automatic Train Control)系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一。ATO可以在ATP的監(jiān)督下自動(dòng)控制列車(chē)運(yùn)行[5]，目前也正在成為高鐵的一個(gè)重要發(fā)展方向。實(shí)施ATO系統(tǒng)可以減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，降低全壽命周期成本，提高列控系統(tǒng)總體性能，能夠有效減少因司機(jī)疲勞、操作失誤、突發(fā)疾病等人為因素導(dǎo)致的安全隱患。高鐵自動(dòng)駕駛(ATO)技術(shù)既是我國(guó)高速鐵路技術(shù)發(fā)展以及確立我國(guó)高速鐵路整體技術(shù)水平國(guó)際地位的需要，也是智能高鐵系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。

2 運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化級(jí)別

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)按照軌道交通線路自動(dòng)化程度定義了4層自動(dòng)化等級(jí)GOA(Grade of Automation)，常用自動(dòng)化程度從低至高依次為GOA1至GOA4，介紹如下。

ATP監(jiān)督下的人工駕駛(GOA1)：裝備有列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP)。列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)監(jiān)督列車(chē)速度，由司機(jī)控制列車(chē)的所有運(yùn)行，包括啟動(dòng)、停車(chē)、運(yùn)行速度、站臺(tái)?？俊㈤_(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)等，并由司機(jī)對(duì)列車(chē)運(yùn)行中的突發(fā)情況進(jìn)行處理[7]。目前，我國(guó)絕大多數(shù)高鐵都屬于這一等級(jí)。

有司機(jī)監(jiān)控自動(dòng)駕駛(GOA2)：裝備有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(ATO)，自動(dòng)化程度相比上一等級(jí)有了進(jìn)一步提升，又稱(chēng)為ATO模式，或者STO(Semi-automatic Train Operation)模式。有司機(jī)值守，信號(hào)系統(tǒng)提供安全防護(hù)，控制列車(chē)運(yùn)行和站臺(tái)停車(chē)，但是關(guān)門(mén)和發(fā)車(chē)指令由司機(jī)下達(dá)。這是目前大部分地鐵都采用的駕駛模式，京沈高鐵高速試驗(yàn)段，京張高鐵，珠三角莞惠[7]、佛肈城際[8]均采用這種自動(dòng)駕駛模式。

有人值守?zé)o人自動(dòng)駕駛(GOA3)：司機(jī)被ATO等系統(tǒng)功能所取代，自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，車(chē)上沒(méi)有司機(jī)，僅安排乘務(wù)人員應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，又稱(chēng)為DTO(Driverless Train Operation)模式。這種模式的列車(chē)已基本具備全自動(dòng)駕駛的功能，由信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行全程控制，列車(chē)的啟動(dòng)、停站、運(yùn)行均由信號(hào)系統(tǒng)控制，但列車(chē)上仍需配備1名隨車(chē)人員，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

無(wú)人值守自動(dòng)駕駛(GOA4)：是目前軌道交通自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)的最高級(jí)別，列車(chē)上沒(méi)有司機(jī)和值守人員，又稱(chēng)為UTO(Unattended Train Operation)模式。列車(chē)的休眠、喚醒、啟動(dòng)、停車(chē)、車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)、洗車(chē)、車(chē)站和列車(chē)的設(shè)備管理以及故障和突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)全部由系統(tǒng)自動(dòng)管理，無(wú)任何人員參與。北京地鐵燕房線為此種模式。另外，國(guó)外還有一種UTO(Unmaned Train Operation)模式，在非正常運(yùn)營(yíng)時(shí)列車(chē)救援不需要人員參與，直接將故障車(chē)?yán)?，該模式僅在個(gè)別小運(yùn)量的觀光園區(qū)線路應(yīng)用。

對(duì)于GOA3、GOA4對(duì)應(yīng)的有人值守及無(wú)人值守下列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行線路一般均稱(chēng)為“無(wú)人駕駛”模式，因此業(yè)界普遍認(rèn)為自動(dòng)駕駛是有司機(jī)駕駛的；無(wú)人駕駛是沒(méi)有司機(jī)駕駛的，有值守人員或者無(wú)值守人員。自動(dòng)化等級(jí)為整體系統(tǒng)概念，不僅表現(xiàn)為列車(chē)駕駛方式是有司機(jī)還是無(wú)司機(jī)，與列車(chē)運(yùn)行控制、調(diào)度管理和設(shè)備維護(hù)體制等都直接相關(guān)。

3 高速鐵路列控系統(tǒng)自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會(huì)于2013年啟動(dòng)歐洲下一代列車(chē)控制系統(tǒng)NGTC(Next Generation of Train Control System)項(xiàng)目，研究包括ATO系統(tǒng)應(yīng)用于干線鐵路及城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)化的下一代列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，旨在提高列控系統(tǒng)總體性能[1]。2015年歐盟全面啟動(dòng)“構(gòu)建未來(lái)鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃(Shift2Rail)”，通過(guò)運(yùn)用新技術(shù)創(chuàng)新，把提升歐洲鐵路服務(wù)質(zhì)量以及降低全壽命周期成本作為工作重點(diǎn)，而以自動(dòng)駕駛為代表的先進(jìn)列控系統(tǒng)是其重要的創(chuàng)新內(nèi)容，法國(guó)計(jì)劃2022年實(shí)施列車(chē)自動(dòng)駕駛ATO系統(tǒng)，德國(guó)計(jì)劃2023年實(shí)現(xiàn)干線鐵路自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用[9]。

我國(guó)2016年在珠三角城際莞惠[7]及佛肈線[8]上實(shí)施了CTCS-2+ATO系統(tǒng)并運(yùn)營(yíng)至今，首次實(shí)現(xiàn)了將自動(dòng)駕駛技術(shù)運(yùn)用到時(shí)速200 km等級(jí)鐵路[10]，而時(shí)速300～350 km高鐵自動(dòng)駕駛[5]技術(shù)的應(yīng)用尚屬空白，2018年京沈高鐵進(jìn)行了時(shí)速350 km高鐵自動(dòng)駕駛系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)智能高鐵自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)取得重要階段成果，北京至張家口、北京至雄安新區(qū)城際鐵路的智能高鐵建設(shè)計(jì)劃采用京沈高鐵自動(dòng)駕駛現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成果。

4 我國(guó)現(xiàn)階段高速鐵路自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)進(jìn)展情況[11-17]

結(jié)合我國(guó)時(shí)速200 km、300～350 km等級(jí)鐵路ATO系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、運(yùn)營(yíng)及試驗(yàn)情況，高速鐵路自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用范圍為在高速鐵路正線實(shí)現(xiàn)，列車(chē)進(jìn)出動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)都是在ATP安全監(jiān)控下，由司機(jī)人工駕駛進(jìn)、出動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，對(duì)高速鐵路自動(dòng)駕駛ATO系統(tǒng)進(jìn)行了分級(jí)設(shè)計(jì)，分級(jí)原則以地面設(shè)備為基礎(chǔ)，車(chē)載設(shè)備與地面設(shè)備統(tǒng)一設(shè)計(jì)，高速鐵路自動(dòng)駕駛ATO系統(tǒng)能根據(jù)高速鐵路不同的線路情況，實(shí)現(xiàn)相適應(yīng)的ATO功能[18-19]。根據(jù)分級(jí)原則，高速鐵路自動(dòng)駕駛ATO系統(tǒng)分為兩級(jí)：一是適用于既有高鐵線路，僅車(chē)載設(shè)備增加ATO設(shè)備/功能，既有的車(chē)站股道和正反向出站應(yīng)答器(組)增加發(fā)送停車(chē)位置信息包，實(shí)現(xiàn)站間車(chē)站自動(dòng)發(fā)車(chē)、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行(裝備ATO的列車(chē)可按照默認(rèn)駕駛策略或由司機(jī)人工選擇預(yù)選駕駛策略自動(dòng)運(yùn)行)、車(chē)門(mén)開(kāi)門(mén)防護(hù)和車(chē)站自動(dòng)停車(chē)功能；二是適用于新建高鐵線路，在CTCS-2/CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)車(chē)站自動(dòng)發(fā)車(chē)、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、車(chē)站自動(dòng)停車(chē)、車(chē)門(mén)開(kāi)門(mén)防護(hù)、車(chē)門(mén)/站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制等高速鐵路ATO系統(tǒng)全部功能[20-21]。以下主要介紹第二種實(shí)現(xiàn)高速鐵路ATO系統(tǒng)全部功能的列控系統(tǒng)技術(shù)方案。

高速鐵路自動(dòng)駕駛ATO系統(tǒng)[5]不同于珠三角城際莞惠[7]及佛肈線[8]的CTCS-2+ATO系統(tǒng)，需要新增通信控制服務(wù)器CCS(Communication and Control Server)，高速鐵路ATO系統(tǒng)是在CTCS-2/CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車(chē)載設(shè)置ATO單元[11-16]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛控制，地面設(shè)置專(zhuān)用精確定位應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)精確定位(地面并不新增信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備，而是通過(guò)修改列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、行車(chē)指揮等系統(tǒng)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn))，地面設(shè)備通過(guò)GPRS通信實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)(安全門(mén)或屏蔽門(mén)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)站臺(tái)門(mén))控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和運(yùn)行計(jì)劃處理。ATO系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 高速鐵路+ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

高速鐵路自動(dòng)駕駛ATO系統(tǒng)向下兼容，實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的互聯(lián)互通[18]：未裝備ATO車(chē)載設(shè)備的列車(chē)在裝備高速鐵路ATO系統(tǒng)的線路按CTCS-2/CTCS-3級(jí)列控運(yùn)行；裝備ATO車(chē)載設(shè)備的列車(chē)在未裝備高速鐵路ATO系統(tǒng)的線路可按CTCS-2/CTCS-3級(jí)列控運(yùn)行；裝備ATO車(chē)載設(shè)備的列車(chē)在裝備高速鐵路ATO系統(tǒng)的不同線路可以實(shí)現(xiàn)ATO跨線運(yùn)行。

5 實(shí)現(xiàn)高速鐵路無(wú)人駕駛功能的技術(shù)升級(jí)探討

隨著下一代通信技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用，有必要探討實(shí)現(xiàn)高鐵無(wú)人駕駛功能需要考慮的因素。

首先，實(shí)現(xiàn)高速鐵路無(wú)人駕駛功能需要把實(shí)施范圍從高鐵正線擴(kuò)大到動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)，而不能局限于目前高鐵自動(dòng)駕駛功能僅為高速鐵路正線。高速鐵路ATO系統(tǒng)在京沈高鐵試驗(yàn)以及將應(yīng)用于京張高鐵自動(dòng)駕駛功能的范圍不包括動(dòng)車(chē)段(所)，為此，需要啟動(dòng)動(dòng)車(chē)段(所)組自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究工作，成熟的系統(tǒng)設(shè)備需要經(jīng)過(guò)科研立項(xiàng)、科研成果轉(zhuǎn)化、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、試運(yùn)行等環(huán)節(jié)。

其次，要以高度集成化、信息化的綜合大系統(tǒng)來(lái)完成需要司機(jī)完成的各項(xiàng)工作，需要通過(guò)相關(guān)多個(gè)主要系統(tǒng)如信號(hào)、動(dòng)車(chē)、通信、動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)等的升級(jí)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面主要以信號(hào)、通信、站臺(tái)門(mén)等方面為例，分析實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛功能需要的系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)升級(jí)。

(1)信號(hào)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛功能，信號(hào)系統(tǒng)ATO自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要更完備的系統(tǒng)冗余配置，在故障情況下，系統(tǒng)可以在冗余設(shè)備和不同方式之間無(wú)擾切換，而完全不影響信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)的安全控制，信號(hào)系統(tǒng)ATO自動(dòng)駕駛系統(tǒng)還需要在車(chē)站、區(qū)間、動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)、控制中心等進(jìn)行設(shè)備增強(qiáng)配置。

在無(wú)人駕駛情況下，對(duì)于列車(chē)的非預(yù)期移動(dòng)，需要為工作人員提供可靠的安全防護(hù)，結(jié)合運(yùn)營(yíng)需求，在車(chē)站、區(qū)間、動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)設(shè)置人員防護(hù)設(shè)備；根據(jù)需要，在高速鐵路車(chē)站停車(chē)線、折返線等增設(shè)列車(chē)休眠喚醒和列車(chē)定位的應(yīng)答器設(shè)備；動(dòng)車(chē)運(yùn)用段(所)需要?jiǎng)澐殖鲎詣?dòng)駕駛區(qū)域和非自動(dòng)駕駛區(qū)域，自動(dòng)駕駛區(qū)域采用與正線一致的列控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)列車(chē)的自動(dòng)駕駛功能，非自動(dòng)駕駛區(qū)域?yàn)閯?dòng)車(chē)維修庫(kù)線等人工作業(yè)區(qū)；控制中心增設(shè)車(chē)輛管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車(chē)的相關(guān)監(jiān)視、控制及調(diào)度工程等。

(2)通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)在智能感知方面需要視頻監(jiān)控對(duì)動(dòng)車(chē)前后方路況的監(jiān)視功能，以及與視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)的車(chē)載應(yīng)急電話功能；在控制中心增加乘客調(diào)度、車(chē)輛調(diào)度，實(shí)現(xiàn)與列車(chē)上的乘客溝通、對(duì)動(dòng)車(chē)的集中監(jiān)控等。

(3)站臺(tái)門(mén)

在無(wú)人駕駛情況下，對(duì)于站臺(tái)門(mén)的系統(tǒng)級(jí)控制沒(méi)有人工確認(rèn)環(huán)節(jié)，需要考慮設(shè)置防夾人檢測(cè)裝置、障礙物自動(dòng)探測(cè)裝置等。對(duì)于站臺(tái)門(mén)與列車(chē)門(mén)間距離以及站臺(tái)門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)的設(shè)置等需要結(jié)合運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)一步進(jìn)行研究。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)高速鐵路自動(dòng)駕駛系統(tǒng)符合互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)[8]，提升了高速鐵路CTCS系統(tǒng)功能，為我國(guó)智能高鐵建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)速350 km高鐵列車(chē)的精準(zhǔn)控制，全面提升控車(chē)舒適度和停車(chē)精度以及節(jié)能降耗性能等，對(duì)于減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高旅行舒適度具有重要意義。在2018年～2020年，依托智能京張[19]、京雄建設(shè)的契機(jī)，探索智能高鐵落地實(shí)施方法，提出覆蓋智能化功能需求、支撐系統(tǒng)和設(shè)備、相關(guān)資源需求的智能高鐵應(yīng)用示范方案，并對(duì)智能京張高鐵建設(shè)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，總結(jié)形成可復(fù)制可推廣的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，完成智能京張高鐵列車(chē)自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)研究及京張高鐵示范應(yīng)用，構(gòu)建高速鐵路自動(dòng)駕駛技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，初步形成智能高鐵自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)用格局；2021年～2025年，突破全面感知的列車(chē)無(wú)人駕駛(DTO)技術(shù)體系的重大智能鐵路理論與技術(shù)；2026年～2035年，智能鐵路應(yīng)用由輔助協(xié)同向自主操控升級(jí)，探索全自動(dòng)無(wú)人駕駛UTO。

高鐵自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)以后智能高鐵在我國(guó)的推廣具有重要推動(dòng)作用。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、下一代移動(dòng)通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，突破構(gòu)建極端復(fù)雜情況下高鐵智能安全體系，進(jìn)一步探索實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)營(yíng)面向自主操控以及無(wú)人化。