王向陽(yáng)，朵建華，高曉菲

（1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315500；2. 浙江眾合科技股份有限公司，浙江 杭州 310051）

1 全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，城市軌道交通全自動(dòng)無(wú)人駕駛線路呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，截至2018年12月，全世界共有64條全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵線路投入運(yùn)營(yíng)，為42個(gè)城市提供1 026 km的公共交通服務(wù)。據(jù)國(guó)際公共交通協(xié)會(huì)估計(jì)，到2020年國(guó)際上75%新線將采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)，40%的既有線改造時(shí)將采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)[1-2]。

根據(jù)我國(guó)各城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃，北京地鐵3號(hào)線、12號(hào)線、17號(hào)線、19號(hào)線以及新機(jī)場(chǎng)線等新一輪軌道交通線路，以及上海地鐵浦江線和未來(lái)幾條新線，均為全自動(dòng)無(wú)人駕駛運(yùn)營(yíng)等級(jí)。深圳、成都、武漢、蘇州等城市，在建及規(guī)劃中的地鐵線路也逐步開(kāi)始采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛運(yùn)營(yíng)等級(jí)的系統(tǒng)。全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)正在被越來(lái)越多地了解和接受，同時(shí)經(jīng)過(guò)近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)也正逐步走向成熟。在此，重點(diǎn)對(duì)全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）在系統(tǒng)組成、主要功能點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景等方面的差異進(jìn)行分析，總結(jié)全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和主要功能特點(diǎn)，提出針對(duì)全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)主要功能點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)建議。

2 系統(tǒng)組成差異分析

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的系統(tǒng)組成按照設(shè)備所屬的區(qū)域劃分，主要包括車載設(shè)備和軌旁設(shè)備兩大部分，其中軌旁設(shè)備包括車站設(shè)備、車輛段設(shè)備、控制中心設(shè)備。

2.1 車載設(shè)備

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的車載設(shè)備與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，車載列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（車載ATP）、速度傳感器、應(yīng)答器讀取單元、駕駛臺(tái)等幾乎沒(méi)有變化，保留了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的既有配置和功能。車載設(shè)備主要增加了與障礙物檢測(cè)裝置的接口以及喚醒休眠模塊，增強(qiáng)了車頭以及車廂范圍內(nèi)的列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）和綜合監(jiān)控設(shè)備，并對(duì)信號(hào)系統(tǒng)和車輛間的接口進(jìn)行了升級(jí)改造。

（1）與障礙物檢測(cè)裝置接口。由于沒(méi)有司機(jī)在車頭位置瞭望，全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)需要增加障礙物自動(dòng)檢測(cè)功能。其中一種是對(duì)障礙物的識(shí)別和預(yù)檢測(cè)，該技術(shù)還未在實(shí)際工程項(xiàng)目中推廣使用；另一種是當(dāng)列車與障礙物發(fā)生碰撞時(shí)，障礙物檢測(cè)裝置向車載ATP匯報(bào)碰撞事故的發(fā)生，當(dāng)車載ATP檢測(cè)到障礙物信息后將采取緊急制動(dòng)等防護(hù)措施，以避免二次事故傷害。

（2）喚醒休眠模塊。喚醒休眠模塊通過(guò)車輛蓄電池供電方式在列車休眠期間保持在線，并在設(shè)定時(shí)刻可接收來(lái)自中心列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的休眠/喚醒指令，啟動(dòng)列車休眠/喚醒程序[3-7]。

（3）車載CCTV和綜合監(jiān)控設(shè)備。全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)因?yàn)闆](méi)有司機(jī)監(jiān)督車上以及車前的狀態(tài)，需要在車頭和車廂內(nèi)增加CCTV以及其他輔助的綜合監(jiān)控設(shè)備，以加強(qiáng)對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控和應(yīng)急事件的處理。CCTV采集到視頻信息后提供給控制中心，控制中心可據(jù)此來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督控制和駕駛功能[8-11]。

（4）與車輛的接口。在全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，增強(qiáng)了信號(hào)系統(tǒng)和車輛間的接口。增加的主要信息包括：信號(hào)系統(tǒng)給車輛的喚醒休眠指令、全自動(dòng)駕駛模式指令、跳躍調(diào)整指令、鳴笛指令、運(yùn)行工況、屏蔽門故障等；車輛給信號(hào)系統(tǒng)的休眠喚醒狀態(tài)、車輛自檢狀態(tài)、車輛狀態(tài)、列車管理系統(tǒng)（TMS）故障狀態(tài)、車輛火災(zāi)報(bào)警等。

2.2 軌旁設(shè)備

（1）車站設(shè)備。全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的車站軌旁設(shè)備與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比變化較少，如車站聯(lián)鎖設(shè)備、區(qū)域控制器（ZC）、ATS、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸器、應(yīng)答器等幾乎沒(méi)有變化。主要增加了站臺(tái)關(guān)門按鈕、工作人員保護(hù)開(kāi)關(guān)（SPKS），并對(duì)屏蔽門進(jìn)行升級(jí)改造，增加了車門和屏蔽門的防夾功能以及故障車門/屏蔽門的對(duì)位隔離功能。

（2）車輛段設(shè)備。在全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，全自動(dòng)車輛段是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分。通過(guò)劃分全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域與非全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域等措施，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)車輛段的功能需求。全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的車輛段設(shè)備與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，車輛段的聯(lián)鎖設(shè)備、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等幾乎沒(méi)有變化，主要在全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域新增ZC設(shè)備、車地?zé)o線覆蓋，以及在停車列檢庫(kù)內(nèi)增加了應(yīng)答器等輔助定位設(shè)備，用于列車休眠前的精確停車以及列車喚醒后的快速定位[6]。

（3）控制中心設(shè)備?？刂浦行脑O(shè)備主要由ATS子系統(tǒng)設(shè)備組成，相比于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的中心ATS功能有部分改變，并增加了乘客調(diào)和車輛調(diào)功能，增強(qiáng)了與綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）間的接口。中心ATS功能主要增加了列車休眠喚醒功能、自動(dòng)出入段功能、遠(yuǎn)程控制功能等。由于全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)列車上無(wú)需配備司機(jī)，由控制中心對(duì)線路中運(yùn)行車輛狀況、乘客狀況進(jìn)行調(diào)度和管理，以加強(qiáng)對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控和應(yīng)急事件的處理，因此控制中心新增加車輛調(diào)，實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程控制，必要時(shí)采取緊急制動(dòng)；新增加乘客調(diào)，用于隨時(shí)響應(yīng)車廂內(nèi)乘客的呼叫服務(wù)。另外，增強(qiáng)了與ISCS間的接口，包括與廣播系統(tǒng)（BA）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、火警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、CCTV、站臺(tái)乘客信息系統(tǒng)（站臺(tái)PIS）、無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)（TETRA）、控制中心大屏等系統(tǒng)間的互聯(lián)，通過(guò)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合監(jiān)控相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)監(jiān)督以及防護(hù)控制[7-9]。

3 應(yīng)用場(chǎng)景差異

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景差異見(jiàn)圖1。

4 功能差異

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)功能差異見(jiàn)圖2。

圖1 應(yīng)用場(chǎng)景差異示意圖

圖2 功能差異示意圖

（1）列車喚醒。中心ATS根據(jù)列車時(shí)刻表，自動(dòng)給休眠的列車發(fā)送喚醒指令。列車接收到喚醒指令后，將執(zhí)行車載各子系統(tǒng)的啟動(dòng)和自檢。待所有喚醒程序結(jié)束，車載子系統(tǒng)向中心ATS報(bào)告列車狀態(tài)、列車的喚醒過(guò)程及喚醒情況，如果喚醒不成功，中心調(diào)度員將根據(jù)其故障信息進(jìn)行人工干預(yù)；如果喚醒成功，則列車可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃投入運(yùn)營(yíng)[7-9]。

（2）列車休眠。列車當(dāng)天運(yùn)營(yíng)結(jié)束駛?cè)胲囕v段/停車場(chǎng)庫(kù)線或正線存車線并停穩(wěn)后，為了節(jié)省能源和保護(hù)設(shè)備，中心ATS根據(jù)列車時(shí)刻表，自動(dòng)發(fā)送休眠指令給列車。列車接收到休眠指令后，自動(dòng)啟動(dòng)休眠程序。在列車完全休眠前，車載子系統(tǒng)向中心ATS報(bào)告列車的休眠過(guò)程及休眠情況，如果休眠成功，則整車進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅保持喚醒休眠模塊和車地通信設(shè)備在不斷電狀態(tài)；如果休眠不成功，中心調(diào)度員將根據(jù)其故障信息進(jìn)行人工干預(yù)。

（3）自動(dòng)發(fā)車。當(dāng)停站倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，列車在檢測(cè)到車門、站臺(tái)門關(guān)閉且鎖閉，發(fā)車條件滿足要求后自動(dòng)發(fā)車前往下一站，無(wú)需司機(jī)參與按壓發(fā)車按鈕或其他發(fā)車操作。

（4）全自動(dòng)折返。當(dāng)列車運(yùn)行到折返站臺(tái)，根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃及移動(dòng)授權(quán)駛?cè)胂鄳?yīng)的折返點(diǎn)，當(dāng)折返進(jìn)路授權(quán)后，列車將自動(dòng)切換運(yùn)行方向發(fā)車運(yùn)行至折返后的站臺(tái)，自動(dòng)打開(kāi)車門和屏蔽門，無(wú)需司機(jī)參與折返換端等其他任何操作。

（5）全自動(dòng)停車場(chǎng)（自動(dòng)進(jìn)出車輛段/停車場(chǎng)）。全自動(dòng)停車場(chǎng)作為正線的延伸，實(shí)現(xiàn)正線的列車自動(dòng)防護(hù)功能。

（6）自動(dòng)出車輛段/停車場(chǎng)。車輛段/停車場(chǎng)進(jìn)路命令由ATS自動(dòng)生成，調(diào)度人員通過(guò)車輛段/停車場(chǎng)ATS工作站，建立列車與時(shí)刻表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)時(shí)刻表適時(shí)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的出場(chǎng)/段進(jìn)路，自動(dòng)投入正線運(yùn)營(yíng)。

（7）自動(dòng)進(jìn)車輛段/停車場(chǎng)。ATS根據(jù)列車計(jì)劃，為停止正線服務(wù)的每一列車自動(dòng)確定列車的存放線路，并根據(jù)列車號(hào)自動(dòng)觸發(fā)回庫(kù)進(jìn)路，列車直接運(yùn)行到指定的庫(kù)線/存車線停車。

（8）全自動(dòng)停車場(chǎng)（自動(dòng)調(diào)車）。車輛段/停車場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)調(diào)車通過(guò)列車進(jìn)路方式實(shí)現(xiàn)。車輛段/停車場(chǎng)內(nèi)進(jìn)路由ATS自動(dòng)觸發(fā)，ATS具有車輛段/停車場(chǎng)調(diào)車作業(yè)計(jì)劃編輯功能，車輛段/停車場(chǎng)調(diào)度為列車確定目的地（如轉(zhuǎn)換軌、洗車線或其他存車線），ATS自動(dòng)選擇折返點(diǎn)及進(jìn)路信息[7-9]。

（9）全自動(dòng)停車場(chǎng)（自動(dòng)洗車）。洗車作業(yè)前，通過(guò)調(diào)車作業(yè)計(jì)劃，先將列車調(diào)至洗車線，信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)與洗車機(jī)接口，和車輛配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗車功能。全自動(dòng)洗車過(guò)程中，車輛根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送的洗車工況，控制列車恒速（如3～5 km/h）運(yùn)行。

（10）車門/屏蔽門故障對(duì)位隔離。當(dāng)個(gè)別屏蔽門出現(xiàn)故障，屏蔽門向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告故障屏蔽門位置（包括站臺(tái)號(hào)或門編號(hào)等），在列車到達(dá)站臺(tái)前，信號(hào)系統(tǒng)將故障屏蔽門位置發(fā)送給列車，列車將自動(dòng)對(duì)對(duì)應(yīng)車門進(jìn)行電氣隔離，使此車門在列車停靠該站時(shí)不參與開(kāi)關(guān)門動(dòng)作。當(dāng)個(gè)別列車車門故障時(shí)，列車將故障車門關(guān)閉且鎖閉，并自動(dòng)對(duì)故障車門進(jìn)行電氣隔離，車輛向信號(hào)系統(tǒng)報(bào)告故障車門位置，信號(hào)系統(tǒng)將故障車門信息發(fā)送給屏蔽門，由屏蔽門控制系統(tǒng)控制故障車門對(duì)應(yīng)的屏蔽門在列車?？吭撜緯r(shí)不參與開(kāi)關(guān)門動(dòng)作[10]。車門/屏蔽門故障對(duì)位隔離示意見(jiàn)圖3。

（11）跳躍自動(dòng)對(duì)位調(diào)整。當(dāng)列車進(jìn)站、駛?cè)氪孳嚲€/庫(kù)線未停在規(guī)定的停車窗內(nèi)時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行站停位置調(diào)整。列車以全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式進(jìn)站停車，如果自動(dòng)停在停車窗內(nèi)，車載子系統(tǒng)會(huì)向ATS匯報(bào)停穩(wěn)信息并自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)車門/屏蔽門控制；如果列車以全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式進(jìn)站欠標(biāo)或過(guò)標(biāo)在可調(diào)整范圍內(nèi)時(shí)，車載子系統(tǒng)將向ATS進(jìn)行報(bào)警，并自動(dòng)控制列車以跳躍方式向前或向后進(jìn)行調(diào)整對(duì)標(biāo)；如果列車以全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式進(jìn)站欠標(biāo)超過(guò)可調(diào)整范圍時(shí)，車載子系統(tǒng)將向ATS進(jìn)行報(bào)警，并繼續(xù)自動(dòng)控制列車對(duì)位停車[7-10]。

（12）蠕動(dòng)模式運(yùn)行。蠕動(dòng)模式為全自動(dòng)駕駛條件下，當(dāng)車輛網(wǎng)絡(luò)大面積故障或車載子系統(tǒng)與車輛之間通信故障時(shí)，在列車零速時(shí)由車載子系統(tǒng)向中心ATS申請(qǐng)，并由中心人工確認(rèn)后才允許列車進(jìn)入限速運(yùn)行（25 km/h）的一種模式。列車以蠕動(dòng)模式進(jìn)站停車后，打開(kāi)車門不關(guān)閉，施加制動(dòng)防止列車移動(dòng)，并禁止列車?yán)^續(xù)運(yùn)行到下一站，等待站務(wù)綜合人員上車處理[10]。

（13）SPKS防護(hù)。SPKS為工作人員保護(hù)開(kāi)關(guān)，用于作業(yè)人員需要進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域時(shí)（如下軌或上車等）的一種安全保護(hù)開(kāi)關(guān)。當(dāng)SPKS處于防護(hù)位時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)控制SPKS開(kāi)關(guān)防護(hù)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)機(jī)以及可以駛?cè)朐摲雷o(hù)區(qū)域的進(jìn)路始端信號(hào)機(jī)立即關(guān)閉，列車切除牽引施加緊急制動(dòng)停車，信號(hào)系統(tǒng)禁止SPKS防護(hù)區(qū)域外的列車駛?cè)?，并禁止防護(hù)區(qū)域內(nèi)的列車移動(dòng)。當(dāng)且僅當(dāng)在SPKS區(qū)域內(nèi)以及即將駛?cè)隨PKS區(qū)域的列車均已安全停車，信號(hào)系統(tǒng)控制軌旁SPKS激活表示燈點(diǎn)亮后，工作人員才可以刷卡進(jìn)入對(duì)應(yīng)的SPKS防護(hù)區(qū)域。

圖3 車門/屏蔽門故障對(duì)位隔離示意圖

（14）障礙檢測(cè)。信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)與障礙物檢測(cè)設(shè)備以及車輛接口的方式獲取列車運(yùn)行前方的障礙物信息、列車脫軌等信息后，立即實(shí)施緊急制動(dòng)并進(jìn)行報(bào)警。若發(fā)生車上緊急手柄拉下、運(yùn)行中逃生門打開(kāi)、車輛制動(dòng)力丟失等緊急情況時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)也會(huì)采取措施進(jìn)行防護(hù)，如立即實(shí)施緊急制動(dòng)、進(jìn)行報(bào)警等。

（15）系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與ISCS系統(tǒng)的接口與聯(lián)動(dòng)。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)檢測(cè)到異常時(shí)，會(huì)進(jìn)行報(bào)警并將檢測(cè)信息自動(dòng)上傳至控制中心，同時(shí)伴有語(yǔ)音報(bào)警提示，根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警類型，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)監(jiān)督以及防護(hù)控制功能，如控制列車運(yùn)行至下一站停車、降級(jí)運(yùn)行、緊急制動(dòng)或疏散救援等。系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的場(chǎng)景主要包括：站臺(tái)火災(zāi)、車輛火災(zāi)、緊急呼叫、緊急手柄、設(shè)備故障、檢測(cè)到障礙物等[7-10]。

（16）車輛遠(yuǎn)程監(jiān)督和控制。信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)與車輛接口，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)車輛的狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)督，并根據(jù)監(jiān)督情況對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程緊急制動(dòng)、遠(yuǎn)程換端、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)門、遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程旁路、預(yù)設(shè)全線列車空調(diào)參數(shù)、遠(yuǎn)程控制列車照明開(kāi)關(guān)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)車、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門、自動(dòng)出入庫(kù)、自動(dòng)進(jìn)站對(duì)位調(diào)整等，可提升全線尤其是車輛段/停車場(chǎng)的安全性和運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)現(xiàn)車輛段/停車場(chǎng)的自動(dòng)化調(diào)度，優(yōu)化線路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升運(yùn)營(yíng)/系統(tǒng)應(yīng)急處置水平。相比傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)在優(yōu)化列車運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)靈活度、工作人員角色轉(zhuǎn)變等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。但全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)是一個(gè)高度自動(dòng)化、高度集中控制的大系統(tǒng)，除了對(duì)全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的改造升級(jí)之外，還需要與其他系統(tǒng)及專業(yè)密切協(xié)調(diào)和配合，以保障列車運(yùn)行安全有序并快速舒適[12]。