林云志 楊斌 文新 范建偉

摘? 要：我國城市軌道交通近年來得到快速的發(fā)展，已經(jīng)逐步成為了公共軌道交通中的骨干力量，伴隨著自動化程度的日益增高，列車自主駕駛是軌道交通發(fā)展的方向。本文簡要回顧了軌道交通自動駕駛的發(fā)展歷程，描述了列車自主駕駛系統(tǒng)的主要需求及難點，提出了采用航天多模冗余技術的實用化高可靠自主駕駛技術方案，描述了自主駕駛軌道交通裝備的體系架構圖，最后對該模式加以分析，對構建適合城市軌道交通發(fā)展的自主性駕駛軌道交通裝備技術體系提供了有利的支撐。以節(jié)能環(huán)保、安全舒適、經(jīng)濟效益優(yōu)為目標的大背景環(huán)境下，軌道交通自動駕駛系統(tǒng)正在逐步替代司乘人員的工作，該實用化裝備體系在未來將會發(fā)揮重要的作用。

關鍵詞：軌道交通? 自主駕駛? 裝備體系? 多模冗余技術

中圖分類號：U239.5 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0077-05

Research on Practical High Reliability Autonomous Rail Transit Equipment System

LIN Yunzhi1? YANG Bin2? WEN Xin2? FAN Jianwei1

（1.China Railway Electrification Engineering Group Co.， Ltd.， Beijing， 100036 China; 2.China Aerospace Academy of Electronic Technology Beijing Institute of Aerospace Micro Electro-Mechanical Technology， Beijing， 100094 China）

Abstract： With the increasing development of urban rail transit in China， it has gradually become the backbone of public rail transit. With the increasing degree of automation， autonomous driving of trains is the future direction of rail transit. This paper briefly reviewed the development of full automatic rail transit and described the main requirements and difficulties of Automatic Train Operation. Besides， it proposed a technical solution for highly practical and reliable autonomous driving， based on the multi-mode redundancy technology in aerospace， and described the system architecture diagram of full automatic rail transit equipment， Finally， this model is analyzed to provide a favorable support for the construction of autonomous driving rail transit equipment technology system suitable for the development of urban rail transit. Under the background of energy conservation， environmental protection， safety and comfort， and excellent economic benefit， the automatic driving system of rail transit is gradually replacing the work of drivers and passengers， and this practical equipment system will play an important role in the future.

Key Words： Rail traffic; Autonomous driving; Equipment system; Multi-mode redundancy technology

軌道交通具有大運量、安全舒適、經(jīng)濟省地、速達準時、節(jié)能環(huán)保等技術經(jīng)濟優(yōu)勢，可有效緩解道路擁堵，正在成為公共交通的骨干力量。隨著控制設備的自動化、智能化程度不斷提高，軌道交通自動駕駛系統(tǒng)正在逐步替代司乘人員的工作。國際公共交通協(xié)會（UITP）將軌道交通運行的自動化水平GoA（Grades of Automation）劃分為5級[1]，如表 1所示。

其中，GoA4是完全無人監(jiān)督的自動駕駛階段，被稱為UTO（Unattended Train Operation）模式，軌道交通自主駕駛系統(tǒng)可自行完成列車啟動、停車、設備管理、突發(fā)情況應對等所有工作，無需任何人員參與其中。自主駕駛是軌道交通發(fā)展的方向[2-3]。列車自主駕駛技術是軌道交通裝備領域的研究熱點之一。

1? 軌道交通裝備自動駕駛技術的發(fā)展

1926年英國開始進行無人駕駛地鐵列車的試驗[4]。此后，英國開展了一系列軌道交通自動駕駛的試驗項目，并與1964年開始進行自動駕駛列車與有人駕駛列車在同一線路進行混跑的運行試驗。德國的軌道交通的自動駕駛試驗是從1928年開始的，在克魯姆蘭克站附近，自動駕駛系統(tǒng)被疊加在既有的信號閉塞系統(tǒng)之上，干預列車的運行，但列車上有專人負責站臺發(fā)車和車門的控制[5]。美國的紐約時代廣場至中央火車站擺渡線被認為是首條載客的自動化地鐵線，1962年正式開始載客運營。擺渡線路采用環(huán)形設計，整個線路具備列車自動發(fā)車、區(qū)間自動調速、到站自動停車和車門自動開關等功能，實現(xiàn)了列車正線運行過程自動化[6]。

20世紀80年代，軌道交通的全自動駕駛技術開始迅速發(fā)展。1981年，日本開通自動導向運輸AGT（Automatic Guided Transit）神戶港島線，采用側軌導向技術，實現(xiàn)列車運行過程全自動化，被認為是首條真正意義上的GoA4線路[7]。1983年，法國開通全自動輕軌地鐵系統(tǒng)Lille1號線，采用全自動捷運系統(tǒng)VAL（Véhicule Automatique Léger）和膠輪路軌系統(tǒng)，成本低，站臺短，發(fā)車間隔縮短到60s。加拿大溫哥華1985年開通Expo線，采用了ART（Advanced Rapid Transit）系統(tǒng)，其車載設備和地面子系統(tǒng)間通過環(huán)線進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，運行的自動化水平達到GoA4級。軌道交通移動閉塞技術和基于通信的列車控制技術都在該線路上得到了首次應用。2008年，中國北京的機場快軌線開通，連接北京首都機場與東直門，采用了ART系統(tǒng)。我國軌道交通的自動駕駛技術研究起步相對較晚，國內現(xiàn)行運行的軌道交通系統(tǒng)自動化設備國產(chǎn)化率較低，大多數(shù)設備都是從國外引進，如圖1所示。

2? 軌道交通自主駕駛的主要需求及難點分析

自主駕駛列車需要具備車載信號系統(tǒng)自動喚醒、車庫門自動運行、列車自動出入場段、自動停車、自動折返、車輛動態(tài)測試和全自動洗車等功能[8-9]。列車需通過車載傳感器感知運行環(huán)境，獲取車輛位置、乘客信息、車輛工作狀態(tài)和障礙物信息，自主完成列車運行任務。采用自主駕駛系統(tǒng)的目標就是把司乘人員的工作全部交由自主駕駛系統(tǒng)來承擔。因此，自主駕駛軌道交通的設計應滿足下列要求：

（1）列車自主精準定位。目前列車的定位系統(tǒng)主要依賴于軌旁設備。自主駕駛軌道交通需要擺脫目前列車定位嚴重依賴于軌旁設備和區(qū)域性地面設備的車輛定位方案，實現(xiàn)列車高精度、高可靠的自主定位。

（2）列車運行主動避障。障礙物識別技術是保障列車安全運行的關鍵技術之一。只有在車輛上配備障礙物自動檢測系統(tǒng)，主動發(fā)現(xiàn)軌道上的障礙物，自主決定如何操作可以有效避開障礙物，替代傳統(tǒng)司機值守的功能，才能稱為真正意義上的自主駕駛。

（3）列車自主安全運行。列車自主運行時，由于沒有司乘人員參與，采用可靠的安全防護系統(tǒng)是非常必要的。比如，列車進站上下乘客時，傳統(tǒng)地鐵列車大多數(shù)采用的是人工檢測，在車尾安裝瞭望燈帶，列車發(fā)車前由司機觀察燈帶是否完整來判斷站臺門和列車門之間是否存在異物。當列車自主運行時，站臺門和列車門之間的異物就需要采用自動檢測的方法，并且檢測的結果需要和信號系統(tǒng)進行聯(lián)動。如果有異物，就要預警，并禁止發(fā)車，直到異常情況消除。

（4）列車運維智能化。通過多源傳感器信息融合技術實現(xiàn)列車多維度狀態(tài)的全面實時監(jiān)控、工作狀態(tài)自感知、運行故障自診斷、導向安全自決策，為智能診斷、安全監(jiān)控和運行維護提供數(shù)據(jù)支持。研發(fā)故障預測及監(jiān)控管理（PHM）系統(tǒng)，通過列車狀態(tài)信息的實時處理和與歷史數(shù)據(jù)的對比分析處理，基于大數(shù)據(jù)分析和服役性能預測，提前發(fā)現(xiàn)和處理潛在故障，最大程度地降低因故障導致的停運維修，提升列車的運行安全性和運維經(jīng)濟性。

3? 采用航天多模冗余技術的實用化高可靠自主駕駛技術

航天產(chǎn)品具有高可靠的特性，將航天產(chǎn)品的多模冗余設計技術應用到自主駕駛軌道交通裝備的研制中，將大幅提升裝備的可靠性。

3.1 基于弱耦合關系下的多源定位信息多裕度系統(tǒng)架構設計技術

軌道交通涉及公共安全和人身安全，其運行安全性和可靠性尤為重要。作為軌道交通運行位置的感知、檢測、匯總、上報的自主駕駛系統(tǒng)，上報的位置精度、準確度以及通訊鏈路的實時性和可靠性是影響列車自動駕駛成敗的關鍵因素之一。

為了確保軌道交通在一度故障下列車可降級行駛且不存在涉及功能安全的故障隱患，采用航天多模冗余技術的系統(tǒng)架構;同時為防止多模冗余系統(tǒng)中共因失效導致整個系統(tǒng)工作異常的問題，采用了差異化設計的思路，選用慣性導航、視覺定位、雷達避障等不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位設備造成的共因失效。此外，為了避免定位精度在系統(tǒng)內傳遞過程中出現(xiàn)逐次放大的問題，自主駕駛系統(tǒng)采用一種基于列車運行全過程定位任務劃分的多源定位信息弱耦合技術，減少各源定位數(shù)據(jù)的相互交聯(lián)，逐層解耦、頂端融合，防止定位精度傳遞過程中的放大問題以及下級設備失效對上級設備定位精度的影響。

3.2 高精度系統(tǒng)時鐘同步及多源數(shù)據(jù)處理技術

自主駕駛系統(tǒng)內部采用的總線形式為“命令應答式”，即作為頂層設備的時鐘同步及數(shù)據(jù)處理設備以額定時間間隔依次向多源傳感器設備發(fā)送命令字，各終端設備依次上報“當前”檢測的列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，時鐘同步及數(shù)據(jù)處理設備對多源定位信息數(shù)據(jù)進行融合并上報車載ATP。在軌道交通運行的情況下，若多裕度時鐘同步及數(shù)據(jù)處理設備在進行定位信息采集時，每個裕度發(fā)送的命令字時刻不統(tǒng)一，則得到的列車狀態(tài)數(shù)據(jù)必然離散，所進行的后續(xù)融合處理必然毫無意義。因此，確保多裕度的時鐘同步及數(shù)據(jù)處理設備在發(fā)送命令時處于絕對的“相同”時刻。

3.3 基于自修正技術的慣性導航高精度自主定位技術

慣性導航技術是航天產(chǎn)品中最普遍采用的定位導航技術，但高精度的慣性導航產(chǎn)品價格昂貴，在民用產(chǎn)品中很少采用。根據(jù)軌道交通的實際應用場景，采用相對物美價廉的一般精度慣導產(chǎn)品，充分利用地鐵列車實際運行工況，解決一般精度慣性導航的零速檢測修正技術、運動約束修正技術等，進而實現(xiàn)一種基于慣性導航為主的地鐵列車自主定位系統(tǒng)，可在無任何輔助導航情況下，實現(xiàn)高精度定位，是自主駕駛的關鍵技術之一。

3.4 基于邊界特征提取的障礙物辨識技術

地鐵路況除常見的直道外，還會出現(xiàn)彎道、坡道、岔道、地上等多種路況。探障雷達的發(fā)射波是朝向正前方的，因此需要對非軌道上的目標進行辨別并濾除。在隧道內，可對墻面進行信息提取，而在地上，則需對軌道線進行提取，將位于正前方但不在軌道上的目標，和不在正前方的障礙物進行辨別，避免上報虛警。

4? 相互協(xié)同與支撐的自主駕駛軌道交通裝備體系架構

自主駕駛軌道交通一般都涉及車輛、站臺、運營、信號系統(tǒng)等核心裝備，各裝備之間相互協(xié)同與支撐，裝備體系架構如圖2所示。

自主駕駛軌道交通的核心是信號系統(tǒng)，它由列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、列車自動防護子系統(tǒng)（ATP）、列車自動運行子系統(tǒng)（ATO）和計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CI）等構成，是自主駕駛軌道交通系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。自主駕駛功能的提升是通過對信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)的改造升級來實現(xiàn)。自主駕駛系統(tǒng)的ATS除具備傳統(tǒng)的功能外，需要增加車輛故障復位和遠程旁路、遠程清客確認等功能;需要具有對正線與停車場內的信號設備狀態(tài)顯示的功能。ATS還應為軌道交通的故障診斷和健康管理提供基礎數(shù)據(jù)，以便全面準確的掌握列車的運營狀態(tài)。

通信系統(tǒng)是自主駕駛軌道交通系統(tǒng)的基礎。通信系統(tǒng)除為信號系統(tǒng)提供實時可靠的通信外，還為CCTV、列車廣播等提供通信通道。LTE-M是基于LTE無線通信技術，根據(jù)軌道交通業(yè)務需求，為其定制的LTE系統(tǒng)。LET-M系統(tǒng)考慮了軌道交通通信業(yè)務可靠性和實時性要求，綜合承載了不同業(yè)務和通信設備間互聯(lián)互通的需要[10]。

車輛作為自主駕駛軌道交通系統(tǒng)中運輸乘客的載體，其性能和功能的設計優(yōu)劣直接關系到乘客乘坐的舒適度和自主駕駛功能實現(xiàn)的質量。車輛包括車體、車載牽引系統(tǒng)、CCTV、自主定位系統(tǒng)和障礙物探測系統(tǒng)等。自主定位系統(tǒng)采用多源信息融合定位技術，在不依賴軌旁設備和區(qū)域性地面設備的車輛定位方案情況下，實現(xiàn)列車高精度、高可靠的自主定位，實現(xiàn)車輛的自動精準停車。車輛上配備的障礙物探測系統(tǒng)，能主動發(fā)現(xiàn)軌道上的障礙物，自主決定如何操作可以有效避開障礙物，實現(xiàn)列車運行的主動避障。

軌道交通中，站臺是乘客集散的場地。站臺門控制是實現(xiàn)自主駕駛的前提條件。據(jù)統(tǒng)計，造成軌道交通行車延遲約60%的情況是由于有人進入軌道區(qū)或干擾該區(qū)域。自主駕駛要求安裝站臺門并對單個站臺門施加精確的控制，防止人員、物體落入軌道區(qū)產(chǎn)生意外事故。由于車輛的限界要求，站臺門和車門之間留有間隙，乘客和物品有滯留在間隙空間的風險，給營運安全帶來隱患，對自主駕駛提出了新的挑戰(zhàn)。為了確保安全，需要在站臺門和車輛之間設置障礙物探測系統(tǒng)，一旦探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)障礙物，站臺門通過車站信號系統(tǒng)將警告信息發(fā)送給列車信號系統(tǒng)，將車輛扣在站內，問題排除后列車方可繼續(xù)營運[11]。

5? 結語

近年來，中國軌道交通在掌握世界先進技術裝備的基礎上，通過自主創(chuàng)新、正向設計及自主核心技術的掌握，正在向智能化方向發(fā)展，全力推進軌道交通自主駕駛，構建適合中國國情的實用化高可靠自主駕駛軌道交通裝備體系。

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