無人駕駛膠輪路軌系統(tǒng)的應(yīng)用探討

梁師嵩 包佳健

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//第一作者,高級工程師)

軌道交通無人駕駛線路區(qū)別于傳統(tǒng)的軌道交通線路，其最大的特點(diǎn)在于無需隨車人員值守，所有行車功能均由系統(tǒng)自動(dòng)完成。這在節(jié)省人力成本的同時(shí)降低了人為錯(cuò)誤的發(fā)生概率，大大地提高了運(yùn)營效率和系統(tǒng)可靠性。

膠輪路軌系統(tǒng)(以下簡稱“膠輪系統(tǒng)”)，是近幾年國內(nèi)軌道交通行業(yè)的新興制式，其最大的特點(diǎn)為爬坡能力強(qiáng)、噪聲低、造價(jià)低。具有代表性的膠輪系統(tǒng)有自動(dòng)旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)和跨坐式單軌系統(tǒng)。上海軌道交通浦江線是國內(nèi)第一條以無人值守下的列車自動(dòng)運(yùn)行(GoA4)等級開通的APM膠輪系統(tǒng)線路。

1 無人駕駛膠輪系統(tǒng)的安全相關(guān)設(shè)置

無人駕駛系統(tǒng)由于沒有司機(jī)隨車值守，因此當(dāng)發(fā)生影響安全的運(yùn)營故障或者意外事件時(shí)，難以進(jìn)行有效的人為判斷并做出相應(yīng)的操作。本文以上海軌道交通浦江線為例，對無人駕駛膠輪系統(tǒng)涉及安全的設(shè)置特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1. 1 車輛段無人區(qū)設(shè)置

在車輛段分設(shè)有人區(qū)和自動(dòng)無人區(qū)[1]，用于區(qū)分需操作人員入場進(jìn)行的維保操作和列車自動(dòng)收發(fā)車作業(yè)。

設(shè)置自動(dòng)無人區(qū)，其目的是為了使列車在此區(qū)域內(nèi)可以按照系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行相關(guān)的自動(dòng)操作，如列車的喚醒、休眠、自檢和發(fā)車等。無人區(qū)是由系統(tǒng)自動(dòng)控制的，為了保證人員安全，無人區(qū)原則上不允許未授權(quán)人員進(jìn)入。若維保作業(yè)需要人員進(jìn)入無人區(qū)，則要嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行申請，作業(yè)人員在獲得批準(zhǔn)后方可進(jìn)入無人區(qū)。一般在人員進(jìn)入無人區(qū)時(shí)，需要進(jìn)行相關(guān)的斷電、扣車等操作，以確保人員安全。

1. 2 障礙物探測

無人駕駛系統(tǒng)由于缺少了司機(jī)的現(xiàn)場判斷，障礙物探測則成了保證運(yùn)營安全的主要手段。目前常用的障礙物探測技術(shù)分為主動(dòng)式及被動(dòng)式兩種。

主動(dòng)式障礙物探測，也被稱為障礙物智能識別系統(tǒng)，通過在列車前端安裝傳感器或視頻監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)探測功能。當(dāng)傳感器或視頻監(jiān)控系統(tǒng)檢測出列車前方有障礙物時(shí)，探測系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號并主動(dòng)聯(lián)動(dòng)信號系統(tǒng)，以使列車盡快停車，保證行車安全。

被動(dòng)式障礙物探測，也被稱為排障系統(tǒng)，通過在車輛或者走行輪前端設(shè)置排障器來實(shí)現(xiàn)探測功能。當(dāng)列車在行車過程中遇到障礙物時(shí)，由排障器把障礙物推出列車行駛區(qū)域，以保證行駛安全。此方案下障礙物被排障器推出，列車無需停車。

目前由于主動(dòng)式障礙物探測存在技術(shù)不成熟、可靠性低、成本高等因素，未能普遍使用。上海軌道交通浦江線及香港機(jī)場APM項(xiàng)目均采用了被動(dòng)式障礙物探測方式。

1. 3防入侵檢測

傳統(tǒng)的有人駕駛軌道交通系統(tǒng)，一般是通過門禁系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)防入侵檢測功能。當(dāng)門禁被非法打開時(shí)會發(fā)出報(bào)警，由相應(yīng)站務(wù)人員或者維保人員前往處理。

無人駕駛系統(tǒng)因大部分時(shí)間由系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)非授權(quán)入侵時(shí)，需要由系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判斷并作出相應(yīng)的操作。另外，由于無人駕駛系統(tǒng)不設(shè)置司機(jī)，所以維保人員的人身安全也應(yīng)納入防入侵檢測的考慮范圍。

無人駕駛系統(tǒng)的防入侵檢測系統(tǒng)一般可以設(shè)置為當(dāng)與軌行區(qū)連通的安全門、疏散門被打開時(shí)，由防入侵檢測系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)位置的報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)信號系統(tǒng)在入侵點(diǎn)關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)禁止列車通過?？紤]到人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)，防入侵系統(tǒng)還需要聯(lián)動(dòng)供電系統(tǒng)進(jìn)行入侵點(diǎn)關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的緊急斷電處理，以保證人員安全。香港機(jī)場APM項(xiàng)目在設(shè)計(jì)上采用了上述方案進(jìn)行防入侵檢測設(shè)置。

1. 4 視頻監(jiān)控(CCTV)系統(tǒng)

無人駕駛系統(tǒng)的CCTV子系統(tǒng)要求視頻監(jiān)控的車輛和軌行區(qū)都為高清無死角，并具有特定工況下的聯(lián)動(dòng)推送功能，以便控制中心(OCC)可以在第一時(shí)間了解現(xiàn)場情況，并作出準(zhǔn)確的判斷及操作。

1. 5 乘客緊急手柄

由于無人駕駛系統(tǒng)不設(shè)置司機(jī)，無法在第一時(shí)間對列車上發(fā)生的緊急情況進(jìn)行處理，一般需要在列車內(nèi)設(shè)置乘客緊急手柄，在發(fā)生緊急情況時(shí)供乘客拉下此手柄進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，在拉下這個(gè)手柄的后果設(shè)置上，區(qū)別于傳統(tǒng)有人駕駛系統(tǒng)的緊急制動(dòng)停車，無人駕駛系統(tǒng)將后果設(shè)置為列車?yán)^續(xù)行駛到下一站后進(jìn)行自動(dòng)扣車操作，以便站務(wù)人員上車進(jìn)行處理。

1. 6 車門安全設(shè)置

傳統(tǒng)有人駕駛系統(tǒng)列車司機(jī)可以在第一時(shí)間處理車輛相應(yīng)的故障，所以車門保持關(guān)閉是一種可以接受的安全狀態(tài)，其車門控制安全理念是采用故障導(dǎo)向車門關(guān)閉的控制邏輯。

無人駕駛系統(tǒng)不配置隨車司機(jī)，所以當(dāng)發(fā)生某些極端工況或者故障時(shí)，車內(nèi)并沒有受過訓(xùn)練的專門人員來進(jìn)行操作，以保證乘客安全。在這種情況下，車門是否可以被打開，反而成了安全的關(guān)鍵。所以，無人駕駛系統(tǒng)列車車門控制的安全理念是采用故障導(dǎo)向車門釋放的控制邏輯。

有人駕駛系統(tǒng)和無人駕駛系統(tǒng)列車車門安全設(shè)置的具體邏輯區(qū)別如表1所示。

表1 有人駕駛系統(tǒng)和無人駕駛系統(tǒng)列車車門安全邏輯對比

考慮到在列車行駛過程中可能會出現(xiàn)乘客誤操作緊急解鎖手柄而導(dǎo)致車門打開的風(fēng)險(xiǎn)，在無人駕駛系統(tǒng)中，車內(nèi)車門緊急解鎖裝置需要采用防誤操作的設(shè)計(jì)。依據(jù)疏散平臺設(shè)置，由信號系統(tǒng)出發(fā)的電平信號驅(qū)動(dòng)未設(shè)置疏散平臺側(cè)的車門緊急解鎖內(nèi)的電磁鐵，實(shí)現(xiàn)鎖閉該側(cè)車門的解鎖功能，以防止乘客誤操作。

1. 7 胎壓監(jiān)測

無人駕駛的膠輪系統(tǒng)特有一套胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎的壓力。當(dāng)出現(xiàn)低壓、超壓、高溫或者爆胎時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)會產(chǎn)生報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)信號系統(tǒng)進(jìn)行到站扣車處理。

另外，無人駕駛的膠輪系統(tǒng)在輪胎中還應(yīng)設(shè)有防爆鋼圈，列車在出現(xiàn)爆胎后仍可以使用防爆鋼圈維持一定公里數(shù)的運(yùn)行，在保證列車安全的同時(shí)也可以使故障列車快速退出正線運(yùn)營。

2 無人駕駛膠輪系統(tǒng)車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2. 1 司機(jī)室

圖1 APM膠輪系統(tǒng)的車頭設(shè)計(jì)

無人駕駛膠輪系統(tǒng)列車本身無司機(jī)室設(shè)置，也無司機(jī)室隔間門及司機(jī)室側(cè)門，如圖1所示。當(dāng)運(yùn)營維護(hù)人員需要登車時(shí)，利用客室側(cè)門進(jìn)行登車操作。

2. 2 駕駛控制臺

無人駕駛系統(tǒng)的駕駛控制臺只在系統(tǒng)調(diào)試、故障處理等非正常運(yùn)營情況下使用?；诖四繕?biāo)設(shè)定，駕駛控制臺可以簡化減小尺寸，僅保留其必要功能。另外，OCC擔(dān)當(dāng)了絕大部分人工調(diào)度、故障處理的角色，因此駕駛臺也無需設(shè)置人機(jī)交互界面(DMI)、CCTV顯示器等設(shè)施，進(jìn)一步縮小了駕駛臺的尺寸。考慮到?jīng)]有獨(dú)立的司機(jī)室，人工手動(dòng)駕駛所需要操作的司控器、按鈕面板等設(shè)施需要做成隱藏形式，以防止乘客在乘車過程中進(jìn)行任何誤操作。

3 遠(yuǎn)程控制和駕駛運(yùn)營場景

無人駕駛膠輪系統(tǒng)所有的控制權(quán)均集中在OCC，其控制方式的最大特點(diǎn)是具有車地?zé)o線系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等三大功能。

1) 遠(yuǎn)程通信。負(fù)責(zé)車輛與OCC的數(shù)據(jù)傳輸。這些數(shù)據(jù)主要包括自動(dòng)行車指令、人工控制指令、車輛故障及狀態(tài)上傳、CCTV視頻上傳、乘客廣播、緊急對講等。

2) 遠(yuǎn)程監(jiān)控。負(fù)責(zé)OCC對車輛本身狀態(tài)的采集,以及車廂內(nèi)的CCTV監(jiān)控。主要包括車輛的故障信息、車輛子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、CCTV的循播以及聯(lián)動(dòng)推送等。

3) 遠(yuǎn)程控制。負(fù)責(zé)OCC對列車的自動(dòng)以及人工控制功能,主要包括列車自動(dòng)控制、人工調(diào)度設(shè)置、人工緊急停車、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制等方面。

這三大功能相輔相成，形成無人駕駛膠輪系統(tǒng)在駕駛模式、運(yùn)營場景、聯(lián)動(dòng)功能等方面的特點(diǎn)。

3. 1 車地?zé)o線系統(tǒng)

無人駕駛膠輪系統(tǒng)共設(shè)置了2套車地?zé)o線系統(tǒng)，一套基于信號系統(tǒng)，另一套則基于通信系統(tǒng)[2]。

基于信號系統(tǒng)的車地?zé)o線系統(tǒng)，主要用于傳輸車輛及軌旁ATC(列車自動(dòng)控制)的控制指令，并完成車輛關(guān)鍵故障的回采工作。列車自動(dòng)運(yùn)行所需要的控制指令，如時(shí)刻表、進(jìn)路設(shè)置等，由OCC操作人員在ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)上完成，通過車地?zé)o線系統(tǒng)下發(fā)至每一列列車，并由車載ATC控制列車執(zhí)行指令。列車的故障信息、關(guān)鍵狀態(tài)等通過車地?zé)o線系統(tǒng)反饋至ATS，用于OCC人員判斷列車狀態(tài)。

基于通信系統(tǒng)的車地?zé)o線系統(tǒng)，主要用于完成OCC對車輛的遠(yuǎn)程人工廣播及與車輛的緊急對講工作，并完成車輛CCTV系統(tǒng)的視頻流、音頻流對OCC的實(shí)時(shí)推送上傳工作。此外，用于遠(yuǎn)程診斷的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，也可以通過這套車地?zé)o線系統(tǒng)來完成。

3. 2 駕駛模式

無人駕駛膠輪系統(tǒng)采用全自動(dòng)模式作為默認(rèn)的運(yùn)營模式。在這個(gè)模式下，列車的牽引、制動(dòng)、到站開關(guān)門等操作全均由信號系統(tǒng)控制下的列車自動(dòng)完成，運(yùn)營過程中無需人工干預(yù)。

列車還配備有帶ATP保護(hù)的人工駕駛模式，在全自動(dòng)模式不可用的情況下，可由司機(jī)在ATP保護(hù)下手動(dòng)駕駛列車運(yùn)行。

另外，無人駕駛膠輪系統(tǒng)一般還配有全手動(dòng)模式，用于列車調(diào)試、列車調(diào)庫、信號系統(tǒng)故障下的清客回庫、救援等非正常運(yùn)營下的特殊工況。

原則上無人駕駛膠輪系統(tǒng)不設(shè)置后退模式，即在各種駕駛模式下，列車的默認(rèn)行駛方向只能向前。

3. 3 運(yùn)營場景

無人駕駛膠輪系統(tǒng)在運(yùn)營場景上，采用了自動(dòng)喚醒、自動(dòng)自檢、自動(dòng)巡道、自動(dòng)回庫、自動(dòng)休眠等模式[3]：①系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的時(shí)刻表和排班表自動(dòng)喚醒列車。列車被喚醒后執(zhí)行自檢程序，若自檢不通過，則產(chǎn)生相應(yīng)報(bào)警，并由OCC遠(yuǎn)程操作派出備用車。②當(dāng)自動(dòng)喚醒和自檢程序通過后，每天線路上運(yùn)行的第一列列車將執(zhí)行自動(dòng)巡道功能。此時(shí)列車按照預(yù)設(shè)的速度進(jìn)行低速巡道。③巡道順利完成后，則表明系統(tǒng)滿足投入運(yùn)營的條件。所有列車按照時(shí)刻表安排按次序上線投入運(yùn)營。④運(yùn)營結(jié)束后，列車自動(dòng)回庫，并執(zhí)行自動(dòng)休眠程序。

此外，無人駕駛的膠輪系統(tǒng)還設(shè)置了自動(dòng)洗車、正線自動(dòng)調(diào)整(跳站、扣車、時(shí)刻表追趕)等功能，可用于不同的運(yùn)營需求。

3. 4 聯(lián)動(dòng)功能

1) 車門和屏蔽門聯(lián)動(dòng)。當(dāng)某個(gè)車門或者屏蔽門切除后，對應(yīng)的車門或者屏蔽門將自動(dòng)不打開。

2) 自動(dòng)扣車功能。當(dāng)發(fā)生某些影響安全的工況時(shí)，如火災(zāi)、乘客拉動(dòng)緊急拉手等,信號系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集這些信號,并觸發(fā)自動(dòng)扣車功能。

3) CCTV聯(lián)動(dòng)功能。在某些特定工況下，如車上駕駛蓋被打開、防入侵系統(tǒng)啟動(dòng)等，CCTV會產(chǎn)生相應(yīng)聯(lián)動(dòng)，并主動(dòng)推送相應(yīng)的攝像頭畫面至OCC。

香港機(jī)場APM項(xiàng)目在上海軌道交通浦江線的基礎(chǔ)上，新增了以下聯(lián)動(dòng)功能：

1) 與防入侵系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)防入侵系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警后，基于安全原則，入侵點(diǎn)關(guān)聯(lián)范圍內(nèi)行車區(qū)域?qū)⒔沽熊囃ㄟ^，已在區(qū)域內(nèi)的列車將緊急制動(dòng)停車。另外，關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的供電將被自動(dòng)切斷。

2) 與通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。為了保證在隧道火災(zāi)情況下的安全，信號系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有聯(lián)動(dòng)接口，以保證一個(gè)通風(fēng)區(qū)域內(nèi)只有一列車。

3) 與供電系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生部分區(qū)間斷電時(shí)，信號系統(tǒng)會計(jì)算此時(shí)列車是否可以順利通過無電區(qū)。若無法通過，信號系統(tǒng)將發(fā)出制動(dòng)指令，使列車停在無電區(qū)前。

4) 與防火門的聯(lián)動(dòng)。當(dāng)隧道或者車輛段發(fā)生火災(zāi)時(shí)，出于消防要求，防火門將自動(dòng)關(guān)閉。此時(shí)系統(tǒng)會計(jì)算列車是否可以在防火門關(guān)閉前通過，若無法通過則制動(dòng)停車，以避免列車撞上防火門產(chǎn)生安全事故。

4 結(jié)語

本文以上海軌道交通浦江線為基礎(chǔ)，闡述了以GoA4開通運(yùn)營的無人駕駛膠輪系統(tǒng)通過采用車輛段無人區(qū)、防入侵檢測、障礙物探測等措施強(qiáng)化了系統(tǒng)的安全設(shè)置和安全管理。無人駕駛膠輪系統(tǒng)更注重于無人值守情況下的乘客以及維護(hù)人員的安全，在物理特性上取消了司機(jī)室，采用簡易車載操作臺設(shè)計(jì)，增加了載客能力，提升了乘客的乘坐舒適性；在控制方式上，基于無線車地通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制三大功能相輔相成，形成了無人駕駛膠輪系統(tǒng)在運(yùn)營場景、駕駛模式、聯(lián)動(dòng)功能等方面的特點(diǎn)。