實(shí)用化高可靠性自主駕駛軌道交通裝備體系研究

林云志 楊斌 文新 范建偉

摘? 要：我國(guó)城市軌道交通近年來(lái)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(dòng)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(jiǎn)要回顧了軌道交通自動(dòng)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(diǎn)，提出了采用航天多模冗余技術(shù)的實(shí)用化高可靠自主駕駛技術(shù)方案，描述了自主駕駛軌道交通裝備的體系架構(gòu)圖，最后對(duì)該模式加以分析，對(duì)構(gòu)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(shù)體系提供了有利的支撐。以節(jié)能環(huán)保、安全舒適、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)為目標(biāo)的大背景環(huán)境下，軌道交通自動(dòng)駕駛系統(tǒng)正在逐步替代司乘人員的工作，該實(shí)用化裝備體系在未來(lái)將會(huì)發(fā)揮重要的作用。

關(guān)鍵詞：軌道交通? 自主駕駛? 裝備體系? 多模冗余技術(shù)

中圖分類號(hào)：U239.5 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(yùn)量、安全舒適、經(jīng)濟(jì)省地、速達(dá)準(zhǔn)時(shí)、節(jié)能環(huán)保等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度不斷提高，軌道交通自動(dòng)駕駛系統(tǒng)正在逐步替代司乘人員的工作。國(guó)際公共交通協(xié)會(huì)（UITP）將軌道交通運(yùn)行的自動(dòng)化水平GoA（Grades of Automation）劃分為5級(jí)[1]，如表 1所示。

其中，GoA4是完全無(wú)人監(jiān)督的自動(dòng)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(dòng)、停車、設(shè)備管理、突發(fā)情況應(yīng)對(duì)等所有工作，無(wú)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(shù)是軌道交通裝備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

1? 軌道交通裝備自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展

1926年英國(guó)開始進(jìn)行無(wú)人駕駛地鐵列車的試驗(yàn)[4]。此后，英國(guó)開展了一系列軌道交通自動(dòng)駕駛的試驗(yàn)項(xiàng)目，并與1964年開始進(jìn)行自動(dòng)駕駛列車與有人駕駛列車在同一線路進(jìn)行混跑的運(yùn)行試驗(yàn)。德國(guó)的軌道交通的自動(dòng)駕駛試驗(yàn)是從1928年開始的，在克魯姆蘭克站附近，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)被疊加在既有的信號(hào)閉塞系統(tǒng)之上，干預(yù)列車的運(yùn)行，但列車上有專人負(fù)責(zé)站臺(tái)發(fā)車和車門的控制[5]。美國(guó)的紐約時(shí)代廣場(chǎng)至中央火車站擺渡線被認(rèn)為是首條載客的自動(dòng)化地鐵線，1962年正式開始載客運(yùn)營(yíng)。擺渡線路采用環(huán)形設(shè)計(jì)，整個(gè)線路具備列車自動(dòng)發(fā)車、區(qū)間自動(dòng)調(diào)速、到站自動(dòng)停車和車門自動(dòng)開關(guān)等功能，實(shí)現(xiàn)了列車正線運(yùn)行過(guò)程自動(dòng)化[6]。

20世紀(jì)80年代，軌道交通的全自動(dòng)駕駛技術(shù)開始迅速發(fā)展。1981年，日本開通自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸AGT（Automatic Guided Transit）神戶港島線，采用側(cè)軌導(dǎo)向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過(guò)程全自動(dòng)化，被認(rèn)為是首條真正意義上的GoA4線路[7]。1983年，法國(guó)開通全自動(dòng)輕軌地鐵系統(tǒng)Lille1號(hào)線，采用全自動(dòng)捷運(yùn)系統(tǒng)VAL（Véhicule Automatique Léger）和膠輪路軌系統(tǒng)，成本低，站臺(tái)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(shè)備和地面子系統(tǒng)間通過(guò)環(huán)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行的自動(dòng)化水平達(dá)到GoA4級(jí)。軌道交通移動(dòng)閉塞技術(shù)和基于通信的列車控制技術(shù)都在該線路上得到了首次應(yīng)用。2008年，中國(guó)北京的機(jī)場(chǎng)快軌線開通，連接北京首都機(jī)場(chǎng)與東直門，采用了ART系統(tǒng)。我國(guó)軌道交通的自動(dòng)駕駛技術(shù)研究起步相對(duì)較晚，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行運(yùn)行的軌道交通系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率較低，大多數(shù)設(shè)備都是從國(guó)外引進(jìn)，如圖1所示。

2? 軌道交通自主駕駛的主要需求及難點(diǎn)分析

自主駕駛列車需要具備車載信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)喚醒、車庫(kù)門自動(dòng)運(yùn)行、列車自動(dòng)出入場(chǎng)段、自動(dòng)停車、自動(dòng)折返、車輛動(dòng)態(tài)測(cè)試和全自動(dòng)洗車等功能[8-9]。列車需通過(guò)車載傳感器感知運(yùn)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(yùn)行任務(wù)。采用自主駕駛系統(tǒng)的目標(biāo)就是把司乘人員的工作全部交由自主駕駛系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)。因此，自主駕駛軌道交通的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求：

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

（2）列車運(yùn)行主動(dòng)避障。障礙物識(shí)別技術(shù)是保障列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。只有在車輛上配備障礙物自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，主動(dòng)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(jī)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(yùn)行。列車自主運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有司乘人員參與，采用可靠的安全防護(hù)系統(tǒng)是非常必要的。比如，列車進(jìn)站上下乘客時(shí)，傳統(tǒng)地鐵列車大多數(shù)采用的是人工檢測(cè)，在車尾安裝瞭望燈帶，列車發(fā)車前由司機(jī)觀察燈帶是否完整來(lái)判斷站臺(tái)門和列車門之間是否存在異物。當(dāng)列車自主運(yùn)行時(shí)，站臺(tái)門和列車門之間的異物就需要采用自動(dòng)檢測(cè)的方法，并且檢測(cè)的結(jié)果需要和信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。如果有異物，就要預(yù)警，并禁止發(fā)車，直到異常情況消除。

（4）列車運(yùn)維智能化。通過(guò)多源傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車多維度狀態(tài)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控、工作狀態(tài)自感知、運(yùn)行故障自診斷、導(dǎo)向安全自決策，為智能診斷、安全監(jiān)控和運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。研發(fā)故障預(yù)測(cè)及監(jiān)控管理（PHM）系統(tǒng)，通過(guò)列車狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)處理和與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析處理，基于大數(shù)據(jù)分析和服役性能預(yù)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)和處理潛在故障，最大程度地降低因故障導(dǎo)致的停運(yùn)維修，提升列車的運(yùn)行安全性和運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性。

3? 采用航天多模冗余技術(shù)的實(shí)用化高可靠自主駕駛技術(shù)

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(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)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(guān)系下的多源定位信息多裕度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

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

為了確保軌道交通在一度故障下列車可降級(jí)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(shù)的系統(tǒng)架構(gòu);同時(shí)為防止多模冗余系統(tǒng)中共因失效導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作異常的問(wèn)題，采用了差異化設(shè)計(jì)的思路，選用慣性導(dǎo)航、視覺(jué)定位、雷達(dá)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(shè)備造成的共因失效。此外，為了避免定位精度在系統(tǒng)內(nèi)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)逐次放大的問(wèn)題，自主駕駛系統(tǒng)采用一種基于列車運(yùn)行全過(guò)程定位任務(wù)劃分的多源定位信息弱耦合技術(shù)，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(guò)程中的放大問(wèn)題以及下級(jí)設(shè)備失效對(duì)上級(jí)設(shè)備定位精度的影響。

3.2 高精度系統(tǒng)時(shí)鐘同步及多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)

自主駕駛系統(tǒng)內(nèi)部采用的總線形式為“命令應(yīng)答式”，即作為頂層設(shè)備的時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備以額定時(shí)間間隔依次向多源傳感器設(shè)備發(fā)送命令字，各終端設(shè)備依次上報(bào)“當(dāng)前”檢測(cè)的列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備對(duì)多源定位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并上報(bào)車載ATP。在軌道交通運(yùn)行的情況下，若多裕度時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備在進(jìn)行定位信息采集時(shí)，每個(gè)裕度發(fā)送的命令字時(shí)刻不統(tǒng)一，則得到的列車狀態(tài)數(shù)據(jù)必然離散，所進(jìn)行的后續(xù)融合處理必然毫無(wú)意義。因此，確保多裕度的時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備在發(fā)送命令時(shí)處于絕對(duì)的“相同”時(shí)刻。

3.3 基于自修正技術(shù)的慣性導(dǎo)航高精度自主定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是航天產(chǎn)品中最普遍采用的定位導(dǎo)航技術(shù)，但高精度的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品價(jià)格昂貴，在民用產(chǎn)品中很少采用。根據(jù)軌道交通的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，采用相對(duì)物美價(jià)廉的一般精度慣導(dǎo)產(chǎn)品，充分利用地鐵列車實(shí)際運(yùn)行工況，解決一般精度慣性導(dǎo)航的零速檢測(cè)修正技術(shù)、運(yùn)動(dòng)約束修正技術(shù)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種基于慣性導(dǎo)航為主的地鐵列車自主定位系統(tǒng)，可在無(wú)任何輔助導(dǎo)航情況下，實(shí)現(xiàn)高精度定位，是自主駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.4 基于邊界特征提取的障礙物辨識(shí)技術(shù)

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

自主駕駛軌道交通一般都涉及車輛、站臺(tái)、運(yùn)營(yíng)、信號(hào)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(gòu)如圖2所示。

自主駕駛軌道交通的核心是信號(hào)系統(tǒng)，它由列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)（ATO）和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CI）等構(gòu)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(guò)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的改造升級(jí)來(lái)實(shí)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(fù)位和遠(yuǎn)程旁路、遠(yuǎn)程清客確認(rèn)等功能;需要具有對(duì)正線與停車場(chǎng)內(nèi)的信號(hào)設(shè)備狀態(tài)顯示的功能。ATS還應(yīng)為軌道交通的故障診斷和健康管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便全面準(zhǔn)確的掌握列車的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

通信系統(tǒng)是自主駕駛軌道交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通信系統(tǒng)除為信號(hào)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)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(wú)線通信技術(shù)，根據(jù)軌道交通業(yè)務(wù)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(wù)可靠性和實(shí)時(shí)性要求，綜合承載了不同業(yè)務(wù)和通信設(shè)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(yùn)輸乘客的載體，其性能和功能的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到乘客乘坐的舒適度和自主駕駛功能實(shí)現(xiàn)的質(zhì)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(cè)系統(tǒng)等。自主定位系統(tǒng)采用多源信息融合定位技術(shù)，在不依賴軌旁設(shè)備和區(qū)域性地面設(shè)備的車輛定位方案情況下，實(shí)現(xiàn)列車高精度、高可靠的自主定位，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)精準(zhǔn)停車。車輛上配備的障礙物探測(cè)系統(tǒng)，能主動(dòng)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(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的主動(dòng)避障。

軌道交通中，站臺(tái)是乘客集散的場(chǎng)地。站臺(tái)門控制是實(shí)現(xiàn)自主駕駛的前提條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成軌道交通行車延遲約60%的情況是由于有人進(jìn)入軌道區(qū)或干擾該區(qū)域。自主駕駛要求安裝站臺(tái)門并對(duì)單個(gè)站臺(tái)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(tái)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(fēng)險(xiǎn)，給營(yíng)運(yùn)安全帶來(lái)隱患，對(duì)自主駕駛提出了新的挑戰(zhàn)。為了確保安全，需要在站臺(tái)門和車輛之間設(shè)置障礙物探測(cè)系統(tǒng)，一旦探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)障礙物，站臺(tái)門通過(guò)車站信號(hào)系統(tǒng)將警告信息發(fā)送給列車信號(hào)系統(tǒng)，將車輛扣在站內(nèi)，問(wèn)題排除后列車方可繼續(xù)營(yíng)運(yùn)[11]。

5? 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，中國(guó)軌道交通在掌握世界先進(jìn)技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，通過(guò)自主創(chuàng)新、正向設(shè)計(jì)及自主核心技術(shù)的掌握，正在向智能化方向發(fā)展，全力推進(jìn)軌道交通自主駕駛，構(gòu)建適合中國(guó)國(guó)情的實(shí)用化高可靠自主駕駛軌道交通裝備體系。

參考文獻(xiàn)

[1] IEC. Railway applications automation urban guided transport （AUGT） safety requirements： IEC 62267[S]. IEC， 2009.

[2] 劉凈，陳燕.城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)新技術(shù)探討[J].科技資訊，2020，18（25）：21-22，25.

[3] 寧濱，郜春海.中國(guó)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，43（1）：1-6.

[4] Stanway LC， BEng CEng FIMechE. Under London[M]. UK： Assoc of Essex Philatelic Societies， 2000.

[5] Edgar Sée. Automation inurban public transportation[R]. France： RATP Group， 2016.

[6] 路向陽(yáng)，李雷.城市軌道交通全自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展綜述[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2018（1）：6-12.

[7] UITP. Statistic Brief World Metro Automation 2016[R]. Belgium： UITP， 2016.

[8] IEC. Railway application urban guided transport management and command/control systems-Part1： System principles and fundamental concepts： IEC 62290-1[S]. IEC， 2014.

[9] 張海濤，梁汝軍.地鐵列車全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)方案[J].城市軌道交通研究，2015（5）：33-37.

[10] 路向陽(yáng)，呂浩炯.城市軌道交通全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)關(guān)鍵裝備技術(shù)綜述[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2018（2）：1-6.

[11] 高寶.軌道交通通信系統(tǒng)構(gòu)建模式及功能分析[J].科技資訊，2018，16（7）：62-63.