無人駕駛膠輪路軌系統的應用探討

梁師嵩 包佳健

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

軌道交通無人駕駛線路區別于傳統的軌道交通線路，其最大的特點在于無需隨車人員值守，所有行車功能均由系統自動完成。這在節省人力成本的同時降低了人為錯誤的發生概率，大大地提高了運營效率和系統可靠性。

膠輪路軌系統(以下簡稱“膠輪系統”)，是近幾年國內軌道交通行業的新興制式，其最大的特點為爬坡能力強、噪聲低、造價低。具有代表性的膠輪系統有自動旅客運輸(APM)系統和跨坐式單軌系統。上海軌道交通浦江線是國內第一條以無人值守下的列車自動運行(GoA4)等級開通的APM膠輪系統線路。

1 無人駕駛膠輪系統的安全相關設置

無人駕駛系統由于沒有司機隨車值守，因此當發生影響安全的運營故障或者意外事件時，難以進行有效的人為判斷并做出相應的操作。本文以上海軌道交通浦江線為例，對無人駕駛膠輪系統涉及安全的設置特點進行介紹。

1. 1 車輛段無人區設置

在車輛段分設有人區和自動無人區[1]，用于區分需操作人員入場進行的維保操作和列車自動收發車作業。

設置自動無人區，其目的是為了使列車在此區域內可以按照系統設置進行相關的自動操作，如列車的喚醒、休眠、自檢和發車等。無人區是由系統自動控制的，為了保證人員安全，無人區原則上不允許未授權人員進入。若維保作業需要人員進入無人區，則要嚴格按照操作流程進行申請，作業人員在獲得批準后方可進入無人區。一般在人員進入無人區時，需要進行相關的斷電、扣車等操作，以確保人員安全。

1. 2 障礙物探測

無人駕駛系統由于缺少了司機的現場判斷，障礙物探測則成了保證運營安全的主要手段。目前常用的障礙物探測技術分為主動式及被動式兩種。

主動式障礙物探測，也被稱為障礙物智能識別系統，通過在列車前端安裝傳感器或視頻監控系統來實現探測功能。當傳感器或視頻監控系統檢測出列車前方有障礙物時，探測系統產生報警信號并主動聯動信號系統，以使列車盡快停車，保證行車安全。

被動式障礙物探測，也被稱為排障系統，通過在車輛或者走行輪前端設置排障器來實現探測功能。當列車在行車過程中遇到障礙物時，由排障器把障礙物推出列車行駛區域，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。

目前由于主動式障礙物探測存在技術不成熟、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場APM項目均采用了被動式障礙物探測方式。

1. 3防入侵檢測

傳統的有人駕駛軌道交通系統，一般是通過門禁系統來實現防入侵檢測功能。當門禁被非法打開時會發出報警，由相應站務人員或者維保人員前往處理。

無人駕駛系統因大部分時間由系統自動運行，當出現非授權入侵時，需要由系統進行自動判斷并作出相應的操作。另外，由于無人駕駛系統不設置司機，所以維保人員的人身安全也應納入防入侵檢測的考慮范圍。

無人駕駛系統的防入侵檢測系統一般可以設置為當與軌行區連通的安全門、疏散門被打開時，由防入侵檢測系統產生相應位置的報警，并聯動信號系統在入侵點關聯區域內禁止列車通過?？紤]到人員的觸電風險，防入侵系統還需要聯動供電系統進行入侵點關聯區域內的緊急斷電處理，以保證人員安全。香港機場APM項目在設計上采用了上述方案進行防入侵檢測設置。

1. 4 視頻監控(CCTV)系統

無人駕駛系統的CCTV子系統要求視頻監控的車輛和軌行區都為高清無死角，并具有特定工況下的聯動推送功能，以便控制中心(OCC)可以在第一時間了解現場情況，并作出準確的判斷及操作。

1. 5 乘客緊急手柄

由于無人駕駛系統不設置司機，無法在第一時間對列車上發生的緊急情況進行處理，一般需要在列車內設置乘客緊急手柄，在發生緊急情況時供乘客拉下此手柄進行報警。同時，在拉下這個手柄的后果設置上，區別于傳統有人駕駛系統的緊急制動停車，無人駕駛系統將后果設置為列車繼續行駛到下一站后進行自動扣車操作，以便站務人員上車進行處理。

1. 6 車門安全設置

傳統有人駕駛系統列車司機可以在第一時間處理車輛相應的故障，所以車門保持關閉是一種可以接受的安全狀態，其車門控制安全理念是采用故障導向車門關閉的控制邏輯。

無人駕駛系統不配置隨車司機，所以當發生某些極端工況或者故障時，車內并沒有受過訓練的專門人員來進行操作，以保證乘客安全。在這種情況下，車門是否可以被打開，反而成了安全的關鍵。所以，無人駕駛系統列車車門控制的安全理念是采用故障導向車門釋放的控制邏輯。

有人駕駛系統和無人駕駛系統列車車門安全設置的具體邏輯區別如表1所示。

表1 有人駕駛系統和無人駕駛系統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乘客誤操作緊急解鎖手柄而導致車門打開的風險，在無人駕駛系統中，車內車門緊急解鎖裝置需要采用防誤操作的設計。依據疏散平臺設置，由信號系統出發的電平信號驅動未設置疏散平臺側的車門緊急解鎖內的電磁鐵，實現鎖閉該側車門的解鎖功能，以防止乘客誤操作。

1. 7 胎壓監測

無人駕駛的膠輪系統特有一套胎壓監測系統，用于實時監測輪胎的壓力。當出現低壓、超壓、高溫或者爆胎時，監測系統會產生報警，并聯動信號系統進行到站扣車處理。

另外，無人駕駛的膠輪系統在輪胎中還應設有防爆鋼圈，列車在出現爆胎后仍可以使用防爆鋼圈維持一定公里數的運行，在保證列車安全的同時也可以使故障列車快速退出正線運營。

2 無人駕駛膠輪系統車輛的結構特點

2. 1 司機室

圖1 APM膠輪系統的車頭設計

無人駕駛膠輪系統列車本身無司機室設置，也無司機室隔間門及司機室側門，如圖1所示。當運營維護人員需要登車時，利用客室側門進行登車操作。

2. 2 駕駛控制臺

無人駕駛系統的駕駛控制臺只在系統調試、故障處理等非正常運營情況下使用?；诖四繕嗽O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擔當了絕大部分人工調度、故障處理的角色，因此駕駛臺也無需設置人機交互界面(DMI)、CCTV顯示器等設施，進一步縮小了駕駛臺的尺寸。考慮到沒有獨立的司機室，人工手動駕駛所需要操作的司控器、按鈕面板等設施需要做成隱藏形式，以防止乘客在乘車過程中進行任何誤操作。

3 遠程控制和駕駛運營場景

無人駕駛膠輪系統所有的控制權均集中在OCC，其控制方式的最大特點是具有車地無線系統的遠程通信、遠程監控和遠程控制等三大功能。

1) 遠程通信。負責車輛與OCC的數據傳輸。這些數據主要包括自動行車指令、人工控制指令、車輛故障及狀態上傳、CCTV視頻上傳、乘客廣播、緊急對講等。

2) 遠程監控。負責OCC對車輛本身狀態的采集,以及車廂內的CCTV監控。主要包括車輛的故障信息、車輛子系統的實時狀態、CCTV的循播以及聯動推送等。

3) 遠程控制。負責OCC對列車的自動以及人工控制功能,主要包括列車自動控制、人工調度設置、人工緊急停車、系統聯動控制等方面。

這三大功能相輔相成，形成無人駕駛膠輪系統在駕駛模式、運營場景、聯動功能等方面的特點。

3. 1 車地無線系統

無人駕駛膠輪系統共設置了2套車地無線系統，一套基于信號系統，另一套則基于通信系統[2]。

基于信號系統的車地無線系統，主要用于傳輸車輛及軌旁ATC(列車自動控制)的控制指令，并完成車輛關鍵故障的回采工作。列車自動運行所需要的控制指令，如時刻表、進路設置等，由OCC操作人員在ATS(列車自動監控)上完成，通過車地無線系統下發至每一列列車，并由車載ATC控制列車執行指令。列車的故障信息、關鍵狀態等通過車地無線系統反饋至ATS，用于OCC人員判斷列車狀態。

基于通信系統的車地無線系統，主要用于完成OCC對車輛的遠程人工廣播及與車輛的緊急對講工作，并完成車輛CCTV系統的視頻流、音頻流對OCC的實時推送上傳工作。此外，用于遠程診斷的車輛實時狀態數據采集，也可以通過這套車地無線系統來完成。

3. 2 駕駛模式

無人駕駛膠輪系統采用全自動模式作為默認的運營模式。在這個模式下，列車的牽引、制動、到站開關門等操作全均由信號系統控制下的列車自動完成，運營過程中無需人工干預。

列車還配備有帶ATP保護的人工駕駛模式，在全自動模式不可用的情況下，可由司機在ATP保護下手動駕駛列車運行。

另外，無人駕駛膠輪系統一般還配有全手動模式，用于列車調試、列車調庫、信號系統故障下的清客回庫、救援等非正常運營下的特殊工況。

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

3. 3 運營場景

無人駕駛膠輪系統在運營場景上，采用了自動喚醒、自動自檢、自動巡道、自動回庫、自動休眠等模式[3]：①系統根據設定好的時刻表和排班表自動喚醒列車。列車被喚醒后執行自檢程序，若自檢不通過，則產生相應報警，并由OCC遠程操作派出備用車。②當自動喚醒和自檢程序通過后，每天線路上運行的第一列列車將執行自動巡道功能。此時列車按照預設的速度進行低速巡道。③巡道順利完成后，則表明系統滿足投入運營的條件。所有列車按照時刻表安排按次序上線投入運營。④運營結束后，列車自動回庫，并執行自動休眠程序。

此外，無人駕駛的膠輪系統還設置了自動洗車、正線自動調整(跳站、扣車、時刻表追趕)等功能，可用于不同的運營需求。

3. 4 聯動功能

1) 車門和屏蔽門聯動。當某個車門或者屏蔽門切除后，對應的車門或者屏蔽門將自動不打開。

2) 自動扣車功能。當發生某些影響安全的工況時，如火災、乘客拉動緊急拉手等,信號系統將實時采集這些信號,并觸發自動扣車功能。

3) CCTV聯動功能。在某些特定工況下，如車上駕駛蓋被打開、防入侵系統啟動等，CCTV會產生相應聯動，并主動推送相應的攝像頭畫面至OCC。

香港機場APM項目在上海軌道交通浦江線的基礎上，新增了以下聯動功能：

1) 與防入侵系統聯動。當防入侵系統產生報警后，基于安全原則，入侵點關聯范圍內行車區域將禁止列車通過，已在區域內的列車將緊急制動停車。另外，關聯區域內的供電將被自動切斷。

2) 與通風系統的聯動。為了保證在隧道火災情況下的安全，信號系統與通風系統設有聯動接口，以保證一個通風區域內只有一列車。

3) 與供電系統的聯動。當供電系統發生部分區間斷電時，信號系統會計算此時列車是否可以順利通過無電區。若無法通過，信號系統將發出制動指令，使列車停在無電區前。

4) 與防火門的聯動。當隧道或者車輛段發生火災時，出于消防要求，防火門將自動關閉。此時系統會計算列車是否可以在防火門關閉前通過，若無法通過則制動停車，以避免列車撞上防火門產生安全事故。

4 結語

本文以上海軌道交通浦江線為基礎，闡述了以GoA4開通運營的無人駕駛膠輪系統通過采用車輛段無人區、防入侵檢測、障礙物探測等措施強化了系統的安全設置和安全管理。無人駕駛膠輪系統更注重于無人值守情況下的乘客以及維護人員的安全，在物理特性上取消了司機室，采用簡易車載操作臺設計，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的遠程通信、遠程監控、遠程控制三大功能相輔相成，形成了無人駕駛膠輪系統在運營場景、駕駛模式、聯動功能等方面的特點。