列車自動化運行故障時的人機協作潛力

1研究背景

鐵路運輸自動化進程始于數十年前。列車運行自動化主要指駕駛功能的自動化，如今已經通過連續式列車自動控制系統（LZB）和自動駕駛與制動控制系統（AFB）實現。

近幾年來，在歐洲范圍內開展了一系列以歐洲列車控制系統（ETCS）為基礎的列車半自動運行測試，即列車運行自動化等級2級（GoA 2）測試。測試中，列車駕駛員的任務是在駕駛室中監視行車路線，并隨時對列車的牽引和制動控制進行干預，但無需對運行程序進行任何重大改變。而在 GoA 4（自動化最高等級，即全自動運行）中無需駕駛員操作。這依托于包含新功能和新組件的新型系統架構的開發。GoA 4的新組件除了現有駕駛技能外，還將具有人類的某些能力，如感知、認知和交流能力，具體如下。

（1） 感知能力是指監控行車線路和識別危險的能力，通過感知組件（即傳感器）實現。

（2） 認知能力是指數據分析、計劃和決策能力，通過認知組件實現。認知組件的功能有：①分析傳感器收集的數據，從而識別自動運行車輛在建筑接近限界中的當前位置;②對行駛環境中的重要元素進行分類和定位。

（3） 交流能力是指與相關聯的系統和機構（主要指控制中心）進行連續數據交換的能力，通過通信組件實現。

由于這些能力所需的部分組件目前尚未成功開發，因此難以估算預期成本。

在列車自動化運行中，鑒于技術故障不可避免，因此必須通過冗余和故障后備方案來確保設備的可用性。GoA 4的故障后備方案之一是，當列車發生故障時，控制中心操作員遠程接管控制。這種方案必須以設備（如列車上的傳感器）的高可用性以及通信的低延遲性為基礎（這2點通過冗余實現）。因此，若列車在全自動運行中出現因通訊故障而停車的情況，就必須讓專人登車接管控制，但由于登車人員與列車的距離不確定，所以登車時間也不確定，這將嚴重影響鐵路基礎設施的可用性。

為了實現更經濟有效的列車運營，可以考慮采用GoA 3。采用GoA 3時，列車上至少有1名列車員，他負責處理緊急情況以及操作車門。通過讓列車員參與故障后備方案，可以不安裝GoA 4所需的某些組件。因此，本文將重點研究GoA 3在故障情況下的適用性。故障情況下，列車員干預列車運行時需要與控制中心操作員、車站值班員、調度員等相關工作人員協作，在某些情況下甚至需要與機器合作，所以本文的目的是描述GoA 3故障后備方案中可能的人機協作方式，并從技術和人員成本及對運營的影響方面對其進行比較。

2 列車自動化運行故障后備方案中的人機協作

鐵路交通是多人（如駕駛員、車站值班員、調度員）根據操作程序對列車運行進行外部控制的系統。每個參與者都有特定的職責和一個共同目標，即保障鐵路運營的安全。在自動化運行中，機器也通過承擔任務為實現上述共同目標出力。協作是指人與人之間有目的的互動，因此鐵路交通中人與機器之間為達到共同目標的互動與合作也可以稱為人機協作。

人機協作可以用人類信息處理的4階段模型來描述。該模型描述了人類信息處理的4個任務，即信息收集、情況分析、決策和執行。這4個任務之間是相互依存、相繼執行的關系。

圖1顯示了故障后備方案中人機交互的階段。階段1

為請求接管或連接階段，在此階段，自動化系統檢測到列車故障，向人發出接管請求。階段2為人機協作階段，此階段包含上述人類信息處理的4個任務，圖中使用滑塊描述故障后備方案中人機之間的任務分配。階段3為從故障后備方案過渡到正常運行階段，在此階段，人在保證列車安全運行的前提下，將列車運行控制權重新交還給機器。

圖1中人機交互的自動化等級可高可低。自動化程度由分配給列車自動駕駛系統（ATO）任務的多少決定。如果所有4個任務都實現了完全自動化，則自動化等級為最高;相反，如果任務完全由人接管，則自動化等級最低。正如研究背景中所提到的，經濟原因阻礙了前者的發展。因此，在分配自動化運行中涉及的任務時，應將人類智能的靈活性與機器智能的速度相結合，以期獲得最大的運行收益。

3 故障后備方案中的人機協作方式

在未來，車站值班員將繼續負責列車運行的安全，調度員將繼續確保列車運行過程的平穩順暢，駕駛員將從列車駕駛室轉移到控制中心，列車員將負責在列車故障后、啟用后備方案時與機器一起參與和執行列車的控制。由于故障后備方案的參與者眾多，因此協作方式也多種多樣。協作方式的選擇取決于故障的類型以及采用故障后備方案繼續控制列車所需的系統元件。由于ATO系統、ETCS系統以及通信鏈路會對運營管理起決定性作用，因此其可用性對于協作方式的選擇至關重要。根據系統元件的可用性以及對于各個參與者操作權限有限的假設（例如不允許調度員獨立控制列車），故障后備方案中的協作基本上可以通過6種方式實現，其中方式3和方式5可各分為3個子項，如圖2 所示。

當然，上述6種方式是在以下3個假設的前提下得出的：①車輛控制系統（如牽引和制動控制系統）在所有情況下都正常工作;②至少有1名列車員可參與后備方案的實施;③ATO系統、ETCS系統和通信鏈路3個系統元件不會同時不可用。表1顯示了6種方式中系統元件可用或不可用的情況。

在列車與控制中心之間存在通信連接的所有情況下，控制中心操作員都將與機器及列車員協作，積極參與故障后備方案的實施。在有列車員參與的所有方式中，都遵循一個假設，即列車員會以及時且安全的方式參與故障后備方案的實施過程。下面將簡要介紹這6種方式。

3.1 方式 1：傳統的人-人協作

傳統的人-人協作是指控制中心操作員與車上列車員之間的協作。在這種方式中，ETCS系統和ATO系統不可用，只有列車與控制中心之間的通信鏈路可用。由控制中心操作員發出操作指令，列車員負責信息收集及車輛現場情況分析。列車員將情況分析的結果報告給控制中心操作員，然后由操作員與車站值班員一起決定采取下一步的措施。操作指令由列車員手動執行，例如操作牽引桿或制動桿。

3.2 方式 2：采用 ETCS 系統、無需 ATO 系統的列車員自主駕駛

該方式是列車員與ETCS系統的直接協作，沒有控制中心人員的參與。列車員負責車輛現場情況分析，以及根據操作程序決定下一步應采取的措施;而ETCS系統負責收集信息并操控車輛控制系統。

3.3 方式 3：有控制中心操作員參與、無需 ATO 系統的人機協作

3.3.1 方式 3 a：控制中心操作員遠程控制

此方式中，控制中心操作員會與車輛上的ETCS系統協作。當出現故障時，ETCS系統會請求控制中心操作員接管對列車的控制。接管和遠程控制通過無線電實現。車輛信息的收集通過車輛上安裝的、可用性高的傳感器實現?？刂浦行牟僮鲉T還可以從調度員或車站值班員處獲取更多必要信息。后續流程由控制中心操作員執行。此種協作方式可用于GoA 3和GoA 4。

3.3.2 方式 3 b：借助列車員信息反饋的遠程控制

此方式與方式3a相似。不同的是，列車員也參與了故障后備方案的實施。這種情況下，控制中心操作員負責控制ETCS系統，他有2個信息源：①列車員，負責提供視覺信息;②ETCS系統，負責提供列車實時速度、位置等其他重要數據。列車員在控制中心操作員進行情況分析和決策時起輔助作用。

3.3.3 方式 3 c：人-人-機器協作

方式3c與方式3a、3b的不同點在于：列車員在后備方案中要承擔更多的任務。控制中心操作員不再直接控制ETCS系統，而是向列車員提供關于ETCS系統的控制指導。由于信息收集和現場情況分析由列車員負責，因此列車上不需安裝可用性高的傳感器。列車員將情況分析的結果報告給控制中心操作員，然后由操作員與車站值班員一起決定采取下一步的措施。

3.4 方式 4：采用 ATO 系統，無需 ETCS 系統的列車員自主駕駛

此方式與方式2相似。不同點在于，此方式中ATO系統可用，而ETCS系統不可用。ATO系統可以通過加工海量數據來分析現場情況。

3.5 方式 5：有控制中心操作員參與、無需 ETCS 系統的人機協作

3.5.1 方式 5 a：控制中心操作員遠程控制

此方式中，控制中心操作員會與車輛上的ATO系統協作。當出現故障時，ATO系統會請求控制中心操作員接管對列車的控制。接管和遠程控制通過無線電實現。車輛信息的收集通過車輛上安裝的、可用性高的傳感器實現。接下來的流程與方式3a相同。此種協作方式可用于GoA 3和GoA 4。

3.5.2 方式 5 b：借助列車員信息反饋的遠程控制

此方式中，列車員會參與故障后備方案的實施，并與控制中心操作員和ATO系統協作?？刂浦行牟僮鲉T負責控制ATO系統，列車員負責為控制中心操作員提供視覺信息。ATO系統的任務是通過加工海量數據來分析現場情況。

3.5.3 方式 5 c：人-人-機器協作

此方式中，由列車員負責控制ATO系統?？刂浦行牟僮鲉T將向其提供必要的指導。由于信息收集和現場情況分析由列車員負責，因此車上不需安裝可用性高的傳感器。列車員還要將情況分析結果報告給控制中心操作員。

3.6 方式 6：同時采用 ETCS 系統和 ATO 系統的列車員自主駕駛

在此方式中，由ETCS和ATO系統操控列車，列車員從旁輔助，并可隨時干預。ATO系統的任務與方式4中相同，即通過加工海量數據來分析現場情況。ETCS系統的任務是監控，在危及列車安全的情況下（如列車超速）進行干預，實施制動。而列車員與方式2中一樣具有采取下一步措施的決定權。

總之，當通信鏈路故障時，可采用方式2、方式4和方式6;若列車與控制中心的通信鏈路正常，協作方式的選擇則取決于ETCS和ATO系統的可用性。由于車上的列車員和控制中心操作員都可用，因此方式3和方式5還可以通過不同的形式實現。

4 協作方式 3 和方式 5 的定性評估

協作方式3和方式5是基于可用的通信連接以及控制中心操作員的參與而實現的，本節僅以它們作為評估對象。采用的評估方法是Pugh矩陣。Pugh矩陣適用于將多個概念與基本概念進行比較，從而對其進行定性評估。此處設定的基本概念是具有自動駕駛功能的GoA2、正常運行的ETCS 2級系統，以及目前操作程序的故障后備方案。

要對上述方式進行評估，需要首先根據基本概念定義和評價評估標準?；靖拍钍怯米鲄⒖嫉?，在所有評估標準中都將其賦值為“0”。如果某一協作方式對評估標準的符合程度比基本概念高，則其評估值為“1”;如果與基本概念相同，則為“0”;如果低于基本概念，則為“-1”。評估標準有2條，具體如下。

（1）經濟支出。此評估標準包括為實施協作方案而進行必要技術升級的支出，以及對列車員進行培訓和繼續教育所需的支出。其中，技術升級包括實現ATO或ETCS系統分析和決策的智能化，實現ETCS系統的牽引控制功能，以及安裝用于信息收集的高可用性硬件元件（傳感器）。

（2）運行效果（時間耗費）。此評估標準包含2個部分：①列車員參與故障后備方案所需的時間;②人員退出故障后備方案的時間。

在經濟支出方面，方式3a和方式5a中由于列車上沒有人員參與到后備方案中，因此需要實現ETCS或ATO系統分析和決策的智能化。此外，為確保ETCS或ATO系統的良好分析能力，需要安裝可用性高且可靠的傳感器，以收集現場信息。因此，這2種方式對技術的要求很高，也導致其成本高;其優點在于不需要對列車員進行培訓和繼續教育。相反，方式3b和方式5b在經濟上有優勢，原因在于：①列車員僅負責為控制中心操作員提供視覺信息，即使沒有經過培訓或繼續教育也應具有這種能力，因此列車員的培訓和繼續教育費用較低;②控制中心操作員所需的視覺信息由列車員提供，因此不需要安裝可用性高的傳感器;③列車由控制中心操作員控制，因此不必實現ETCS或ATO系統的分析和決策智能化。方式3c和方式5c需要人員培訓方面的花費。由于列車員需要與調度員和ETCS/ATO系統協作，因此需要對其進行培訓，使其能夠在故障后備方案中支持甚至完全取代控制中心操作員。此外，列車員對ETCS和ATO系統不熟悉，也使實現這2種系統的分析和決策智能化成為必要。如果故障后備方案（方式3a～c）中ATO系統不可用，則必須擴展ETCS系統的牽引控制功能。

在運行效果方面，方式3a和方式5a，由于控制中心與車載ETCS/ATO系統的無線電連接速度快，遠程控制效率高，且無需列車員參與，從而使運行程序的延遲少，因此其運行效果被整體評估為“1”。其中，由于控制中心操作員與車站值班員之間需要進行通信，因此人員參與時間的評估值為“0”;由于這2種方式中沒有列車員的參與，也無需退出，因此人員退出故障后備方案時間的評估值為“1”。其他4種方式都需要列車員參與，他們在過渡到正常運行時（階段3）必須退出。在退出故障后備方案的過程中，列車員要花費一定的時間輸入ETCS或ATO系統正常運行所需的數據，這意味著故障后備方案（階段1～3）總體上可能會花費更長的時間。如果列車員僅在控制中心操作員收集信息、分析情況和做出決策的過程中起輔助作用，則其退出故障后備方案的時間不會太長，因為他不直接與系統進行交互，故障排除后可以迅速回到原來的工作中。

通常，人的操作容易出錯，尤其是在操作復雜系統時。每種方案應至少具有與目前相同的安全級別，這是必須遵循的前提。在直接與ETCS/ATO系統或列車控制系統進行交互的方式中，由于列車員不僅需要了解現場情況，而且要掌握系統相關的知識，因此應接受相應的培訓或繼續教育。在信息獲取、情況分析和決策等領域，使列車員成為控制中心操作員的支持者，可以實現更高的安全增益。

5 總結和展望

本文揭示了列車自動化運行發生故障時人機協作的潛力。為了確保列車高效穩定地運行，隨著自動化程度的提高，應更多地考慮人的因素。在故障后備方案中，列車上人員的參與可以減少對所需組件的智能化要求，并且能夠以較低的成本確保列車可靠穩定地運行。本文為GoA 3設計出6種協作方式。協作方式的選擇取決于故障的類型以及采用故障后備方案繼續控制列車所需要的系統元件。如果ETCS和ATO系統同時故障，則采用方式1。由于列車系統需滿足可靠性和可用性要求，所以2個系統同時發生故障的可能性非常低。事實上，更可能發生的是列車與控制中心之間的通信鏈路故障。此時可采用方式2、方式4和方式6。對方式3和方式5的定性評估表明，方式5b是最好的協作方式，因為列車員可以在認知方面輔助控制中心操作員。如果ATO系統不可用，則適合采用方式3b。

參考文獻

[1]Bilal ?yümez. Potenziale einer Mensch-Maschine Kooperation bei St?rungen im automatisierten Betrieb[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：18-24.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-01-05