高鐵司機室智能化發展的研究

肖宇麒

（中車株洲電力機車有限公司 湖南省株洲市 412000）

軌道交通車輛司機室是司乘人員執行列車駕駛控制的工作環境，由于現代電子科學技術飛速發展，車載電子設備日益繁多，導致人機之間信息交流量隨之快速增長，迫使列車司機接收儀表儀器等信息的工作負荷日趨繁重。在與封閉的司機室內，列車司機獲取信息基本通過監測儀表顯示器，但作為人機接口的控制系統和儀表長期以來落后于車輛總體設計的發展，再加上軌道交通車輛的發展又不斷提出越來越多的新要求，這就給司機室的布局設計帶來更大的設計困難。綜上所述司機室智能化設計是關系到減輕司機工作負荷和提高產品穩定性、舒適性及人機交互效率的必要課題[1]。目前智慧感知、物聯網、5G 技術、機器視覺等新科技不斷進步與成熟，已開始廣泛應用于汽車、船舶、飛機等交通工具并有效提升了交通工具駕駛艙的人機交互環節，軌道交通車輛可以充分借鑒和應用這些技術，實現車輛司機室的智能化改造和平臺化建設。總的來說，軌道交通車輛司機室自能化研制工作對于減輕司乘人員負荷、提升人機交互效率、奠定國家在下一代軌道交通車輛國際行業地位等方面有著重大意義。當前國內外軌道交通車輛生產企業都尚未實現司機室智能化平臺和相關標準的建立，但相關智能化前沿技術手段已在其它行業的成熟應用案例，因此列車司機室自動化研制可以借鑒汽車、船舶、飛機等領域的方法，即相關研制工作兼具必要性、可行性和國家政策支持，值得軌道交通行業有關企業投入資源支持司機室智能化的有關研制。因此，本文擬針對高鐵司機室智能化發展的研究這一課題展開研究，對高鐵司機室智能化的研制進程進行明確定義，對關鍵的智能技術進行深入分析，對相關技術難點與風險項點進行發掘并提出解決措施。

1 智能化司機室研制進程設計

提到智能化司機室，印入常人腦海的是司機室內交織錯落的儀表盤和連接線，或者是科幻電影中未來高科技汽車里各種酷炫的新科技。智慧列車由車聯網、智能化司機室、自動駕駛三部分組成，其中司機室最重要的特點是舒適、便捷，要求涵蓋人機交互、智能駕駛和智慧感知等功能。智能化司機室中各種功能被有序整合為一套系統，在同一個芯片的控制下協同工作。總的來說，本文將城市軌道交通車輛司機室智能化研制進程分為三階段。

1.1 第一階段：傳統中控平臺

傳統中控平臺代表軌道交通車輛司機室的機械時代，以滿足駕駛和控制為主要目標，而智能化元素僅僅體現在按鍵式的中控臺、機械儀表盤兩個方面。基于傳統中控平臺的司機室無法有效感知外部環境，人機交互環節薄弱，因而司機室的智能化只局限于對列車的操控。

1.2 第二階段：信息化系統集成

信息化系統集成標志著軌道交通車輛的數字化時代，這一階段列車進入智能化、網聯化進程，多元化的傳感器隨之列裝于列車各個部位并將信號傳遞到司機室集中分析、處理。此階段司機室對列車整體情況形成了較強的感知、監測能力，司機室控制系統的數據、信息收集、分析和處理的負荷和要求也隨之提高。而在不影響駕駛安全的情況下如何實現司機對列車全方位情況監測、控制的問題，成為該階段需要解決的最關鍵問題。

1.3 第三階段：智能駕駛集成

此階段是軌道交通車輛實現全自動駕駛、運維后智能化司機室的狀態。此時司機可以完全放手，即將列車的控制權交給AI，智能化司機室將對各種單一功能的產品進行系統化集成，通過AI 智慧服務以及沉浸式的行駛體驗，將司機室打造成一個移動的智能空間。

智能化司機室的這三個研制進程都是基于一定的時代背景，在智能化技術的不斷進步和影響下而逐漸演化和實現的。各階段軌道交通車輛智能化司機室的內涵和外延都不同，司機室的形態也在隨之變化。比如在信息化系統集成階段，隨著司機對舒適度、便捷性等需求的強化，司機室中控臺完成了從多個單一功能的分散式控制屏幕到多屏互聯集中數顯的進化。

現階段智能化司機室正處于信息化集成技術的普及期，部分產品已經初步呈現出智能駕駛的部分特征。既有的軌道列車司機室多基于傳統中控平臺，所用操作臺面全部采用機械按鈕，對光線、聲音、溫度、濕度等司機室環境變量的調控缺乏智能化設計，現有的傳感感知裝置應用簡單、缺乏對各環境變量的智慧感知和實時調控能力，現有的液晶顯示信息裝置采用分屏顯示且未實現信息互聯互通和整車信號共享，對智慧傳感技術等的應用研究不系統、技術應用研究進度滯后，因此有必要對智能化司機室的關鍵技術和難點進行系統分析。

2 智能化司機室關鍵技術研究

軌道交通車輛智能化司機室涵蓋列車狀態監測、環境監測、決策執行系統、駕駛員監測、人機交互系統等多個方面功能。其中，環境監測的實現主營依靠毫米波雷達、激光雷達和攝像頭等專業設備；列車狀態監測則基于智能傳感器、車輛各核心部件監控系統等。駕駛員監測包含駕駛員在崗及離崗檢測、疲勞駕駛檢測和健康狀態監測等[2]。智能化司機室作為新一代車聯網產品，除了注重多方位的安全防護外，還需實現車輛、道路的信息交互和功能互補。既能實時檢測列車狀態，又能時刻監測、維護車輛、人員信息安全的軟件、硬件等將在列車司機室智能化發展進程中起關鍵作用。人機交互部分則涵蓋了車聯網、高級駕駛輔助系統、HUD（抬頭顯示，在行車過程中把列車行駛速度、位置、換道等重要信息直接呈現在司機室擋風玻璃上，使得列車司機在不偏頭、不低頭的情況下就能實時掌控重要的駕駛信息。）、全液晶儀表、車載信息娛樂系統、AR、AI、全息、氛圍燈、智能座椅等方面，還有基于視覺感知、運動感知的交互方式，以及手勢、人像、語音和身份識別等多種功能。

2.1 車聯網與智慧傳感

隨著車聯網、5G 技術和云端的發展，軌道交通車輛車聯網功能日趨豐富。車聯網除了應用于V2V（車與車）、V2R（車與路）、V2P（車與人）等方面，還可應用于設備智慧互聯，如可通過車聯網可實現從車輛啟動掃地機器人、打開空氣凈化器等便捷化的操作，又如司乘人員在電腦端口或手機APP 上調節列車空調、座椅加熱、臥鋪車過道亮燈等功能。如何掌握列車運行的更多數據，以支撐列車智能維護、智能監測診斷、智能控制等模塊，從而提高列車運維管理水平，提升乘客舒適度、列車運營安全性，是軌道交通產業亟待研究的課題[3]。

高速鐵路車輛是司機室智能化難度最大的軌道交通產品，因為整個列車總共包含四萬余零部件、上千個傳感器，且需要實時傳遞海量數據。列車功能豐富、設備繁多、網絡復雜，司機室要實智慧感知就需要對濕度、壓力、電流、溫度等多個方面的實時監測和控制，從而做到安全監測和故障預防，通過大數據來保證車輛的安全性，而這些信息的采集和分析離不開各種專門的傳感器。目前歐洲已經提出發展鐵路車聯網，通過車聯網在線收集、分析和處理車載傳感器和智能設備的信息，我國高鐵信息化與車聯網也在快速推進，作為高鐵運行底層數據的來源，智能傳感器的重要性也日益凸顯[4]。目前國內中國中車以株洲、寧波基地為核心，已形成基于軌道交通智能化控制平臺和智能化集成功率模塊兩大核心，結合互聯網和大數據等信息化技術為列車提供全方位智能化解決方案，初步形成了從智能傳感器研發、制造、測試和應用的完整產業鏈，初步掌握了從列車的承載、動力、走行、制動系統、動態監測等關鍵模塊的傳感、檢測和試驗關鍵技術。但車聯網平臺的搭建仍進展緩慢，現有傳感器的智能化程度還比較低，基本依靠人工分析處理采集到的數據。融入人工智能將是未來的車聯網智能傳感技術的大趨勢，并將推動對列車關鍵模塊的故障自監測和高度自主決策。

2.2 人車交互

傳統人機交互系統（HMI）是列車網絡監控系統（TCMS）的關鍵功能模塊，用來呈現車輛當前的行駛狀態、對異常情況預警、提示故障信息等[5]。目前國內動車項目多采用國外廠家設計，如阿爾斯通、西門子、龐巴迪等。存在設計和維護周期較長，自主應用的可替代性差等弊端。同時設計框架比較單一，只能監視和控制部分子系統，導致交互能力相對較低。

智能化人車交互技術是列車司機室智能化進程的關鍵，智能化司機室將為司機提供更高效更便捷的信息操作和交互方式，從而提升司乘人員的駕乘體驗[6]。智能化司機室本質在于虛擬化操作和信息呈現，即把列車諸如按鍵式操作的機械化操作流程及信號顯示方式實現虛擬化，集成于嵌入式操作系統，形成智能化司機室的統一的人機交互平臺和界面，從而實現諸如液晶儀表增強圖像渲染、GPU 芯片加速視覺信號處理等智能化改造。來自列車控制總線上的各個電子控制單元的信息被匯集于智能化司機室的中控屏集中展示，全液晶中控屏成為具有整車電子系統集成運算能力的智能交互主節點。

語音和手勢交互等技術已經成熟，但未應用到軌道交通車輛。其中手勢識別可以完成一些基本功能的轉換，語音交互則適用于操作更繁瑣的任務控制。語音控制、手勢操作、全息管家等智能化人機交互方式，最終將實現列車、司機、軌道和云端的密切協作和高度統一[7]，司機操作將不局限于傳統的物理按鍵、無需繁瑣的點擊，我們的列車能夠聽懂駕駛員的聲音，意會駕駛員的眼神，例如駕駛員對著列車說一聲，“請半速行駛，啟夜間模式”即可實現列車自動減速和自動調整客車燈帶，使得列車控制快速而便捷。例如基于機器視覺和HUD 虛擬增強的人眼控制的UI 界面，不僅可以在擋風玻璃上投射操作系統的HUD 畫面，而且能通過一套帶有眼球追蹤功能的系統隨著人眼目光轉動來控制畫面上的十字星標隨之轉動，實現在不同界面中的自由切換，最終整個選擇過程都只需要用眼球來控制。如圖1所示。

圖1：人車交互關鍵技術

2.3 智慧感知

列車司機只有在對環境狀況的全面感知的基礎上才能進一步操控列車作出相應的反應，感知技術作為智能駕駛的關鍵技術模塊，其作用就好比列車的眼睛，能夠為列車的自動駕駛、智能運維提供實時的內外部環境狀況[8]。完善的列車環境感知技術以高精度定位為技術基礎，通過多元化的傳感器對周邊物體、天氣因素、行駛路徑、部件安全和司機狀態進行捕捉，實時、準確識別出行駛路徑周邊對行駛安全不穩定因素，完成實時位置的精確定位，從而根據行駛目標、列車狀態和途中情況規劃行車路線、修正駕駛狀態，指導行駛過程中車速調節、車距保持、換道等操作過程。車載傳感器是環境感知技術最為重要的實現設備，通過視覺傳感器、紅外傳感器、激光雷達、GPS 定位傳感器等多元化的傳感器組合，可隨著車輛行駛狀態的不同自動調整、捕捉列車輪緣于軌道、車體周圍、車頂受電弓與接觸網等多個關鍵位置的視覺圖像或重要信號，最后匯聚到中央控制顯示屏幕上，從而通過多個維度輔助司機實時地、全面地監控列車關鍵信息、對列車四周情況擁有最佳觀察視野。如圖2所示。

圖2：智能傳感技術

2.4 安全控制

智能化司機室將實現對列車和司機安全監測的兼顧。一方面，通過指紋解鎖、眼球跟蹤、人臉面部識別等生物識別技術，來解鎖車輛中的部分功能，協助對司機、乘務員和維保等人員的權限進行區分和管理，提升列車控制的安全性[9]。另一方面，通過智能設備根據對用戶狀態的判斷做出相應數據分析，例如座椅是駕駛環節中最不能缺少或最直接感覺駕駛員意圖的工具，將其安裝呼吸監測模塊、人體紅外感應模塊、溫度檢測模塊等生物傳感器來實時獲取身體信息等功能如心率、血液流動、甚至可以輔以人臉識別技術來判斷司機是否飲酒或疲勞駕駛；當傳感器檢測到數據異常時會提醒駕駛者或通過列車調度中心進行監管。

2.5 多屏駕駛和多屏互聯

全液晶儀表盤的發展和全面應用是司機室智能化的必經之路，一機多屏（中控屏+HUD+液晶儀表等）駕駛正在重新定義人機交互，在近年屏幕仍然會是很重要的顯示窗口，同事它將逐漸成為人機交互的體驗核心，但是多塊屏幕是否構成相互干擾、能否按需顯示、是否能通過輕觸屏幕或語音交互喚醒，仍有待進一步探索。在控制屏幕研制方面，“一芯多屏”的一體化設計將成為主要趨勢[10]。可通過連接技術的轉換，將某塊屏幕上的局部信息傳遞至另一屏幕上顯示，完成數據互通共享，實現快速響應和多屏聯動。選擇一體化屏幕顯示時，可根據功能進行分區，比如分為左右兩部分，屏幕左側專門用于駕駛信息顯示及輔助駕駛控制，屏幕右側用于列車整車情況智慧感知和核心部件運營監控等。而在未來，無屏顯示技術如HUD、全息、智能玻璃等將是發展趨勢。“一芯多屏”的方案不僅可以解決成本和軟件問題，而且能適應更加個性化和智能化的需求[11]；不僅能通過中控建立一個信息傳輸通道，還能從一個統一的“大腦”建立一個大數據網絡通道，從而實現各部分功能的交互和信息的暢通。如圖3所示。

圖3：“一芯多屏”駕駛技術

3 智能化進程風險項點

我國軌道交通車輛司機室智能化研制，存在技術渠道不足、投入大而成效慢、知識產權等方面風險，充分識別風險項點并制定有效應對措施，才能保障司機室智能化進程穩步推進。

3.1 高精尖技術渠道不足的風險

目前國內軌道交通整車企業在智能化平臺搭建方面尚在起步階段，對物聯網、人機交互、智慧感知等新技術應用的缺乏經驗，造成司機室智能化設計制造項目缺乏標準、資質和相關經驗。為應對新技術渠道不足的風險，建議國內軌道交通整車企業增強與智能化平臺和智能化項目經驗豐富的汽車企業、船舶企業的交流，并充分發揮產學研的協同創新能力，同時加強與智能化技術實力強的中小企業的溝通協作，彌補軌道交通領域智能化技術發展的代溝。

3.2 國際知識產權侵權糾紛風險

考慮到國產軌道交通車輛司機室項目涉及的智能技術種類繁多且很多關鍵技術都未實現國內完全自主知識產權，因此在項目推動過程中，所需的裝備和技術面臨外國公司“卡脖子”的風險，并有較大幾率涉嫌國際知識產權糾紛。因此建議軌交企業加強知識管理與標準化建設，聘請國際項目法律事務服務經驗豐富的專業律所排查項目所需關鍵技術的知識產權有關問題，在項目全面啟動前充分識別與外國企業專利技術知識產權糾紛風險。

3.3 投入高產出慢資源分散風險

司機室智能化設計制造項目不同于一般新車型的設計制造，涉及的新技術較多，實現的難度較大，缺乏執行標準和經驗，而且智能技術和智能裝備的投資占比高、試驗周期更長，存在項目投入高而產出慢的風險。若不能整合行業資源，各自為戰，將造成財力、人力和技術資源分散而無法形成合力。考慮到司機室智能化項目對于奠定國內軌道交通產業下一步在全世界軌道交通產業中的行業地位和市場競爭力至關重要，建議投入比普通新車型項目雙倍的資源、規劃更長的項目周期，建議匯集整個國內軌道交通行業的專家團隊和骨干力量，集中優勢力量確保國內高速鐵路車輛司機室智能化進程穩步推進、取得有效進展。

4 結語

總的來說，情境交互框架、語音多引擎框架、多模態交互融合、機器視覺、360 度全景增強輔助駕駛、車+互聯開放平臺等智能模塊的引入，將促使軌道交通車輛司機室朝著安全舒適、智能化方向不斷發展，極大地提升我國軌道交通產業在全球的行業地位和在國際市場的核心競爭力。因此建議由國家工業和信息化部統籌、國內軌道交通整車企業牽頭并由相關科研院所全力支持，成立專家委員會，集中優勢資源充分支持司機室智能化項目的推進，并以此為基礎逐步推廣到整車智能化設計制造。并且在司機室智能化設計過程中，我們既要考慮司機室顏值還要注重司乘體驗，同時要注重安全可靠，系統內要實現“一芯多屏”的互聯互通，并且有效區分不同功能模塊的安全等級，通過有序、有區分等級的集成保障系統的安全性和穩定性，有力確保項目的成功落地。