實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：我國城市軌道交通近年來得到快速的發展，已經逐步成為了公共軌道交通中的骨干力量，伴隨著自動化程度的日益增高，列車自主駕駛是軌道交通發展的方向。本文簡要回顧了軌道交通自動駕駛的發展歷程，描述了列車自主駕駛系統的主要需求及難點，提出了采用航天多模冗余技術的實用化高可靠自主駕駛技術方案，描述了自主駕駛軌道交通裝備的體系架構圖，最后對該模式加以分析，對構建適合城市軌道交通發展的自主性駕駛軌道交通裝備技術體系提供了有利的支撐。以節能環保、安全舒適、經濟效益優為目標的大背景環境下，軌道交通自動駕駛系統正在逐步替代司乘人員的工作，該實用化裝備體系在未來將會發揮重要的作用。

關鍵詞：軌道交通? 自主駕駛? 裝備體系? 多模冗余技術

中圖分類號：U239.5 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

軌道交通具有大運量、安全舒適、經濟省地、速達準時、節能環保等技術經濟優勢，可有效緩解道路擁堵，正在成為公共交通的骨干力量。隨著控制設備的自動化、智能化程度不斷提高，軌道交通自動駕駛系統正在逐步替代司乘人員的工作。國際公共交通協會（UITP）將軌道交通運行的自動化水平GoA（Grades of Automation）劃分為5級[1]，如表 1所示。

其中，GoA4是完全無人監督的自動駕駛階段，被稱為UTO（Unattended Train Operation）模式，軌道交通自主駕駛系統可自行完成列車啟動、停車、設備管理、突發情況應對等所有工作，無需任何人員參與其中。自主駕駛是軌道交通發展的方向[2-3]。列車自主駕駛技術是軌道交通裝備領域的研究熱點之一。

1? 軌道交通裝備自動駕駛技術的發展

1926年英國開始進行無人駕駛地鐵列車的試驗[4]。此后，英國開展了一系列軌道交通自動駕駛的試驗項目，并與1964年開始進行自動駕駛列車與有人駕駛列車在同一線路進行混跑的運行試驗。德國的軌道交通的自動駕駛試驗是從1928年開始的，在克魯姆蘭克站附近，自動駕駛系統被疊加在既有的信號閉塞系統之上，干預列車的運行，但列車上有專人負責站臺發車和車門的控制[5]。美國的紐約時代廣場至中央火車站擺渡線被認為是首條載客的自動化地鐵線，1962年正式開始載客運營。擺渡線路采用環形設計，整個線路具備列車自動發車、區間自動調速、到站自動停車和車門自動開關等功能，實現了列車正線運行過程自動化[6]。

20世紀80年代，軌道交通的全自動駕駛技術開始迅速發展。1981年，日本開通自動導向運輸AGT（Automatic Guided Transit）神戶港島線，采用側軌導向技術，實現列車運行過程全自動化，被認為是首條真正意義上的GoA4線路[7]。1983年，法國開通全自動輕軌地鐵系統Lille1號線，采用全自動捷運系統VAL（Véhicule Automatique Léger）和膠輪路軌系統，成本低，站臺短，發車間隔縮短到60s。加拿大溫哥華1985年開通Expo線，采用了ART（Advanced Rapid Transit）系統，其車載設備和地面子系統間通過環線進行雙向數據傳輸，運行的自動化水平達到GoA4級。軌道交通移動閉塞技術和基于通信的列車控制技術都在該線路上得到了首次應用。2008年，中國北京的機場快軌線開通，連接北京首都機場與東直門，采用了ART系統。我國軌道交通的自動駕駛技術研究起步相對較晚，國內現行運行的軌道交通系統自動化設備國產化率較低，大多數設備都是從國外引進，如圖1所示。

2? 軌道交通自主駕駛的主要需求及難點分析

自主駕駛列車需要具備車載信號系統自動喚醒、車庫門自動運行、列車自動出入場段、自動停車、自動折返、車輛動態測試和全自動洗車等功能[8-9]。列車需通過車載傳感器感知運行環境，獲取車輛位置、乘客信息、車輛工作狀態和障礙物信息，自主完成列車運行任務。采用自主駕駛系統的目標就是把司乘人員的工作全部交由自主駕駛系統來承擔。因此，自主駕駛軌道交通的設計應滿足下列要求：

（1）列車自主精準定位。目前列車的定位系統主要依賴于軌旁設備。自主駕駛軌道交通需要擺脫目前列車定位嚴重依賴于軌旁設備和區域性地面設備的車輛定位方案，實現列車高精度、高可靠的自主定位。

（2）列車運行主動避障。障礙物識別技術是保障列車安全運行的關鍵技術之一。只有在車輛上配備障礙物自動檢測系統，主動發現軌道上的障礙物，自主決定如何操作可以有效避開障礙物，替代傳統司機值守的功能，才能稱為真正意義上的自主駕駛。

（3）列車自主安全運行。列車自主運行時，由于沒有司乘人員參與，采用可靠的安全防護系統是非常必要的。比如，列車進站上下乘客時，傳統地鐵列車大多數采用的是人工檢測，在車尾安裝瞭望燈帶，列車發車前由司機觀察燈帶是否完整來判斷站臺門和列車門之間是否存在異物。當列車自主運行時，站臺門和列車門之間的異物就需要采用自動檢測的方法，并且檢測的結果需要和信號系統進行聯動。如果有異物，就要預警，并禁止發車，直到異常情況消除。

（4）列車運維智能化。通過多源傳感器信息融合技術實現列車多維度狀態的全面實時監控、工作狀態自感知、運行故障自診斷、導向安全自決策，為智能診斷、安全監控和運行維護提供數據支持。研發故障預測及監控管理（PHM）系統，通過列車狀態信息的實時處理和與歷史數據的對比分析處理，基于大數據分析和服役性能預測，提前發現和處理潛在故障，最大程度地降低因故障導致的停運維修，提升列車的運行安全性和運維經濟性。

3? 采用航天多模冗余技術的實用化高可靠自主駕駛技術

航天產品具有高可靠的特性，將航天產品的多模冗余設計技術應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 基于弱耦合關系下的多源定位信息多裕度系統架構設計技術

軌道交通涉及公共安全和人身安全，其運行安全性和可靠性尤為重要。作為軌道交通運行位置的感知、檢測、匯總、上報的自主駕駛系統，上報的位置精度、準確度以及通訊鏈路的實時性和可靠性是影響列車自動駕駛成敗的關鍵因素之一。

為了確保軌道交通在一度故障下列車可降級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的系統架構;同時為防止多模冗余系統中共因失效導致整個系統工作異常的問題，采用了差異化設計的思路，選用慣性導航、視覺定位、雷達避障等不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位設備造成的共因失效。此外，為了避免定位精度在系統內傳遞過程中出現逐次放大的問題，自主駕駛系統采用一種基于列車運行全過程定位任務劃分的多源定位信息弱耦合技術，減少各源定位數據的相互交聯，逐層解耦、頂端融合，防止定位精度傳遞過程中的放大問題以及下級設備失效對上級設備定位精度的影響。

3.2 高精度系統時鐘同步及多源數據處理技術

自主駕駛系統內部采用的總線形式為“命令應答式”，即作為頂層設備的時鐘同步及數據處理設備以額定時間間隔依次向多源傳感器設備發送命令字，各終端設備依次上報“當前”檢測的列車狀態數據，時鐘同步及數據處理設備對多源定位信息數據進行融合并上報車載ATP。在軌道交通運行的情況下，若多裕度時鐘同步及數據處理設備在進行定位信息采集時，每個裕度發送的命令字時刻不統一，則得到的列車狀態數據必然離散，所進行的后續融合處理必然毫無意義。因此，確保多裕度的時鐘同步及數據處理設備在發送命令時處于絕對的“相同”時刻。

3.3 基于自修正技術的慣性導航高精度自主定位技術

慣性導航技術是航天產品中最普遍采用的定位導航技術，但高精度的慣性導航產品價格昂貴，在民用產品中很少采用。根據軌道交通的實際應用場景，采用相對物美價廉的一般精度慣導產品，充分利用地鐵列車實際運行工況，解決一般精度慣性導航的零速檢測修正技術、運動約束修正技術等，進而實現一種基于慣性導航為主的地鐵列車自主定位系統，可在無任何輔助導航情況下，實現高精度定位，是自主駕駛的關鍵技術之一。

3.4 基于邊界特征提取的障礙物辨識技術

地鐵路況除常見的直道外，還會出現彎道、坡道、岔道、地上等多種路況。探障雷達的發射波是朝向正前方的，因此需要對非軌道上的目標進行辨別并濾除。在隧道內，可對墻面進行信息提取，而在地上，則需對軌道線進行提取，將位于正前方但不在軌道上的目標，和不在正前方的障礙物進行辨別，避免上報虛警。

4? 相互協同與支撐的自主駕駛軌道交通裝備體系架構

自主駕駛軌道交通一般都涉及車輛、站臺、運營、信號系統等核心裝備，各裝備之間相互協同與支撐，裝備體系架構如圖2所示。

自主駕駛軌道交通的核心是信號系統，它由列車自動監控子系統（ATS）、列車自動防護子系統（ATP）、列車自動運行子系統（ATO）和計算機聯鎖子系統（CI）等構成，是自主駕駛軌道交通系統的中樞神經。自主駕駛功能的提升是通過對信號系統各子系統的改造升級來實現。自主駕駛系統的ATS除具備傳統的功能外，需要增加車輛故障復位和遠程旁路、遠程清客確認等功能;需要具有對正線與停車場內的信號設備狀態顯示的功能。ATS還應為軌道交通的故障診斷和健康管理提供基礎數據，以便全面準確的掌握列車的運營狀態。

通信系統是自主駕駛軌道交通系統的基礎。通信系統除為信號系統提供實時可靠的通信外，還為CCTV、列車廣播等提供通信通道。LTE-M是基于LTE無線通信技術，根據軌道交通業務需求，為其定制的LTE系統。LET-M系統考慮了軌道交通通信業務可靠性和實時性要求，綜合承載了不同業務和通信設備間互聯互通的需要[10]。

車輛作為自主駕駛軌道交通系統中運輸乘客的載體，其性能和功能的設計優劣直接關系到乘客乘坐的舒適度和自主駕駛功能實現的質量。車輛包括車體、車載牽引系統、CCTV、自主定位系統和障礙物探測系統等。自主定位系統采用多源信息融合定位技術，在不依賴軌旁設備和區域性地面設備的車輛定位方案情況下，實現列車高精度、高可靠的自主定位，實現車輛的自動精準停車。車輛上配備的障礙物探測系統，能主動發現軌道上的障礙物，自主決定如何操作可以有效避開障礙物，實現列車運行的主動避障。

軌道交通中，站臺是乘客集散的場地。站臺門控制是實現自主駕駛的前提條件。據統計，造成軌道交通行車延遲約60%的情況是由于有人進入軌道區或干擾該區域。自主駕駛要求安裝站臺門并對單個站臺門施加精確的控制，防止人員、物體落入軌道區產生意外事故。由于車輛的限界要求，站臺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險，給營運安全帶來隱患，對自主駕駛提出了新的挑戰。為了確保安全，需要在站臺門和車輛之間設置障礙物探測系統，一旦探測系統發現障礙物，站臺門通過車站信號系統將警告信息發送給列車信號系統，將車輛扣在站內，問題排除后列車方可繼續營運[11]。

5? 結語

近年來，中國軌道交通在掌握世界先進技術裝備的基礎上，通過自主創新、正向設計及自主核心技術的掌握，正在向智能化方向發展，全力推進軌道交通自主駕駛，構建適合中國國情的實用化高可靠自主駕駛軌道交通裝備體系。

參考文獻

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