全自動無人駕駛系統(tǒng)遠程控制方案研究

張 琛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

目前，全自動無人駕駛線路已經(jīng)成為我國城市軌道交通建設(shè)的新主流方向。 2020年至2021年初，上海軌道交通15號線、18號線，以及成都地鐵9號線等多條無人值守的列車運行GoA(Grade of Automation，自動化等級)4級線路相繼開通,而蘇州、深圳及鄭州等城市的GoA 4級全自動無人駕駛線路也在建設(shè)中。全自動無人駕駛技術(shù)憑借高度自動化、智能化、高效率、高可靠性等優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)駕駛。

但是，由于全自動無人駕駛線路的列車不再配置司機，一旦出現(xiàn)了車載信號故障或車輛設(shè)備故障，如何通過一定的手段快速消除故障恢復(fù)正常運營，便成了亟待解決的問題。通過控制中心遠程復(fù)位故障設(shè)備，或遠程輔助因故障而降級運行的列車恢復(fù)無人駕駛模式,是最快解決以上問題的方式。當(dāng)然這還需要一定的技術(shù)手段以保證安全性。

本文將從典型故障[2]入手，深入研究全自動無人駕駛線路的遠程控制方案。

1 全自動無人駕駛系統(tǒng)的典型故障

1.1 車輛設(shè)備故障

車輛設(shè)備發(fā)生的故障較多，有些故障將直接影響列車的安全運行。此類故障包括車門故障、輔助系統(tǒng)故障、列車網(wǎng)絡(luò)故障、牽引系統(tǒng)故障、供電故障、受電弓故障、客室照明故障、空調(diào)故障、制動故障、廣播故障及逃生門故障等。

1.2 信號設(shè)備故障

某些信號設(shè)備發(fā)生故障，尤其是信號系統(tǒng)冗余設(shè)備也完全發(fā)生故障，將導(dǎo)致列車無法運行。對于冗余設(shè)備而言，其單套設(shè)備發(fā)生故障時，信號系統(tǒng)會有明顯的告警，這時如果能通過遠程復(fù)位的方式成功重啟故障設(shè)備，則會有效地解決問題。

信號設(shè)備的典型故障包括車載信號設(shè)備故障、軌旁聯(lián)鎖故障、軌旁區(qū)域控制器故障、軌旁線路控制器故障及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障等。其中，車載信號設(shè)備故障的情況較特殊。車載信號設(shè)備直接控制列車運行，其發(fā)生故障后，如果列車無法提供位置信息，就無法獲得有效的移動授權(quán)，此時，即使車載信號設(shè)備已排除故障恢復(fù)正常，列車也依然無法運行。

2 全自動運行系統(tǒng)的遠程控制方式

為了盡快恢復(fù)故障設(shè)備功能，需要開發(fā)相應(yīng)的遠程控制方式，才能在全自動無人駕駛線路中有效、快速地解決問題。基于典型故障的需求分析，全自動運行系統(tǒng)應(yīng)具備的遠程控制方式包括車輛設(shè)備遠程復(fù)位、信號設(shè)備遠程復(fù)位及車輛遠程輔助駕駛[1]。

2.1 車輛設(shè)備遠程復(fù)位

車輛設(shè)備的遠程復(fù)位應(yīng)由控制中心下達復(fù)位命令，且復(fù)位命令需滿足安全等級要求。故車輛設(shè)備遠程復(fù)位命令的傳輸路徑如圖1所示：對于安全相關(guān)的命令須在安全協(xié)議的防護下，先由控制中心ATS (列車自動監(jiān)控系統(tǒng))將復(fù)位命令下達到車載控制器，再由車載控制器通過TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))轉(zhuǎn)發(fā)到車輛；對于非安全相關(guān)的命令可由控制中心車輛調(diào)度工作站直接下發(fā)至車輛。

圖1 車輛遠程控制命令傳輸路徑

建議的車輛遠程控制命令如表1所示。

表1 車輛遠程控制命令列表

2.2 信號設(shè)備遠程復(fù)位

2.2.1 信號設(shè)備遠程復(fù)位設(shè)計

信號設(shè)備遠程復(fù)位所采用的遠程控制系統(tǒng)主要包括遠程控制操作終端、遠程控制服務(wù)器和遠程控制硬件，如圖2所示。

圖2 遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 雙套軟硬件設(shè)計

基于地鐵項目中的高可靠性需求，遠程控制系統(tǒng)采用雙套軟硬件設(shè)計，并保證冗余設(shè)備的獨立性。在外部輸入命令控制設(shè)備的情況下，冗余設(shè)備的輸出控制邏輯必須一致，以保證遠程控制系統(tǒng)的準確性、可靠性。否則，控制命令視為無效操作。

在雙套軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，遠程控制系統(tǒng)構(gòu)建各自獨立的2路通信鏈路，以保證信息傳輸?shù)莫毩⑿浴?/p>

遠程控制服務(wù)器采用雙機熱備方式，即使1臺服務(wù)器失效，另外1臺服務(wù)器也能夠維持遠程控制系統(tǒng)正常工作。

2.2.3 操作機制

為保證信號設(shè)備在復(fù)位過程中仍能夠正常工作，作出如下規(guī)定：

1) 如同一部信號設(shè)備采用A、B機主備配置，則無論何種情況下，主備機不能同時復(fù)位，只能控制復(fù)位其中1臺；

2) 在滿足條件1)的情況下，可以控制斷開多部不同信號設(shè)備的電源；

3) 在多部設(shè)備的復(fù)位命令同時下發(fā)時，不能一次命令下發(fā)包括多個設(shè)備的控制命令，必須按照設(shè)備分別逐條下發(fā)復(fù)位命令，圖3為遠程控制系統(tǒng)的操作機制。

圖3 操作機制原理圖

具體操作流程為：

1) 控制中心操作人員在遠程控制終端A機上執(zhí)行復(fù)位控制命令。

2) 該命令通過遠程控制操作終端發(fā)送至遠程控制服務(wù)器。

3) 遠程控制服務(wù)器通過規(guī)定的通信協(xié)議發(fā)送控制命令至遠程控制硬件A。

4) 遠程控制硬件A收到該控制命令后，生成隨機命令校驗碼。遠程控制硬件A將命令校驗碼分別發(fā)送至遠程控制硬件B和沿原通道發(fā)送至遠程控制操作終端A機上。當(dāng)校驗碼傳輸?shù)竭h程控制服務(wù)器時，服務(wù)器會完成校驗碼和源控制命令的校驗，以確保校驗碼和控制命令相符。如果校驗不通過，則服務(wù)器丟棄該控制命令校驗碼并給出提示信息。

5) 控制中心操作人員可直觀地獲取該命令校驗碼。

6) 控制中心操作人員在遠程控制終端B機上執(zhí)行復(fù)位控制命令，同時還需要手動輸入從A機獲得的命令校驗碼。

7) 該復(fù)位控制命令通過遠程控制服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至遠程控制硬件B。遠程控制服務(wù)器收到校驗碼和控制命令后，需要同終端A發(fā)出控制命令后所獲取的命令校驗碼進行對比。對比通過才能繼續(xù)執(zhí)行；如不通過，則服務(wù)器丟棄操作終端B發(fā)送的控制命令。

8) 遠程控制硬件B將遠程控制終端B機和遠程控制硬件A生成的命令校驗碼進行對比。如對比結(jié)果一致，那么遠程控制硬件A、B同時執(zhí)行命令；如不一致，則命令控制器A、B丟棄控制命令。

9) 遠程控制硬件A和遠程控制硬件B收到命令后允許有一定的延時處理。如果二者收到命令的時間間隔超過設(shè)定值，則丟棄控制命令。

2.3 車輛遠程輔助駕駛

要實現(xiàn)車輛遠程輔助駕駛，需要車載設(shè)備遠程重啟和遠程輔助駕駛相結(jié)合。車載設(shè)備遠程重啟的實現(xiàn)過程見圖4[3]。

圖4 車載設(shè)備遠程重啟的實現(xiàn)過程示意圖

由控制中心先分別向列車兩端的車載控制器下發(fā)重啟命令；任何1個可用的車載控制器收到有效的重啟命令后，完成自身和另外一端車載設(shè)備的重啟操作；待車載設(shè)備重啟成功后，由于沒有有效定位，列車處于待命狀態(tài)，控制中心可以設(shè)置列車進入遠程輔助駕駛模式；通過遠程輔助駕駛，使列車獲得有效的定位，進而升級為無人駕駛模式。

當(dāng)遠程輔助駕駛模式激活時，由于列車無具體定位，故其防護區(qū)域需要覆蓋整個計軸區(qū)段(見圖5)。當(dāng)信號系統(tǒng)判斷其運行前方進路建立后，區(qū)域控制器根據(jù)列車運行前方線路條件計算列車的移動授權(quán)。

圖5 無定位列車防護原則

以上條件滿足后，列車可以用遠程輔助駕駛模式自動低速行車；在列車讀取軌旁信標后，便可獲得具體位置，此時列車可自動升級為全自動運行模式運行。

3 結(jié)語

全自動無人駕駛系統(tǒng)雖具有高度的自動化、智能化、效率高等諸多優(yōu)點，但在故障情況下實現(xiàn)快速恢復(fù)正常，面臨較大挑戰(zhàn)。而遠程控制技術(shù)的應(yīng)用，可以有效解決這一難題。本文基于全自動運行系統(tǒng)的故障，從車輛設(shè)備遠程復(fù)位、信號設(shè)備遠程復(fù)位及列車遠程輔助駕駛?cè)矫妫瑢θ詣訜o人駕駛的遠程控制方案進行研究。