全自动无人驾驶模式下系统功能与场景分析*

郑 伟

全自动无人驾驶模式下系统功能与场景分析*

郑 伟

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，100081，北京∥助理研究员）

全自动无人驾驶系统作为目前集成化、自动化程度最高的列车运行系统,能够更好地适应高密度、大客流的运营需求，代表了城市轨道交通领域的发展方向。通过全自动无人驾驶系统与传统有人驾驶系统的比较,阐述了全自动无人驾驶列车的功能和特点，并对其特有功能和场景进行分析和研究，为全自动无人驾驶系统的应用提供参考和建议。

城市轨道交通；全自动无人驾驶；功能分析

随着科学技术的发展以及城市轨道交通自动化水平的不断提高,全自动无人驾驶系统已在世界很多城市的轨道交通中得到了成功实践和应用。目前，国内外如哥本哈根、巴黎、温哥华、香港、上海、北京等城市的全自动无人驾驶列车已正式投入运行，而且还有越来越多的在建城市轨道交通项目选择了全自动无人驾驶系统。

虽然国内全自动无人驾驶技术发展起步较晚，但是伴随近十余年国内城市轨道交通事业的蓬勃发展，车辆、信号、通信、综合监控等相关技术的不断进步和完善，以及系统集成技术的迅速发展，国内的全自动无人驾驶技术也将进入蓬勃发展阶段，并将在我国城市轨道交通中得到更多的应用。

1 全自动无人驾驶

1.1 概念与特点

列车无人值守的全自动无人驾驶（UTO）是指列车上无需司机进行驾驶，而是由系统实现列车的自动驾驶和防护，并具有自动化等级为GOA4的列车自动驾驶模式。它主要依靠高可靠性和安全性的信号系统（列车自动控制系统）进行列车控制，并利用高可靠性、大容量的通信系统，将列车信息与控制中心进行实时交互；控制中心人员结合综合监控系统信息，依靠人工监视与干预机制来确保系统的正常运行。该系统具有如下优点：①系统集成化、自动化水平高，行车间隔小；②系统具有安全性和可靠性高的特点；③由于采用无人驾驶，避免了人为误操作，降低了人员成本。

1.2 与其他自动驾驶模式的比较

列车的自动驾驶模式可以分为3种：有人驾驶的列车自动运行（STO，自动化等级为GOA2）模式、有人监督的无人驾驶（DTO，自动化等级为GOA3）模式、UTO模式。目前，国内地铁线路通常采用的是自动化等级为GOA2的有人驾驶的列车自动运行模式。

表1为3个自动化等级的自动驾驶模式所对应的列车运行基本功能对比。从表1中可以看出，UTO模式在整个运行过程中都无需人员参与操作，能够实现列车的自动投入或退出运营，实现自动发车、监督上下客等作业；此外，UTO还能够实现远程控制、自动调车、自动洗车等功能。而传统的STO模式需要司机驾驶列车投入和退出运营，司机确认列车自动运行发车，并监督上、下客等作业。同时，UTO模式还增加了监测火灾、脱轨、前方障碍物等功能，极大地提高了系统的故障诊断能力，从而最大限度地保障了人员安全。对于设备故障和紧急情况的处理，UTO与STO的区别就是将原来司机的工作转移给运行控制中心（OCC）或站务人员处理，不再存在传统意义上的司机，而是将运营和维护统一起来，故对维护人员提出了更高的要求。

表1 3个自动化等级的自动驾驶模式对应的列车运行基本功能对比

2 列车运行系统功能

2.1 唤醒与休眠

2.1.1 唤醒

每天早上投入运营前，OCC会根据运行时刻表提前对即将投入运营的车辆进行高、低压上电，并进行唤醒操作；车载收到唤醒命令后，车辆和车载控制器（VOBC）首先进行上电自检操作，车辆将通过列车监控管理系统（TCMS）将车辆自检结果发送给VOBC，VOBC会将自身的自检结果和车辆的自检结果汇总报告给OCC。

如果自检成功，列车满足静、动态测试条件，VOBC向轨旁区域控制器（ZC）申请列车静态测试和动态测试授权，获得授权后，由VOBC发起、车辆配合，进行列车静、动态测试。如果测试成功，VOBC将向OCC汇报唤醒成功；如果自检失败或不满足测试条件，将不进行列车静、动态测试，则列车唤醒失败。如果列车静态或动态测试过程中，某一项测试失败，均将中止执行下一步，并向OCC汇报列车唤醒失败。如果列车唤醒失败，则需要进行人工干预。具体唤醒流程如图1所示。

图1 列车运行系统唤醒流程图

2.1.2 休眠

列车退出正线运行，返回停车库或正线存车线，OCC会根据VOBC实时发送的当前列车状态，判断列车是否具备休眠条件，自动或人工向VOBC发送休眠命令；VOBC收到命令后，通过与车辆TCMS进行交互，最后将休眠结果反馈给OCC。

同时，司机也可以按压休眠按钮人工进行休眠。当TCMS和VOBC采集到休眠按钮被按压后，将分别执行休眠操作，并将休眠结果反馈给OCC。

以下情况VOBC、TCMS不应该执行休眠操作：①钥匙有效时，应先提示关闭钥匙，钥匙关闭前不执行休眠；②VOBC判断自身发生重大故障时，将不能给出休眠允许；③车辆通过TCMS向VOBC汇报车辆存在重大故障时，将不能给出休眠允许。

2.2 站台区域控制

2.2.1 停站控制

列车以无人驾驶模式满足进站条件后，进行对标停车控制：①如果自动停在停车窗内，VOBC向OCC汇报停稳信息；②如果欠标超过5 m时，VOBC向OCC报警，并继续运行进行对标停车；③如果欠标或冲标未超过5 m，VOBC向OCC汇报未停稳信息，并以向前或向后跳跃方式进行对标调整，向前或向后可多次进行跳跃动作；④ 如果冲标超过5 m时，VOBC直接越过本站运行至下一站，向OCC报警，并通过车载乘客信息系统（PIS）向列车乘客进行广播。

2.2.2 车门、安全门控制

如果列车有个别车门有故障现象，车辆TCMS会将故障信息报告给VOBC；VOBC将车门状态信息发送给与之通信的计算机联锁（CBI）系统，同时汇报给OCC；CBI系统将信息发送给对应站台的站台门系统，然后站台门系统将对应的站台门进行对位隔离，列车停站开关门时，故障的车门和对应站台门将不参与开关门动作。如果某个站台有个别站台门有故障现象，站台门系统会将故障信息发送给CBI系统；CBI系统将站台门信息发送给即将进站的VOBC，同时汇报给OCC；VOBC会将站台门信息发送给车辆TCMS，然后车辆TCMS将对应的车门进行对位隔离，列车停站开关门时，故障的站台门和对应车门将不参与开关门动作。具体车门和站台门的状态信息传递流程图如图2所示。

图2 车门/站台门状态信息传递流程

2.2.3 再关门控制

当列车停站时，车辆进行关门操作，若开、关车门3次后仍未成功关闭，车辆将通过TCMS给VOBC反馈进入防夹状态；站台人员确认可以关门后，按压站台关门按钮，由CBI系统通知VOBC输出关车门和站台门命令。

2.3 远程控制功能

2.3.1 远程触发紧急制动及制动缓解

为了应对紧急情况，OCC应该能够对全自动无人驾驶列车发送紧急制动指令，使列车紧急停车；也可以远程将导致紧急制动的条件恢复，远程缓解紧急制动。

2.3.2 视频与广播

列车每节车厢和司机室内、外需安置摄像头，用于监控客室内、司机室和前方隧道情况。一旦出现紧急情况，视频监控系统能够即时将视频切换至事发地点，为乘客和OCC工作人员提供即时的现场信息，便于相关紧急情况的处理。OCC通过地面无线中心将广播信息发送给车载无线单元，列车广播系统根据车载无线单元的广播信息，实时进行列车广播。

2.3.3 其他功能

OCC还具有远程控制客室照明的打开与关闭、远程监测列车状态等功能。

2.4 紧急情况处理

2.4.1 紧急手柄与紧急呼叫

为了应对客室中的紧急事件，在每个客室内设置一个紧急手柄，乘客可以在紧急情况下拉下该手柄。一旦手柄被拉下，车辆TCMS和VOBC都将施加紧急制动命令，使列车停车。同时客室内还设置紧急对讲装置，允许乘客请求与OCC进行实时通信。

2.4.2 火灾报警系统

全自动无人驾驶列车配备火灾报警系统,当发生火灾时车辆向VOBC提供火灾报警信息；VOBC将火灾报警信息上报至OCC，OCC通过CCTV确认现场火灾情况。当车站发生火灾时，车站火灾报警系统将车站的火灾报警信息传送给OCC，OCC进行火灾确认。当火灾被确认后，将向乘客进行广播，并采取相应措施，对乘客进行救援和疏散。

2.4.3 蠕动模式与雨雪模式

当VOBC与车辆TCMS网络间或车辆网络出现故障，或者牵引制动反馈异常等情况但制动硬线未报故障时，列车将向OCC申请进入蠕动模式。蠕动模式是列车限速运行（如25 km/h）的一种后备运行模式。当OCC确认列车进入蠕动模式后，列车将在列车自动防护（ATP）系统的监督下运行进入站台停车，等待司机上车进行救援；如果VOBC与车辆TCMS间通信中断且制动硬线上报故障时，VOBC将向OCC申请救援。

雨雪模式是指当列车运行于雨雪等导致列车牵引力和制动力下降的工况下，信号系统采用的特殊控制模式。该模式下VOBC会限制最大牵引和最大制动的输出，从而尽量防止空转打滑及按照限制的牵引和制动进行列车运行控制。OCC可以对全自动无人驾驶列车设置雨雪模式，并根据天气情况为全线设置临时限速，从而更好地保证特殊天气情况下列车的运行安全。

3 技术难点

（1）全自动无人驾驶模式下，列车运行几乎全部依靠列车运行系统进行控制和驾驶，因此对系统的可靠性、安全性以及冗余性提出了更高要求，并且车地间需要能够实现稳定双向、大容量通信，以保证车载与轨旁、OCC间进行实时通信。

（2）由于全自动无人驾驶列车，车上无司机进行驾驶，一旦设备出现故障或突发事件，需要列车运行系统能够在保证安全的情况下，高效和快速地对故障和突发事件进行反应，这同时也要求运营方有完备的运营规则和高素质的运维人员进行应急处理。

（3）对于列车前方障碍物的探测和预警以及特殊区域（如站台区域）的人员安全防护，也还需要作进一步研究；系统出现涉及安全的故障后，如何排除安全风险并保证运营，还需进一步摸索和探讨。

（4）与传统的有人驾驶系统相比，全自动无人驾驶系统是一个高度集成化的系统，因此为确保整个系统能够安全、可靠运行，需要进行大量的系统间的联合调试以及救援、应急疏散等联合演练，并进行长时间的不载客试运行，以验证整个系统的可靠性和安全性，并且建议在运营初期安排司机在列车上进行紧急事件处理。

4 结语

全自动无人驾驶系统是高集成化、高自动化的系统，能够适应现代地铁高密度、大客流的运营需求，避免了人为操作造成的不利因素，降低了安全风险。但由于我国对于全自动无人驾驶技术的研究起步较晚，尚无国产化的系统投入运营，所以应该充分借鉴已开通全自动无人驾驶系统的线路运营和调试经验，针对国内地铁线路的特点，加快全自动无人驾驶技术的国产化开发。

［1］ British Standards Institution.Railway applications—Urban guided transport management and command/control systems：Part1：System principles and fundamental concepts：EN 62290-1［S］.London：BSI Standards Limited，2014：16-19.

［2］ 王日凡．全自动无人驾驶系统——全新理念的城市轨道交通模式［J］．城市轨道交通研究，2006（8）：l．

［3］ 朱蓓玲，宋键.全自动无人驾驶车辆功能与特点［J］．地下工程与隧道，2005（4）：33.

［4］ 张海涛，梁汝军.地铁列车全自动无人驾驶系统方案［J］．城市轨道交通研究，2015（5）：33.

Analysis of the Function and Scene of Train Operation in Full Unattended Mode

ZHENG Wei

Representing the highest level of integrated and automatic train operation system，the full unattended train operation system can meet better the demands for high density and large flow of passengers，lead the development direction of urban rail transit.With a comparison between the unattended train operation system and the traditional driving system，the functions and features of the former are explained,the specific functions and scenes of which are analyzed.This study provides reference and advice to the application of unattended train operation system.

urban rail transit；full unattended train operation；functional analysis

U284.48

10.16037/j.1007-869x.2017.11.024

Author′s address CARS Signal&Communication Research Institute，100081，Beijing，China

*中国铁道科学研究院基金项目（2016YJ053）

2016-09-06）