我国智能高铁自动驾驶技术应用进展

李红侠

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

随着我国社会经济的快速发展，高速铁路已成为国民中短途旅客出行首选的交通工具，具有安全、准时、舒适、环保等特点，高铁技术、装备、建设、运营已经达到国际先进水平，部分处于领先水平。面对铁路运输需求的不断增长，增强运输安全保障能力、提升运输服务质量、提高运输效率等需要，铁路需要向智能化方向发展，智能高铁是现代高速铁路的发展方向[1]。推进我国高铁向智能化方向升级发展对于贯彻党的“十九大”报告提出的交通强国战略，实现“交通强国、铁路先行”的目标，支撑经济和社会更好发展，实现全球高铁技术领跑优势的目标具有重大意义。

中国列车运行控制系统[2-5]CTCS(Chinese Train Control System)有两个子系统，即车载子系统和地面子系统，CTCS根据功能要求和设备配置划分应用等级(分为0～4级)，其中目前我国高速铁路建设均采用CTCS-2级或CTCS-3级列控系统，是确保行车安全的基础设备。装备在动车组上的CTCS-2/3级列控车载子系统设备ATP(Automatic Train Protection列车自动防护)能够起到超速防护、保障行车安全的作用，列车的正常驾驶还是依靠司机。司机实时观察车载ATP的DMI(Driver Machine Interface人机界面)显示、动车组状态显示以及运行前方路况，劳动强度大，容易发生人因事故。

列车自动运行/驾驶(Automatic Train Operation)系统是城市轨道交通列车自动控制ATC (Automatic Train Control)系统的子系统之一。ATO可以在ATP的监督下自动控制列车运行[5]，目前也正在成为高铁的一个重要发展方向。实施ATO系统可以减轻司机劳动强度，降低全寿命周期成本，提高列控系统总体性能，能够有效减少因司机疲劳、操作失误、突发疾病等人为因素导致的安全隐患。高铁自动驾驶(ATO)技术既是我国高速铁路技术发展以及确立我国高速铁路整体技术水平国际地位的需要，也是智能高铁系统的关键核心技术之一。

2 运营自动化级别

国际标准按照轨道交通线路自动化程度定义了4层自动化等级GOA(Grade of Automation)，常用自动化程度从低至高依次为GOA1至GOA4，介绍如下。

ATP监督下的人工驾驶(GOA1)：装备有列车自动防护系统(ATP)。列车运行控制系统监督列车速度，由司机控制列车的所有运行，包括启动、停车、运行速度、站台停靠、开关车门等，并由司机对列车运行中的突发情况进行处理[7]。目前，我国绝大多数高铁都属于这一等级。

有司机监控自动驾驶(GOA2)：装备有自动驾驶系统(ATO)，自动化程度相比上一等级有了进一步提升，又称为ATO模式，或者STO(Semi-automatic Train Operation)模式。有司机值守，信号系统提供安全防护，控制列车运行和站台停车，但是关门和发车指令由司机下达。这是目前大部分地铁都采用的驾驶模式，京沈高铁高速试验段，京张高铁，珠三角莞惠[7]、佛肈城际[8]均采用这种自动驾驶模式。

有人值守无人自动驾驶(GOA3)：司机被ATO等系统功能所取代，自动化程度进一步提高，车上没有司机，仅安排乘务人员应对突发事件，又称为DTO(Driverless Train Operation)模式。这种模式的列车已基本具备全自动驾驶的功能，由信号系统对列车运行进行全程控制，列车的启动、停站、运行均由信号系统控制，但列车上仍需配备1名随车人员，以应对突发情况。

无人值守自动驾驶(GOA4)：是目前轨道交通自动化运营的最高级别，列车上没有司机和值守人员，又称为UTO(Unattended Train Operation)模式。列车的休眠、唤醒、启动、停车、车门开关、洗车、车站和列车的设备管理以及故障和突发情况的应对全部由系统自动管理，无任何人员参与。北京地铁燕房线为此种模式。另外，国外还有一种UTO(Unmaned Train Operation)模式，在非正常运营时列车救援不需要人员参与，直接将故障车拉走，该模式仅在个别小运量的观光园区线路应用。

对于GOA3、GOA4对应的有人值守及无人值守下列车自动运行线路一般均称为“无人驾驶”模式，因此业界普遍认为自动驾驶是有司机驾驶的；无人驾驶是没有司机驾驶的，有值守人员或者无值守人员。自动化等级为整体系统概念，不仅表现为列车驾驶方式是有司机还是无司机，与列车运行控制、调度管理和设备维护体制等都直接相关。

3 高速铁路列控系统自动驾驶技术发展现状

欧洲铁路行业协会于2013年启动欧洲下一代列车控制系统NGTC(Next Generation of Train Control System)项目，研究包括ATO系统应用于干线铁路及城市轨道交通标准化的下一代列车运行控制系统，旨在提高列控系统总体性能[1]。2015年欧盟全面启动“构建未来铁路系统联合行动计划(Shift2Rail)”，通过运用新技术创新，把提升欧洲铁路服务质量以及降低全寿命周期成本作为工作重点，而以自动驾驶为代表的先进列控系统是其重要的创新内容，法国计划2022年实施列车自动驾驶ATO系统，德国计划2023年实现干线铁路自动驾驶技术的应用[9]。

我国2016年在珠三角城际莞惠[7]及佛肈线[8]上实施了CTCS-2+ATO系统并运营至今，首次实现了将自动驾驶技术运用到时速200 km等级铁路[10]，而时速300～350 km高铁自动驾驶[5]技术的应用尚属空白，2018年京沈高铁进行了时速350 km高铁自动驾驶系统现场试验，标志着我国智能高铁自动驾驶关键技术研发取得重要阶段成果，北京至张家口、北京至雄安新区城际铁路的智能高铁建设计划采用京沈高铁自动驾驶现场试验的成果。

4 我国现阶段高速铁路自动驾驶系统实施技术进展情况[11-17]

结合我国时速200 km、300～350 km等级铁路ATO系统关键技术研发、运营及试验情况，高速铁路自动驾驶技术应用范围为在高速铁路正线实现，列车进出动车运用段(所)都是在ATP安全监控下，由司机人工驾驶进、出动车运用段(所)。结合我国国情，对高速铁路自动驾驶ATO系统进行了分级设计，分级原则以地面设备为基础，车载设备与地面设备统一设计，高速铁路自动驾驶ATO系统能根据高速铁路不同的线路情况，实现相适应的ATO功能[18-19]。根据分级原则，高速铁路自动驾驶ATO系统分为两级：一是适用于既有高铁线路，仅车载设备增加ATO设备/功能，既有的车站股道和正反向出站应答器(组)增加发送停车位置信息包，实现站间车站自动发车、区间自动运行(装备ATO的列车可按照默认驾驶策略或由司机人工选择预选驾驶策略自动运行)、车门开门防护和车站自动停车功能；二是适用于新建高铁线路，在CTCS-2/CTCS-3级列控系统基础上，实现车站自动发车、区间自动运行、车站自动停车、车门开门防护、车门/站台门联动控制等高速铁路ATO系统全部功能[20-21]。以下主要介绍第二种实现高速铁路ATO系统全部功能的列控系统技术方案。

高速铁路自动驾驶ATO系统[5]不同于珠三角城际莞惠[7]及佛肈线[8]的CTCS-2+ATO系统，需要新增通信控制服务器CCS(Communication and Control Server)，高速铁路ATO系统是在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，车载设置ATO单元[11-16]实现自动驾驶控制，地面设置专用精确定位应答器实现精确定位(地面并不新增信号系统设备，而是通过修改列控中心、临时限速服务器、行车指挥等系统设备来实现)，地面设备通过GPRS通信实现站台门(安全门或屏蔽门，以下简称站台门)控制、站间数据发送和运行计划处理。ATO系统构成见图1。

图1 高速铁路+ATO系统结构示意

高速铁路自动驾驶ATO系统向下兼容，实现三个方面的互联互通[18]：未装备ATO车载设备的列车在装备高速铁路ATO系统的线路按CTCS-2/CTCS-3级列控运行；装备ATO车载设备的列车在未装备高速铁路ATO系统的线路可按CTCS-2/CTCS-3级列控运行；装备ATO车载设备的列车在装备高速铁路ATO系统的不同线路可以实现ATO跨线运行。

5 实现高速铁路无人驾驶功能的技术升级探讨

随着下一代通信技术、北斗卫星导航、云计算、大数据、人工智能等新技术的进一步发展与应用，有必要探讨实现高铁无人驾驶功能需要考虑的因素。

首先，实现高速铁路无人驾驶功能需要把实施范围从高铁正线扩大到动车运用段(所)，而不能局限于目前高铁自动驾驶功能仅为高速铁路正线。高速铁路ATO系统在京沈高铁试验以及将应用于京张高铁自动驾驶功能的范围不包括动车段(所)，为此，需要启动动车段(所)组自动驾驶技术的研究工作，成熟的系统设备需要经过科研立项、科研成果转化、现场试验、试运行等环节。

其次，要以高度集成化、信息化的综合大系统来完成需要司机完成的各项工作，需要通过相关多个主要系统如信号、动车、通信、动车运用段(所)等的升级方案来实现。下面主要以信号、通信、站台门等方面为例，分析实现无人驾驶功能需要的系统性、综合性技术升级。

(1)信号系统

为实现无人驾驶功能，信号系统ATO自动驾驶系统需要更完备的系统冗余配置，在故障情况下，系统可以在冗余设备和不同方式之间无扰切换，而完全不影响信号系统对列车的安全控制，信号系统ATO自动驾驶系统还需要在车站、区间、动车运用段(所)、控制中心等进行设备增强配置。

在无人驾驶情况下，对于列车的非预期移动，需要为工作人员提供可靠的安全防护，结合运营需求，在车站、区间、动车运用段(所)设置人员防护设备；根据需要，在高速铁路车站停车线、折返线等增设列车休眠唤醒和列车定位的应答器设备；动车运用段(所)需要划分出自动驾驶区域和非自动驾驶区域，自动驾驶区域采用与正线一致的列控系统，可实现列车的自动驾驶功能，非自动驾驶区域为动车维修库线等人工作业区；控制中心增设车辆管理调度，实现对动车的相关监视、控制及调度工程等。

(2)通信系统

通信系统在智能感知方面需要视频监控对动车前后方路况的监视功能，以及与视频监控联动的车载应急电话功能；在控制中心增加乘客调度、车辆调度，实现与列车上的乘客沟通、对动车的集中监控等。

(3)站台门

在无人驾驶情况下，对于站台门的系统级控制没有人工确认环节，需要考虑设置防夹人检测装置、障碍物自动探测装置等。对于站台门与列车门间距离以及站台门的现场控制盘的设置等需要结合运营模式进一步进行研究。

6 结语

我国高速铁路自动驾驶系统符合互联互通标准[8]，提升了高速铁路CTCS系统功能，为我国智能高铁建设奠定了坚实的技术基础，实现对时速350 km高铁列车的精准控制，全面提升控车舒适度和停车精度以及节能降耗性能等，对于减轻司机劳动强度，提高旅行舒适度具有重要意义。在2018年～2020年，依托智能京张[19]、京雄建设的契机，探索智能高铁落地实施方法，提出覆盖智能化功能需求、支撑系统和设备、相关资源需求的智能高铁应用示范方案，并对智能京张高铁建设情况进行评价，总结形成可复制可推广的建设经验，完成智能京张高铁列车自动驾驶关键技术研究及京张高铁示范应用，构建高速铁路自动驾驶技术标准体系，初步形成智能高铁自动驾驶系统应用格局；2021年～2025年，突破全面感知的列车无人驾驶(DTO)技术体系的重大智能铁路理论与技术；2026年～2035年，智能铁路应用由辅助协同向自主操控升级，探索全自动无人驾驶UTO。

高铁自动驾驶系统的发展对以后智能高铁在我国的推广具有重要推动作用。随着云计算、大数据、人工智能、下一代移动通信、北斗卫星导航等技术的进一步发展，突破构建极端复杂情况下高铁智能安全体系，进一步探索实现铁路运营面向自主操控以及无人化。