实用化高可靠性自主驾驶轨道交通装备体系研究

林云志 杨斌 文新 范建伟

摘  要：我国城市轨道交通近年来得到快速的发展，已经逐步成为了公共轨道交通中的骨干力量，伴随着自动化程度的日益增高，列车自主驾驶是轨道交通发展的方向。本文简要回顾了轨道交通自动驾驶的发展历程，描述了列车自主驾驶系统的主要需求及难点，提出了采用航天多模冗余技术的实用化高可靠自主驾驶技术方案，描述了自主驾驶轨道交通装备的体系架构图，最后对该模式加以分析，对构建适合城市轨道交通发展的自主性驾驶轨道交通装备技术体系提供了有利的支撑。以节能环保、安全舒适、经济效益优为目标的大背景环境下，轨道交通自动驾驶系统正在逐步替代司乘人员的工作，该实用化装备体系在未来将会发挥重要的作用。

关键词：轨道交通  自主驾驶  装备体系  多模冗余技术

中图分类号：U239.5          文献标识码：A                   文章编号：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

軌道交通具有大运量、安全舒适、经济省地、速达准时、节能环保等技术经济优势，可有效缓解道路拥堵，正在成为公共交通的骨干力量。随着控制设备的自动化、智能化程度不断提高，轨道交通自动驾驶系统正在逐步替代司乘人员的工作。国际公共交通协会（UITP）将轨道交通运行的自动化水平GoA（Grades of Automation）划分为5级[1]，如表 1所示。

其中，GoA4是完全无人监督的自动驾驶阶段，被称为UTO（Unattended Train Operation）模式，轨道交通自主驾驶系统可自行完成列车启动、停车、设备管理、突发情况应对等所有工作，无需任何人员参与其中。自主驾驶是轨道交通发展的方向[2-3]。列车自主驾驶技术是轨道交通装备领域的研究热点之一。

1  轨道交通装备自动驾驶技术的发展

1926年英国开始进行无人驾驶地铁列车的试验[4]。此后，英国开展了一系列轨道交通自动驾驶的试验项目，并与1964年开始进行自动驾驶列车与有人驾驶列车在同一线路进行混跑的运行试验。德国的轨道交通的自动驾驶试验是从1928年开始的，在克鲁姆兰克站附近，自动驾驶系统被叠加在既有的信号闭塞系统之上，干预列车的运行，但列车上有专人负责站台发车和车门的控制[5]。美国的纽约时代广场至中央火车站摆渡线被认为是首条载客的自动化地铁线，1962年正式开始载客运营。摆渡线路采用环形设计，整个线路具备列车自动发车、区间自动调速、到站自动停车和车门自动开关等功能，实现了列车正线运行过程自动化[6]。

20世纪80年代，轨道交通的全自动驾驶技术开始迅速发展。1981年，日本开通自动导向运输AGT（Automatic Guided Transit）神户港岛线，采用侧轨导向技术，实现列车运行过程全自动化，被认为是首条真正意义上的GoA4线路[7]。1983年，法国开通全自动轻轨地铁系统Lille1号线，采用全自动捷运系统VAL（Véhicule Automatique Léger）和胶轮路轨系统，成本低，站台短，发车间隔缩短到60s。加拿大温哥华1985年开通Expo线，采用了ART（Advanced Rapid Transit）系统，其车载设备和地面子系统间通过环线进行双向数据传输，运行的自动化水平达到GoA4级。轨道交通移动闭塞技术和基于通信的列车控制技术都在该线路上得到了首次应用。2008年，中国北京的机场快轨线开通，连接北京首都机场与东直门，采用了ART系统。我国轨道交通的自动驾驶技术研究起步相对较晚，国内现行运行的轨道交通系统自动化设备国产化率较低，大多数设备都是从国外引进，如图1所示。

2  轨道交通自主驾驶的主要需求及难点分析

自主驾驶列车需要具备车载信号系统自动唤醒、车库门自动运行、列车自动出入场段、自动停车、自动折返、车辆动态测试和全自动洗车等功能[8-9]。列车需通过车载传感器感知运行环境，获取车辆位置、乘客信息、车辆工作状态和障碍物信息，自主完成列车运行任务。采用自主驾驶系统的目标就是把司乘人员的工作全部交由自主驾驶系统来承担。因此，自主驾驶轨道交通的设计应满足下列要求：

（1）列车自主精准定位。目前列车的定位系统主要依赖于轨旁设备。自主驾驶轨道交通需要摆脱目前列车定位严重依赖于轨旁设备和区域性地面设备的车辆定位方案，实现列车高精度、高可靠的自主定位。

（2）列车运行主动避障。障碍物识别技术是保障列车安全运行的关键技术之一。只有在车辆上配备障碍物自动检测系统，主动发现轨道上的障碍物，自主决定如何操作可以有效避开障碍物，替代传统司机值守的功能，才能称为真正意义上的自主驾驶。

（3）列车自主安全运行。列车自主运行时，由于没有司乘人员参与，采用可靠的安全防护系统是非常必要的。比如，列车进站上下乘客时，传统地铁列车大多数采用的是人工检测，在车尾安装瞭望灯带，列车发车前由司机观察灯带是否完整来判断站台门和列车门之间是否存在异物。当列车自主运行时，站台门和列车门之间的异物就需要采用自动检测的方法，并且检测的结果需要和信号系统进行联动。如果有异物，就要预警，并禁止发车，直到异常情况消除。

（4）列车运维智能化。通过多源传感器信息融合技术实现列车多维度状态的全面实时监控、工作状态自感知、运行故障自诊断、导向安全自决策，为智能诊断、安全监控和运行维护提供数据支持。研发故障预测及监控管理（PHM）系统，通过列车状态信息的实时处理和与历史数据的对比分析处理，基于大数据分析和服役性能预测，提前发现和处理潜在故障，最大程度地降低因故障导致的停运维修，提升列车的运行安全性和运维经济性。

3  采用航天多模冗余技术的实用化高可靠自主驾驶技术

航天产品具有高可靠的特性，将航天产品的多模冗余设计技术应用到自主驾驶轨道交通装备的研制中，将大幅提升装备的可靠性。

3.1 基于弱耦合关系下的多源定位信息多裕度系统架构设计技术

轨道交通涉及公共安全和人身安全，其运行安全性和可靠性尤为重要。作为轨道交通运行位置的感知、检测、汇总、上报的自主驾驶系统，上报的位置精度、准确度以及通讯链路的实时性和可靠性是影响列车自动驾驶成败的关键因素之一。

为了确保轨道交通在一度故障下列车可降级行驶且不存在涉及功能安全的故障隐患，采用航天多模冗余技術的系统架构;同时为防止多模冗余系统中共因失效导致整个系统工作异常的问题，采用了差异化设计的思路，选用惯性导航、视觉定位、雷达避障等不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位设备造成的共因失效。此外，为了避免定位精度在系统内传递过程中出现逐次放大的问题，自主驾驶系统采用一种基于列车运行全过程定位任务划分的多源定位信息弱耦合技术，减少各源定位数据的相互交联，逐层解耦、顶端融合，防止定位精度传递过程中的放大问题以及下级设备失效对上级设备定位精度的影响。

3.2 高精度系统时钟同步及多源数据处理技术

自主驾驶系统内部采用的总线形式为“命令应答式”，即作为顶层设备的时钟同步及数据处理设备以额定时间间隔依次向多源传感器设备发送命令字，各终端设备依次上报“当前”检测的列车状态数据，时钟同步及数据处理设备对多源定位信息数据进行融合并上报车载ATP。在轨道交通运行的情况下，若多裕度时钟同步及数据处理设备在进行定位信息采集时，每个裕度发送的命令字时刻不统一，则得到的列车状态数据必然离散，所进行的后续融合处理必然毫无意义。因此，确保多裕度的时钟同步及数据处理设备在发送命令时处于绝对的“相同”时刻。

3.3 基于自修正技术的惯性导航高精度自主定位技术

惯性导航技术是航天产品中最普遍采用的定位导航技术，但高精度的惯性导航产品价格昂贵，在民用产品中很少采用。根据轨道交通的实际应用场景，采用相对物美价廉的一般精度惯导产品，充分利用地铁列车实际运行工况，解决一般精度惯性导航的零速检测修正技术、运动约束修正技术等，进而实现一种基于惯性导航为主的地铁列车自主定位系统，可在无任何辅助导航情况下，实现高精度定位，是自主驾驶的关键技术之一。

3.4 基于边界特征提取的障碍物辨识技术

地铁路况除常见的直道外，还会出现弯道、坡道、岔道、地上等多种路况。探障雷达的发射波是朝向正前方的，因此需要对非轨道上的目标进行辨别并滤除。在隧道内，可对墙面进行信息提取，而在地上，则需对轨道线进行提取，将位于正前方但不在轨道上的目标，和不在正前方的障碍物进行辨别，避免上报虚警。

4  相互协同与支撑的自主驾驶轨道交通装备体系架构

自主驾驶轨道交通一般都涉及车辆、站台、运营、信号系统等核心装备，各装备之间相互协同与支撑，装备体系架构如图2所示。

自主驾驶轨道交通的核心是信号系统，它由列车自动监控子系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动运行子系统（ATO）和计算机联锁子系统（CI）等构成，是自主驾驶轨道交通系统的中枢神经。自主驾驶功能的提升是通过对信号系统各子系统的改造升级来实现。自主驾驶系统的ATS除具备传统的功能外，需要增加车辆故障复位和远程旁路、远程清客确认等功能;需要具有对正线与停车场内的信号设备状态显示的功能。ATS还应为轨道交通的故障诊断和健康管理提供基础数据，以便全面准确的掌握列车的运营状态。

通信系统是自主驾驶轨道交通系统的基础。通信系统除为信号系统提供实时可靠的通信外，还为CCTV、列车广播等提供通信通道。LTE-M是基于LTE无线通信技术，根据轨道交通业务需求，为其定制的LTE系统。LET-M系统考虑了轨道交通通信业务可靠性和实时性要求，综合承载了不同业务和通信设备间互联互通的需要[10]。

车辆作为自主驾驶轨道交通系统中运输乘客的载体，其性能和功能的设计优劣直接关系到乘客乘坐的舒适度和自主驾驶功能实现的质量。车辆包括车体、车载牵引系统、CCTV、自主定位系统和障碍物探测系统等。自主定位系统采用多源信息融合定位技术，在不依赖轨旁设备和区域性地面设备的车辆定位方案情况下，实现列车高精度、高可靠的自主定位，实现车辆的自动精准停车。车辆上配备的障碍物探测系统，能主动发现轨道上的障碍物，自主决定如何操作可以有效避开障碍物，实现列车运行的主动避障。

轨道交通中，站台是乘客集散的场地。站台门控制是实现自主驾驶的前提条件。据统计，造成轨道交通行车延迟约60%的情况是由于有人进入轨道区或干扰该区域。自主驾驶要求安装站台门并对单个站台门施加精确的控制，防止人员、物体落入轨道区产生意外事故。由于车辆的限界要求，站台门和车门之间留有间隙，乘客和物品有滞留在间隙空间的风险，给营运安全带来隐患，对自主驾驶提出了新的挑战。为了确保安全，需要在站台门和车辆之间设置障碍物探测系统，一旦探测系统发现障碍物，站台门通过车站信号系统将警告信息发送给列车信号系统，将车辆扣在站内，问题排除后列车方可继续营运[11]。

5  结语

近年来，中国轨道交通在掌握世界先进技术装备的基础上，通过自主创新、正向设计及自主核心技术的掌握，正在向智能化方向发展，全力推进轨道交通自主驾驶，构建适合中国国情的实用化高可靠自主驾驶轨道交通装备体系。

参考文献

[1] IEC. Railway applications automation urban guided transport （AUGT） safety requirements： IEC 62267[S]. IEC， 2009.

[2] 劉净，陈燕.城市轨道交通信号系统新技术探讨[J].科技资讯，2020，18（25）：21-22，25.

[3] 宁滨，郜春海.中国城市轨道交通全自动运行系统技术及应用[J].北京交通大学学报，2019，43（1）：1-6.

[4] Stanway LC， BEng CEng FIMechE. Under London[M]. UK： Assoc of Essex Philatelic Societies， 2000.

[5] Edgar Sée. Automation inurban public transportation[R]. France： RATP Group， 2016.

[6] 路向阳，李雷.城市轨道交通全自动驾驶技术发展综述[J].机车电传动，2018（1）：6-12.

[7] UITP. Statistic Brief World Metro Automation 2016[R]. Belgium： UITP， 2016.

[8] IEC. Railway application urban guided transport management and command/control systems-Part1： System principles and fundamental concepts： IEC 62290-1[S]. IEC， 2014.

[9] 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）：33-37.

[10] 路向阳，吕浩炯.城市轨道交通全自动驾驶系统关键装备技术综述[J].机车电传动，2018（2）：1-6.

[11] 高宝.轨道交通通信系统构建模式及功能分析[J].科技资讯，2018，16（7）：62-63.