城市轨道交通无人驾驶系统研究

吴永深

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

城市轨道交通无人驾驶系统是能够代替司机控制列车、驾驶汽车的信号系统，在无人值守的情况下能够为城市轨道交通运输提供必要的指导。在城市轨道交通的快速发展下，与之关联配套的技术形式也层出不穷，特别是在客流量大的一线城市，增加轨道交通线路、完善新线建设成为缓解城市人流量大的一大关键。另外，城市轨道交通的深入建设发展对司机、乘务人员的人员需求不断增加，不仅加大了交通运输成本，而且复杂的工作量完全依赖人工处理，在高额度重复作业的模式下容易出现安全事故。为了减少城市轨道交通安全事故发生，借助全自动化交通无人驾驶技术替代人工驾驶技术成为城市轨道交通发展的一个热点[1]。

1 城市轨道交通无人驾驶的核心理念

1.1 运营驾驶环节的自动化发展

无人驾驶的核心是在保障质量的情况下减少人员参与，使用先进的机器设备替代传统的人工活动。在自动化技术的支持下可以提升地铁运营系统的自动化能力；同时，通过增加设施设备可以提前预警车辆行驶过程中可能遇到的问题，并采取对应的措施予以解决。在地铁行车过程中，遇到紧急情况的时候，地铁运营系统可以借助提前制定好的方案来应对这些情况。城市轨道交通运营驾驶各环节的自动化流程如图1所示[2]。

图1 城市轨道交通运营驾驶各环节的自动化流程

1.2 减少轨道交通信号系统后备模式

在城市轨道交通运转过程中，无人驾驶是自动化程度最高的，而与较高自动化程度对应的是低后备模式。在轨道交通无人驾驶系统自动化程度提升之后，与之对应的后备模式就会减少。

1.3 转移列车司机的职能

在城市轨道交通运转的过程中由于没有司机，之前需要司机解决的问题就会由行车控制系统的团队来完成。特别是在遇到紧急事故的时候，现场工作人员要能够根据广播要求来执行一系列的操作。

2 城市轨道交通无人驾驶的关键技术

2.1 各类接口

信号系统和洗车机接口，在联锁子系统和洗车机接口的顺利连接下能够实现对洗车机的有效控制，进而实现全自动洗车的功能。信号系统和有线广播系统的顺利连接，信号系统和有线广播系统接口，在整个系统建设的过程中通过开展控制中心到列车的无障碍信息传送模式，在列车运行出现问题的时候可以在第一时间通过PAS 来通知乘客，增加门控制接口，针对单扇门系统故障，信号系统能够和车辆、站台屏蔽门控制设备连接在一起，通过彼此的连接能够实现单扇门的隔离功能。

信号系统和列车的接口，轨道交通无人驾驶接口关联到上车门接口、牵引接口、制动接口；当信号系统、逃生门接口在出现问题的时候可以及时触动逃生门[3]。

2.2 停车场的设计

为了能够实现无人驾驶，在城市轨道交通系统运作的时候要为城市轨道交通配备对应的自动化停车场。地铁轨道交通停车场按照需要会被划分成防护区域，各个防护区域之间可以使用门禁系统来进行隔离，并通过门禁系统来实现彼此的互通互联。

2.3 全方位视频监控系统

在城市轨道交通无人驾驶信号系统运行中，传统意义上的闭路电视、车内监督控制操作局限性较大，在具体实施的时候只针对站厅、站台以及出入口位置上的乘客监控。虽然车内设置了视频监控系统，但是获取的信息无法被及时传输到地面上，基本上是采取交互的信息传递方式。

在使用无人驾驶系统之后，需要打造出一个全方位、没有盲点的实时性监督控制体系，在这个体系的作用下能够全方位监测站台、停车场、列车、隧道的信息，同时打造出综合监督控制系统，在出现危险问题的时候可以及时启动紧急停车装置，并将报警信息通过联动的方式传递到视频监控系统上[4]。

另外，为了能够实现实时性监督控制，还需要借助先进的技术形式来打造出视频分析系统。从实际运行角度来看，传统意义上的地铁视频是依托图像来完成信息的监督控制，很少会涉及视频分析。在地铁全自动化监督控制之后，借助视频能够对干扰信息进行精准地分析，帮助相关人员及时了解车站的客流量信息，并将所获得的信息反馈给中央调度系统，中央调度系统在获取信息之后会向下发送处理方案，解决各个站台客流量大的问题。

这是两栋造型几乎完全一样的建筑，外形都呈直角三角形，其中一边的墙壁和地面垂直，远远看去，就像一个大写的英文字母A被劈成了两半。“月影馆”位于A座一层，是小达重点监视的对象。

2.4 通信系统

使用长期性的演进分析系统来对一系列的数据信息进行传输，为了保障信息传递质量，需要使用1.8GHz 专网频段来完成信息的收集整理，并在信息整理的时候减少外界干扰。在信息收集整理之后，可以使用20MHz 的载波频率来进行配置，从而保障地铁车站内部拥有足够数量的无线通道。

同时，在信息传递的时候还需要建立双LTE 通信网络备份机制，在一个通信网络系统出现故障的时候，另外一个网络就能够实现无缝切换。在所有信息管理的时候两张LTE 网络信息互为备份[5]。

3 城市轨道交通无人驾驶信号系统的功能需求和运行控制

3.1 列车的休眠唤醒

城市轨道列车在退出运营之后会进入车库，车上的列车监督控制管理系统、闭路电视、牵引系统、照明空调等都需要断开电源，在电源切开之后列车会进入休眠的状态。列车的休眠指令会由列车自动监控下达给车载信号设备，列车监督控制能够向下发送休眠命令。

3.2 车辆自动投入正线

在城市轨道车辆有人员驾驶的时候，列车会正式投入运营。在列车运行的过程中，场调负责车辆运行计划的制定，信号楼的值班人员会接受场调的指挥，通过层级配合能够为列车安排接受场调的指挥。在轨道列车由专门人员转换到其他轨道且停车之后，列车自动监控系统会为列车自动监控系统分配时刻表班次。

3.3 列车回库和自动化停车

自动回库的工程操作过程比较简单，在轨道交通无人驾驶的线路中，列车自动监控会按照既定的计划将列车调度到投入或者退出的点，在到达指定的位置之后，投入和退出的列车会由列车自动监控系统分配库线，列车会自动运行到库线停靠，在完成运营之后进入休眠状态。

3.4 自动洗车

地铁列车自动防护系统会和洗车机的接口密切连接在一起，列车在运行的时候按照指令自动停靠在洗车库的虚拟站台上，在接收到上级指令之后列车会以比较低的速度运行，同时洗车刷对运行中的车辆进行清洗[6]。

3.5 城市轨道交通自动化区域作业人员的防护

对于能够进入自动化区域的工作人员，包含自动化系统作业人员、列车巡检维护人员等，在他们正式进入防护区域之前，系统作业人员要采取措施激活请求开关，在获取允许之后作业人员才能够进入场地。

3.6 列车停站

列车停站需要考虑停站对准情况，列车自动监督控制系统在检测到停站的时候不会在对准的时候进入点动模式，在进入这个模式的时候其会将列车的行驶情况报告给各个乘客。多次尝试之后获得成功，列车自动监督系统会向行调报告报警[7]。

3.7 门故障处理

3.8 列车故障运行模式

如果列车的制动能力超过了限定值的列车，列车就会退出FAO 模式，列车由此会进入牵引模式或者蠕动模式。在车辆进入牵引或者蠕动模式后，车载控制器就会通过专用车线来控制列车的运行，这个时候列车维护人员再到车上处理问题。

4 城市轨道交通无人驾驶系统设计需求分析

4.1 车载子系统设计需求

车载子系统会和轨道交通控制中心无缝连接在一起，通过强强连接能够及时发现地铁轨道交通的运行故障，再根据故障来做出相应的预警。城市轨道交通无人驾驶系统运行可能遇到的故障信息包含制动器拖滞、牵引故障、火烟报警系统、低气压系统、驻车制动故障。另外，城市轨道交通无人驾驶系统的控制中心还需要具备远程控制车门和远程重置的能力。从车载设备的功能来看，无人驾驶技术要求地铁车辆具备自动牵引功能、停站、对标、紧急制动的缓解能力，在运行的时候要能够根据不同场景来采取不同的制动率，从而获得最为理想的制动效果[8]。

4.2 轨旁子系统设计需求

取消城市轨道交通无人驾驶系统的后备模式、联锁、计轴设备，城市轨道交通无人驾驶系统会在CBTC 模式的作用下按照系统控制要求自行运行，列车由自动防护设备控制，列车定位由传感器以及感应环线负责，不需要额外配置联锁设备。配备轨道异物入侵检测系统，在无人驾驶模式的影响下，列车自动运行需要由异物入侵检测系统构成，系统中的激光、红外线和雷达波会及时检测到进入轨道交通系统中的异物。强化视频监控和乘客广播系统，在CBTC 模式控制下的城市轨道交通系统一旦遇到突发情况，列车会将这些信息告知乘客；而在城市轨道交通无人驾驶系统的作用下，在不需要地铁工作人员的情况下就能够解决地铁运行中可能遇到的故障[9]。

4.3 自动化停车场的设计需求

为了能够实现城市轨道交通的无人驾驶，在城市轨道中需要设置全自动停车场，全自动停车场的内部会设置专门的CBTC 区域和人工维修区域。在设置好区域之后，为了保障人员安全，还需要对两个区域实施必要的物理隔离。CBCT 区域内部应设置门禁和防护区域，为信号的接入提供必要支持。在有人员入侵CBTC 系统的时候，城市轨道交通无人驾驶系统控制中心以及停车场的值班人员能够借助从ATS 上获取的信息来调控车辆。

4.4 城市轨道交通无人驾驶系统的运行服务需求分析

4.4.1 日常运营需求

在地铁轨道交通运行的时候会有很多信息汇入其中，城市轨道交通无人驾驶系统中只需要配备少量的人员就能够在地铁系统遇到紧急故障的时候及时提供救援。

4.4.2 地铁轨道交通出现故障和紧急状况下的需求

（1）ATS 系统故障时的应对

ATS 作为城市轨道交通无人驾驶系统的人机交互接口，在使用的时候能够在突发情况的时候仍然保障系统的运行。

（2）轨旁ATP 系统故障的解决对策

在轨道交通工作设备出现故障的时候就会出发紧急制动，这个时候故障报警信息会在控制中心ATS界面上显示出来。列车调度人员可以通过车载广播系统将故障的情况告知乘客，在器械准备好之后立即启动，故障信息会被综合处理，为列车的稳定运行提供支持。

5 城市轨道交通无人驾驶系统未来发展需要解决的关键问题

列车系统是安全苛求系统。在城市轨道交通无人驾驶系统中，列控系统设备会承担比较多的功能，系统运行所管控的内容比较多，且有些场景中的风险是需要专人管控的。为了能够更好地促进系统运行，在城市轨道交通无人驾驶系统运行的时候需要相关人员应用所学的知识分析和缓解系统安全风险，比如：在设计线路的时候要为线路的运行提供封闭、安全的环境，并在车辆行驶的过程中借助传感器来监督控制车辆的运行。另外，在城市轨道交通驾驶系统设备出现紧急故障或者突发故障的时候，借助无人驾驶系统能够对故障实施远程监督控制，根据故障的表现来采取有针对的措施予以处理。特别是在设备出现故障的时候，提前设计的预案要能够充分缓解影响车辆运行的不确定因素。此外，城市轨道交通无人驾驶系统会依托通信的列车控制系统来连接外部，网络连接的稳定性是保障系统和外界顺利通信的关键。城市轨道交通无人驾驶系统对现有的轨道交通管理会产生变革性的影响，同时也给项目的建设带来了全新的挑战。在未来，为了保障轨道交通无人驾驶系统的稳定运行，我们需要充分吸收和借鉴国内外成熟的项目规划方案，对地铁驾驶系统进行科学设计。

6 结语

综上所述，从设计角度来看，城市轨道交通无人驾驶技术的关键思想是通过提高冗余度和完善控制中心对车载系统的控制能力来稳定车辆的运行。城市轨道交通无人驾驶系统的物理结构为分布结构，在这个结构的作用下系统控制中心的强度会增强。另外，强化对地铁轨道运行人员的培训，通过培训使其掌握更多的地铁轨道交通无人驾驶技能，从而更好地发挥出城市轨道交通无人驾驶系统的作用。