基于感知自主运行的列控系统后备模式研究

张蕾，宋丽丽，张俊林，程浩，陈科

（1.交控科技股份有限公司，北京 100070；2.北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

0 引言

城市轨道交通路网规模的不断扩大使网络化运营更加复杂，包括巨量的设备设施、高密度的随机客流、复杂的风险要素及传播机制，其中任一要素或环节的故障都可能带来长时间段、大面积的连锁效应，造成“小故障、大影响”［1-2］。作为城市轨道交通的重要组成部分的信号系统，其故障对运营的影响突出，以北京地铁为例，2014—2018年的405起故障数中信号故障高达198 起［3］，因此亟须提升信号系统故障下的运行能力，以及快速恢复能力。

基于车车通信的列车自主运行控制系统（TACS）作为继CBTC之后的主流方向，法国阿尔斯通的车车通信的信号系统应用于法国里尔线的线路改造。交控科技也率先提出了车车通信系统［4］并后续在北京11号线开通运营，青岛地铁牵头研发的TACS 在青岛地铁6 号线完成动车调试验证［5-6］，中国通号卡斯柯公司TACS在深圳地铁20 号线开通运营［7-8］。TACS 相较于CBTC系统，有效精简了系统架构，使得系统更适用于改造线路，能够降低改造工程的复杂度，但与此同时，由于系统功能的高度集中，任一设备出现故障则系统可用性大幅下降。

针对以上问题，一方面可增加设备冗余提高系统可靠性来降低故障率，另一方面系统的后备模式也是必不可少的。现有TACS 的后备模式多为参考既有CBTC 系统，采用区间闭塞或点式系统作为后备模式下的运行。虽然这2 种方式均较为成熟稳定，但存在的主要问题是，当故障发生后，由TACS 运行切换至区间闭塞或点式系统运行所需的时长较长，以线路通信系统故障为例，在线所有列车需要停车等待调度与司机逐一确认列车位置，并逐次安排列车以区间闭塞的方式运行，方可完成从主用模式到后备模式的切换。

研究提出一种基于感知自主运行的车车通信系统后备模式，故障发生后，该后备模式能够在主用模式故障的情况下，快速切换至后备模式运行，而无需复杂长时间的人工确认；故障恢复过程中，该后备模式能够提供高于区间闭塞的故障运行能力；故障修复后，由于该后备模式支持的列车运行间隔较小，因此具备快速由后备模式恢复到主用模式的运行能力。

1 车车通信系统后备模式的研究现状

1.1 必要性及作用

信号系统的后备模式是在主用系统出现设备故障无法维持主用模式运行时，能够支持在线列车保持一定运营秩序的技术手段［9］。例如现有的CBTC系统出现通信故障时，可转为点式级别运行，在低于主用模式效率的情况下提供安全运营保障。为保证运营安全，我国城市轨道交通运营线路中后备模式已经成为标配［10］。

对于TACS 系统而言，区别于既有联锁进路控制的方式，采用自主的资源精细化管理方式对轨旁资源进行申请和释放，取消了对次级检测设备的依赖［6-8，11-12］。若不为TACS 配置后备模式，则仅能依靠人工调度的方式指挥非通信列车，同时资源的释放也需要人工完成列车重定位，存在误操作风险［8，13］。由此可见，后备模式对于TACS系统是必要的。

根据TACS系统的通用构成（见图1），后备模式需在主要系统出现故障的场景下发挥作用：第一类是车载安全防护系统故障，包含了测速设备故障、定位设备故障以及车载主机板卡故障等；第二类是轨旁资源管理器故障，包括关键设备道岔安全门等的采集失效故障、轨旁资源管理器主机板卡故障等；第三类是车地/车车通信设备故障。

图1 TACS系统构成示意图

由此，后备模式作为能够独立运行的系统，需具备以下3项主要功能：

（1）后备模式下的列车位置检测，列车的定位功能是闭塞防护的基础，可采用计轴等次级检测设备，也可采用应答器、激光雷达等主动连续的检测设备；

（2）轨旁资源的占用及释放管理，该功能直接影响到后备模式下的列车运行间隔，宜具备较高的自动化程度及较小的管理区段；

（3）列车运行间隔防护及超速防护，由于后备模式下多为人工驾驶，作为信号系统的后备模式，须保证基本的间隔和速度防护。

1.2 主要方案

基于TACS 后备模式下主要需求，根据不同的重定位方式，后备模式主要方案包括四类（见表1）。其中，前3种后备模式方案是当前主要信号系统设备提供商提出的方案；前2 种后备模式方案同样是传统CBTC 系统的后备方案，较为成熟。第3种后备模式是伴随着感知技术的不断发展［14］，演进得到的新型后备模式解决方案。因此，本研究重点关注感知后备模式的方案。

表1 TACS后备模式主要方案

2 基于感知自主运行的后备模式

2.1 总体概述

相较于传统的CBTC 系统，TACS 系统推动信号系统从自动化向自主化发展，对列车运行环境及关键组成要素的多源感知是自主列车运行控制系统的一项关键特征（见图2）。基于环境感知的自主运行作为后备模式解决方案，当主用系统发生故障无法维持运行时，如车地无线通信故障，可无缝切换至基于感知自主运行的后备模式。后备模式运行过程中，在区间按照“看多远、运行多远”的原则自行计算移动授权并进行安全防护，在岔区按照信号机的开放状态运行。主用系统故障修复后，列车无需再进行筛选等复杂的操作，满足主用系统运行条件后可直接升级至主用系统运行，该系统可大幅度提升故障下的运行效率，保持一定的乘客服务质量。

图2 基于感知自主运行的后备模式示意图

2.2 系统架构

基于感知的自主运行装备，通常由列车车载和轨旁2 部分设备构成。以首都机场线示范应用装备为例，车载配备激光雷达、工业相机等多种感知设备，通过多源感知融合，保证感知结果的安全性和可靠性；轨旁配备必要的标识牌，用于提升定位的精度。系统逻辑架构见图3，现场安装效果见图4。

图3 系统逻辑架构

图4 现场安装效果

2.3 关键技术组成

基于感知自主运行的后备模式，其关键技术包括基于感知的列车自主定位技术、基于感知的行车净空检测技术以及基于高可靠感知的列车自主防护技术。

2.3.1 基于感知的列车自主定位技术

区别于传统的计轴、应答器检测定位需要布置轨旁设备的要求，基于感知的列车自主定位技术，通过激光雷达对线路环境进行扫描获得大量的实时传感器数据，利用的激光SLAM技术和传感器融合技术，经过环境特征匹配、列车运动状态估计、回环检测等过程构建线路高精度点云地图。在列车运行过程中，系统通过激光雷达对列车前方进行扫描，获得前方运行区域点云，基于实时传感技术识别前方线路特征，与存储的高精度地图进行匹配，从而计算得到列车高精度位置。特别的，为进一步提升定位精度，轨旁设置标识牌设备，当检测到编码标识牌时，基于线路高精度点云地图中标定的编码牌设备位置，对当前列车的位置进行校正和更新。

2.3.2 基于感知的行车净空检测技术

由于城轨交通列车的运行环境相对封闭，由此列车行车的净空检测，其检测对象相对道路交通大幅减少，主要对列车、维修人员、信号机、入侵到限界内的障碍物（例如树木、线缆、广告牌）等内容进行识别。可采用相机视觉、激光雷达等多种光学传感器设备，通过图像采集、图像预处理、轨行区识别、点云筛选、目标分类等过程，实现列车前向轨行区障碍物的检测与分类。此外，该检测需保证安全完整度等级SIL4 要求的误检率及漏检率，方可用于作为安全防护功能的输入。特别的，若线路的弯道半径超出感知设备的检测距离上限，则可在地面布置感知设备，通过车轨协同感知的方式延长列车运行净空检测“视距”。

2.3.3 基于感知的信号机识别技术

系统通过主动感知的视觉模块实现对运行区域前方的信号机状态采集及分析。列车根据当前位置、运行方向，结合电子地图计算视距范围内是否包含信号机以及信号机在画面中的位置；当视觉模块识别到信号机且其位置与预期一致后，系统通过抗干扰算法处理实时采集的画面识别信号机当前状态（是否点亮、亮灯色等），在判断点亮灯位符合信号机类型后，将识别得到的信号机状态用于列车安全防护处理。

2.3.4 基于感知的列车自主防护技术

基于感知的自主运行后备模式需提供安全防护功能，列车基于自主定位获取当前的精确位置，结合行车净空检测结果，实时动态生成列车的移动授权。列车在无道岔非站台区域运行时，根据视距范围内的前方列车、维护人员、入侵障碍物等检测结果，计算本列车的移动授权；列车在有道岔或站台区域运行时，根据信号机状态识别的结果计算本列车的移动授权是否可以延伸至对应区域。列车在移动授权范围内按照限速进行防护，保证该后备模式下的行车安全及效率。

2.4 典型故障场景下的效果分析

以列车高峰期通信设备故障为例，具体分析基于感知自主运行的后备模式的效率提升。首先将故障下的运行分为3 个阶段：第1 阶段，故障发生时刻至后备模式运行；第2阶段，故障修复的时段内列车后备模式运行；第3阶段，故障修复后恢复至主用模式运行。在此基础上，对每个阶段感知后备模式与传统后备模式的运行水平进行对比。后备模式对比分析示意见图5。

图5 后备模式对比分析示意图

第1阶段，出现通信故障，全线列车故障紧急制动停车，在该阶段感知后备模式与传统后备模式效率相同。第2阶段，列车从主用故障停车状态下，转入后备模式运行。这一阶段中，由于感知后备模式具备自主定位和自主防护的功能，则能够支持在线列车并行恢复，相比于传统后备模式下的调度员人工确认列车位置后串行恢复的方式，其效率大幅度提升；同时在进入到后备模式运行后，感知后备采用感知视距运行，能够实现列车不掉线、不清客，继续维持运营，最大限度减少对乘客的影响。第3阶段，通信设备故障修复后，从备用模式升级到主用模式，因感知后备模式能够有效检查列车间的障碍物（包含工程车），不再需要进行类似筛选的功能即可快速升级到主用模式。总的来说，在故障发生至恢复到主用模式常态运行，整个过程中，感知后备模式的各个阶段运行效率均高于传统后备模式，能够维持较好的服务水平。

3 结论与展望

通过分析对比，可以得出基于感知自主运行的后备模式，提供了较高的后备模式运行效率和服务质量，符合现有智慧城轨的发展需求。目前为满足既有安全管理体系要求，对于感知信息的使用以及自主化水平尚处于起步状态，后续随着自主算法的可解释性、全场景测试验证手段以及新的系统安全保障理论和方法等关键技术的不断发展成熟，基于感知自主运行的后备模式运行水平存在较大的提升空间。