无人驾驶地铁列车控制系统的研究

封宇

（郑州中建深铁轨道交通有限责任公司，河南郑州 450000）

0 引言

我国城市轨道交通事业的崛起促进了上中下游行业的高速发展，不论是电子感应器技术、信息通信技术还是视频监测技术，在城市轨道交通列车的全自主无人驾驶技术理念的推动下，也获得了逐步革新与优化，从而进一步提高了无人驾驶控制系统的安全性、稳定性。

1 无人驾驶地铁列车控制技术介绍

无人驾驶地铁列车控制技术是一种高度智能化的新型轨道交通技术，该技术由轨道交通智能化中心控制。全自动无人驾驶技术的推出为传统地铁运营带来以下变化：第一，系统过滤掉了过去驾驶员作业的失误、延迟等人为因素导致的对时间、效率的浪费，过去由驾驶员完成的工作，现在可以全部(或者基本)交给系统自行完成，降低了驾驶员的劳动强度。第二，无人驾驶行车系统能随着客流量变化，动态调节列车计划，并合理限制空车走行，节省牵引功率，运营组合也更为灵活多样，参照国外已运营的无人驾驶线路测算，单车系统每千米的运营能耗减少了30%。第三，无人驾驶技术能够显著减少行驶距离，增加行进效率，在相同运力前提下，可以加快列车的周转，增加车厢利用率，从而降低配置车厢数量。

无人驾驶列车控制系统可降低驾驶员定员，减少人力投入成本，改善车站行车调度。我国建造的国内首列无人驾驶轨道交通动车组，于2014 年6 月17 日在上海中国国际轨道交通博览会亮相。其最大的看点就是应用了先进的全自动控制系统解决方案，无须驾驶员操作即可完成车辆的自主唤醒、自检、手动发车离站、上下坡运行、到站点精准停靠以及手动开闭车门等全自动运行。

2 无人驾驶地铁列车控制技术现状

2010年4月启用的上海10号线，于2014年8月开始投入使用无人驾驶智能列车。全线长36km，有29个站台，目前平均运营时间为5min，最高客流断面2.88 万人次，远期设计最高客流断面为4.84 万人次，远期时间为100s。南京燕房线，是国内第一条应用自主式无人驾驶地铁列车控制技术的线路。在未来，无人驾驶地铁列车控制技术将越来越普及。而在控制系统中，信号控制器是列车运行管理的重要基础设备，在FAO 模式下，通过信号系统设备完成的最重要工作，就是把驾驶员对车辆发送的操作命令，转化为系统设备能接收并执行的信息，从而达到列车调度员和列车值班员的运营意图[1]。

目前的ATO 模式信号系统还面临着以下困难。一是信号的逻辑需要经过车载—区域控制—联锁子系统的协同处理，而当前信号车的无线通信系统中一般采用2.4G 的WLAN 技术，多个子系统间的数据传输延迟，会大大降低网络运行的效能和安全性。二是轨道设备多，系统调试时间长。三是一旦区域设备故障，影响范围较大，且后备模式转换时间过长，对运营环境危害较大[2]。

3 无人驾驶地铁列车控制技术特点

因此，针对UTO 系统，不论是设备配置还是功能、逻辑上均采取了冗余备份的措施。同时，考虑在设备故障后能够远程控制或自动降级，从硬件和软件方面均需采取相关补充或补偿措施，以保证列车运行的安全可靠。每天运营前或有列车插入时，信号系统根据列车的运行时刻表给每列车自动分配识别号，当列车的两端驾驶室都选择为0.5 自动模式时，在列车即将发车前，OCC 自动给列车发送唤醒指令，在收到唤醒指令后，列车的各车载子系统执行启动、自检和静态测试等程序。ATC 以及所有子系统均实施静态自检，由TCMS 综合列车的各子系统静态检查自检情况、车辆唤醒情况等数据后，将结果发送至信号系统ATC 或OCC。如果车辆唤醒工作未完成，OCC 调度员就会人工进行干预；如果车辆唤醒工作完成，则车辆将等待信号系统发出的命令，随时运行。在任意时间，OCC 调度员都可以召唤车辆[3]。

4 无人驾驶地铁列车控制技术效益分析

4.1 全寿命周期成本经济分析

一方面，可以让施工投入减少，大大提高运营效益。采用无人驾驶系统可以实现运能提高，相对于增加列车编组的方式，这种方法能够用较少的投入达到较为合理的目标。无人驾驶控制系统可对列车实施合理的编组，减少车辆间隔，使系统的运输能力得以提高，从而适应线路的客运需求，同时还可以预留运能储存的空间，是较为理想的方案。采用自动无人驾驶技术可以使列车停站和再入站耗费的时间减少，使车辆时速提高，同时，可使车辆周转速度加快，从而减少备车时间，使配车量降低。经过分析，无人驾驶技术可以节约5%～6%的车辆。虽然城市轨道交通使用无人驾驶控制技术在机电系统方面的投资会增加，但是对于整个交通系统而言，建设成本会大幅度减少[4]。

另一方面，能够降低固定人员数量，从而使经营成本降低。使用自动无人驾驶技术后，通常不再要求配备列车驾驶员，正常运营的定员数量也会降低，管理培训工作时间可以相应缩短。能够精简企业运营层面，提升管理水平，使企业经营管理水平得以提高。使用无人驾驶技术，可利用电子跟踪技术根据流量的实时变动情况对列车的运营方案作出微调，从而使在线运行的车辆数量增加或下降，科学合理地分配各时段运能，以适应客流分布曲线，并避免了空车运行的现象，使运行成本降低，同时减少了列车保养费用。

4.2 全自动无人驾驶技术综合效益分析

无人驾驶技术可以提升行驶过程中车辆、乘员和操作人员的安全水平，对发生的各种异常情况进行自动化的安全保护。自动无人驾驶系统的车载控制系统、通信网络设备等都可以通过冗余技术设置，实现主、后备控制系统的无缝转换，提升车辆自检的功能水平，保证列车持续正常工作，使监控和站台门系统使用更为合理、安全、可靠。

无人驾驶系统通过ATC 技术，可以自动进行列车的连续轨迹控制，使自动驾驶可以准时、稳定地进行，还能通过列车上的视频控制和紧急对话功能使紧急处置功能得以完善。

5 无人驾驶地铁列车控制系统应用方案

5.1 驾驶控制功能

在人工控制方式下，必须完全由驾驶员来操纵车辆，而当车辆处于UTO 模式中时，则可以完全通过信息传感器，并按照对应的时刻表信息来控制车辆的行驶。通过UTO 模式控制信息传输方式，并使用车辆自动控制装置将对应的统计数据信息传递到车辆管控模式中，同时根据相关模式信息可以进行车辆的自动折回行驶。另外，驾驶员能够通过信息传感器的授权信息来确定行驶方式，同时也具有激活控制室的功能；驾驶员也能够对相应模式信息进行切换使用，从而避免在模式切换过程的信息损失。

5.2 唤醒功能

在每日运营之前或在有列车接入的情况下，由信号系统按时间顺序为每一辆列车指定标识号。当列车的两个车厢都保持自动状态时，OCC 就会在列车开始运行之前对车厢发送唤醒命令，当得到唤醒命令之后，全部的分系统都会完成启动、自检和静态测试。在静态自检的基础上，TCMS 还对动车组内所有子系统的静态自检以及动车组唤醒状态等信息进行分析，并将分析的结论回复到ATC 和OCC。一旦唤醒失败，由OCC 调度员按照动车组的故障状况进行人工干预，在提醒后可随时启动，并等待新的指令。

5.3 休眠功能

在列车运行任务完成之后，可自动在停车区域进行停车维护。列车达到相对稳定的状态后，若想合理节约能源，就可以启用全自动或无人驾驶系统的休眠模式。车辆上所有的车载子系统都处于休眠状态，而在此状态中，就必须要求车辆的自动控制器保持唤醒状态，因此自动控制器必须保证带电[5]。此外，为了保证良好的工作状态，对处于休眠状态的列车而言，可以整合信号系统的功能，及时将维护信息传送给地面的维护系统。

5.4 列车自动运行

全自动行车控制系统的核心技术是轨道自动控制器，它主要由机载车辆内部件和固定驻站部分构成，不仅连接了联锁设备，还连接了沿线的列车轨道监测控制系统以及其他控制系统。

计算工况：静力计算按照旁多心墙坝分期施工的填筑顺序，自底向上模拟施工填筑的过程。填筑完成后模拟两级蓄水的过程。动力计算模拟稳定渗流时的正常运行期间遭遇9级地震的情况。计算方案及工况见表1。

5.5 驾驶室转换

列车折返时，可以手动判断行驶方向，或手动激活并关闭相应驾驶员终端，从而完成与驾驶室的转换，转换时并不会造成数据损失。列车在站台进行驾驶端转换时，前车门与屏蔽门均处于打开状态；在非折返线等非进站区时，车门则处于关闭状态。

5.6 车门与屏蔽门技术要求

无人驾驶列车的屏蔽门和车门开关均为半自动开关。除一般情况外，还须考虑故障时的实际使用情况。

一是当屏蔽门故障时，须由人工将故障屏蔽门关闭或锁紧；屏蔽门系统将向信号控制器汇报已被锁定屏蔽门的情况，当列车抵达站点前，由信号控制器将屏蔽门的故障信息传给车站对应的车门，使其在该站停车时不参与开启、闭锁的动作。

二是当车门故障时，可自动将其关闭并锁紧；当关门失灵后可手动将车门关闭并锁紧；同时，系统向信息控制器发送被锁车门位置，并向前方到站的相应屏蔽门发送信息，使之在该站停靠期间不进行开启、闭锁等操作。

三是人工开关门：在车辆停站期间，可人工开关车辆屏蔽门。当信息传感器收到人工打开屏蔽门指令，并在开门条件成立时，系统才可向车辆、屏蔽门发出指令。另外，所有与乘客换乘有关的情况都经由车载广播系统告知乘客。

5.7 辅助联动的相关系统

车站上应安装自动列车运行监测装置，使控制中心能够监测车站和各轨道情况，并实时观测车厢内和外部车头车尾状态，方便用于监测列车运行状态和对突发状况作出处置；列车上应设置无线电通信网络，可通过专用电话与控制中心通信；在列车行驶过程中，要能随时监测到前方是否有人员或物体进入轨道区域内，并作出不同反应，同时将信号发送给控制中心，调度员即能迅速掌握现场情况。

5.8 报警装置

以上系统均需设有报警装置。若有意外状况将开启应急报警，车上的闭路监测摄像机将及时监测事故情况，并将现场画面传输给控制中心。

5.9 停车控制

不良外界条件下，列车停站时会遭遇相应的阻碍，在距离不准或不准时等情况下，也可利用信号系统的特性，重新调节列车定位，因此，如果列车没有正确到达停车站，则在250m 以内距离误差下，将进行缓慢停车式调整直到重新对准停靠地点。如果列车与停靠站点存在5m 以上距离偏差，甚至进行多次调节也无法正确停靠时，车辆会直接启动越过该站，运行到下一个站点，并第一时间将结果发送至信号系统，然后利用车载广播系统通知全体乘客。

5.10 列车运行监控系统

列车运行监控系统主要是为了能够对列车的电路、网络、装置等进行有效管理，当列车在运行过程中出现紧急情况或者必须迅速撤离时，利用相关的列车运行监控系统，就能够迅速地实现远程开启逃跑窗，从而便于乘客迅速撤离，同时为了提高该控制系统工作的安全、稳定性，相关控制系统还应采用双路电缆，从而使得有关的信息得以迅速传输并且不干扰列车工作的其他性能。

6 结语

总而言之，正是由于无人驾驶地铁列车控制系统具备安全智能化和不需要人工辅助等优势，而得到广泛推行，该系统可以降低运营负担，保证安全、可靠运营，实现轨道交通车辆在高速运行状态下的低危险性及高舒适性。