高速铁路空载动车组自动驾驶出入动车段技术方案探讨

刘金瑞

目前，高速铁路空载动车组出入动车段/所（以下简称“动车段”）需由司机操控，作业模式有2 种：一是额外配置司机将空载动车组开出/送回动车段，人员利用不充分；二是由本务司机将空载动车组开出/送回动车段，造成本务司机工作时间延长，更易疲惫，且司机出入动车段的运送及安排组织也需要大量资源支撑。分析空载动车组出入动车段时速度较低，具备开展自动驾驶技术研究、试验、应用条件，因此为节省人力资源、降低劳动强度、提高运输能力、提升系统智能化水平，本文探讨空载动车组自动驾驶出入动车段技术方案，可为进一步系统研发及工程应用提供参考。

1 列车自动驾驶技术概述

我国已形成高铁列车自动驾驶（ATO）系统成套技术标准。ATO 系统具备正线车站站间自动运行、车站定点停车及通过、列车运行计划自动调整、车门/站台门联动控制、列车运行节能控制等功能。京张高铁、珠三角城际铁路等部分线路已实现GOA2 （Grade of Automation 2） 级ATO运行［1］。

我国城轨交通的全自动运行标准体系已全面形成，包括《城市轨道交通全自动运行系统规范》（T/CAMET 04017—2019） 等。 其中自主化GOA4 级无人值守的全自动运行（Unattended Train Operaion，UTO）技术研究已经取得突破，并在部分线路上实现了工程应用，进入规模化应用阶段。同时，国家标准《轨道交通 城市轨道交通运输管理和指令/控制系统》（GB/T 32590—2016）覆盖了从非自动化列车运行（GOA1）到无人值守自动运行（GOA4）的广泛运行需求［2-3］。

目前我国高速铁路自动驾驶技术应用范围为正线，列车进/出动车段一般采用CTCS-2级列控系统，相当于GOA1级。行业内对于动车组自动驾驶出入动车段的情况，虽然进行了前期研究，但尚未形成明确的技术方案。为满足动车组自动驾驶（正常无司机）出入动车段的运行需求，本文探讨在现有CTCS-2级列控系统的基础上配置高铁ATO功能，借鉴城轨全自动运行技术路线的做法，考虑新增部分设备，同时修改部分设备功能和接口、新增调度员（含动车段行车人员，以下统称调度员）职责等，来实现动车组自动驾驶出入动车段的功能目标。

本文自动驾驶的范围为动车段存车线至相邻车站股道之间的列车进路，包含进/出段、进/出站进路及动车走行线区间。动车段内，动车组从存车线至检修库、洗车线等处维持既有调车作业方式。

2 功能需求分析

2.1 城轨全自动运行主要功能

城轨全自动运行主要功能包括列车驾驶与监控、运营管理与监督、监督乘客乘车、设备及自动化区域监测、紧急状态的检测与运行处置等5 个方面［4］。相对于有人驾驶模式，全自动运行系统增加了远程面向乘客的服务、应急情况下各系统联动、各系统监控等功能；同时，系统配置了各种故障及应急情况下的处理功能，包括蠕动模式（CAM）、雨雪模式、乘客紧急呼叫、火灾应急处理、车门/站台门对位隔离、自动救援（可选）等；调度中心可实现以行车为核心，信号与综合监控、车辆、通信等多系统的深度集成，调度员能够对列车运行过程的全场景、全要素进行实时监控。

2.2 动车组自动驾驶出入动车段基本功能

由于动车组出入动车段时为空载状态，故与乘客服务相关的功能暂不需考虑；如果动车组发生故障在区间停车，也可以维持既有方式，采取人工驾驶列车救援故障列车。因此，本文从列车驾驶与监控、运营管理与监督、设备及自动化区域监测3个方面，分析动车组自动驾驶出入动车段的基本功能需求。

2.2.1 列车驾驶与监控

自动进站（段）及区间自动运行为ATO 系统既有功能，以下为新增或可选功能。

1）低速通过。对于因区间轨道电路故障导致动车组停车等场景，自动驾驶时需结合车辆远程监控、前方障碍物监测等功能，判断运行方向是否有物理障碍物，若没有，调度员发出行车指令，车载设备切换到“低速通过”模式，动车组以不超过40 km/h（可配置）的速度自动通过故障区段；通过故障区段后自动恢复为“自动驾驶”模式。

2）紧急制动缓解。为保证区间行车过程中由于设备故障等原因导致的紧急制动能缓解，并继续自动驾驶列车运行，应考虑触发紧急制动的条件恢复且列车停稳后，系统可自动缓解紧急制动；同时可配置远程人工设置和缓解紧急制动功能。对于远程设置的紧急制动，取消时仅取消由远程设置的紧急制动，其他原因导致的紧急制动不在远程取消之列。

3）唤醒/休眠（可选）。系统可根据需要增加唤醒/休眠功能［5］。具有远程自动/手动和本地手动唤醒模式，可控制停在存车线的动车组自动上电、车载设备自检等；同样，系统具备远程自动/手动和本地手动休眠模式，可控制列车进入存车线后进入休眠模式。

4）列车状态远程监控（可选）。调度中心可实时查看动车组和车载设备状态、报警信息；系统可远程控制动车组设备、照明开关、空调等。

2.2.2 运营管理与监督

1）自动出站（段）。调度中心应自动或人工授权进入“自动驾驶”模式，且能随时终止任何动车组的“自动驾驶”功能。自动出站（段）时，调度中心自动为出站（段）动车组排列出站（段）进路，满足发车条件后，动车组经动车走行线自动运行至相邻动车段/车站。

2）雨雪模式（可选）。在雨雪模式下，系统自动降低牵引力、制动力和列车最高运行速度等。

2.2.3 设备及自动化区域监测

1）障碍物检测。当检测到障碍物或已经与障碍物碰撞时，系统应触发列车紧急制动，在调度终端进行报警，并联动区间线路轨旁及列车头部视频至调度员终端。当障碍物报警解除后，可以人工远程启动列车“低速通过”，经过地面应答器组且满足相应条件后，升级为“自动驾驶”模式继续运行；当已经与障碍物碰撞，则需人工清理障碍物并确认列车状态后，人工驾驶列车或人工远程启动列车“低速通过”，经过地面连续2个应答器后，确定位置和运行方向，再升级为“自动驾驶”模式。

2）“自动驾驶”模式指示灯。可在驾驶室设置模式指示灯，指示当前驾驶模式是自动驾驶还是人工驾驶。

出入动车段自动驾驶基本功能需求见表1。

表1 出入动车段自动驾驶基本功能需求

3 技术方案

3.1 方案对比

3.1.1 全自动运行（方案一）

停在动车段的动车组出段发车前，需要按照行车计划远程自动唤醒车载ATP（列车自动防护）、ATO 设备，执行设备上电自检、ATP 自动启动、自动预选ATO、自动呼叫GPRS（通用分组无线业务）电台、自动输入TSRS（临时限速服务器）编号，完成系统注册、ATO 发送位置信息至TSRS 等功能［6］。具备发车条件后，列车以部分监控模式（PS）启动发车，收到地面应答器组信息并满足自动驾驶模式（AM）条件后，列车自动转入AM模式运行，作业流程见图1。

图1 全自动运行作业流程

该方案需要车载独立配置唤醒/休眠模块；需修改ATP、ATO 等软件功能，以实现既有由司机完成的TSRS 编号录入、预选ATO、“ATO 启动”按钮按压等操作。可见该方案在硬件、软件上均需要进行大量的升级研发和验证工作，目前阶段可实施性和必要性均不强。

3.1.2 人工辅助自动驾驶（方案二）

为减少对现行系统的升级改造，出段发车前可先由动车段地勤司机上车执行车载设备唤醒、TSRS 注册、ATO 预选等功能，选定AM 模式，且具备发车条件后，地勤司机下车，按压地面“ATO自动发车”按钮（地面新增，现状为司机按压列车上“ATO 启动”按钮），列车以PS 模式启动，在收到地面应答器组信息并满足AM 条件后，自动转入AM 模式运行至相邻车站，按照行车计划自动接车进入对应的股道精确停车，作业流程见图2。该方案对现有高铁ATO 系统的改动较小，能基本实现动车组自动驾驶的需求，具有一定的可实施性。

图2 人工辅助自动驾驶作业流程

为减少对现有列控系统的改动并降低实施难度，现阶段推荐方案二，见图3。

图3 基于CTCS2+ATO系统的人工辅助自动驾驶方案示意

3.2 新增功能和配置

3.2.1 列车前视和后视摄像

动车组前端、后端增加具备高速成像和智能分析功能的高清摄像机，接入专用移动通信网络。动车组前后方线路的视频信息实时传输至调度中心，保证调度员需要时能实时观测到线路前后方情况。该功能仅向调度员提供视频信息，对现有ATO、ATP设备没有影响。

3.2.2 障碍物检测

1）动车组配置障碍物检测设备。采用高分辨率摄像机，利用激光雷达［7］、毫米波雷达等多传感器融合技术，检测行车前方危及行车安全的各类障碍物目标，判断线路轨旁特定目标对列车安全运行是否构成障碍。该方式需要列车新增障碍物检测设备，并在出现问题时立即将报警信息传递至车载ATP 设备，由车载ATP 采取紧急制动等措施，需要对车载ATP软件进行改造。

2）地面线路增加检测障碍物的视频设备。在动车走行线线路两侧加设高清智能视频摄像头，保证无死角覆盖。可将线路视频信息实时传递到调度中心和相关的车站，利用人工智能技术对线路上可疑物体进行追踪、辨识。障碍物检测视频设备发现有异常后，立即向调度中心、车站TCC 提供报警信息，由TCC 控制相应区间轨道电路区段发“H”码，列车收到后触发紧急制动；同时调度中心通知相关人员启动清除异物或救援流程。该方式虽然避免了修改车载设备软件，但TCC 需增加与障碍物检测系统的接口并修改TCC 软件；同时需要地面通信系统支持高清视频实时传递，对通信带宽要求较高。

由于仅依靠地面配置摄像头进行检测手段较为单一，摄像头又易受轨行区周围环境的影响，目前地面配置视频设备的方式尚未实现与列控系统结合的应用；而城轨行业中，部分项目配置了列车智能障碍物检测系统，虽然有一些工程应用，但项目样本数量不多，系统适用的速度范围、探测距离、可靠识别探测障碍物尺寸等尚待工程验证。因此综合考虑，现阶段建议基于城轨技术方案，进一步定向研发，采用车上配置障碍物检测设备方式。针对大雨、大雪等天气对于视频或雷达的影响，需提前采取措施，切换到人工驾驶方式。

3.2.3 远程控制列车低速通过

信号车载设备与车辆通信故障或地面轨道电路故障后，列车区间制动停车。为避免采用人工救援方式，研究采用技术手段判定故障后，自动启动列车低速通过故障区段，到达车站或动车段后再由人工上车处置。

城轨全自动运行系统中，当车载设备与车辆通信故障时，列车可以蠕动模式（当车辆网络故障，或车辆网络与信号网络之间通信故障时，列车停车后在无司乘人员干预下，由控制中心人工确认，在信号系统的防护下，采用备用接口直接控制车辆的牵引制动系统，列车低速运行至站台）运行至停车点（车载设备与车辆之间有硬线接口）［8］。对于高铁而言，信号ATP、ATO 分别以继电、MVB 总线与车辆进行接口，两侧均增加硬线接口实现蠕动模式的可行性不高，因此，现阶段暂不考虑由列控系统解决车载设备与车辆通信的故障，当出现此问题时，需采用司机上车应急驾驶的方式。

目前动车走行线地面布置ZPW-2000系列轨道电路，一旦动车组区间运行意外收到HU 码停车时，可利用TCC 区间逻辑检查功能，以及调度员人工查看线路视频等，确认前行动车组所处位置［9］。若确认轨道电路故障，且列车前方至进站间无其他列车时，调度员可远程发送“低速通过”指令至ATO 设备，启动动车组以指定速度（如40 km/h）通过故障区段［10］。处于“低速通过”模式的列车，在运行过程中经过地面应答器组，且满足相应条件时，可升级至AM模式。

此功能需修改CTC（发出“低速通过”指令）、ATO （增加“低速通过”功能）、ATP（“低速通过”时轨道电路“HU”码无效）软件；当动车段配置有控制集中系统（CCS）时，还需同步修改CCS 软件（系统操作界面增加“低速通过”指令按钮），修改CCS 与CTC、CTC 与TSRS、TSRS与ATO间接口协议，调度员人工确认后下达“低速通过”指令。同时需有配套行车管理办法，实现效果类似于城轨全自动运行系统中的远程限制驾驶RRM 模式（由于某些原因列车丢失定位或车载控制器重启，在与轨旁设备通信正常的情况下，由调度员通过ATS 对该列车进行远程限制驾驶模式选择，轨旁区域控制器对列车进行一段距离的安全防护，在该段距离内列车以RRM 模式运行，在重新获得定位后，列车将自动恢复为无人驾驶模式）。

当进/出动车段进路中配置有踏面诊断设备时（有限速8～12 km/h 要求），可通过动车段发车股道应答器配置线路固定限速，实现速度控制。

3.2.4 紧急制动缓解

当因通信短时故障等导致列车区间紧急制动后，系统应具备缓解功能，紧急制动状态应在CTC、CCS 终端显示［11］。制动缓解方式包括ATP自动缓解、调度中心远程人工缓解，以及本地人工缓解。ATP 自动缓解功能需要对现有的车载ATP进行改造升级，当判定引起紧急制动的原因消除或接收到“低速通过”指令后，ATP 自动缓解紧急制动；调度员远程人工缓解需要调度员判定可以缓解紧急制动后，远程发出“紧急制动缓解”指令给车载ATP，同样需要对现有的车载ATP 进行升级改造，同时配套修改CTC、CCS 软件（显示紧急制动状态、发出制动缓解指令等）。

3.3 需修改的功能和配置

目前高铁ATO 系统在满足自动发车的条件时，司机需按压“ATO 启动”按钮后，动车组才从车站股道发车。为实现无司机情况下列车从车站/动车段自动发车，且对现有的高铁ATO 系统改动最小，可采用地面设置“ATO 自动发车”按钮的方式。司机在确认发车条件满足后，下车按压“ATO自动发车”按钮，触发动车组自动启动发车前往动车段/车站［12］。此功能需要地面按股道配置“ATO 自动发车”按钮，同时增加TCC 采集“ATO 自动发车”按钮信息功能；增加TCC 与TSRS 接口信息；ATO 设备软件增加车载“ATO发车”或地面“ATO 自动发车”选择功能等。司机地面操作“ATO 自动发车”按钮的信息可由TCC 采集后，通过安全数据网经TSRS 与GSM-R接口传递至车载ATO 单元，在车载系统完成自检后，控制列车自动发车。

4 结论

为提升动车段智能化水平，基于现有技术基础和实际需求，本文推荐人工辅助自动驾驶出入动车段方案：硬件方面列车需增加前后摄像、障碍物检测设备，地面增加“ATO 自动发车”按钮等；软件方面需对ATP、ATO、TCC、CTC、CCS等设备进行升级，在调度员和动车段司机的配合下，配套相应的行车管理办法，可实现动车组自动驾驶出/入动车段基本功能，并满足区间停车等故障场景下自动驾驶的需求。后续将深入进行空载动车组出入动车段自动驾驶的系统性研发［13］，重点关注非正常运营场景下，如何最大限度保障正常运行时序的应急响应，以及车载主动障碍物探测技术方案的实现与验证。