更智能！下一代地铁车辆全自动无人驾驶信号系统关键技术

今天又到了小轨君给大家介绍专业技术文章的时间。

大家知道，自动驾驶现在已经不是什么新鲜事物，各大汽车厂商，现在都在实验自己的汽车自动驾驶系统。

而城市轨道交通的自动驾驶，也发展了很久。在巴黎等地，无人驾驶地铁早已运营多年。但时代在发展，城市轨道交通的自动驾驶系统，也在进行着代际更迭。

今天为大家介绍的文章就是《下一代地铁车辆全自动无人驾驶信号系统关键技术》，本文为精彩摘选，全文发表于《都市快轨交通》2017年第3期。

我国以及世界上一些大城市的轨道交通经过几十年甚至上百年的建设和发展，已经形成了城市轨道交通网，城市轨道交通正在成为市民出行的主要公共交通工具。乘客和运营从安全、舒适、正点高效、运营灵活、绿色节能、降低全生命周期成本等方面对城市轨道交通提出了更高的要求。全自动无人驾驶作为目前城市轨道交通的最先进技术，从上述多维度解决了乘客和运营的需求，是城市轨道交通的发展目标之一。

CBTC(communication-based train control，基于通信的列车控制)系统是一个连续的自动控制系统，装载了独立于轨道电路的高精度列车定位装置、连续大容量双向车地数字通信系统以及车载与轨旁处理器。

随着CBTC系统技术的发展，为了满足城市轨道交通技术储备的国家战略需要及日益增长的全自动无人驾驶系统的需求，国家科技部在2015国家科技支撑计划中立项批复了“下一代地铁车辆技术研究及示范应用”项目，重点研究下一代全自动运行地铁列车新结构、新材料和新能源，列车全自动控制，列车智能在途故障诊断及预警，车地通信和车载网络控制，并达到节能、减重、降噪10%的控制目标。

本文提出的全自动无人驾驶信号系统是2015国家科技支撑计划中的一个重要控制系统。

全自动无人驾驶信号系统是下一代地铁车辆的核心安全控制设备，是将列车驾驶员执行的工作实现全自动化、智能处理、高度集中控制的列车控制系统。系统具备列车自动唤醒启动和休眠、自动出入停车场、自动清洗、自动运行、自动停车和自动控制车门上下客等功能，即将传统的城轨地铁线路中由列车驾驶员进行的驾驶列车、出车前的启动和检查、对列车运行前方轨道的瞭望、开关车门以及部分项目的开关安全门、启动列车、车辆故障检测和故障排除、与乘客的通信、引导乘客疏散等工作，交由全自动无人驾驶系统进行控制。

全自动无人驾驶系统的关键技术主要包括列车控制技术、监测系统联动技术、故障管理技术及乘客监督和管理技术。列车控制技术包括休眠唤醒、过冲回退、重新开关门、自动出入库、自动洗车、车辆管理和工程车管理等；监测系统联动技术包括障碍物检测、站台门防夹、工作人员防护、烟火报警联动、牵引供电联动等；故障管理技术包括牵引制动故障、门故障处理，远程复位、蠕动模式、列车救援和备份OCC等；乘客监督和管理技术包括乘客紧急手柄/紧急呼叫、逃生门控制等。

下一代地铁车辆全自动无人驾驶信号系统的BiTRACON型系统由综合自动化系统(traffic control integrated automation system，TIAS)、轨旁控制器(含ATP/ATO/FATO(ATP: automatic train protection，列车自动防护;ATO：automatic train operation，列车自动运行; FATO: full automatic train operation，全自动列车自动运行))、车载控制器(含ATP/ATO/FATO)、计算机联锁、计轴、通信系统、轨旁基础设备等组成。图1显示了下一代地铁车辆无人驾驶信号系统的结构。

图1 下一代地铁车辆全自动无人驾驶信号系统结构示意

综合自动化系统以行车指挥为中心，由信号与综合监控、车辆、通信等多系统深度集成，采用统一的硬件平台、软件平台及网络平台，实现列车自动监控、列车计划及调度指挥、电力监控、环境与设备监控等功能，并与火灾报警系统、机电系统、乘客信息系统、广播系统、闭路电视系统等设置接口，减少信息流通环节，以最优的算法和时间执行异常情况下的综合联动。

轨旁控制器通过计算机联锁提供的轨旁基础信号设备和进路状态信息，结合车载控制器汇报的列车位置，为车载控制器计算移动授权；在唤醒过程中，通过计算列车位置，给出允许唤醒授权和静态、动态测试授权，同时，轨旁控制器还可实现线路数据的管理，对轨道数据库及全线的临时限速进行处理。

车载控制器采用车头、车尾两端二乘二取二的安全计算机平台，实现收尾冗余和无扰自动切换。单端车载控制器由列车自动防护ATP，列车自动运行ATO、全自动运行控制FATO组成，当降级到人工控制时，司机显示器采用与车辆一体化的方式进行司机驾驶显示。车载控制器通过轨旁控制器提供的移动授权对列车运行安全进行自动防护，并实现列车的自动发车、自动站停、自动开关门、自动折返等驾驶功能。全自动无人驾驶车载控制器可以实现列车在车辆段/停车场全自动运行，包括自动唤醒、自动休眠、全自动调车、自动出入库、自动投入和退出运营、自动洗车等；车载控制器可以响应来自TIAS的调度和运营调整指令。

在异常情况下，车载控制器与轨旁控制器、计算机联锁一起，实现列车的自动调整、车门与站台门对位隔离，以及异常情况下的自动紧急制动和远程控制等。

计算机联锁通过与信号机、转辙机、环线控制器、计轴、站台门控制器等轨旁设备以及TIAS连接，实现传统的联锁功能，并通过与轨旁控制器的接口，为其提供轨旁设备及进路状态信息，并与其协作实现全自动无人驾驶下的保护区段、进路方向、站台门隔离、工作人员防护、紧急停车、扣车等功能。

全自动无人驾驶系统实现了全过程的列车自动驾驶和安全防护，计算机联锁系统的车辆段/停车场也作为正线的延伸，为列车自动控制提供轨旁设备及进路状态信息。

由于列车运行由系统自动控制和控制中心远程监控实现，没有司机和司乘人员进行处理，因此，通信系统除了进行信号系统的车地双向数据通信之外，还需要将车辆现场图像、故障信息通过车地通信网络上传至TIAS，并在异常情况下传输TIAS下发的相关联动调度指令。

计轴与轨旁基础设备承担了与传统轨道交通列车运行控制系统相同的功能。

IEC 62267将地铁运营的自动化等级(grades of automation，GoA)划分为4级：GoA1(非自动的列车运行防护)、GoA2(半自动列车运行)、GoA3(无人驾驶列车运行)和GoA4(无人值守的列车运行)，各运营等级的列车运行控制如表1所示。

表1 各自动化运营等级列车控制

注：UTO：Unattended train operation，无人值守的列车自动运行。

传统基于CBTC的城市轨道交通列车控制系统已经具备了自动控制列车的启动、加速、巡航、惰性、制动等运行过程，具有以下4种驾驶模式。

下一代地铁车辆全自动无人驾驶系统由于无司机驾驶列车，由系统实现对列车的全自动控制，在传统的列车控制系统驾驶模式基础上，还具有如下驾驶模式。

下一代地铁车辆全自动无人驾驶系统根据系统工作状态及人工操作，可以在所提供的6种驾驶模式之间进行人工或自动转换。图2所示为下一代地铁车辆全自动无人驾驶系统驾驶模式转换关系。

图2 下一代地铁车辆全自动无人驾驶系统驾驶模式转换示意

下一代地铁车辆全自动无人驾驶信号系统采用先进的计算机技术、控制技术、通信技术、大数据处理技术，实现了系统的高度一体化和深度集成，无需工作人员值守，可以进行全自动的列车运行控制，并能在设备或环境异常情况下，通过智能检测和判断，实现各设备的自动联动，最大限度避免了人为误操作导致的意外事件，提升了系统的安全性和运营组织的灵活性，为今后城市轨道交通控制系统提供了技术方案。