下一代地鐵列車控制系統(tǒng)：自主化列車控制和自主化運營

地鐵列車控制技術(shù)總是隨著相關(guān)技術(shù)的進步和運營需求的提高而同步發(fā)展的。正如鐵路誕生之初，交流電的使用以及對安全性和運營效率的要求，催生了基于工頻軌道電路和固定閉塞的鐵路信號系統(tǒng)，最后發(fā)展成為基于數(shù)字軌道電路的ATP/ATO系統(tǒng)；同樣，隨著計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)、RFID技術(shù)的發(fā)展，以及地鐵高效運營的需求，CBTC（Communication-Based Train Control，基于通信的列車控制系統(tǒng)）應(yīng)運而生，并成為目前地鐵列控系統(tǒng)的主流技術(shù)。

在全球范圍內(nèi)，絕大多數(shù)新建及改建地鐵絕均采用了CBTC系統(tǒng)。目前，CBTC系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，基于CBTC的無人駕駛技術(shù)也到了廣泛應(yīng)用。

CBTC之后的下一代地鐵列控系統(tǒng)會是什么？這是業(yè)內(nèi)都在關(guān)心的問題，我們也看到了很多嘗試和探討?？梢源_定的是，下一代信號系統(tǒng)肯定是運用新技術(shù)的系統(tǒng)，并且旨在通過實現(xiàn)更高的安全性、更高的效率和成本優(yōu)化來不斷提高運營質(zhì)量。目前汽車無人駕駛發(fā)展迅猛，新型傳感器、圖像識別、人工智能等技術(shù)得到了快速發(fā)展，借鑒這些新型技術(shù)的發(fā)展，自主化、智能化的地鐵列車控制系統(tǒng)將是未來發(fā)展方向之一。

1、實現(xiàn)自主化的目的

應(yīng)用自主（Autonomous）列車和實現(xiàn)地鐵自主運營（無人OCC）的主要目的還是滿足運營的需求：

1.1. 提供CBTC降級情況下的安全運營方案

面對日均百萬客流的壓力，為了保證正常運營，降級模式成了CBTC系統(tǒng)的標配。降級系統(tǒng)可以在主系統(tǒng)出問題的情況下支持降級運行，提供有限能力的客運服務(wù)。然而，相比主系統(tǒng)，降級系統(tǒng)的安全性也是大打折扣的。反觀前幾年發(fā)生的事故，有些就是在系統(tǒng)降級情況下發(fā)生的。因此，提高系統(tǒng)在降級情況下的安全性是運營迫切的需求之一。

1.2. 更安全更迅速地處理緊急狀況，如：火災(zāi)和乘客緊急疏散

當(dāng)下，大部分的緊急情況都是由操作員/司機人工處理的。運營人員迫切希望某些應(yīng)急情況可以由系統(tǒng)自動處理，以減少反應(yīng)時間，避免人為錯誤。

1.3. 更短的行車間隔和節(jié)能

目前CBTC加降級系統(tǒng)可實現(xiàn)正常情況下2分鐘的行車間隔，降級模式下的3-4分鐘的行車間隔。一些大城市已經(jīng)達到了2分鐘甚至更短的行車間隔。如何將其進一步縮短，是地鐵運營方尤其是大型城市地鐵運營方的迫切需求。

同時，列車運行過程中的節(jié)能也是為了實現(xiàn)地鐵系統(tǒng)的綠色低碳環(huán)保的必要手段之一。

1.4. 減少CBTC的軌旁設(shè)備和對軌旁設(shè)備室的需求

在人工成本不斷增加的情況下，減少系統(tǒng)的維護工作量，從而減少長期的維護人力成本的要求越來越迫切。減少軌旁設(shè)備能夠大幅度減少日常檢查維護工作量。

減少設(shè)備室面積可有效降低地鐵的建造及維護成本。發(fā)達國家大部分線路為改造項目，國內(nèi)目前已經(jīng)開通了超過5000公里地鐵，隨后幾年也面臨逐步進入更新改造周期，對更新系統(tǒng)占用設(shè)備面積有更苛刻的要求。

1.5. 縮短項目交付時間

保證兩年甚至更短的信號系統(tǒng)工期，同時確保高質(zhì)量的交付，是巨大的挑戰(zhàn)。這些要求在信號行業(yè)出現(xiàn)之初就已產(chǎn)生，并且隨著技術(shù)的進步而不斷提高。

2、自主化與自動化的比較

自主化是有將決定權(quán)代理給一個經(jīng)過授權(quán)的個體，這個代理者可以在規(guī)定的范圍內(nèi)做決定。自動化則是指系統(tǒng)由若干定義好的規(guī)則控制，不允許有任何的偏離。自動化不是自主化。對一個系統(tǒng)而言，為了實現(xiàn)自主化，必須有獨立的系統(tǒng)組成，并在基于對環(huán)境和狀況理解的基礎(chǔ)上，選擇不同的、一系列的行動來達成目標。

在CBTC系統(tǒng)中，自動駕駛的列車可達到自動化程度非常高的自動化等級4（GoA4），每天可以安全地承載百萬客流。然而，部署了CBTC的列車是由外在的稱為區(qū)域控制器（ZC）的系統(tǒng)控制的，并在自動列車監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）的監(jiān)督之下，在運行過程中遵循特定的規(guī)則。

在GoA4的條件下，列車的正常運行是基于時刻表自動完成的。在發(fā)生危害的情況下（火災(zāi)、乘客疏散、列車救援），列車的運行則嚴重依賴于運營控制中心（OCC）值班員的人工介入。

自主化列車則能夠感知周邊的環(huán)境，并可自主地作出正確的決策來完成運行任務(wù)。

自主化的OCC，或者說無人OCC，是具備人工智能（AI）運營的OCC。它能夠執(zhí)行正常的運營操作，也能夠處理降級或者是危害模式下的運營。換句話說，自主運營OCC（無人OCC）能夠意識到運營條件，并能在無人工干預(yù)的前提下，在正常和降級場景下運營線路。

3、自主化的概念

3.1. 自主化列車：感知和行動

自主化列車將實現(xiàn)3大主要功能

3.1.1. 接受列車的運營任務(wù)

任務(wù)可以是:

在特定時間內(nèi)到達目的地，并在特定的站臺進行停站服務(wù)；

去進行維修；

去洗車線；

在停車線停車；

救援其他列車。

3.1.2. 感知

列車能夠自主檢測障礙物。障礙物包括：其他列車、軌道上或者軌道附近的人員、線路上的其他障礙物等；

列車知曉軌旁信號設(shè)備的狀態(tài)，包括道岔、信號機、站臺屏蔽門、各種線路標識等；

列車獲知天氣情況（風(fēng)、雨、地震）；

列車知曉軌道狀態(tài)，如進行維修和軌道工作禁止進入的區(qū)域，施加的臨時限速。

3.1.3. 行動

列車決定到達指定目的地的最優(yōu)路徑；

列車通過直接對轉(zhuǎn)轍機下發(fā)命令，完成進路排列。換句話說，傳統(tǒng)的聯(lián)鎖功能由車載設(shè)備完成；

列車決定并執(zhí)行移動授權(quán)；

列車決定并實現(xiàn)最優(yōu)的旅行時間和停站時間。

3.2. 自主運營

自主化的OCC（無人OCC）能夠意識到運營條件，并能在無人工干預(yù)的前提下，在正常和降級場景下運營線路。

正常情況下的自動運營（包括車站管理、維護管理、列車管理）；

意外發(fā)生后的線路自動運營；

故障情況下（道岔轉(zhuǎn)轍機故障、屏蔽門故障、斷軌、斷電）維持自動和連續(xù)的列車運營；

自動救援故障列車；

在發(fā)生危害的情況下，自動地將列車保持在或者移動至安全位置，并進行乘客疏散。

4、自動化等級

IEC62290-1標準明確了自動化等級：“城市軌道交通（UGT：Urban Guided Transport）列車可以運行的自動化等級，是根據(jù)對于給定的基本功能在運營人員和系統(tǒng)之間的責(zé)任劃分確定的”。該標準定義了5個自動化等級，如下表所示。

5、自主化等級

正如IEC標準定義了不同的自動化等級，本文也對自主化的等級（LoA：Levels of Autonomy）進行了定義。

5.1. 自主化一級 LoA1

自主化一級為列車提供了基于傳感器的“視覺”和更強的“大腦”，這樣列車可以自主決定走多遠，并確保能在任何障礙物之前停下來。這一級別可以附加在CBTC系統(tǒng)之上，實現(xiàn)故障后系統(tǒng)自恢復(fù)功能，如列車和軌旁丟失通信后的自動恢復(fù)。換句話說，自主化一級 LoA1系統(tǒng)可以作為CBTC的降級后備系統(tǒng)，從而允許低速下持續(xù)列車運行。

5.2. 自主化二級 LoA2

在自主化二級下，可實現(xiàn)對軌道上人員、軌道沿線以及站臺人員的自動檢測，為乘客和運營人員提供防護。

5.3. 自主化三級 LoA3

在自主化三級下，列車接收來自O(shè)CC的任務(wù)指令，包括指定將要服務(wù)的站臺和預(yù)期的到達時間。列車通過自行設(shè)定進路，直接控制道岔，并計算可安全行進的距離等，完成自己的任務(wù)。

5.4. 自主化四級（完全自主） LoA4

自主化四級的應(yīng)用愿景是由有高級輔助功能的有人值守的OCC過渡到人/機協(xié)同，并最終發(fā)展到無人OCC。屆時，OCC的功能將完全集成（ATS，SCADA，視頻分析），并由深度學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)地鐵的高效運營。

6、自主化的技術(shù)實現(xiàn)

新興技術(shù)的涌現(xiàn)推動了自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，汽車行業(yè)還在以數(shù)十億的投資以期實現(xiàn)汽車的自主化。為了達到特定等級的列車自主化，列車需要配備有傳感器（激光雷達、攝像頭、雷達、慣性測量裝置（IMU）），并結(jié)合復(fù)雜的傳感器融合及深度學(xué)習(xí)算法。讓列車擁有“視覺”和更強的“大腦”，可以實現(xiàn)列車自主化，并可達到不同的自主化等級。

7、自主化帶來的好處

自主化列車和自主化運營可以帶來的好處總結(jié)如下：

在CBTC基礎(chǔ)上增加了自主化一級功能，就可以減少CBTC系統(tǒng)故障對正常運營產(chǎn)生的影響，縮短列車延誤時間，并幫助CBTC系統(tǒng)的快速恢復(fù)。這一點在全自動運行（FAO）線路上是尤為重要的，否則，一旦任何一列車與軌旁控制器之間的通信丟失，都將導(dǎo)致列車逼停，并需要司機人工介入，從而帶來嚴重的延誤。如果列車具備了自主化一級的功能，列車就可以自主運行，不再需要長時間等待救援。

采用自主化一級和二級有利于提高CBTC降級情況下的安全性。當(dāng)CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，列車運營是由司機和值班員負責(zé)的。如果采用列車自主化一級和二級的功能，系統(tǒng)就可以提供額外的安全防護，防止人為錯誤，從而提高運營的安全性。

發(fā)生火災(zāi)或者其他危害的情況下，需要快速疏散乘客，以減少人員傷亡。目前，OCC對于這種緊急情況的處理，都是由OCC操作人員進行的，該人員負責(zé)在不同的系統(tǒng)和操作員之間進行協(xié)調(diào)。自主化四級的目的在于通過將不同的系統(tǒng)高效集成起來，幫助操作員做出決策，或者自主決策。

縮短項目周期。新的自主化系統(tǒng)將使設(shè)備大幅減少，主要設(shè)備將是OCC和車載設(shè)備。將眾多子系統(tǒng)整合在單一的子系統(tǒng)，極大地簡化系統(tǒng)架構(gòu)，減少了接口，減少了設(shè)計、驗證、安裝和調(diào)試的周期。由此看來，相比非自主化的傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)，部署自主化系統(tǒng)所需的時間要少很多。

8、自主化的挑戰(zhàn)

信號行業(yè)從基于軌道電路的ATP/ATO系統(tǒng)發(fā)展到了CBTC系統(tǒng)。CBTC的技術(shù)從1999年IEEE1474標準制定開始，得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，列車控制技術(shù)也是時候發(fā)生新的演進了。從自動化向自主化的轉(zhuǎn)變也伴隨著很多挑戰(zhàn)，其中運營理念、標準、安全規(guī)范、信息安全和商業(yè)模式等是最為凸顯的。尤其是安全性和信息安全尤為重要。多次無人駕駛汽車致人死亡的事件再次提醒我們這一點。

9、結(jié)論

地鐵行業(yè)總是能從新技術(shù)的發(fā)展受益，吸收當(dāng)前的最新信息及控制新技術(shù)，完全有可能實現(xiàn)超過GoA4級的自動化水平，進而超越目前的CBTC系統(tǒng)。從CBTC到全自主化的演進可以是一步一步實現(xiàn)的，通過逐級引入自主化，最終實現(xiàn)全自主化。同時，目前比較容易實現(xiàn)的是考慮在CBTC的GoA1/2/3/4上上疊加LoA1/2來減少運營中斷，或者是取消基于軌道電路或者計軸的后備系統(tǒng)，提高系統(tǒng)通過能力，提高安全性。

我們確信，信號系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，是時候引入新的技術(shù)并積極探索自主運營這一新的領(lǐng)域了。

編輯：jq