实用化高可靠性自主驾驶轨道交通装备体系研究

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摘要：摘 要：我国城市轨道交通近年来得到快速的发展，已经逐步成为了公共轨道交通中的骨干力量，伴随着自动化程度的日益增高，列车自主驾驶是轨道交通发展的方向。本文简要回顾了轨道交通自动驾驶的发展历程，描述了列车自主驾驶系统的主要需求及难点，提出了采用

　　摘 要：我国城市轨道交通近年来得到快速的发展，已经逐步成为了公共轨道交通中的骨干力量，伴随着自动化程度的日益增高，列车自主驾驶是轨道交通发展的方向。本文简要回顾了轨道交通自动驾驶的发展历程，描述了列车自主驾驶系统的主要需求及难点，提出了采用航天多模冗余技术的实用化高可靠自主驾驶技术方案，描述了自主驾驶轨道交通装备的体系架构图，最后对该模式加以分析，对构建适合城市轨道交通发展的自主性驾驶轨道交通装备技术体系提供了有利的支撑。以节能环保、安全舒适、经济效益优为目标的大背景环境下，轨道交通自动驾驶系统正在逐步替代司乘人员的工作，该实用化装备体系在未来将会发挥重要的作用。

　　关键词：轨道交通 自主驾驶 装备体系 多模冗余技术

　　軌道交通具有大运量、安全舒适、经济省地、速达准时、节能环保等技术经济优势，可有效缓解道路拥堵，正在成为公共交通的骨干力量。随着控制设备的自动化、智能化程度不断提高，轨道交通自动驾驶系统正在逐步替代司乘人员的工作。国际公共交通协会(UITP)将轨道交通运行的自动化水平GoA(Grades of Automation)划分为5级[1]，如表 1所示。

　　其中，GoA4是完全无人监督的自动驾驶阶段，被称为UTO(Unattended Train Operation)模式，轨道交通自主驾驶系统可自行完成列车启动、停车、设备管理、突发情况应对等所有工作，无需任何人员参与其中。自主驾驶是轨道交通发展的方向[2-3]。列车自主驾驶技术是轨道交通装备领域的研究热点之一。

　　1 轨道交通装备自动驾驶技术的发展

　　1926年英国开始进行无人驾驶地铁列车的试验[4]。此后，英国开展了一系列轨道交通自动驾驶的试验项目，并与1964年开始进行自动驾驶列车与有人驾驶列车在同一线路进行混跑的运行试验。德国的轨道交通的自动驾驶试验是从1928年开始的，在克鲁姆兰克站附近，自动驾驶系统被叠加在既有的信号闭塞系统之上，干预列车的运行，但列车上有专人负责站台发车和车门的控制[5]。美国的纽约时代广场至中央火车站摆渡线被认为是首条载客的自动化地铁线，1962年正式开始载客运营。摆渡线路采用环形设计，整个线路具备列车自动发车、区间自动调速、到站自动停车和车门自动开关等功能，实现了列车正线运行过程自动化[6]。

　　20世纪80年代，轨道交通的全自动驾驶技术开始迅速发展。1981年，日本开通自动导向运输AGT(Automatic Guided Transit)神户港岛线，采用侧轨导向技术，实现列车运行过程全自动化，被认为是首条真正意义上的GoA4线路[7]。1983年，法国开通全自动轻轨地铁系统Lille1号线，采用全自动捷运系统VAL(Véhicule Automatique Léger)和胶轮路轨系统，成本低，站台短，发车间隔缩短到60s。加拿大温哥华1985年开通Expo线，采用了ART(Advanced Rapid Transit)系统，其车载设备和地面子系统间通过环线进行双向数据传输，运行的自动化水平达到GoA4级。轨道交通移动闭塞技术和基于通信的列车控制技术都在该线路上得到了首次应用。2008年，中国北京的机场快轨线开通，连接北京首都机场与东直门，采用了ART系统。我国轨道交通的自动驾驶技术研究起步相对较晚，国内现行运行的轨道交通系统自动化设备国产化率较低，大多数设备都是从国外引进，如图1所示。

　　2 轨道交通自主驾驶的主要需求及难点分析

　　自主驾驶列车需要具备车载信号系统自动唤醒、车库门自动运行、列车自动出入场段、自动停车、自动折返、车辆动态测试和全自动洗车等功能[8-9]。列车需通过车载传感器感知运行环境，获取车辆位置、乘客信息、车辆工作状态和障碍物信息，自主完成列车运行任务。采用自主驾驶系统的目标就是把司乘人员的工作全部交由自主驾驶系统来承担。因此，自主驾驶轨道交通的设计应满足下列要求：

　　(1)列车自主精准定位。目前列车的定位系统主要依赖于轨旁设备。自主驾驶轨道交通需要摆脱目前列车定位严重依赖于轨旁设备和区域性地面设备的车辆定位方案，实现列车高精度、高可靠的自主定位。

　　(2)列车运行主动避障。障碍物识别技术是保障列车安全运行的关键技术之一。只有在车辆上配备障碍物自动检测系统，主动发现轨道上的障碍物，自主决定如何操作可以有效避开障碍物，替代传统司机值守的功能，才能称为真正意义上的自主驾驶。

　　(3)列车自主安全运行。列车自主运行时，由于没有司乘人员参与，采用可靠的安全防护系统是非常必要的。比如，列车进站上下乘客时，传统地铁列车大多数采用的是人工检测，在车尾安装瞭望灯带，列车发车前由司机观察灯带是否完整来判断站台门和列车门之间是否存在异物。当列车自主运行时，站台门和列车门之间的异物就需要采用自动检测的方法，并且检测的结果需要和信号系统进行联动。如果有异物，就要预警，并禁止发车，直到异常情况消除。

　　(4)列车运维智能化。通过多源传感器信息融合技术实现列车多维度状态的全面实时监控、工作状态自感知、运行故障自诊断、导向安全自决策，为智能诊断、安全监控和运行维护提供数据支持。研发故障预测及监控管理(PHM)系统，通过列车状态信息的实时处理和与历史数据的对比分析处理，基于大数据分析和服役性能预测，提前发现和处理潜在故障，最大程度地降低因故障导致的停运维修，提升列车的运行安全性和运维经济性。

　　3 采用航天多模冗余技术的实用化高可靠自主驾驶技术

　　航天产品具有高可靠的特性，将航天产品的多模冗余设计技术应用到自主驾驶轨道交通装备的研制中，将大幅提升装备的可靠性。

　　3.1 基于弱耦合关系下的多源定位信息多裕度系统架构设计技术

　　轨道交通涉及公共安全和人身安全，其运行安全性和可靠性尤为重要。作为轨道交通运行位置的感知、检测、汇总、上报的自主驾驶系统，上报的位置精度、准确度以及通讯链路的实时性和可靠性是影响列车自动驾驶成败的关键因素之一。

　　为了确保轨道交通在一度故障下列车可降级行驶且不存在涉及功能安全的故障隐患，采用航天多模冗余技術的系统架构;同时为防止多模冗余系统中共因失效导致整个系统工作异常的问题，采用了差异化设计的思路，选用惯性导航、视觉定位、雷达避障等不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位设备造成的共因失效。此外，为了避免定位精度在系统内传递过程中出现逐次放大的问题，自主驾驶系统采用一种基于列车运行全过程定位任务划分的多源定位信息弱耦合技术，减少各源定位数据的相互交联，逐层解耦、顶端融合，防止定位精度传递过程中的放大问题以及下级设备失效对上级设备定位精度的影响。

　　3.2 高精度系统时钟同步及多源数据处理技术

　　自主驾驶系统内部采用的总线形式为“命令应答式”，即作为顶层设备的时钟同步及数据处理设备以额定时间间隔依次向多源传感器设备发送命令字，各终端设备依次上报“当前”检测的列车状态数据，时钟同步及数据处理设备对多源定位信息数据进行融合并上报车载ATP。在轨道交通运行的情况下，若多裕度时钟同步及数据处理设备在进行定位信息采集时，每个裕度发送的命令字时刻不统一，则得到的列车状态数据必然离散，所进行的后续融合处理必然毫无意义。因此，确保多裕度的时钟同步及数据处理设备在发送命令时处于绝对的“相同”时刻。

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