融合RFID等通信技術(shù) 打造下一代地鐵列車控制系統(tǒng)

地鐵列車控制技術(shù)總是隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和運(yùn)營(yíng)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(duì)安全性和運(yùn)營(yíng)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(hào)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(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、RFID技術(shù)的發(fā)展，以及地鐵高效運(yùn)營(yíng)的需求，CBTC(Communication-Based Train Control，基于通信的列車控制系統(tǒng))應(yīng)運(yùn)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(wú)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(huì)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。可以確定的是，下一代信號(hào)系統(tǒng)肯定是運(yùn)用新技術(shù)的系統(tǒng)，并且旨在通過實(shí)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(yùn)營(yíng)質(zhì)量。目前汽車無(wú)人駕駛發(fā)展迅猛，新型傳感器、圖像識(shí)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(shí)現(xiàn)自主化的目的

應(yīng)用自主(Autonomous)列車和實(shí)現(xiàn)地鐵自主運(yùn)營(yíng)(無(wú)人OCC)的主要目的還是滿足運(yùn)營(yíng)的需求：

1.1. 提供CBTC降級(jí)情況下的安全運(yùn)營(yíng)方案

面對(duì)日均百萬(wàn)客流的壓力，為了保證正常運(yùn)營(yíng)，降級(jí)模式成了CBTC系統(tǒng)的標(biāo)配。降級(jí)系統(tǒng)可以在主系統(tǒng)出問題的情況下支持降級(jí)運(yùn)行，提供有限能力的客運(yùn)服務(wù)。然而，相比主系統(tǒng)，降級(jí)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(jí)情況下發(fā)生的。因此，提高系統(tǒng)在降級(jí)情況下的安全性是運(yùn)營(yíng)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(jī)人工處理的。運(yùn)營(yíng)人員迫切希望某些應(yīng)急情況可以由系統(tǒng)自動(dòng)處理，以減少反應(yīng)時(shí)間，避免人為錯(cuò)誤。

1.3. 更短的行車間隔和節(jié)能

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

同時(shí)，列車運(yùn)行過程中的節(jié)能也是為了實(shí)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(duì)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(hù)工作量，從而減少長(zhǎng)期的維護(hù)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(hù)工作量。

減少設(shè)備室面積可有效降低地鐵的建造及維護(hù)成本。發(fā)達(dá)國(guó)家大部分線路為改造項(xiàng)目，國(guó)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(jìn)入更新改造周期，對(duì)更新系統(tǒng)占用設(shè)備面積有更苛刻的要求。

1.5. 縮短項(xiàng)目交付時(shí)間

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

2、自主化與自動(dòng)化的比較

自主化是有將決定權(quán)代理給一個(gè)經(jīng)過授權(quán)的個(gè)體，這個(gè)代理者可以在規(guī)定的范圍內(nèi)做決定。自動(dòng)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(dòng)化不是自主化。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)而言，為了實(shí)現(xiàn)自主化，必須有獨(dú)立的系統(tǒng)組成，并在基于對(duì)環(huán)境和狀況理解的基礎(chǔ)上，選擇不同的、一系列的行動(dòng)來達(dá)成目標(biāo)。

在CBTC系統(tǒng)中，自動(dòng)駕駛的列車可達(dá)到自動(dòng)化程度非常高的自動(dòng)化等級(jí)4(GoA4)，每天可以安全地承載百萬(wàn)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(dòng)列車監(jiān)督系統(tǒng)(ATS)的監(jiān)督之下，在運(yùn)行過程中遵循特定的規(guī)則。

在GoA4的條件下，列車的正常運(yùn)行是基于時(shí)刻表自動(dòng)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(yùn)行則嚴(yán)重依賴于運(yùn)營(yíng)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(yùn)行任務(wù)。

自主化的OCC，或者說無(wú)人OCC，是具備人工智能(AI)運(yùn)營(yíng)的OCC。它能夠執(zhí)行正常的運(yùn)營(yíng)操作，也能夠處理降級(jí)或者是危害模式下的運(yùn)營(yíng)。換句話說，自主運(yùn)營(yíng)OCC(無(wú)人OCC)能夠意識(shí)到運(yùn)營(yíng)條件，并能在無(wú)人工干預(yù)的前提下，在正常和降級(jí)場(chǎng)景下運(yùn)營(yíng)線路。

3、自主化的概念

3.1. 自主化列車：感知和行動(dòng)

自主化列車將實(shí)現(xiàn)3大主要功能

3.1.1. 接受列車的運(yùn)營(yíng)任務(wù)

任務(wù)可以是:

在特定時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地，并在特定的站臺(tái)進(jìn)行停站服務(wù);

去進(jìn)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(cè)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(hào)設(shè)備的狀態(tài)，包括道岔、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)屏蔽門、各種線路標(biāo)識(shí)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(jìn)行維修和軌道工作禁止進(jìn)入的區(qū)域，施加的臨時(shí)限速。

3.1.3. 行動(dòng)

列車決定到達(dá)指定目的地的最優(yōu)路徑;

列車通過直接對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)下發(fā)命令，完成進(jìn)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(dòng)授權(quán);

列車決定并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的旅行時(shí)間和停站時(shí)間。

3.2. 自主運(yùn)營(yíng)

自主化的OCC(無(wú)人OCC)能夠意識(shí)到運(yùn)營(yíng)條件，并能在無(wú)人工干預(yù)的前提下，在正常和降級(jí)場(chǎng)景下運(yùn)營(yíng)線路。

正常情況下的自動(dòng)運(yùn)營(yíng)(包括車站管理、維護(hù)管理、列車管理);

意外發(fā)生后的線路自動(dòng)運(yùn)營(yíng);

故障情況下(道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障、屏蔽門故障、斷軌、斷電)維持自動(dòng)和連續(xù)的列車運(yùn)營(yíng);

自動(dòng)救援故障列車;

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

4、自動(dòng)化等級(jí)

IEC62290-1標(biāo)準(zhǔn)明確了自動(dòng)化等級(jí)：“城市軌道交通(UGT：Urban Guided Transport)列車可以運(yùn)行的自動(dòng)化等級(jí)，是根據(jù)對(duì)于給定的基本功能在運(yùn)營(yíng)人員和系統(tǒng)之間的責(zé)任劃分確定的”。該標(biāo)準(zhǔn)定義了5個(gè)自動(dòng)化等級(jí)，如下表所示。

5、自主化等級(jí)

正如IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了不同的自動(dòng)化等級(jí)，本文也對(duì)自主化的等級(jí)(LoA：Levels of Autonomy)進(jìn)行了定義。

5.1. 自主化一級(jí) LoA1

自主化一級(jí)為列車提供了基于傳感器的“視覺”和更強(qiáng)的“大腦”，這樣列車可以自主決定走多遠(yuǎn)，并確保能在任何障礙物之前停下來。這一級(jí)別可以附加在CBTC系統(tǒng)之上，實(shí)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(dòng)恢復(fù)。換句話說，自主化一級(jí) LoA1系統(tǒng)可以作為CBTC的降級(jí)后備系統(tǒng)，從而允許低速下持續(xù)列車運(yùn)行。

5.2. 自主化二級(jí) LoA2

在自主化二級(jí)下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道上人員、軌道沿線以及站臺(tái)人員的自動(dòng)檢測(cè)，為乘客和運(yùn)營(yíng)人員提供防護(hù)。

5.3. 自主化三級(jí) LoA3

在自主化三級(jí)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(tái)和預(yù)期的到達(dá)時(shí)間。列車通過自行設(shè)定進(jìn)路，直接控制道岔，并計(jì)算可安全行進(jìn)的距離等，完成自己的任務(wù)。

5.4. 自主化四級(jí)(完全自主) LoA4

自主化四級(jí)的應(yīng)用愿景是由有高級(jí)輔助功能的有人值守的OCC過渡到人/機(jī)協(xié)同，并最終發(fā)展到無(wú)人OCC。屆時(shí)，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(shí)現(xiàn)地鐵的高效運(yùn)營(yíng)。

6、自主化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

新興技術(shù)的涌現(xiàn)推動(dòng)了自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，汽車行業(yè)還在以數(shù)十億的投資以期實(shí)現(xiàn)汽車的自主化。為了達(dá)到特定等級(jí)的列車自主化，列車需要配備有傳感器(激光雷達(dá)、攝像頭、雷達(dá)、慣性測(cè)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(qiáng)的“大腦”，可以實(shí)現(xiàn)列車自主化，并可達(dá)到不同的自主化等級(jí)。

7、自主化帶來的好處

自主化列車和自主化運(yùn)營(yíng)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(jí)功能，就可以減少CBTC系統(tǒng)故障對(duì)正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的影響，縮短列車延誤時(shí)間，并幫助CBTC系統(tǒng)的快速恢復(fù)。這一點(diǎn)在全自動(dòng)運(yùn)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(jī)人工介入，從而帶來嚴(yán)重的延誤。如果列車具備了自主化一級(jí)的功能，列車就可以自主運(yùn)行，不再需要長(zhǎng)時(shí)間等待救援。

采用自主化一級(jí)和二級(jí)有利于提高CBTC降級(jí)情況下的安全性。當(dāng)CBTC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，列車運(yùn)營(yíng)是由司機(jī)和值班員負(fù)責(zé)的。如果采用列車自主化一級(jí)和二級(jí)的功能，系統(tǒng)就可以提供額外的安全防護(hù)，防止人為錯(cuò)誤，從而提高運(yùn)營(yíng)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(duì)于這種緊急情況的處理，都是由OCC操作人員進(jìn)行的，該人員負(fù)責(zé)在不同的系統(tǒng)和操作員之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。自主化四級(jí)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(xiàng)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(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，減少了接口，減少了設(shè)計(jì)、驗(yàn)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(shí)間要少很多。

8、自主化的挑戰(zhàn)

信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)候發(fā)生新的演進(jìn)了。從自動(dòng)化向自主化的轉(zhuǎn)變也伴隨著很多挑戰(zhàn)，其中運(yùn)營(yíng)理念、標(biāo)準(zhǔn)、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(wú)人駕駛汽車致人死亡的事件再次提醒我們這一點(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)超過GoA4級(jí)的自動(dòng)化水平，進(jìn)而超越目前的CBTC系統(tǒng)。從CBTC到全自主化的演進(jìn)可以是一步一步實(shí)現(xiàn)的，通過逐級(jí)引入自主化，最終實(shí)現(xiàn)全自主化。同時(shí)，目前比較容易實(shí)現(xiàn)的是考慮在CBTC的GoA1/2/3/4上上疊加LoA1/2來減少運(yùn)營(yíng)中斷，或者是取消基于軌道電路或者計(jì)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(hào)系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，是時(shí)候引入新的技術(shù)并積極探索自主運(yùn)營(yíng)這一新的領(lǐng)域了。