高速列车自动驾驶可行性研究
2016-07-01中车唐山机车车辆有限公司产品技术研究中心孙景辉焦芳芳胡正伟
中车唐山机车车辆有限公司产品技术研究中心 孙景辉 焦芳芳 胡正伟
高速列车自动驾驶可行性研究
中车唐山机车车辆有限公司产品技术研究中心 孙景辉 焦芳芳 胡正伟
【摘要】本文首先介绍了自动驾驶系统的组成及应用。其次阐述了地铁自动驾驶技术的实现方案。最后对高速列车应用自动驾驶技术的可行性进行研究。
【关键词】自动驾驶；实现方案；可行性
1 引言
由于无人驾驶技术能使列车整个运行过程实现全自动控制，使得车辆按照接近优化的运行曲线进行运营，达到节能环保的目的。同时，列车不设驾驶员，也节省人力成本。此外，全自动化运营也可避免人为操作失误导致的运营故障。因此，近年来自动驾驶在轨道交通领域日渐升温，本文在介绍地铁自动驾驶技术实现方案之后，对高速列车应用自动驾驶技术的可行性进行研究。
2 自动驾驶系统组成
城市轨道交通信号系统可实现无人驾驶功能，其由列车自动控制系统［1］（Automatic Train Control，简称ATC）实现。ATC系统包括三个子系统：（1）列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称ATS），ATS系统由控制中心、车站、车场以及车载设备组成。ATS系统在ATP系统的支持下完成对列车运行的自动监控。（2）列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，简称ATP），ATP系统由地面设备、车载设备组成，监督列车在安全速度下运行，确保列车一旦超过规定速度，立即施行制动。（3）列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称ATO），ATO子系统是控制列车自动运行的设备，由车载设备和地面设备组成，在ATP系统的保护下，根据ATS的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。
实现无人驾驶功能，其系统组成如下图1所示：
图1 自动驾驶系统组成
3 自动驾驶技术的应用
目前自动驾驶技术主要应用在地铁等城市轨道交通，我国目前地铁车辆主要采用有人驾驶的自动化运行模式。国外目前全自动驾驶技术的应用日趋成熟，但若发生一些设备故障或突发事件，后续处理依然存在一些缺陷，仍需要更完备的运营规则和处理准则。例如：在运行过程中出现制动设备故障或车门故障，若依然需要牵引的话，将存在一定的安全隐患。
4 地铁自动驾驶技术实现方案
地铁的驾驶模式［2］分为三种：（1）人工模式时，司机操作司控器驾驶列车。（2）STO模式（即列车发车由司机确认启动，列车牵引、制动、停车、开关门都由信号系统实现）时，司机根据提示按压ATO启动按钮后驾驶列车。（3）UTO模式（即在整个运营过程中都无人参与操作，包括列车在停车场内的运行、洗车等，列车在线路上的运营及列车内部的空调、乘客信息系统、照明等系统都可实现无人操作）时，完全由信号系统根据运行图时刻表控制列车运行。
图2显示，系统控制传输路径为由控制中心和信号系统地面设备控制车载ATC（列车自动控制）设备，通过MVB（多功能车辆总线）或硬线信号传输到TCMS（列车控制管理系统）、TCU（牵引控制单元）、BCU（制动控制单元）。
此外，实现自动驾驶的列车还需具备唤醒功能、休眠功能、停车功能、远程功能、火灾报警系统、障碍物检测系统以及更加强大的诊断功能等。
图2 列车牵引、制动自动驾驶控制框图
5 高速列车自动驾驶技术应用可行性
高速列车由于其系统复杂、运行速度高、发展历史相对较短，目前在全球范围内还没有真正的自动驾驶技术应用的案例，但一些研究机构和企业也正在开展这方面的研究。高速列车要实现自动驾驶需要解决以下几个方面的问题：
5.1运行控制系统需要升级
目前高速列车运行控制系统列车自动保护系统［3］，即ATP。根据接收到的轨道信号、速度和应答器信息，计算出列车速度曲线和目标距离，同时采集列车的实际速度，并实时计算出列车的位置，根据这些信息判断实际速度是否小于曲线要求的速度，判断列车的位置是否在授权的位置上，如果有一项不符合则输出制动。主要实现的是超速保护功能。如要实现自动驾驶，运行控制系统必须增加列车驾驶控制功能即可以通过控制列车的牵引制动实现加速、减速、停车、启动等功能。还需要配套的自动监控系统，以实现对列车在库内、站场、车站等的自动监控，列车才可根据自动监控系统发出的指令实现列车运行的自动驾驶、速度的自动调整、列车车门控制。
5.2高速列车控制系统需要升级
高速列车控制系统需要进一步提高系统安全性和可靠性，提高系统设备的冗余性；列车的诊断系统要进一步完善，诊断范围需要进一步增加，诊断的准确性也需要提高；车内需要新增定位停车系统、视频监控系统等。
5.3地面配套系统需要升级
地面控制中心需要进行升级，满足对列车运行控制、监视、应急处置的需要；地面配套系统要能够配合车载系统实现精准定位。
5.4信息交互系统需要升级完善
需要升级和完善信息系统，满足地面控制中心、运行控制系统、列车控制系统三者间实时、可靠的信息交互需求。
6 总结
若实现高速列车自动驾驶不仅可节省人力成本，也可避免人为操作失误导致的运营故障。由于实现高速列车自动驾驶存在着一些困难和挑战，因此需要在新技术的引领下不断攻坚克难，其也会成为未来的发展趋势。
参考文献
［1］刘海军.降低城市轨道交通工程造价及运营费用的一个有效途径——先进合理的列车自动控制ATC系统［J］.铁道标准设计，2009（11）.
［2］张海涛，梁汝军.地铁列车全自动无人驾驶系统方案［J］.城市轨道交通研究，2015（5）.
作者简介：
孙景辉，工程师，现供职于中车唐山机车车辆有限公司。
