高铁司机室智能化发展的研究

肖宇麒

（中车株洲电力机车有限公司 湖南省株洲市 412000）

轨道交通车辆司机室是司乘人员执行列车驾驶控制的工作环境，由于现代电子科学技术飞速发展，车载电子设备日益繁多，导致人机之间信息交流量随之快速增长，迫使列车司机接收仪表仪器等信息的工作负荷日趋繁重。在与封闭的司机室内，列车司机获取信息基本通过监测仪表显示器，但作为人机接口的控制系统和仪表长期以来落后于车辆总体设计的发展，再加上轨道交通车辆的发展又不断提出越来越多的新要求，这就给司机室的布局设计带来更大的设计困难。综上所述司机室智能化设计是关系到减轻司机工作负荷和提高产品稳定性、舒适性及人机交互效率的必要课题[1]。目前智慧感知、物联网、5G 技术、机器视觉等新科技不断进步与成熟，已开始广泛应用于汽车、船舶、飞机等交通工具并有效提升了交通工具驾驶舱的人机交互环节，轨道交通车辆可以充分借鉴和应用这些技术，实现车辆司机室的智能化改造和平台化建设。总的来说，轨道交通车辆司机室自能化研制工作对于减轻司乘人员负荷、提升人机交互效率、奠定国家在下一代轨道交通车辆国际行业地位等方面有着重大意义。当前国内外轨道交通车辆生产企业都尚未实现司机室智能化平台和相关标准的建立，但相关智能化前沿技术手段已在其它行业的成熟应用案例，因此列车司机室自动化研制可以借鉴汽车、船舶、飞机等领域的方法，即相关研制工作兼具必要性、可行性和国家政策支持，值得轨道交通行业有关企业投入资源支持司机室智能化的有关研制。因此，本文拟针对高铁司机室智能化发展的研究这一课题展开研究，对高铁司机室智能化的研制进程进行明确定义，对关键的智能技术进行深入分析，对相关技术难点与风险项点进行发掘并提出解决措施。

1 智能化司机室研制进程设计

提到智能化司机室，印入常人脑海的是司机室内交织错落的仪表盘和连接线，或者是科幻电影中未来高科技汽车里各种酷炫的新科技。智慧列车由车联网、智能化司机室、自动驾驶三部分组成，其中司机室最重要的特点是舒适、便捷，要求涵盖人机交互、智能驾驶和智慧感知等功能。智能化司机室中各种功能被有序整合为一套系统，在同一个芯片的控制下协同工作。总的来说，本文将城市轨道交通车辆司机室智能化研制进程分为三阶段。

1.1 第一阶段：传统中控平台

传统中控平台代表轨道交通车辆司机室的机械时代，以满足驾驶和控制为主要目标，而智能化元素仅仅体现在按键式的中控台、机械仪表盘两个方面。基于传统中控平台的司机室无法有效感知外部环境，人机交互环节薄弱，因而司机室的智能化只局限于对列车的操控。

1.2 第二阶段：信息化系统集成

信息化系统集成标志着轨道交通车辆的数字化时代，这一阶段列车进入智能化、网联化进程，多元化的传感器随之列装于列车各个部位并将信号传递到司机室集中分析、处理。此阶段司机室对列车整体情况形成了较强的感知、监测能力，司机室控制系统的数据、信息收集、分析和处理的负荷和要求也随之提高。而在不影响驾驶安全的情况下如何实现司机对列车全方位情况监测、控制的问题，成为该阶段需要解决的最关键问题。

1.3 第三阶段：智能驾驶集成

此阶段是轨道交通车辆实现全自动驾驶、运维后智能化司机室的状态。此时司机可以完全放手，即将列车的控制权交给AI，智能化司机室将对各种单一功能的产品进行系统化集成，通过AI 智慧服务以及沉浸式的行驶体验，将司机室打造成一个移动的智能空间。

智能化司机室的这三个研制进程都是基于一定的时代背景，在智能化技术的不断进步和影响下而逐渐演化和实现的。各阶段轨道交通车辆智能化司机室的内涵和外延都不同，司机室的形态也在随之变化。比如在信息化系统集成阶段，随着司机对舒适度、便捷性等需求的强化，司机室中控台完成了从多个单一功能的分散式控制屏幕到多屏互联集中数显的进化。

现阶段智能化司机室正处于信息化集成技术的普及期，部分产品已经初步呈现出智能驾驶的部分特征。既有的轨道列车司机室多基于传统中控平台，所用操作台面全部采用机械按钮，对光线、声音、温度、湿度等司机室环境变量的调控缺乏智能化设计，现有的传感感知装置应用简单、缺乏对各环境变量的智慧感知和实时调控能力，现有的液晶显示信息装置采用分屏显示且未实现信息互联互通和整车信号共享，对智慧传感技术等的应用研究不系统、技术应用研究进度滞后，因此有必要对智能化司机室的关键技术和难点进行系统分析。

2 智能化司机室关键技术研究

轨道交通车辆智能化司机室涵盖列车状态监测、环境监测、决策执行系统、驾驶员监测、人机交互系统等多个方面功能。其中，环境监测的实现主营依靠毫米波雷达、激光雷达和摄像头等专业设备；列车状态监测则基于智能传感器、车辆各核心部件监控系统等。驾驶员监测包含驾驶员在岗及离岗检测、疲劳驾驶检测和健康状态监测等[2]。智能化司机室作为新一代车联网产品，除了注重多方位的安全防护外，还需实现车辆、道路的信息交互和功能互补。既能实时检测列车状态，又能时刻监测、维护车辆、人员信息安全的软件、硬件等将在列车司机室智能化发展进程中起关键作用。人机交互部分则涵盖了车联网、高级驾驶辅助系统、HUD（抬头显示，在行车过程中把列车行驶速度、位置、换道等重要信息直接呈现在司机室挡风玻璃上，使得列车司机在不偏头、不低头的情况下就能实时掌控重要的驾驶信息。）、全液晶仪表、车载信息娱乐系统、AR、AI、全息、氛围灯、智能座椅等方面，还有基于视觉感知、运动感知的交互方式，以及手势、人像、语音和身份识别等多种功能。

2.1 车联网与智慧传感

随着车联网、5G 技术和云端的发展，轨道交通车辆车联网功能日趋丰富。车联网除了应用于V2V（车与车）、V2R（车与路）、V2P（车与人）等方面，还可应用于设备智慧互联，如可通过车联网可实现从车辆启动扫地机器人、打开空气净化器等便捷化的操作，又如司乘人员在电脑端口或手机APP 上调节列车空调、座椅加热、卧铺车过道亮灯等功能。如何掌握列车运行的更多数据，以支撑列车智能维护、智能监测诊断、智能控制等模块，从而提高列车运维管理水平，提升乘客舒适度、列车运营安全性，是轨道交通产业亟待研究的课题[3]。

高速铁路车辆是司机室智能化难度最大的轨道交通产品，因为整个列车总共包含四万余零部件、上千个传感器，且需要实时传递海量数据。列车功能丰富、设备繁多、网络复杂，司机室要实智慧感知就需要对湿度、压力、电流、温度等多个方面的实时监测和控制，从而做到安全监测和故障预防，通过大数据来保证车辆的安全性，而这些信息的采集和分析离不开各种专门的传感器。目前欧洲已经提出发展铁路车联网，通过车联网在线收集、分析和处理车载传感器和智能设备的信息，我国高铁信息化与车联网也在快速推进，作为高铁运行底层数据的来源，智能传感器的重要性也日益凸显[4]。目前国内中国中车以株洲、宁波基地为核心，已形成基于轨道交通智能化控制平台和智能化集成功率模块两大核心，结合互联网和大数据等信息化技术为列车提供全方位智能化解决方案，初步形成了从智能传感器研发、制造、测试和应用的完整产业链，初步掌握了从列车的承载、动力、走行、制动系统、动态监测等关键模块的传感、检测和试验关键技术。但车联网平台的搭建仍进展缓慢，现有传感器的智能化程度还比较低，基本依靠人工分析处理采集到的数据。融入人工智能将是未来的车联网智能传感技术的大趋势，并将推动对列车关键模块的故障自监测和高度自主决策。

2.2 人车交互

传统人机交互系统（HMI）是列车网络监控系统（TCMS）的关键功能模块，用来呈现车辆当前的行驶状态、对异常情况预警、提示故障信息等[5]。目前国内动车项目多采用国外厂家设计，如阿尔斯通、西门子、庞巴迪等。存在设计和维护周期较长，自主应用的可替代性差等弊端。同时设计框架比较单一，只能监视和控制部分子系统，导致交互能力相对较低。

智能化人车交互技术是列车司机室智能化进程的关键，智能化司机室将为司机提供更高效更便捷的信息操作和交互方式，从而提升司乘人员的驾乘体验[6]。智能化司机室本质在于虚拟化操作和信息呈现，即把列车诸如按键式操作的机械化操作流程及信号显示方式实现虚拟化，集成于嵌入式操作系统，形成智能化司机室的统一的人机交互平台和界面，从而实现诸如液晶仪表增强图像渲染、GPU 芯片加速视觉信号处理等智能化改造。来自列车控制总线上的各个电子控制单元的信息被汇集于智能化司机室的中控屏集中展示，全液晶中控屏成为具有整车电子系统集成运算能力的智能交互主节点。

语音和手势交互等技术已经成熟，但未应用到轨道交通车辆。其中手势识别可以完成一些基本功能的转换，语音交互则适用于操作更繁琐的任务控制。语音控制、手势操作、全息管家等智能化人机交互方式，最终将实现列车、司机、轨道和云端的密切协作和高度统一[7]，司机操作将不局限于传统的物理按键、无需繁琐的点击，我们的列车能够听懂驾驶员的声音，意会驾驶员的眼神，例如驾驶员对着列车说一声，“请半速行驶，启夜间模式”即可实现列车自动减速和自动调整客车灯带，使得列车控制快速而便捷。例如基于机器视觉和HUD 虚拟增强的人眼控制的UI 界面，不仅可以在挡风玻璃上投射操作系统的HUD 画面，而且能通过一套带有眼球追踪功能的系统随着人眼目光转动来控制画面上的十字星标随之转动，实现在不同界面中的自由切换，最终整个选择过程都只需要用眼球来控制。如图1所示。

图1：人车交互关键技术

2.3 智慧感知

列车司机只有在对环境状况的全面感知的基础上才能进一步操控列车作出相应的反应，感知技术作为智能驾驶的关键技术模块，其作用就好比列车的眼睛，能够为列车的自动驾驶、智能运维提供实时的内外部环境状况[8]。完善的列车环境感知技术以高精度定位为技术基础，通过多元化的传感器对周边物体、天气因素、行驶路径、部件安全和司机状态进行捕捉，实时、准确识别出行驶路径周边对行驶安全不稳定因素，完成实时位置的精确定位，从而根据行驶目标、列车状态和途中情况规划行车路线、修正驾驶状态，指导行驶过程中车速调节、车距保持、换道等操作过程。车载传感器是环境感知技术最为重要的实现设备，通过视觉传感器、红外传感器、激光雷达、GPS 定位传感器等多元化的传感器组合，可随着车辆行驶状态的不同自动调整、捕捉列车轮缘于轨道、车体周围、车顶受电弓与接触网等多个关键位置的视觉图像或重要信号，最后汇聚到中央控制显示屏幕上，从而通过多个维度辅助司机实时地、全面地监控列车关键信息、对列车四周情况拥有最佳观察视野。如图2所示。

图2：智能传感技术

2.4 安全控制

智能化司机室将实现对列车和司机安全监测的兼顾。一方面，通过指纹解锁、眼球跟踪、人脸面部识别等生物识别技术，来解锁车辆中的部分功能，协助对司机、乘务员和维保等人员的权限进行区分和管理，提升列车控制的安全性[9]。另一方面，通过智能设备根据对用户状态的判断做出相应数据分析，例如座椅是驾驶环节中最不能缺少或最直接感觉驾驶员意图的工具，将其安装呼吸监测模块、人体红外感应模块、温度检测模块等生物传感器来实时获取身体信息等功能如心率、血液流动、甚至可以辅以人脸识别技术来判断司机是否饮酒或疲劳驾驶；当传感器检测到数据异常时会提醒驾驶者或通过列车调度中心进行监管。

2.5 多屏驾驶和多屏互联

全液晶仪表盘的发展和全面应用是司机室智能化的必经之路，一机多屏（中控屏+HUD+液晶仪表等）驾驶正在重新定义人机交互，在近年屏幕仍然会是很重要的显示窗口，同事它将逐渐成为人机交互的体验核心，但是多块屏幕是否构成相互干扰、能否按需显示、是否能通过轻触屏幕或语音交互唤醒，仍有待进一步探索。在控制屏幕研制方面，“一芯多屏”的一体化设计将成为主要趋势[10]。可通过连接技术的转换，将某块屏幕上的局部信息传递至另一屏幕上显示，完成数据互通共享，实现快速响应和多屏联动。选择一体化屏幕显示时，可根据功能进行分区，比如分为左右两部分，屏幕左侧专门用于驾驶信息显示及辅助驾驶控制，屏幕右侧用于列车整车情况智慧感知和核心部件运营监控等。而在未来，无屏显示技术如HUD、全息、智能玻璃等将是发展趋势。“一芯多屏”的方案不仅可以解决成本和软件问题，而且能适应更加个性化和智能化的需求[11]；不仅能通过中控建立一个信息传输通道，还能从一个统一的“大脑”建立一个大数据网络通道，从而实现各部分功能的交互和信息的畅通。如图3所示。

图3：“一芯多屏”驾驶技术

3 智能化进程风险项点

我国轨道交通车辆司机室智能化研制，存在技术渠道不足、投入大而成效慢、知识产权等方面风险，充分识别风险项点并制定有效应对措施，才能保障司机室智能化进程稳步推进。

3.1 高精尖技术渠道不足的风险

目前国内轨道交通整车企业在智能化平台搭建方面尚在起步阶段，对物联网、人机交互、智慧感知等新技术应用的缺乏经验，造成司机室智能化设计制造项目缺乏标准、资质和相关经验。为应对新技术渠道不足的风险，建议国内轨道交通整车企业增强与智能化平台和智能化项目经验丰富的汽车企业、船舶企业的交流，并充分发挥产学研的协同创新能力，同时加强与智能化技术实力强的中小企业的沟通协作，弥补轨道交通领域智能化技术发展的代沟。

3.2 国际知识产权侵权纠纷风险

考虑到国产轨道交通车辆司机室项目涉及的智能技术种类繁多且很多关键技术都未实现国内完全自主知识产权，因此在项目推动过程中，所需的装备和技术面临外国公司“卡脖子”的风险，并有较大几率涉嫌国际知识产权纠纷。因此建议轨交企业加强知识管理与标准化建设，聘请国际项目法律事务服务经验丰富的专业律所排查项目所需关键技术的知识产权有关问题，在项目全面启动前充分识别与外国企业专利技术知识产权纠纷风险。

3.3 投入高产出慢资源分散风险

司机室智能化设计制造项目不同于一般新车型的设计制造，涉及的新技术较多，实现的难度较大，缺乏执行标准和经验，而且智能技术和智能装备的投资占比高、试验周期更长，存在项目投入高而产出慢的风险。若不能整合行业资源，各自为战，将造成财力、人力和技术资源分散而无法形成合力。考虑到司机室智能化项目对于奠定国内轨道交通产业下一步在全世界轨道交通产业中的行业地位和市场竞争力至关重要，建议投入比普通新车型项目双倍的资源、规划更长的项目周期，建议汇集整个国内轨道交通行业的专家团队和骨干力量，集中优势力量确保国内高速铁路车辆司机室智能化进程稳步推进、取得有效进展。

4 结语

总的来说，情境交互框架、语音多引擎框架、多模态交互融合、机器视觉、360 度全景增强辅助驾驶、车+互联开放平台等智能模块的引入，将促使轨道交通车辆司机室朝着安全舒适、智能化方向不断发展，极大地提升我国轨道交通产业在全球的行业地位和在国际市场的核心竞争力。因此建议由国家工业和信息化部统筹、国内轨道交通整车企业牵头并由相关科研院所全力支持，成立专家委员会，集中优势资源充分支持司机室智能化项目的推进，并以此为基础逐步推广到整车智能化设计制造。并且在司机室智能化设计过程中，我们既要考虑司机室颜值还要注重司乘体验，同时要注重安全可靠，系统内要实现“一芯多屏”的互联互通，并且有效区分不同功能模块的安全等级，通过有序、有区分等级的集成保障系统的安全性和稳定性，有力确保项目的成功落地。