全自动无人驾驶轨道交通车辆技术研究

吕元颖

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 轨道交通车辆自动化等级

根据国际公共交通协会的定义,轨道交通车辆运行的自动化水平划分为五个等级,分别为GoA0、GoA1、GoA2、GoA3、GoA4。轨道交通车辆自动化等级具体内容见表1。

表1 轨道交通车辆自动化等级

GoA3等级已可以实现轨道交通车辆在正线上有人值守下自动运行,不需要配备传统司机,但仍需要配备具有综合能力的乘务员,实现车辆上下线和应急事件处理等工作。GoA4等级是轨道交通车辆的最高自动化等级,可以实现无人值守下的自动运行,达到全自动无人驾驶的要求。轨道交通全自动无人驾驶技术指将传统车辆司机执行的工作完全交由自动化、高度集中控制的车辆运行系统完成[4-5],所有车辆在地面控制中心统一指挥下自动运行,车辆通常应具备自动唤醒、自动休眠、自动出入车辆段、自动清洗、自动行驶、自动加减速、自动启停车、自动开关门等功能,并且具有常规运行、降级运行、灾害工况等多种运行模式。

轨道交通全自动无人驾驶技术是一门综合性技术,除车辆专业外,还需要通信、信号、供电、轨道、站台门、综合监控、运营、维保等其它专业通力合作,共同完成场景功能讨论、架构接口定义、研究设计、综合联调联试等工作[6-7]。

2 全自动无人驾驶技术优势

目前,国内各大城市轨道交通的运营主要采用GoA2或GoA3等级。GoA2等级为司机监督下车辆自动运行等级,GoA3等级为有人值守车辆自动运行等级。这两种等级在正线运营中已实现车辆自动化运行的要求。由于GoA4等级车辆具备自动化运行的多种功能,与前两个等级相比,不需要司机或乘务员值守车辆,可以完全实现无人全自动运行。相比GoA2和GoA3等级,GoA4等级全自动无人驾驶技术主要有四方面优势。

第一,全面提升运营管理水平,提高整体运营效率。全自动无人驾驶技术可以实现全程车辆自动化操作,缩短车辆准备时间、发车时间、折返时间、发车间隔时间。运营中心可以根据乘客数量在线自动调节发车间隔和在线车辆数,以达到最优的乘客和在线车辆比。对于车辆正线运行故障,可以通过远程隔离、复位、旁路,提高处理操作的准确性和及时性,提高车辆故障排除效率。

第二,综合提升系统的安全性、可靠性、可用性。全自动无人驾驶车辆通过提高系统自动化程度,减少人为操作,降低误操作的可能性,提升系统的安全性。同时,通过在车内外增设车辆轮廓、轮轨、轴温、振动、弓网、烟火报警等全方位车辆综合检测,进一步提高车辆的安全性。通过提升车辆软硬件能力,增强车辆自检功能,采用冗余互备,实现提升系统的可靠性和可用性。

第三,降低运营人员劳动强度,优化人力资源配置,提升服务质量。全自动无人驾驶技术不单纯为了减少司机或乘务员,而是为了实现优化人力资源配置,提升服务质量。原本通过司乘操控车辆的机械式动作可由系统代替,车辆运行状态和客室场景可由运营中心远程监控。运营中心和站台可以通过无线通信系统直接面向乘客提供服务。全自动无人驾驶运营是连贯而系统化的,在单车上发现的服务需求,可及时利用整条线路资源去调配服务。

第四,综合降低运营维保成本,提升乘客的舒适性。全自动无人驾驶车辆能够充分利用区间线路工况,通过车辆牵引、惰行、制动模式的组合,按照优化后的速度曲线运行,从而达到节省能耗、降低成本、提升乘客舒适性的目的。同时,提升各种运营和维保场景的自动化等级,配置智能化设备,根据条件降低人车比,降低人力资源成本。

3 全自动无人驾驶车辆场景

与目前轨道交通主流采用的GoA2或GoA3等级车辆相比,全自动无人驾驶轨道交通车辆的运营场景更加复杂和多样。在初期设计过程中,设计者需要综合其它专业,对每个运营场景进行分析和设计[8]。首先,对线路运营过程中的所有运营场景进行预规划,包括正常、应急、故障三大类场景。其次,针对每个场景充分考虑乘客的行为、车辆及外界环境可能出现的状况。最后,对各专业系统的功能提出合理需求,对职责承担进行清晰分配,对接口功能进行明确定义。上海轨道交通15号线全自动无人驾驶车辆定义的基本场景如图1所示,共分为41个基本场景,绿色序号代表正常场景,红色序号代表应急或故障场景。

图1 全自动无人驾驶轨道交通车辆基本场景

4 全自动无人驾驶车辆功能设计

根据全自动无人驾驶轨道交通车辆场景分析和设计结果,对整车所有子系统进行详细功能设计。由于采用无人驾驶方式,因此车辆的功能设计都需要充分考虑安全性、可靠性、运营和维保效率[9]。以上海轨道交通15号线全自动无人驾驶车辆的功能为参考,典型功能设计包括13个方面。

4.1 自动唤醒和休眠

相比非全自动驾驶车辆,全自动无人驾驶车辆具备自动唤醒和休眠功能,如图2所示。由排班系统或人工对车辆基地或正线休眠的车辆实施唤醒作业,可通过排班系统根据出入库计划自动唤醒和休眠,也可由调度员通过信号系统执行远程唤醒和休眠,还可通过人工登车唤醒和休眠。前两种方式受信号系统控制,唤醒和休眠控制功能由车载蓄电池供电。

图2 全自动无人驾驶轨道交通车辆唤醒和休眠功能

4.2 系统自检

车载信号唤醒后,对全自动运行必需的车辆功能执行综合自检,包括车载信号设备自检,以及开关车门、施放制动等联合自检,同时车辆完成子系统车辆网络系统及网络通信、牵引、辅助供电、车门、空调、制动、乘客信息、广播、监控、烟火报警、轴端振动、温度等的在线自检。车辆自检及静、动态测试完成后,完成自检报告,并自动上传报告至运营中心,由运营中心判断车辆是否可以参与正线运营。车辆自检界面如图3所示。

图3 全自动无人驾驶轨道交通车辆自检界面

4.3 精准停车

车辆进站后,自动对位停车。若发生欠停或过停小于5 m,车辆将自动采取跳跃调整,直至对准停车点。若发生过停超过5 m,则车辆经运营中心人工确认后跳过本站直接运行至下一站,同时通过车载乘客信息系统向乘客广播越站通知。

4.4 蠕动

车辆在全自动无人驾驶运行模式下,监测到车辆网络与信号网络通信出现故障、车辆网络故障,或出现牵引制动反馈异常工况,则车辆在区间停车,经运营中心授权后进入蠕动模式,以不高于25 km/h的速度自动运行到下一站,并自动扣车,由运营中心派工作人员登车处置。在运行期间,自动车辆防护系统监督蠕动模式运行速度,若超速,车辆将进行紧急制动。

4.5 车门与站台门对位隔离

当车辆在运营过程中发生车门开关故障时,车辆可关闭并锁定故障车门,向信号系统报告故障车门位置,由站台门系统电气隔离对应站台门,在车辆停站时不操作开关门动作。反之,当个别站台门故障时,系统可关闭并锁定故障站台门,向信号系统报告故障站台门位置,由信号系统将故障站台门的位置发送给车辆,电气隔离对应的车门,使车门在停站时不动作。车门与站台门故障隔离时,车辆应触发车门故障信息广播,向乘客播报相关信息。

4.6 车门紧急解锁

车辆客室内设置有车门紧急解锁手柄,乘客拉下紧急手柄后,解锁信号上报运营中心,自动联动车载监控视屏。乘客可通过紧急对讲装置与运营中心工作人员对话。车门紧急解锁功能激活时,车辆一般处于运行区间,则车辆以无人驾驶模式继续保持运行。若车辆处于站台区间,则车辆切除牵引并施加紧急制动,在车辆静止后,经运营中心开门授权,乘客方可进行车门解锁和打开操作。

4.7 自动洗车

车辆根据作业计划,自动运行至洗车库前。自动或人工启动洗车机,车辆以3 km/h～5 km/h的洗车模式速度通过洗车机,完成洗车。洗车结束后,自动或人工关闭洗车机,车辆自动运行驶离洗车库。

4.8 无线数据传输

车辆将检测到的车辆状态及故障信息通过4G或5G无线通信模块传送至运营中心,用于数据分析处理、故障诊断处理、各种场景判断。同时,运营中心也可以通过无线通信实施对车辆的监控,综合提高车辆的运营和维保效率。车辆无线数据传输如图4所示。

4.9 故障远程处理

传统有司机监督或乘务员值守的车辆发生故障时,可由司机或乘务员经运营中心指挥后进行故障处理。全自动无人驾驶车辆原则上均可通过运营中心进行远程处理。全自动无人驾驶车辆在关键系统中采用冗余和旁路设计,在影响正常运行功能的关键电路中采用远程可复位断路器,其操作如图5所示。当车辆发生故障时,车辆网络控制系统可以自动执行复位和旁路操作。如操作失败,则由运营中心通过远程复位、隔离、旁路等操作手段处理车辆故障。

图5 远程可复位断路器操作

4.10 远程调控

相比有司机监督或乘务员值守的车辆,全自动无人驾驶车辆在各子系统功能应用方面可以实现远程调控,既可以对单车进行远程调控,也可以对车队进行远程集控。例如,运营中心可以远程发送命令至车辆网络系统,对空调进行模式转换、温度调节、新回风门调节。车辆温度远程集控界面如图6所示。运营中心还可以远程调取车辆弓网监控视频、前置摄像视频、客室内监控视频等。

图6 全自动无人驾驶轨道交通车辆空调温度远程集控界面

4.11 障碍物探测与脱轨检测

全自动无人驾驶车辆在转向架上装有障碍物探测及脱轨检测设备,保证车辆的安全可靠,如图7、图8所示。一旦探测到影响车辆运行安全的轨面障碍物或脱轨风险,车辆立即切除牵引,并触发紧急制动,同时将车辆状态信号发送至运营中心,由运营中心人工设置相应的防护区,防护区内其它车辆立即切除牵引并触发紧急制动。与此同时,调动工作人员至事发车辆地点处理。障碍物探测时,通过在转向架构架前端安装主动接触式探测梁来进行分析判断。当探测到轨道上有障碍物时,探测梁会通过触发行程开关进行报警,执行车辆紧急制动。脱轨检测时,通过安装在轴端的三向振动检测设备进行检测分析,同时通过轴温检测设备对车轴温度进行监控。

图7 全自动无人驾驶轨道交通车辆障碍物探测设备

图8 全自动无人驾驶轨道交通车辆脱轨检测设备

4.12 救援

当车辆在运营过程中发生故障无法动车时,由运营中心调度员指挥实施救援。首先,调度员调用车载监控视频查看客室内情况,远程触发预设的紧急广播或进行人工广播,安抚乘客,同时可编辑文字发送至车载乘客信息系统进行显示。其次,选择相邻车辆作为施救车,对施救车扣车清客。再次,调度员派出工作人员和司机登乘施救车,以人工模式驾驶车辆至故障车所在区段的相邻区段,转为限速模式接近故障车,连挂故障车,并缓解故障车制动。最后,司机以限速模式驾驶施救车以推进或牵引的方式将故障车推进或牵引至站台清客,驾驶连挂车辆至就近停车线或车辆段退出运营,同时运营中心调整运营计划。

4.13 开放式司机室

为了使乘客有更好的乘车体验,全自动无人驾驶车辆采用开放式司机室设计,不设司机室侧门[10],如图9所示。车辆将设备和系统集成化,兼顾合理布局,采用封闭但可展开的司机台、可展开的司机室座椅,宽敞的客室与司机室完美过渡融合。前端司机室设置逃生通道,确保在紧急状况下迅速安全疏散乘客。逃生通道打开需经运营中心授权。

图9 全自动无人驾驶轨道交通车辆开放式司机室

5 结束语

笔者介绍了轨道交通车辆自动化等级分类和全自动无人驾驶技术的定义,通过与传统轨道交通车辆自动运行技术进行对比,得出全自动无人驾驶技术具有提升运营管理水平和效率,提升整体系统安全性、可靠性、可用性,降低运营人员劳动强度,优化人力资源配置,降低运营维保成本,提升乘客舒适性等优势。以上海轨道交通15号线车辆为例,对全自动无人驾驶车辆场景进行规划、分析和设计,并对整车典型功能设计展开论述。各类传感器数据采集、无线通信数据传输、计算机智能控制及分析诊断等基础类技术的不断进步,将带动车辆系统深度融合、车辆无线数据传输、车车无线通信、全方位检测、运维一体化、智能驾驶、多元化信息等课题实现深入研究和迅速发展,从而进一步提升轨道交通车辆运行全过程的自动化水平,同时提升轨道交通车辆自动运行技术的安全性、可靠性和运营维保效率。