無人駕駛系統

世界上一些大城市經過幾十年甚至上百年的建設, 已形成了城市軌道交通網, 城市軌道交通已成為市民出行的主要公共交通工具。近十餘年來, 我國城市軌道交通發展速度明顯加快, 特別是北京、上海、廣州等城市, 正在加速新線建設並逐步形成城市軌道交通網絡, 這將從根本上解決城市的公交困難狀況。 ^[1] 

隨着科學技術的發展以及自動化程度的提高,世界上城市軌道交通系統的運行模式也在發生變化。近幾十年中, 其發展大致經歷了三個階段： ^[1] 

1)人工駕駛模式

列車的駕駛員根據運行圖在獨立的信號系統中駕駛列車運行, 並得到ATP(列車自動保護系統)的超速監控與保護。

2)人工駕駛的自動化運行模式

列車設駕駛員, 主要操作任務是為乘客上下車開、關車門, 給出列車起動的控制信號;而列車的加速、惰行、制動以及停站, 均通過ATC(列車自動控制)信號系統與車輛控制系統的接口, 經協調配合自動完成。

3)全自動無人駕駛模式

列車的喚醒、起動、行駛、停站、開關車門、故障降級運行, 以及列車出入停車場、洗車和休眠等都不需要駕駛員操作, 完全自動完成。

我國近幾年建設的新線, 多屬於人工駕駛的自動化運行模式。但縱觀當今世界, 科學技術的進步正在使城市軌道交通技術發生着革命性的變化。藉助於全新的設計理念, 計算機網絡控制技術的應用,集成電路、電子元器件和機電部件的可靠性提高, 生產製造工藝技術的革新等, 已使城市軌道交通系統的可靠性、安全性達到99 .99 %;自動化程度的提高, 使人工干預的內容越來越少, 並已達到列車駕駛員的職能完全由“自動化”系統來替代的程度。城市軌道交通技術正進入一個嶄新的時期, 即“全自動無人駕駛模式”的發展期。全自動無人駕駛系統作為先進的城市公共交通系統, 代表了城市軌道交通領域的發展方向。

無人駕駛系統在世界上很多城市也得到了廣泛的應用, 並取得了成功, 如哥本哈根、巴黎、新加坡等的無人駕駛系統均已投入運營。同時, 還有很多城市在考慮或正在將既有軌道交通改造建成無人駕駛系統, 如巴黎、馬賽、柏林、法蘭克福等, 國內的上海、北京和廣州等地鐵也在研究和論證採用無人自動駕駛。 ^[2] 

無人駕駛系統的列車完全在基於通信的控制系統下運行, 包括車輛段(含停車場, 以下同) 列車喚醒、車站準備、進人正線服務、正線列車運行、折返站折返、退出正線服務、進段、洗車和休眠等作業。列車的啓動、牽引、巡航、惰行和制動, 車門和屏蔽門的開關, 車站和車載廣播等控制都是在無人的狀態下自動運行。 ^[2] 

無人駕駛系統是一項成熟的技術, 在設計、施工和設備製造等方面已經取得了豐富的經驗, 作為先進的客運交通系統, 正引導城市軌道交通的發展趨勢。 ^[2] 

無人駕駛系統涉及車輛、信號、通信、綜合自動化等多個專業, 所有專業均應按照無人駕駛系統要求設計, 提高系統的安全性和可靠性, 加速各專業技術水平發展, 達到降低投資運營成本, 提高軌道交通運營管理水平, 優化對乘客的服務質量。與有人監督自動駕駛系統相比, 無人駕駛系統具有以下特點： ^[2] 

(l) 線路應完全封閉、車站設置屏蔽門, 車輛段無人自動駕駛區域應設置圍欄、隔離設施和門禁等防護措施。

(2) 車輛、信號以及車輛與控制中心( 以下簡稱中心) 的通信系統等均應採用多重冗餘技術,主、備系統之間能夠實現“ 無縫” 切換, 提高系統的可靠性和可用性。

(3) 車輛應具備更高的牽引和制動控制精度，具有待班列車的自動預檢、更強的故障診斷和報警、對車廂內環境的調節, 並具有多重控制方式。同時應設置車輛排障設備和脱軌檢測設備, 並與信號系統接口, 在發生緊急情況時應能緊急制動。

(4) 車一地間應實現實時、安全、高速、大容量的雙向通信, 包括列車控制信息傳輸、故障診斷與報警信息傳輸、車廂內閉路電視監視信息傳輸、中心和車站與旅客直接通話傳輸等。

(5) 無人駕駛系統應優先採用基於通信的移動閉塞系統, 在保證列車運行安全的前提下, 能夠縮短追蹤間隔, 實現列車的精確定位和實時跟蹤。同時信號系統應提供特有的“ 超低速運行模式” 用於實現系統故障時的運行。信號車載和軌旁設備故障時應具有可靠的應急運行方式, 列車上應設置人工駕駛盤以作為必要時授權人工駕駛, 以及提供乘客緊急停車按鈕或手柄。

(6) 車輛段應採用與正線相同的信號系統, 包括進出段聯絡線, 以實現全線的無人自動駕駛。段內應根據作業性質分為無人自動駕駛區域和有人駕駛區域。列車出入段進路必須預先計劃並自動控制。段內自動作業包括激活列車啓動自檢、啓動列車、將列車送至正線、送至洗車庫接受預定清洗、送至預先分配的停車線和將列車休眠等。

(7) 具備快速、準確、安全的故障檢測和排除功能, 以及強大的故障救援能力。無人駕駛系統應以故障一安全的ATC系統和高效智能的綜合自動化系統為基礎, 結合人工監視和干預機制, 建立健全運營應急預案, 當列車由於某種原因在區間停車、發生火災、車門無法關閉等情況下, 應能夠迅速將報警信息傳輸給中心和相關車站, 啓動應急預案, 及時響應並採取措施, 提高對災害、事故等情況下的應急處理能力。

(8) 運營管理模式發生較大變化, 中心調度員將由對人的調度關係轉變為直接面向列車和旅客,原來對司機的調度電話將轉變為中心與列車間的通信, 同時要直接服務旅客、指導旅客處理緊急事務及逃生。

(9) 無人駕駛系統在適當的列車編組情況下,通過縮短行車間隔, 能增加運能, 並節省車輛配置; 更高的牽引和制動控制精度可以使列車運行趨於理想的運行曲線, 降低了牽引能耗和車輛耗損;減少了駕駛員數量, 節約了人工成本。

(10) 無人駕駛系統有利於行車間隔、站停時間的精確控制, 從而提高了旅客旅行速度。列車的高安全性、高可靠性和高準點運行增強了旅客對城市軌道交通的信任度。

人工操作易受主觀和外界因素的干擾, 因此在安全性方面存在不確定性和不穩定性, 這也是導致軌道交通故障或事故的原因之一。據不完全統計,傳統的城市軌道交通線中有50 %～ 60 %的意外事件肇因是由於人的疏忽。全自動無人駕駛系統運用現代設計理念, 採用硬件和軟件的冗餘措施, 利用高可靠性和安全性的信號系統(ATC), 高可靠性、大容量的具有實時傳輸功能的通信系統, 以及具有高度的牽引/制動控制精度、快速準確的故障診斷分析與排除功能和應急疏散聲光電報警指示的車輛等, 結合智能化和數字化的綜合監控系統(ISCS)、運營控制中心(OCC), 依靠人工監視與干預機制來確保高安全性和可靠性。 ^[1] 

全自動無人駕駛系統的信號系統採用了基於無線通信技術的移動閉塞系統, 通過與車輛的高精度控制系統的技術接口來實現列車精確定位、高速運行、實時跟蹤和自動折返, 有效地縮短了列車運行間隔, 提高了行車密度和旅行速度, 可適應大客流的需要。 ^[1] 

列車高密度運行, 可減小列車編組、縮短車站長度;旅行速度的提高有利於減少車輛配置數量, 使建設投資得到有效控制。無人駕駛系統具有按客流自動調整運營策略和列車開行密度的功能, 能靈活地適應高峯大客流和低峯客流的運營需要, 提高列車滿載率。列車不設駕駛員, 使操作人員大幅度減少;車輛配屬數的減少也使維修人員數減少, 使整個維修成本下降。因此從總體比較, 全自動無人駕駛系統的生命週期成本(LCC)要比常規系統減少。 ^[1] 

無人駕駛系統是高科技含量的軌道交通系統, 需要有高的管理水平與之相適應。因此, 要求管理人員有較高的素質, 不僅要有較高的科技文化水平, 能沉着、機靈應對突發事件, 更要有極高的服務意識和責任感, 使運營服務水準有明顯的提高。 ^[1]