基于感知自主運行的列控系統后備模式研究

張蕾，宋麗麗，張俊林，程浩，陳科

（1.交控科技股份有限公司，北京 100070；2.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

0 引言

城市軌道交通路網規模的不斷擴大使網絡化運營更加復雜，包括巨量的設備設施、高密度的隨機客流、復雜的風險要素及傳播機制，其中任一要素或環節的故障都可能帶來長時間段、大面積的連鎖效應，造成“小故障、大影響”［1-2］。作為城市軌道交通的重要組成部分的信號系統，其故障對運營的影響突出，以北京地鐵為例，2014—2018年的405起故障數中信號故障高達198 起［3］，因此亟須提升信號系統故障下的運行能力，以及快速恢復能力。

基于車車通信的列車自主運行控制系統（TACS）作為繼CBTC之后的主流方向，法國阿爾斯通的車車通信的信號系統應用于法國里爾線的線路改造。交控科技也率先提出了車車通信系統［4］并后續在北京11號線開通運營，青島地鐵牽頭研發的TACS 在青島地鐵6 號線完成動車調試驗證［5-6］，中國通號卡斯柯公司TACS在深圳地鐵20 號線開通運營［7-8］。TACS 相較于CBTC系統，有效精簡了系統架構，使得系統更適用于改造線路，能夠降低改造工程的復雜度，但與此同時，由于系統功能的高度集中，任一設備出現故障則系統可用性大幅下降。

針對以上問題，一方面可增加設備冗余提高系統可靠性來降低故障率，另一方面系統的后備模式也是必不可少的?，F有TACS 的后備模式多為參考既有CBTC 系統，采用區間閉塞或點式系統作為后備模式下的運行。雖然這2 種方式均較為成熟穩定，但存在的主要問題是，當故障發生后，由TACS 運行切換至區間閉塞或點式系統運行所需的時長較長，以線路通信系統故障為例，在線所有列車需要停車等待調度與司機逐一確認列車位置，并逐次安排列車以區間閉塞的方式運行，方可完成從主用模式到后備模式的切換。

研究提出一種基于感知自主運行的車車通信系統后備模式，故障發生后，該后備模式能夠在主用模式故障的情況下，快速切換至后備模式運行，而無需復雜長時間的人工確認；故障恢復過程中，該后備模式能夠提供高于區間閉塞的故障運行能力；故障修復后，由于該后備模式支持的列車運行間隔較小，因此具備快速由后備模式恢復到主用模式的運行能力。

1 車車通信系統后備模式的研究現狀

1.1 必要性及作用

信號系統的后備模式是在主用系統出現設備故障無法維持主用模式運行時，能夠支持在線列車保持一定運營秩序的技術手段［9］。例如現有的CBTC系統出現通信故障時，可轉為點式級別運行，在低于主用模式效率的情況下提供安全運營保障。為保證運營安全，我國城市軌道交通運營線路中后備模式已經成為標配［10］。

對于TACS 系統而言，區別于既有聯鎖進路控制的方式，采用自主的資源精細化管理方式對軌旁資源進行申請和釋放，取消了對次級檢測設備的依賴［6-8，11-12］。若不為TACS 配置后備模式，則僅能依靠人工調度的方式指揮非通信列車，同時資源的釋放也需要人工完成列車重定位，存在誤操作風險［8，13］。由此可見，后備模式對于TACS系統是必要的。

根據TACS系統的通用構成（見圖1），后備模式需在主要系統出現故障的場景下發揮作用：第一類是車載安全防護系統故障，包含了測速設備故障、定位設備故障以及車載主機板卡故障等；第二類是軌旁資源管理器故障，包括關鍵設備道岔安全門等的采集失效故障、軌旁資源管理器主機板卡故障等；第三類是車地/車車通信設備故障。

圖1 TACS系統構成示意圖

由此，后備模式作為能夠獨立運行的系統，需具備以下3項主要功能：

（1）后備模式下的列車位置檢測，列車的定位功能是閉塞防護的基礎，可采用計軸等次級檢測設備，也可采用應答器、激光雷達等主動連續的檢測設備；

（2）軌旁資源的占用及釋放管理，該功能直接影響到后備模式下的列車運行間隔，宜具備較高的自動化程度及較小的管理區段；

（3）列車運行間隔防護及超速防護，由于后備模式下多為人工駕駛，作為信號系統的后備模式，須保證基本的間隔和速度防護。

1.2 主要方案

基于TACS 后備模式下主要需求，根據不同的重定位方式，后備模式主要方案包括四類（見表1）。其中，前3種后備模式方案是當前主要信號系統設備提供商提出的方案；前2 種后備模式方案同樣是傳統CBTC 系統的后備方案，較為成熟。第3種后備模式是伴隨著感知技術的不斷發展［14］，演進得到的新型后備模式解決方案。因此，本研究重點關注感知后備模式的方案。

表1 TACS后備模式主要方案

2 基于感知自主運行的后備模式

2.1 總體概述

相較于傳統的CBTC 系統，TACS 系統推動信號系統從自動化向自主化發展，對列車運行環境及關鍵組成要素的多源感知是自主列車運行控制系統的一項關鍵特征（見圖2）?；诃h境感知的自主運行作為后備模式解決方案，當主用系統發生故障無法維持運行時，如車地無線通信故障，可無縫切換至基于感知自主運行的后備模式。后備模式運行過程中，在區間按照“看多遠、運行多遠”的原則自行計算移動授權并進行安全防護，在岔區按照信號機的開放狀態運行。主用系統故障修復后，列車無需再進行篩選等復雜的操作，滿足主用系統運行條件后可直接升級至主用系統運行，該系統可大幅度提升故障下的運行效率，保持一定的乘客服務質量。

圖2 基于感知自主運行的后備模式示意圖

2.2 系統架構

基于感知的自主運行裝備，通常由列車車載和軌旁2 部分設備構成。以首都機場線示范應用裝備為例，車載配備激光雷達、工業相機等多種感知設備，通過多源感知融合，保證感知結果的安全性和可靠性；軌旁配備必要的標識牌，用于提升定位的精度。系統邏輯架構見圖3，現場安裝效果見圖4。

圖3 系統邏輯架構

圖4 現場安裝效果

2.3 關鍵技術組成

基于感知自主運行的后備模式，其關鍵技術包括基于感知的列車自主定位技術、基于感知的行車凈空檢測技術以及基于高可靠感知的列車自主防護技術。

2.3.1 基于感知的列車自主定位技術

區別于傳統的計軸、應答器檢測定位需要布置軌旁設備的要求，基于感知的列車自主定位技術，通過激光雷達對線路環境進行掃描獲得大量的實時傳感器數據，利用的激光SLAM技術和傳感器融合技術，經過環境特征匹配、列車運動狀態估計、回環檢測等過程構建線路高精度點云地圖。在列車運行過程中，系統通過激光雷達對列車前方進行掃描，獲得前方運行區域點云，基于實時傳感技術識別前方線路特征，與存儲的高精度地圖進行匹配，從而計算得到列車高精度位置。特別的，為進一步提升定位精度，軌旁設置標識牌設備，當檢測到編碼標識牌時，基于線路高精度點云地圖中標定的編碼牌設備位置，對當前列車的位置進行校正和更新。

2.3.2 基于感知的行車凈空檢測技術

由于城軌交通列車的運行環境相對封閉，由此列車行車的凈空檢測，其檢測對象相對道路交通大幅減少，主要對列車、維修人員、信號機、入侵到限界內的障礙物（例如樹木、線纜、廣告牌）等內容進行識別?？刹捎孟鄼C視覺、激光雷達等多種光學傳感器設備，通過圖像采集、圖像預處理、軌行區識別、點云篩選、目標分類等過程，實現列車前向軌行區障礙物的檢測與分類。此外，該檢測需保證安全完整度等級SIL4 要求的誤檢率及漏檢率，方可用于作為安全防護功能的輸入。特別的，若線路的彎道半徑超出感知設備的檢測距離上限，則可在地面布置感知設備，通過車軌協同感知的方式延長列車運行凈空檢測“視距”。

2.3.3 基于感知的信號機識別技術

系統通過主動感知的視覺模塊實現對運行區域前方的信號機狀態采集及分析。列車根據當前位置、運行方向，結合電子地圖計算視距范圍內是否包含信號機以及信號機在畫面中的位置；當視覺模塊識別到信號機且其位置與預期一致后，系統通過抗干擾算法處理實時采集的畫面識別信號機當前狀態（是否點亮、亮燈色等），在判斷點亮燈位符合信號機類型后，將識別得到的信號機狀態用于列車安全防護處理。

2.3.4 基于感知的列車自主防護技術

基于感知的自主運行后備模式需提供安全防護功能，列車基于自主定位獲取當前的精確位置，結合行車凈空檢測結果，實時動態生成列車的移動授權。列車在無道岔非站臺區域運行時，根據視距范圍內的前方列車、維護人員、入侵障礙物等檢測結果，計算本列車的移動授權；列車在有道岔或站臺區域運行時，根據信號機狀態識別的結果計算本列車的移動授權是否可以延伸至對應區域。列車在移動授權范圍內按照限速進行防護，保證該后備模式下的行車安全及效率。

2.4 典型故障場景下的效果分析

以列車高峰期通信設備故障為例，具體分析基于感知自主運行的后備模式的效率提升。首先將故障下的運行分為3 個階段：第1 階段，故障發生時刻至后備模式運行；第2階段，故障修復的時段內列車后備模式運行；第3階段，故障修復后恢復至主用模式運行。在此基礎上，對每個階段感知后備模式與傳統后備模式的運行水平進行對比。后備模式對比分析示意見圖5。

圖5 后備模式對比分析示意圖

第1階段，出現通信故障，全線列車故障緊急制動停車，在該階段感知后備模式與傳統后備模式效率相同。第2階段，列車從主用故障停車狀態下，轉入后備模式運行。這一階段中，由于感知后備模式具備自主定位和自主防護的功能，則能夠支持在線列車并行恢復，相比于傳統后備模式下的調度員人工確認列車位置后串行恢復的方式，其效率大幅度提升；同時在進入到后備模式運行后，感知后備采用感知視距運行，能夠實現列車不掉線、不清客，繼續維持運營，最大限度減少對乘客的影響。第3階段，通信設備故障修復后，從備用模式升級到主用模式，因感知后備模式能夠有效檢查列車間的障礙物（包含工程車），不再需要進行類似篩選的功能即可快速升級到主用模式?？偟膩碚f，在故障發生至恢復到主用模式常態運行，整個過程中，感知后備模式的各個階段運行效率均高于傳統后備模式，能夠維持較好的服務水平。

3 結論與展望

通過分析對比，可以得出基于感知自主運行的后備模式，提供了較高的后備模式運行效率和服務質量，符合現有智慧城軌的發展需求。目前為滿足既有安全管理體系要求，對于感知信息的使用以及自主化水平尚處于起步狀態，后續隨著自主算法的可解釋性、全場景測試驗證手段以及新的系統安全保障理論和方法等關鍵技術的不斷發展成熟，基于感知自主運行的后備模式運行水平存在較大的提升空間。