融合轨道的智能化与列车的无人驾驶的研究进展

徐 凡 郭俊杰 燕元桢 何 苏 陈永琪 潘梓瑶 兰天奇

南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167

铁路运输是最为常见的交通运输方式之一，具有载运量大、快速方便等优势，广泛应用于客货运输。然而铁道同时也存在占地过多、造价过高等劣势。新型融合轨道作为一种新的轨道交通方式，具有占地面积小、资源利用率高的优势，可以缓解空间对铁路发展的限制问题和钢材等资源浪费的问题，符合当今绿色环保、节约发展的时代理念。同时融合铁路也是目前提高铁路运输效率的一种有效、经济且环保的新型运输方式。由于无人驾驶技术的出现与迅速发展，大数据网络的成熟，以及5G 通信技术的上线，无人驾驶列车也应得到发展，无人驾驶列车完全可借鉴汽车的无人驾驶技术进行轨道交通的应用。

1 三铁融合综合轨道交通方案的融合方向

在我国的铁路规划中，国铁、市域铁路和城市规划铁路都有各自独特的运营方式，如线路、运营方式、管理方案等，所以实现三铁融合的规划过程也极其复杂。对此需要三者对应的轨道交通部门相互沟通，根据三轨一体化发展理念，对三铁轨道的融合进行合理规划与指导。第一，明确规划方向，加强规划引导。在融合发展过程中，需要确定正确合理的发展目标，以目标为连接点。连接点的合理确定能使各地的旅客出行都有集中的中转站，使交通更加便捷，旅客出行的规划更加明确，以南京市的南京南站为例，南京南站做到了将城市铁路（地铁为主）与市域铁路集合中转的目的。这要求交通部门从规划层面进行确定，从不同的铁路线中确定连接点，从而使三铁融合发展得到更好的实现。第二，加强融合，共享资源。对于国铁、市域铁路及城市轨道，三者间很多方面都能实现资源共享[1]，如通道、线路、车站以及供电与控制中心等，交通部门应当对三者规划进行合理布局，对于三条不同铁路轨道交通中的资源布局以及如何共享进行研究，这给予了三铁融合发展的大方向，有助于三铁融合的实现。第三，调整交通运输，进行公交化服务。在三铁融合建设过程中，除了考虑城市内部已有的轨道交通资源，更应对轨道交通相对缺乏的区域进行充分的建设，同制式同标准线路中实现互联互通列车[2]，并且在国铁干线、市域铁路及城市轨道间组织实现公交化服务，增加专车去往车站的数量，使三铁轨道交通所具备的交通运输功能可以充分的发挥。第四，统筹规划，分期实施。三铁融合工程任务浩大，涉及领域众多，包括三类铁路的各个方面，因此要实现三铁融合，就必须从开始的项目规划到后期工程项目的具体实施实行统筹规划，也要依据不同城市的实际发展状况，分阶段进行工程建设，保证每一阶段的建设都能提高相关地区的运输能力，从而使三铁融合能够尽快实现。

2 三铁融合的融合条件

2.1 三铁融合中的线路融合

在实现三铁线路融合的过程中，遇到如下问题：第一，如果在同一或相近线路上的不同轨道交通功能定位相互重合造成资源浪费怎么办？第二，在线路融合过程中，对于已存的不合理线路该如何解决？第三，不同线路之间的互联互通究竟能否完整实现？因为三铁线路融合的关键是各个部门的列车运行数据。因此想要解决上述问题需要规划层对三类铁路部门的运行数据充分掌握。数据采集需要大量的人力、物力、财力。现阶段如何高效准确地获取列车运行数据是研究人员关注的重点。虽然现阶段轨道交通系统中的多传感器融合研究已大力开展，但在数据融合处理中仍然存在着大量的难题亟待解决。因此，融合轨道交通的关键环节是对列车数据的采集，没有数据的合理采集就谈不上融合轨道交通。目前已知的数据融合算法较为丰富，常用算法有：D-S 证据理论、卡尔曼滤波法、模糊逻辑，决策模型等[6]。虽然根据轨道交通系统中的多传感器研究已甚多，但如何处理数据在融合中的准确性亟待解决。

2.2 三铁融合中的安全融合

轨道交通安全研究的基本框架基本为：车辆、铁路环境、事故救援等，就目前的三种不同铁路运输方式而言，各自对于安全研究的侧重点不尽相同。而安全融合就是要实现三种铁路运输方式在安全研究方面达到一个统一的模式。因此，需要了解这三种铁路运输方式的安全性要求，然后制定出不同的安全性标准要求，最后针对三铁进行统一管理，使得安全性得到有效的融合。轨道交通系统由人－车－道路三要素构成，轨道交通系统中每个要素自成系统而又相互作用，轨道交通事故的出现是因为某一系统出现问题或多个系统相互间作用失调。因为各项风险因素与交通事故的关系，若要实现轨道交通安全，交通部门应当提出针对性的干预手段或改善措施，以达到降低事故风险和减轻事故伤害程度的目的[2]。在车辆安全方面，研究应集中于车辆智能防撞技术，如车辆碰撞预警系统、车道偏离警告系统等。此外，事故发生后的紧急救援服务，如事故识别和报警、救援资源分布与调度、紧急疏导及医疗救治等也是重要的研究方向。

3 无人驾驶的功能需求与运控技术要点

3.1 列车启用与入库

列车在运行结束后，驶入车库，在下一次启用前通过大数据中心直接对列车实施唤醒，对列车直接发送工作指令，接收指令后列车方可升起电弓，大数据中心指示列车进入下一个动作环节。为更快捷方便地投入运营，大数据中心和列车调配中心会配合天气等情况分配营运路线、行驶速度并且列车将实时回传列车行驶情况。列车运营完毕后交由大数据中心自动入库和泊车。

3.2 自动洗车与自动检修

在无人驾驶场景中，洗车全程为全自动操作，大数据中心感应系统感应列车的驶入后，以设置目的地的方式或者根据大数据作业计划的方式，大数据中心将列车驾驶至车库前完成洗车工作。列车开车前实施检修工作由大数据中心和对应系统对列车发出检修命令，通过检修程序检修，并将检修结果回传至大数据中心，由大数据中心进行判断是否发车，若判断检修不合格则不进行发车工作直接进行回库处理，将问题上传至大数据中心通知修理师傅为其修理，修理完毕后修理师傅回传修理结果，修理后的列车启用前会进行检修工作程序，检修合格方可发车，检修不合格将重复上述修理工作[3]。

3.3 远程驾驶模式

列车营运由大数据中心协调配合共同完成，大数据中心和列车调度中心配合制定出列车的调度安排和出车计划，并由大数据中心操作列车进入轨道，列车在相应时刻根据场调安排进入站台。人工驾驶场景将会因某部分原因导致列车定位丢失，或者车载控制器重启，列车将问题反馈给大数据中心，由大数据中心指示；无法实现列车自动驾驶，交由数据中心分配给模拟驾驶室中的驾驶员，交由人工驾驶的这段时间内列车将进行系统维护，其间驾驶员将按照原定计划驾驶列车，待列车系统恢复正常后恢复无人驾驶状态[9]。

3.4 站台自动对位调整

为了供乘客正常下车，无人驾驶列车能自动执行站台自动对位调整，列车在停靠站台时会出现列车与站台对准的精度不够，列车进站超过停车精度的一定范围时，将由列车数据中心反馈给列车调整对位程序进行站台对位调整，对位系统接收到工作信号后自动控制列车重新进行对位调整，列车将进行多次重复对位工作直至列车对位完毕后方可开启车门，供乘客下车[3]。若列车多次调整对位不合格，将回传至大数据中心，大数据中心根据列车所处的环境重新制定对位站台计划，大数据中心的驾驶员将列车调整对位合格后自动恢复列车的无人驾驶系统，对位合格后自动开启车门供乘客下车。

4 大数据对无人驾驶列车的影响

4.1 无人驾驶技术

随着社会的进步，人们的生活水平不断提升，对于一些设备与物质的要求也在不断提高。在未来，无人驾驶汽车会走进千家万户。因此，无人驾驶列车轨道是未来轨道列车运行的基本模式。海内外科学人士对于无人驾驶技术以及列车轨道已经进行了数十年的科学研究，在一些国家与地区，已经开始运行了多条无人驾驶轨道路线。无人驾驶系统在一定程度上可以减少事故发生率，缓解资源短缺的问题，对于社会的稳定具有重大意义。因此，列车未来发展的趋势必然是无人驾驶列车。

4.2 无人驾驶技术数据的计算

尽管各国科学家对于无人驾驶技术进行了很长时间的研究，但无人驾驶技术尚未成熟。多种问题、发展障碍均未得以解决，例如，传感数据的传输，自动控制时延等问题[4]。利用大数据技术可以缓解这些问题，为无人驾驶技术的发展提供更多的可能。无人驾驶是一项复杂的技术，对数据的收集与处理进行有机结合对无人列车的运行起着十分重要的作用。在数据方面，需要收集方方面面的数据，例如：车辆远环境的数据，历史累积的数据，车辆本身的数据，环境感知数据。在数据的计算方面，利用车载计算机进行边缘计算，利用云中心进行需要大量算力但时效性要求不高的海量数据计算[7]。这些数据与计算共同配合，辅助无人列车的行驶[8]。

4.3 无人驾驶技术数据的分析

数据的分析与计算在无人驾驶技术中起着至关重要的作用。利用对车辆本身数据的分析，可以提醒车主哪些部位、哪些零件需要更新换代。利用对历史累积驾驶数据的分析，可以帮助车主远离路况复杂的路段，对路况颠簸、行人密集的路段进行自主的减速处理。利用对车辆远环境数据的分析，结合无人驾驶列车所包含的超声波传感器、雷达、摄像头等设备[6]，进行全方位的感知，减少天气和外部环境的影响，对浓雾天气、黑夜环境下的物体识别度更高，视野更加广泛，对于危险的反应以及对于危险情况的处理更加迅速而具体。无人驾驶列车系统通过对这些数据进行分析并不断调整，从而保证了列车的安全。

5 融合铁路和无人驾驶列车在工程中的应用

铁路运输是生产、生活中最为重要的运输方式，因其快速方便、运输量大的优点被广泛应用于日常的生活运输中。但是由于其造价较高、占地较多等原因，在其发展到一定程度后很难有突破性的进展。为了解决这些问题，科学家们致力于研究融合性铁路。在21世纪兴起了三融铁路——国铁、市域铁路和城市铁路的三轨融合铁路，而且在铁路迅速发展的同时必然带来列车驾驶人员的负担，但是列车的自动驾驶可以将驾驶员解放出来，去做更有意义的事情。三融铁路占地较少，可以有效缓解人地矛盾。因此本项目旨在研究三融铁路和其智能化的发展，一方面三融铁路可以减少铁路占地，缓解人地矛盾，而且减少了钢铁的用量，帮助我们更加合理的应用自然资源，符合当今时代可持续发展的主题，也节约了建造成本，在未来的城市轨道交通建设中有着广阔的应用空间，另一方面，列车的自动驾驶技术有效地提高了系统的自动化程度和运输效率。

6 结语

大量调研表明，融合轨道对铁路运输效率有显著的提高。融合轨道可以将各类轨道的优点相结合，不仅有效提高铁路的运输效率，而且对日后多种融合干线的发展有着借鉴意义。同时具有大量、高速、多样、低价值密度优势的大数据计算正在对人们生活的方方面面产生重大影响。而对于无人驾驶列车，大数据技术可以解决具体的传感数据传输和自动控制时延等发展障碍问题，为无人驾驶列车提供了有力的技术保障。同时，大数据技术的不断发展对数据存储的容量扩展和数据处理速度的提升效果也是十分明显的，而这些都是未来发展无人驾驶列车的核心技术[5]。然而，如何解决融合轨道的资源占用和提高融合轨道的使用寿命以及如何不断提高大数据在无人驾驶列车方面的应用仍是亟待解决的课题，值得进一步深入研究和探讨。