轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统

1.本技术涉及轨道交通技术领域，具体而言，涉及一种城市轨道交通自动化等级(grade of automation,goa)达到4级的无人值守下的列车自动运行系统(unattended train operation，uto)于部分严重故障情景下的远程应急驾驶系统。


背景技术：

2.中国城市轨道交通协会于2020年3月印发了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，随着城市轨道交通列控系统的发展，goa4级列控系统将是发展的主要趋势。
3.全自动运行(fully automatic operation，fao)系统是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统。国际公共交通协会(uitp)将列车运行的自动化等级(grade of automation,goa)根据运行人员和系统之间对列车运行基本职能的责任分配划分为5级，分别为goa0、goa1、goa2、goa3和goa4级别。
4.goa3等级，列车的运行均可以完成自动化运行，但仍然需要相关人员值守，应对突发情景。goa4等级，列车可以达到无人值守运行。与goa3相比，减少了机载操作人员。列车的所有工况场景，都是通过自动化系统完成的。同时，该系统也支持基础的检测和管理危险情况和紧急情况，如乘客疏散。仅仅在一些危险情况或紧急情况，需要工作人员干预。
5.无人驾驶相对于人工驾驶的自动化运行模式对于列车运行控制系统有着更高的要求。对于无人驾驶系统可能出现的严重故障，应当被着重进行研究和相关应对方案设计，以保证故障发生时乘客的安全和运营的整体经济性。
6.考虑运营安全，轨道交通领域都采用后备模式设计的方式保证故障场景下的运行安全与效率，增加系统可靠性。goa4级列控系统的集成化和无司机参与的特点，使得其无法直接使用原有列控系统的后备模式。
7.通过对列车主要故障类型进行梳理分析，存在三类典型故障场景，有待于完善其应急处理方式，相关故障为：车载atp(automatic train protection,列车自动防护系统)防护模块故障、车地线路信息通信故障以及列车定位功能故障。在现有系统中，响应故障发生后，列车需要停车等待救援，从而影响运营效率。因此，goa4级全自动运行系统需要一种全新的后备降级系统，以保证运行过程的安全性和可靠性。
8.后备系统的硬件设计方面：行业从业者和研究人员在城市轨道交通故障场景的应急控制领域已有大量研究，但更多是侧重于轨旁设备和车载设备的应急控制策略，需要对运行线路进行大量的建设。
9.逻辑设计层面，相关研究人员更多侧重于通过增加轨旁和车载设备的数量和功能以继续维持车辆的自主运行，但由于相关技术应用并未成熟，因此在实际工程中无法满足安全性和可靠性要求。近年来5g通信技术、机器视觉技术等领域的发展也逐渐在轨道交通领域得到了研究和应用，这为构建控制中心为主导的列车远程应急控制系统提供了有利条件。


技术实现要素：

10.本技术的目的是完善goa4级自动驾驶场景下对于故障场景的应急处理方式，使得在运行系统发生影响列车正常运行故障时，能够使用远程驾驶控制故障的列车继续在保障安全的基础上继续运行至下一站点或车场，从而降低由于系统故障造成的对于乘客和运营者的影响。
11.为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：
12.一种轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，应用于goa4级列控系统(包括控制中心既有系统、应急控制系统、列车车载既有系统、轨旁既有系统；所述列车车载既有系统包括列车运行系统、车载atp系统；轨旁既有系统包括轨旁设备管理系统)，以应对车载atp防护模块故障、车地线路信息通信故障以及列车定位功能故障三类故障场景，其特征是：该远程应急驾驶系统包括控制中心端应急控制子系统、列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统，控制中心端应急控制子系统、列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统各设有应急通信模块以支持相互之间通信。
13.其中，所述控制中心端应急控制子系统包括远端atp防护计算模块、车载视频监控判别模块、人工远程控制模块。
14.其中，所述列车车载端应急控制子系统包括运行模式转换模块、列车辅助定位模块、车载视频获取模块、障碍物识别模块。
15.其中，所述轨旁设备端应急控制子系统通过其应急通信模块完成在轨旁既有系统相关设备信息的收集和处理，并执行控制中心应急控制子系统下达的各项控制指令以完成各项功能，进一步的，相关功能包括但不限于轨道资源占用释放、联锁判断、道岔转换等。
16.进一步的，当控制中心端应急控制子系统识别到对应的故障，人工远程控制模块中管理人员确认转为应急模式运行后，控制中心既有系统通过应急通信模块发送故障信息和故障处理相关指令，至列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统的应急通信模块，完成故障信息和控制中心控制指令的转换，启动列车运行系统的应急控制。
17.进一步的，所述远端atp防护计算模块通过所述轨旁设备端应急控制子系统收集获得故障车辆以及线路相关设备的位置、速度等状态信息，进行atp防护计算，并以防护曲线数据的形式将控制指令通过应急通信模块传输到列车车载端应急控制子系统和车载既有系统，以实施故障场景下车辆的应急运行过程。
18.进一步的，所述车载视频监控判别模块进行机器视觉视频信息的自动识别，同时将视频和识别结果提供给控制中心人员处，由人工远程控制模块中控制人员进行人工监测：控制人员会持续对故障场景下的列车运行进行审核，若人工认为应急系统运行正常不加干预，则系统会一直保持应急模式运行；当控制中心管理人员判断故障场景下的列车无法继续以远程应急控制方案继续运行时，将能够通过人工远程控制功能退出自动模式，转为蠕滑模式或远程控制车辆停止运行，以确保车辆能够保证运行的安全，等待后续人工救援。
19.所述列车车载端应急控制子系统，其应急通信模块接收到控制中心应急控制指令后，所述运行模式转换模块实施运行模式的转换，并根据信息特征码识别为故障状态，转换为应急状态下的远程控制运行模式；从而所述列车运行系统将脱离发生故障的车载atp系统，转为应急运行模式；该模式下，故障列车会依照接受到的来自控制中心远程atp防护计
算模块的防护曲线进行远程控制，以保障故障车辆的安全运行。
20.进一步的，所述列车车载端应急控制子系统，其车载视频监控判别模块将启动视频获取功能，同时也将车辆有关运行信息，并通过应急通信模块上传至控制中心端应急控制子系统，上传信息包括车辆运行信息、机器视觉视频信息等运行相关信息。
21.进一步的，所述列车车载端应急控制子系统，其列车辅助定位模块在车辆定位有需求下，对列车位置进行确认，并上传至控制中心端应急控制子系统以提供更精准的运行信息。
22.与现有技术相比，本技术具有以下优点：
23.(1)完善了城市轨道交通无人列控系统的应急处理方式，在故障场景下利用控制中心远程控制的方式，继续维持列车的自动运行。大幅降低由于车载atp防护模块故障、车地线路信息通信故障以及列车定位功能故障所带来的直接影响和潜在影响，提高了系统在全场景运行的可靠性与安全性。
24.(2)在特定严重故障发生时，该系统将进行工作，通过远程应急自动驾驶或是远程限制驾驶模式驾驶的方式，确保运营的安全和效率。
25.(3)各个子系统的应急控制模块采用有线骨干网负责与既有系统进行交互，以确保二者通信的可靠性和及时性。
26.(4)本技术提出的应急处理系统构架基于现有无人列控系统架构，充分利用了控制中心端所具备的高算力等特点，便于系统改造，布设难度较小，利于进行快速部署和应用。
27.本技术期望能够发挥控制中心、车载端的优势，将应急控制聚焦于控制中心和车载端，最大限度减少对于现有系统的改造成本。此外，本技术借助控制中心控制人员的参与，实现故障场景下的列车远程控制，更适合现有轨道交通系统的安全可靠性要求与相关技术的实际应用水平。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图对本技术的具体实施方式作简单介绍。显而易见地，本技术的示意实施例仅为本技术的一部分实施例，对于本领域的其他技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例或附图均不超出本技术的保护范围。
29.图1为本技术实施例提供的应急控制逻辑示意图。
30.图2为本技术实施例提供的障碍物识别功能的实现逻辑示意图。
31.图3为本技术实施例提供的列车辅助定位功能的实现逻辑示意图。
32.图4为本技术实施例提供的应急控制系统整体功能框架示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本技术的一个实施例进行描述。以下实施例仅用于进一步地解释说明本技术的技术方案，并不能以此来限制本技术的保护范围。
34.图1所示的为本技术所构建的远程应急控制系统的整体功能框架：
35.其特征是：该远程应急驾驶系统包括控制中心端应急控制子系统、列车车载端应
急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统。三类子系统间，通过应急通信模块实现故障场景下的信息交互。
36.(一)控制中心端应急控制子系统
37.所述控制中心端应急控制子系统，在故障发生时，该子系统将通过应急通信功能同列车、轨旁设备交互列车控制相关信息。具体的，控制中心端应急控制子系统将用于实现如下的功能：
38.a)远端atp(automatic train protection,列车自动防护系统)防护计算
39.所述功能负责在控制中心端计算列车运行的atp防护曲线，保证在极端情况下车辆仍处于安全控制下，保障运行的安全。
40.所述功能需要的信息输入包括：故障列车的速度、加速度、故障列车前方列车位置、故障列车前方站点位置、故障列车前方列车速度、故障列车车辆最大制动加速度、通信系统时延、车辆ato控制模块时延。
41.所述功能的信息输出包括：推荐atp限速曲线、当前列车运行状态评价。该输出通过中心端与车载端应急通信系统传输至车辆端，并经由车载端的ato系统控制列车的运行。
42.b)车载视频监控判别
43.所述功能将对车载端收集的机器视觉信息进行分析判别。
44.进一步，该模块同时将结果呈现至控制中心监管人员，帮助控制人员监管列车动态的同时，辅助排查可能的故障原因。
45.所述功能的输入为列车端采集的车内视频信息、车外机器视觉信息等；输出为相关信息的可视化视频与经由障碍物识别后的智能判别结果。
46.c)人工远程列车控制
47.所述功能负责控制中心监管人员对列车的远程驾驶控制。
48.具体的，该功能由控制人员人工控制，当故障可控时，转入远程应急控制模式，向车载端发送运行模块切换指令，由控制人员担任“临时司机”，进行列车的远程控制。该功能涉及传输的相关信息包括但不限于：速度指令、屏蔽门开关、语音播报、启停站等安全应急相关指令。
49.(二)列车车载端应急控制子系统
50.所述列车车载端应急控制子系统，负责应急控制模式中，列车端的信息收集和运行控制。具体的，列车车载端应急控制子系统用于实现如下的功能：
51.a)运行模式转换
52.所述功能用于车辆和系统完成故障控制模式和正常运行模式的转换。
53.所述功能的输入为列控中心发出的指令，即由正常运行状态转为相应故障应急模式的命令和由故障状态恢复为正常运行状态的命令。
54.所述功能需要在所有运行场景下保持工作状态，并周期性检测相关指令的输入情况和执行反馈情况，接收到相关指令后，控制车辆和轨旁等模块进行控制逻辑的更新；当监测到执行异常，则自动转换为蠕滑运行并反馈至控制中心等待后续命令。
55.所述功能的输出则列车的当前运行模式，该结果将通过通信系统传输回控制中心。
56.b)列车辅助定位
57.所述功能的责任为通过组合定位方式，进行列车的辅助定位，保证故障场景下列车定位的精确性和可靠性。
58.所述功能相关模块安装于车辆，当系统转为故障状态后开启，通过组合定位方式完成列车的定位。以多普勒雷达技术为例，通过雷达完成对于运行线路的建模，通过于既有线路特征对比，完成列车的定位。
59.c)车载视频获取
60.所述功能包括由车内常规摄像头获取的车厢视频信息与通过车外加装的机器视觉设备获取的列车运行环境信息。
61.所述功能获取的列车运行环境信息将由列车段障碍物识别模块进行初步识别分析。
62.进一步的，两类视频均将通过应急通信模块上传至控制中心端，以供控制人员实时获知车辆运行状态和线路情况。
63.d)障碍物识别
64.所述功能模块安装于车辆，当系统转为故障状态后开启，实时获取列车前行方向和车内的相关视频信息。
65.进一步的，所述功能模块将根据视频信息，通过机器学习等方式，自动进行障碍物和安全情况识别。
66.进一步的，所述功能将获取的视频信息上传至控制中心处，为控制中心的远程控制人员提供远程操控辅助参考，保障系统的行车安全。
67.(三)轨旁设备端应急控制子系统
68.所述轨旁设备端应急控制子系统将实现轨旁既有系统相关设备信息的收集和处理，并根据控制中心应急控制系统的指令，执行包括联锁、道岔控制等功能。
69.(四)应急通信模块
70.所述应急通信模块将在故障场景下负责控制中心、列车端、轨旁设备端的通信功能。在故障场景下，保证车辆机器视觉视频信息、车辆atp防护信息、车辆运动学参数、控制中心人员指令等信息的传输。图2所示的为本技术实施例提供的典型故障应急控制逻辑示意图，
71.所述控制中心识别到本技术给定的故障，即车载atp防护模块故障、车地线路信息通信故障以及列车定位功能故障时，待控制中心人工确认转为应急模式运行后，控制中心既有系统将向控制中心端应急通信模块发送故障信息和故障处理相关指令，各子系统间的应急通信模块，完成故障信息和控制中心控制指令的转换，启动列车运行系统的应急控制模式。
72.其中，在所述控制中心端，远端atp防护计算模块将通过获得故障车辆以及线路相关设备的位置、速度等状态信息的总结和处理，在远端对列车的运行进行atp防护计算，并以防护曲线数据的形式将控制指令通过通信系统传输到车载通信接收端。
73.进一步的，控制中心端车载视频监控判别模块会进行机器视觉视频信息的自动识别，同时将视频和识别结果提供给控制中心人员处，由控制人员进行人工监测：若应急系统运行正常，控制人员不加干预，系统会一直保持应急模式运行；若控制人员判断应急控制无法保证运行安全按，将能够通过人工远程控制功能退出自动模式，转为蠕滑模式或远程控
制车辆停止运行。
74.在所述车载端接收到控制中心应急控制指令后，运行模式转换模块通过对控制中心所发出的控制指令进行识别，完成运行模式的转换功能，使列车转换为应急状态下的远程控制运行模式。进一步的，车辆将脱离发生故障的车载atp系统，根据应急模式运行系统给出的atp防护曲线信息进行牵引与制动，继续故障车辆的自动运行控制。
75.进一步的，车载端将启动视频获取功能，将车辆有关运行信息通过车载应急通信模块上传至控制中心端，其中：上传信息包括车辆运行信息、机器视觉视频信息等。
76.进一步的，当对车辆定位有需求时，列车辅助定位功能也将启用，通过冗余的列车辅助定位技术，对列车位置进行确认，并上传至控制中心处以提供更精准的运行信息。
77.进一步的，轨旁端设备通过轨旁应急通信模块完成控制中心端在故障场景下对轨旁设备管理系统、车载系统和控制中心等相关设备信息的收集和处理。
78.图3所示的为障碍物识别功能的实现流程介绍，本技术以机器视觉系统为例。机器视觉主要研究用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。本技术所述的机器视觉功能模块的运行流程为：首先对被测目标线路的光学图像采集，随后进行后续的数字化处理，转入车载端图像处理与障碍物识别系统。在车载端会进行障碍物的初步识别。
79.进一步的，该模块将通过应急通信系统向控制中心端发送视频信息，以在控制中心端为控制人员的远程监控驾驶提供帮助。
80.图4所示的为列车辅助定位的功能实现介绍，本技术以多普勒雷达定位技术为例。所述多普勒测速雷达的典型工作方式为：射频发射器经由天线向待测目标处发出信号，经过反射后，信号重新由天线接收。进一步的，重新接受的反射信号将转入信息处理单元进行数据的处理，以解算出列车运行速度信息。此外，为了提高精度，也可以引入启发式算法对数据进行进一步的分析处理。
81.以上所述实施例，仅为本技术具体实施方式的一部分，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术涉及的技术范围内，在没有付出创造性劳动的前提下所获得的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，应用于goa4级列控系统，以应对车载atp防护模块故障、车地线路信息通信故障以及列车定位功能故障三类故障场景；goa4级列控系统包括控制中心既有系统、应急控制系统、列车车载既有系统、轨旁既有系统；所述列车车载既有系统包括列车运行系统、车载atp系统；轨旁既有系统包括轨旁设备管理系统，其特征是：该远程应急驾驶系统包括控制中心端应急控制子系统、列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统，控制中心端应急控制子系统、列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统各设有应急通信模块以支持相互之间通信。2.如权利要求1所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：其中，所述控制中心端应急控制子系统包括远端atp防护计算模块、车载视频监控判别模块、人工远程控制模块。3.如权利要求1所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：其中，所述列车车载端应急控制子系统包括运行模式转换模块、列车辅助定位模块、车载视频获取模块、障碍物识别模块。4.如权利要求1所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：其中，所述轨旁设备端应急控制子系统通过其应急通信模块完成在轨旁既有系统相关设备信息的收集和处理，并执行控制中心应急控制子系统下达的各项控制指令以完成各项功能，进一步的，相关功能包括但不限于轨道资源占用释放、联锁判断、道岔转换。5.如权利要求1或者2所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：进一步的，当控制中心端应急控制子系统识别到对应的故障，人工远程控制模块中管理人员确认转为应急模式运行后，控制中心既有系统通过应急通信模块发送故障信息和故障处理相关指令，至列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统的应急通信模块，完成故障信息和控制中心控制指令的转换，启动列车运行系统的应急控制。6.如权利要求2所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：进一步的，所述远端atp防护计算模块通过所述轨旁设备端应急控制子系统收集获得故障车辆以及线路相关设备的位置、速度各状态信息，进行atp防护计算，并以防护曲线数据的形式将控制指令通过应急通信模块传输到列车车载端应急控制子系统和车载既有系统，以实施故障场景下车辆的应急运行过程。7.如权利要求2所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：进一步的，所述车载视频监控判别模块进行机器视觉视频信息的自动识别，同时将视频和识别结果提供给控制中心人员处，由人工远程控制模块中控制人员进行人工监测：控制人员会持续对故障场景下的列车运行进行审核，若人工认为应急系统运行正常不加干预，则系统会一直保持应急模式运行；当控制中心管理人员判断故障场景下的列车无法继
续以远程应急控制方案继续运行时，将能够通过人工远程控制功能退出自动模式，转为蠕滑模式或远程控制车辆停止运行，以确保车辆能够保证运行的安全，等待后续人工救援。8.如权利要求1或3或6所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：所述列车车载端应急控制子系统，其应急通信模块接收到控制中心应急控制指令后，所述运行模式转换模块实施运行模式的转换，并根据信息特征码识别为故障状态，转换为应急状态下的远程控制运行模式；从而所述列车运行系统将脱离发生故障的车载atp系统，转为应急运行模式；该模式下，故障列车会依照接受到的来自控制中心远程atp防护计算模块的防护曲线进行远程控制，以保障故障车辆的安全运行。9.如权利要求8所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：进一步的，所述列车车载端应急控制子系统，其车载视频监控判别模块将启动视频获取功能，同时也将车辆有关运行信息，并通过应急通信模块上传至控制中心端应急控制子系统，上传信息包括车辆运行信息、机器视觉视频信息等运行相关信息。10.如权利要求9所述轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，其特征是：进一步的，所述列车车载端应急控制子系统，其列车辅助定位模块在车辆定位有需求下，对列车位置进行确认，并上传至控制中心端应急控制子系统以提供更精准的运行信息。

技术总结
一种轨道交通无人列控系统故障场景下的远程应急驾驶系统，应用于GoA4级列控系统，以应对车载ATP防护模块故障、车地线路信息通信故障以及列车定位功能故障三类故障场景；其特征是：该远程应急驾驶系统包括控制中心端应急控制子系统、列车车载端应急控制子系统、轨旁设备端应急控制子系统。本发明目的在于完善GoA4级自动驾驶场景下对于故障场景的应急处理方式，使得在运行系统发生影响列车正常运行故障时，能够使用远程驾驶控制故障的列车继续在保障安全的基础上继续运行至下一站点或车场，从而降低由于系统故障造成的对于乘客和运营者的影响。营者的影响。营者的影响。


技术研发人员：欧冬秀 王子玮 张雷 汪小勇 常鸣
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2022.12.22
技术公布日：2023/3/14