高速铁路自动驾驶系统安全风险分析及发展方向

　　摘要：在我国，高铁逐渐成为旅客的首选交通工具，高铁出行具有快速、方便、安全等诸多优点。目前，我国高铁自动驾驶技术处于全球领先地位，不断推动我国高铁智能化发展。自动驾驶技术的应用实现了高铁列车运行的自动控制，提高驾驶系统自动化程度和列车运行速率。近几年，国内外逐渐开始研究干线铁路自动驾驶技术，但在高铁自动驾驶技术应用过程中，自动驾驶系统会面临多种安全风险，评估高速铁路自动驾驶系统安全风险具有重要意义，能为高铁自动化驾驶发展提供参考。

　　关键词：高铁; 自动驾驶技术; 安全风险;

　　高铁以其快速、准时、环保等诸多优点深受中短途旅客的欢迎，我国高铁自2008年开始陆续建成通车，近几年来发展迅速，位于世界领先水平[1]。随着高铁自动化驾驶技术的不断发展，列车自动驾驶系统将会逐渐代替驾驶人员。目前，高铁自动驾驶系统还处于起步阶段，很多技术和研究尚未成熟，系统架构、功能设计及分配仍需要进一步讨论、研发和应用。关注高铁自动驾驶系统的安全性至关重要，通过分析不同情况下高铁自动化驾驶系统存在的安全风险，针对风险提出针对性解决方法和进行技术改进，保障行车安全和乘客生命财产安全。

　　1 高铁自动驾驶系统目前存在问题及发展方向

　　1.1 高铁自动驾驶系统的概念及评判标准

　　高铁自动驾驶系统是指列车系统能够根据地面控制系统的命令、不同运行工作情况及运行区间内运行时分，选择最优控制策略，完成列车到站停靠自动开门、关门，站台准确停靠及列车起动、加减速等的控制，满足站间行车安全间隔和列车运行时速要求，达到节能环保及自动调整的目的。列车自动驾驶技术的应用具有诸多优点，有效地提高了列车运行能力、降低能耗，减少驾驶员疲劳程度，标志着高铁列控系统智能化发展。

　　自动化驾驶系统评判标准不仅仅只是列车的安全性问题，还包括列车准点率、准停率、列车舒适程度及列车运行过程中的能耗等。未来列车自动驾驶系统的研究和发展方向应该为在不同的线路条件、气象条件和车型状况下能够达成上述指标。除此之外，高铁是一套完整的复杂的系统，系统中的每一部分故障均有可能造成运输故障，因此，整个系统中的各个子系统如通信信号、工务工程等的可靠性、准确性必须在现有基础上不断提升。

　　1.2 高铁自动驾驶系统的等级划分

　　按照城市轨道交通管理和控制系统运营功能的划分标准，可以将我国高铁自动驾驶系统划分为GOA1～GOA4共4个不同等级。我国高铁列车目前采用的CTCS-2/CTCS-3等级列控系统都属于此等级[2];GOA2系统的主要特点是系统可以自动驾驶列车，但驾驶室需要保留驾驶员进行必要的列车安全启动条件检查、关闭车门及进行紧急情况处置，珠三角城际使用的C2+ATO系统[3]和京沈专客使用的C3+ATO系统[4]均是该等级系统；GOA3系统的主要特点是系统能够自动驾驶列车运行，驾驶室内不需要驾驶员，但列车内仍需保留乘务人员，他们主要负责关闭车门和应对各种紧急情况；GOA4系统已经不需要在车内保留驾驶员和乘务人员，直接由系统或列车控制中心调度人员处理各种紧急情况。GOA3和GOA4系统较GOA1、GOA2系统有了较大的进步，但目前该两种系统并未得到应用。

　　目前，我国高铁列车运行控制系统主要是由CTCS-3系统组成，该系统是在CTCS-2系统列车运行控制系统的基础上进一步发展而来的。该系统采用GSM-R无线通信系统，实现控制信息双向实时传输，以保障列车的运行要求。

　　2 高铁自动驾驶系统安全风险评估方法

　　高铁事故造成人员伤亡的主要原因有两个，分别是列车颠覆和列车运营安全事故。不同的自动化等级，即GOA1～GOA4等级能够承担不同的安全功能，针对不同自动化系统等级进行安全风险分析，有助于清晰了解各等级自动驾驶系统可能造成的人员伤亡和财产损失，为高铁自动化驾驶系统的发展提供借鉴。

　　GOA1系统仅仅能够提供连续的速度防护，对于驾驶列车运行、开关门和紧急情况处置均由驾驶员负责，因此系统的安全风险主要包括超速和相撞两个方面。列车超速可能包含的情况有超过线路、岔路口设置的匀速速度或临界速度不同的情况；一旦驾驶人员出现超速的情况，该系统将会自动产生制动，保障运行安全。列车相撞的情形有追尾、迎面相撞和侧面碰撞3种，系统能够保证不同行车许可有效避免碰撞，且在驾驶员出现错误时紧急制动，保证安全。

　　GOA2系统的主要特点是系统可以自动驾驶列车，但驾驶室需要保留驾驶员进行必要的列车安全启动条件检查、关闭车门及进行紧急情况处置，因此，该系统的主要安全风险包括两大部分，分别是GOA1系统安全风险和自动驾驶带来的开关车门、加减速处理等情况。开关车门要避免开错两侧车门、未在列车停稳后或适当时机开关门、未在站台合适位置开关门等情况。列车加减速过程应避免突然加速或减速，造成乘客受伤。

　　GOA3系统的主要特点是系统能够自动驾驶列车运行，驾驶室内不再需要驾驶员，但列车内仍需保留乘务人员，他们主要负责关闭车门和应对各种紧急情况。该系统的主要安全风险包括GOA2系统的全部风险，此外，还必须承担原本由驾驶员人工监控的几类风险，如列车颠覆时碰到障碍物，或异常情况下出现超速等问题。

　　GOA4系统已经取消了驾驶员和乘务人员，因此在面临GOA3系统需要面临的全部风险后，还必须要面临由原有驾驶员和乘务人员负责监控的风险，如错误关闭车门、列车内烟火检查、乘客跌落站台等情况。

　　目前来说GOA1和GOA2系统已经发展较为成熟并且成功应用于不同的运输线路，对于这两种系统出现的安全风险目前已经有较为完善、成熟的应对解决方案，后续将不再对这两种系统进行分析。GOA3和GOA4系统由于自动化程度高，分别引入了不同的新风险源。高铁和城市轨道交通自动化驾驶系统存在一些联系，同时也存在不同，在进行高铁自动化驾驶系统研究时，可以借鉴城市轨道交通自动化驾驶成熟的经验，在此基础上，针对高铁自动化驾驶系统特有的问题进行分析，找到有效的解决方法。

　　3 高铁自动化驾驶系统GOA3和GOA4系统问题解决策略

　　GOA3和GOA4自动化驾驶系统必须以代替驾驶员和乘务人员完成复杂外部环境的感知为前提进行新增功能的实现，但目前该技术发展未能支撑，因此，未来的发展方向应该为解决大量的状态感知和监测。

　　3.1 线路条件检测

　　高铁线路能够支撑一定的运行速度并且留有合理的设计裕量，列车信号系统根据线路设计的速度限制线路允许速度并以此监控列车行车安全。但是，在某些特殊的情况下可能会出现异常，即当列车按照信号系统给出的速度在合理范围内运行但仍然存在一定的风险，针对此类风险目前主要利用人工降速实现。如在暴风、暴雨雪等恶劣天气条件下，驾驶员会根据列车驾驶过程中的情况，采取措施保障列车运行安全。GOA3和GOA4自动驾驶系统取代了驾驶员和乘务人员，面对各种恶劣环境条件均需由系统自行控制。

　　3.2 障碍物检测

　　在我国，高铁运行路线错综复杂，形成密集的网络，在复杂的天气或运行时间过久等情况下，很可能出现地面与列车不吻合状况导致设备发生故障。目前，此类风险的解决主要依靠驾驶员进行判断并采取一定的措施，如确定故障路段区间内是否存在其他运行车辆，铁路道岔是否位置正确及需要调车或重新进行信号连接时，区域内是否存在其他列车。此外，在列车运行的环境中，很可能会有其他障碍物遮挡和入侵线路，对行车安全产生影响，如山体滑坡、泥石流、动物等，针对这种风险，目前主要解决措施是视频监控及障碍物监测技术监控，驾驶员采取如停车或鸣笛等措施解决。GOA3和GOA4自动驾驶系统取代了驾驶员和乘务人员，在障碍物判断方面要求有所提高。自动驾驶系统必须能够实现随时随地、各种天气条件、各种线路选择情况下，准确、及时、有效地监测障碍物并及时发出正确指令，解决风险问题。

　　3.3 人员检测

　　高铁在车站停靠，乘客上下车过程中，很可能出现乘客跌落站台的危险情况，并且在一些大站，上下车乘客较多，此时若仍然按照严格的列车发车运行时间开关车门很可能造成未上车乘客发生碰撞危险。此外，在铁路上工作的施工人员、铁路维护工作人员可能由于来不及离开而出现事故。针对这些风险，目前主要是由驾驶员和车站地面工作人员实时沟通解决。GOA3和GOA4自动驾驶系统取代了驾驶员和乘务人员，地面和列车人员的监测工作均由系统完成，并且由系统发出一系列指令。

　　4 结语

　　我国高铁自动化驾驶系统的发展位居世界前列，我国拥有前端的高铁自动化驾驶系统，引领世界各国铁路事业发展的方向。但我们应该清楚地认识到，高铁自动化驾驶系统代替驾驶员或乘务人员的前提必须是有效保证列车的行车安全。目前，自动驾驶系统仍然存在安全隐患，应该注重安全风险分析，利用更加完善的技术保障高铁运行安全。

　　参考文献

　　[1]江明.高速铁路自动驾驶系统安全风险分析及发展方向[J].铁路通信信号工程技术，2019,41(4):1-6.

　　[2]江明，王建敏.自主化CTCS-3级列控系统技术创新及装备研制[J].铁路通信信号工程技术，2018,15(4):1-4.

　　[3]罗松.CTCS2+ATO城际铁路列控系统总体技术研究[J].铁路通信信号工程技术，2015,12(3):1-5.

　　[4] 中国铁路总公司.TJ/DW202-2018高速铁路ATO系统暂行总体技术方案[S].北京:中国铁路总公司，2018.