[萝铁杂谈]谈谈地铁自动驾驶

疯狂的五笔

萝铁杂谈这号不错
确实是蓝鲸大萝卜味

Hongwei

涨知识了，谢谢分享

地铁建设

感谢楼主分享高质量的技术类文章，希望无人驾驶的七号线早日全线通车，为大蓝鲸地铁运行技术水平的提升，作出新贡献！

疯狂的五笔

outofmage 发表于 2022-10-29 09:39
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outofmage

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tom2002

好帖，学习了！

平衡才能持久

自动驾驶来了！

近两年，全国各地采用自动驾驶、无人驾驶的地铁建成通车的消息经常见诸媒体。南京市的第一条全自动驾驶地铁线路7号线，同时也是江苏省第一条GoA4级自动驾驶线路，也将开通。

大家都对地铁无人驾驶还比较陌生，不少人有各种各样的疑问，无人驾驶它真的无人吗，靠谱吗？为什么要用无人驾驶呢，让司机开车不好吗？GoA4级自动驾驶什么意思？这篇文章就稍微来讲一讲这些问题。

自动化的起步

说到城市轨道交通，必然要提日本，我国的城市轨道交通发展，就大量借鉴了日本的经验和教训。今天我想从著名的福知山线脱轨事故说起。

事故现场图，图源百度百科

2005年4月25日上午9时18分，一列JR西快速电车，在行驶到冢口站至尼崎站之间的一段限速70km/h的急弯道时，超速行驶至108km/h，车辆向外侧翻撞向线路旁边的公寓楼一楼的停车场，导致包括司机在内的107人死亡，562人受伤的严重事故。事故发生后在日本舆论引起巨大震动，最终认定事故原因为司机注意力被分散，弯道前过晚刹车，超速行驶引起的脱轨。

事故调查结果并没有平息众怒，如此低级的错误与日本铁路系统长期维持的严谨、高效的形象严重不符，日本铁路积累的弊病被毫不留情的指出与此事故相关。不过在本次事故后，也产生了一个积极的影响——日本各铁路公司开始加大决心，在通勤铁路线上大量布设新式的ATP(Automatic Train Protection)自动超速防护系统，以避免此类事故重现。

当列车经过ATP地面应答器时，会实时获取前方区间的最高限速，如果列车超过限速，系统会自动将列车刹停并告警。至今，日本再也没有出现过因列车超速导致的严重铁路事故。

要安全还是要效率？

实际上，福知山线脱轨事故背后还有更深层次的原因。新手司机业务不精，先是连续晚点，然后又在停站时大幅度冲过车站两节车厢，不得不倒回车站，导致大幅晚点1分30秒，在急迫中赶点而忽略了最基础的弯道限速，才导致事故发生。

日本通勤铁路十分发达，线路多，行车密集，效率高，客流量大。各铁路公司行车组织复杂，列车晚点影响大，按图准点运行的压力高。1分30秒的晚点看上去不多，实际会对乘客出行规划和线网总体运行造成很大影响。而且日本各家铁路公司互相竞争，对司机乘务的要求就非常严苛。事发当时年轻的司机已经晚点两次，如果再晚点一次，意味着被严厉的责骂，甚至开除，可见其承受的压力。司机在高压环境中工作，对铁路安全运行不利，如果不对乘务人员严加要求，又无法满足日本社会对铁路长期准时、高效运行的依赖。这起事故引出了一个深层次的矛盾：轨道交通安全与效率矛盾且对立。

说完全球模范日本铁路，还得提一下奇葩的印度铁路。印度铁路为了极限压榨运营效率，完全置安全于不顾。极低的安全系数还是会反噬效率，印度铁路由于事故高发，运行速度低，准点率低，每年因铁路死亡过万人。说明只顾效率不顾安全的做法只会鸡飞蛋打。

印度铁路奇景

21世纪，我国开始大批量新建城市轨道交通。对标全球审视自己，我们也面临着类似的矛盾，怎么办？安全和效率我们都要，此时我国兴建地铁的城市都不约而同的引入了列车自动驾驶ATO(Automatic Train Operation)技术。在自动驾驶模式下，司机只需要按下启动按钮，列车就会自动起步，并且在ATP的限速保护下到达下一个车站，自动对标停车，停稳后自动开门。ATO驾驶运行准时，停车对标准确，大幅降低了司机心理压力，不易晚点，超速赶点的情况就不存在了，安全与效率的矛盾迎刃而解。当前，ATO自动驾驶已经成为应用在我国地铁运营线路上的主流技术。

配备ATO系统的地铁车辆驾驶台

（北京地铁房山线）

自动化解放了司机

有了自动驾驶，司机也不是啥活都不干了。当司机从重复的起步加速，贴近限速，对标停站这一个枯燥的循环中解放出来后，就可以腾出精力关注其它安全方面的事情。

比如说，观察轨道和接触网上有没有异物，有没有人跌入轨道等等，如有异常，随时可以紧急停车。而且，他还有一个重要任务——车辆发车前观察确认屏蔽门关闭，且没有夹住物品或人。

屏蔽门大家不陌生了，实际上它是被后续引入的安全措施，老的1号线就没有加装屏蔽门。
刚开通时的1号线站台

南京地铁2010年在新开通的2号线和1号线南延线开始安装屏蔽门。一直到2011年2月17日和5月3日发生了两起人员落轨事故，造成一死一伤，尽管被目击者认定为自杀，连续两起落轨事故还是引起了大家的警觉，此后南京地铁决定在所有车站都安装屏蔽门，确保安全。

安装站台屏蔽门后，司机每站都必须在站台端头下车，关门后先通过显示器观察屏蔽门是否全部关闭，再确认屏蔽门是否有夹人夹物。如果是地下站，由于地下隧道光线昏暗，会在车尾最后一个屏蔽门内侧安装一个灯带，通过灯带遮挡判断间隙安全。

安装在屏蔽门间隙中的灯带（张府园站）

如果是客流较大的车站，或者鱼腹式车站，不容易一眼看到车尾，还需要通过站务或者端头的闭路电视辅助确认。

站台端头的闭路电显示器（鼓楼站）

而这一系列的动作，是需要时间的，而且是在关门以后。司机从确认屏蔽门关闭，再确认间隙无夹人夹物，然后上车关司机室侧门，再坐稳，确认信号，到最后按下ATO按钮发车，大约需要十几秒的时间。

地铁每站的平均停站时间只有约35-40秒，为了给司机操作留足时间，就必须提前关门，留给乘客上下车的时间不得不缩短到20-25秒。安全与效率的矛盾隐隐再现。

为了延长留给乘客上下车的时间窗口，可以把每站确认屏蔽门关闭，确认无夹人夹物，确认发车信号这样的重复性动作也交给自动化系统，这样司机就无需下车了，可以提高发车效率。这样的自动驾驶更高一级，叫做GoA3级自动驾驶；前文所描述的用ATO自动驾驶，但是人工确认屏蔽门的模式叫做GoA2级自动驾驶。

GoA2与GoA3停站时间分配

GoA3级自动驾驶就可以不需要配备驾驶员，而只是配备安全员处理紧急情况即可，这就开启了本轮城市轨道交通自动驾驶的升级潮。

自动驾驶分级

终于到了本文的重点——轨道交通自动驾驶等级分类。和汽车自动驾驶分L1～L5这五个级别类似，轨道交通自动驾驶分为四级，GoA1～GoA4，每一级对应的自动化程度更高。

各级自动驾驶的系统能力

轨道交通自动驾驶分级，是将运营所需的规范操作，逐步使用自动化系统替代人工操作的过程。人工操作一直存在，只是需要干预的事务越来越少，少到最终不需要在车上坐一名司机的程度。替代的过程大概是这样的：

• GoA1使用ATP系统代替人工进行超速监控，避免超速危险。
• GoA2使用ATO系统代替人工进行车辆起停运行，降低司机压力，提升运行准点率。
• GoA3使用屏蔽门传感器系统代替人工确认灯带和闭路电视，提高发车效率。车上没有司机，但是有安全员处理特殊情况。又被称为DTO(Driveless Train Operation)，无人驾驶。
• GoA4在车头配备机器视觉或毫米波雷达，配套模式识别软件，通过线路标定，自动识别轨行区异常并指挥车辆停车或限速。紧急情况发生后，由各级行调通过远程操控系统代替随车安全员进行现场特殊状况排除，车上不配备安全员。也被称为UTO(Unattended Train Opertaion)，无人值守自动驾驶。
• GoA3级和GoA4级自动驾驶由于都取消了司机，统称为FAO(Fully Automatic Operation)全自动驾驶。
  
  
  

可以看出，地铁安全的确保、效率的提升与自动驾驶级别是螺旋式上升发展的。

自动驾驶螺旋式发展

运营安全与运营效率始终矛盾，工程师们通过设计一套自动化系统来保证安全，并兼顾效率。新的自动化技术又带来了新的安全与效率的矛盾，再通过更高一级的自动化系统解决。如此往复，总体经历了：自动超速保护>>>自动驾驶>>>无人驾驶>>>无人值守驾驶四个阶段。

全自动驾驶就高枕无忧了？

看到这里，似乎轨道交通自动化是万能良药了？也不尽然，城市轨道交通高度自动化后，对设备可靠性提出了更高的要求。一般来说，机械和电器设备故障率在产品生命周期内大概呈现为澡盆曲线。

• 早期失效期：由于产品设计、批量生产和安装调式时遗留的缺陷在运行磨合期被发现，通过逐步维修和替换使得故障率快速下降。
• 偶然失效期：由于使用环境、设计缺陷、使用不当造成偶尔故障。此阶段故障率较低且平稳，占据生命周期绝大部分时间。
• 损耗失效期：由于设备磨损、老化和疲劳导致故障。此阶段故障率逐步抬升，一般预示着产品生命周期进入尾声。
  
  
  

因此，一般来说地铁高级别自动驾驶所需要试运行的时间较一般线路更长，充分验证其可靠性，渡过早期失效期。

实际运营过程中，设备处于偶然失效期，通过精心的维护和严格的考核保证设备故障率在设计范围内。

经过一定的运营年限，设备进入损耗失效期，如果可靠性不达标，可以切换至更低一级的驾驶模式，自动驾驶级别越高，可以降级的空间就越大。只要车辆还有供电，就能往前开——只是周转效率开始降低，以确保安全。

与另一个已经成熟的自动化系统——电梯类比。老式的电梯，其实是有“司机”的，由司机手动操作电梯的上升、下降开门等动作，被称作“信号控制电梯”。随着电梯自动化水平提高，电梯司机已被取代。现代电梯，就算配上“司机”，也不会提高其可靠性。一旦发生故障，电梯设备需要做的唯一重要的操作就是刹停，后续的处理仍然需要通过对讲系统对外求援，最终通过外部人工救援的方式完成。

轨道交通自动化也很类似，即使是GoA4级自动驾驶，一旦发生紧急情况，系统唯一需要做的便是准确感知，立即停车，同时地铁工作人员通过远程广播与对讲系统与乘客保持联系，行调通过远程系统处理。失去动力的列车只能疏散乘客，列车通过外部救援下线。

也就是说，所谓无人驾驶指的是日常一般运营时，车上没有驾驶员操作。实际上地铁运营背后有一个庞大的职工队伍，随时在为安全运营保驾护航。

地铁效益

这个职工队伍有多庞大呢，目前南京地铁约有各专业（含外包）15000名员工，随着线网的不断扩张，预计迟早有一天员工数将超过3万人，将是南京市员工数量最多的国有企业。庞大的人员规模与地铁的巨额亏损关系密切。地铁运营的主要成本，是能耗和人员工资。近些年来，电费单价没有上涨，工资不断持续上涨，员工工资与能耗成本比例已经从十几年前的5:5，提升至6:4，逐步到达7:3，未来还会更高。

即将开通的7号线建设时按照GoA4级自动驾驶设计和验收，再根据新线路的技术条件，进行组织架构调整，人员能力提升，可以实现“一人多职能”。简而言之就是原先3-4个人干完的活现在2-3人就能干完，从而压缩人员编制，人员配比将从全集团平均38人/公里降低到32-33人/公里。由于组织架构与现有运营体系不匹配，7号线成立独立运营公司。

南京地铁七号线分公司LOGO

（图源智慧七号线公众号）

7号线尽管压缩了编制，在运营初期，车次间隔大，上线列车数量少，安全员数量可控，如果运营期间十率不达标，可以降级为GoA3级自动驾驶，每列车配备安全员，由人工处理特殊情况。未来可以根据实际情况，调升或调降自动驾驶等级。届时，乘客将能从车头直接看到列车前方的运行状况。

随时可降级运行的GoA4级自动驾驶列车

（深圳地铁20号线试运行期间）

成都地铁9号线（GoA4级）正在降级驾驶

图源B站Up主小原铁道财团

安全的最终保障

南京地铁已运营17年，累计运送了接近100亿人次的乘客，期间仅死亡一人，安全性高达99.99999999%，毫不夸张的说，比走路都安全。

这么高的安全性，长期保持十分不易，实际上南京地铁的安全不仅有自动化的加持，更离不开背后的一项制度——员工安全奖。只要全线没有出现安全事故，全线员工即可稳定拿到占工资比例可观的安全奖；反之，如果出现伤亡事故，全线安全奖都会泡汤。

这项制度不可谓不重要，它从利益层面调动了员工通过互相协作保证安全的积极性，但也有人诟病其为“连坐制度”。

不过我认为，长期安全运营是每一位市民的自觉遵守乘车秩序才得来的，无论是乘客还是地铁员工——都是市民的一员。安全的根源来自于秩序，自动化只是把这些约定俗成的秩序程序化，电气化了。正因如此，我相信南京地铁优秀的安全记录，还将长期继续保持。

尾声

城市轨道交通全自动驾驶并不是异想天开，也不是一蹴而就。它是建立在轨道交通百年发展经验的坚石之上的，恰逢中国工业体系走向智能化、自动化的历史潮流，才逐步成为现实。除了7号线，未来南京地铁还会有更多的线路使用高级别自动驾驶，空荡荡的驾驶室，咱们很快就能见识见识啦！

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