基于RFID、WIFI、GPS和紅外監(jiān)控技術(shù)的城市有軌電車安全保障系統(tǒng)

沈海峰，胡長輝，葉一彪，虞小鵬，吳良軍

(1.杭州禾利科技有限公司，浙江杭州 310052;2.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)，上海 200070;3.浙江大學(xué)VLSI研究所，浙江杭州 310027)

1 概述

有軌電車以其投資小，建設(shè)周期短，運(yùn)量適中，項目審批簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為受廣大二三線城市青睞的新型軌道交通模式。有軌電車和地鐵最大的區(qū)別在于它和城市車輛及行人有混行路段，這里的安全控制技術(shù)無法從地鐵得到借鑒。其次國內(nèi)有軌電車目前基本是在開發(fā)區(qū)、高新區(qū)、城郊結(jié)合部以及主副城之間運(yùn)行，出現(xiàn)混行路段的概率非常大。國外基本還是通過駕駛員目測駕駛，并結(jié)合市民出行的高素質(zhì)來保障安全行駛，但國內(nèi)在高峰時段路口的人流是國外的專家不能想象的，如果沒有輔助的技術(shù)手段，安全隱患始終存在。

基于此背景，我們自行開發(fā)了城市有軌電車安全保障系統(tǒng)［1］，國內(nèi)目前其他同類的研究還有南京14所的障礙物檢測系統(tǒng)(采用雷達(dá)掃描技術(shù))(廣州地鐵集團(tuán)海珠線項目招投標(biāo)技術(shù)要求及中標(biāo)文件)。已開建的項目如廣州地鐵海珠線要求投標(biāo)方須具備障礙物檢測的技術(shù)作為中標(biāo)前提條件。由此可見，城市有軌電車安全保障系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

2 研究目標(biāo)和范圍

本研究著重解決有軌電車，社會車輛，行人混行區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)安全控制的課題，研究范圍涉及正線，路口，岔口和司機(jī)目測盲區(qū)。研究目的是為了通過研究來確定采用何種技術(shù)，何種方法來保證混行段的安全控制。

3 研究依據(jù)

整個研究工作嚴(yán)格遵循下列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):

·BO Strab德國有軌電車建設(shè)營運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)

德國政府關(guān)于電車系統(tǒng)的建造和操作條例，該條例和公布的相關(guān)VDV指導(dǎo)文件是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)文件，其中包括OCC中采用的功能和信號系統(tǒng)。

·VDV 331德國交通協(xié)會條例

根據(jù)BO Strab文件中的內(nèi)容，提出關(guān)于信號系統(tǒng)和列車安全安裝的整體安全要求

·TR SIG RZA信號系統(tǒng)安裝調(diào)試規(guī)定

符合BO Strab要求，關(guān)于信號系統(tǒng)安裝和列車保護(hù)設(shè)備的批準(zhǔn)和驗(yàn)收

·EN 50124-1鐵路項目－絕緣配合－第一部分:基本要求－所有電氣和電子設(shè)備的電氣間隙和爬電距離

·EN 50122-1鐵路項目－固定安裝－第一部分:關(guān)于電氣安全和接地的保護(hù)性條例

·EN 60439-1低壓開關(guān)和控制開關(guān)的組合件－第一部分:部分型式測試和部分型式測試的組合件

·EN 50121-4鐵路項目－電磁兼容性－第四部分:信號和通訊設(shè)備的排放和干擾

·DIN VDE 0831電氣軌道信號的安裝

·2006/95/EC關(guān)于低壓的指導(dǎo)文件

圖1 有軌電車安全保障系統(tǒng)框架圖

·89/336/EEC或2004/108/EC關(guān)于電磁兼容性的指導(dǎo)文件

4 方案確定

本方案采用道口信號子系統(tǒng)，司機(jī)減壓系統(tǒng)和緊急狀態(tài)保障系統(tǒng)(見圖1)。它是一套在有軌電車和其他公交工具混行并且行人突然橫穿馬路的情況下都能保證行駛安全的保障系統(tǒng)，特別是在人流密集的十字路口系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過路旁的信標(biāo)和車載的讀寫器，車載智能天線通過路由器和控制中心的服務(wù)器相連，紅外發(fā)射器和軌旁接受器的檢測，包括在十字路口(平叉道口)設(shè)置基于Wifi的紅外收發(fā)儀，以及前四者和軌旁控制箱的連接，從而實(shí)現(xiàn)在任何情況下有軌電車都能確保安全行使，避免重大安全事故的發(fā)生。

4.1 道口(路口)信號子系統(tǒng)

道口(路口)前方200 m設(shè)置一個信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)，車輛到達(dá)時通知道口設(shè)備，并采集信息。道口(路口)前方在100 m處再埋一個信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)，把采集到的信息通過信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)和車輛上的讀寫器互動，通知駕駛員車輛要進(jìn)入平叉道口，注意路面情況。平叉道口設(shè)置紅外發(fā)射和接收儀，以檢測是否有人(人群)正占用此空間，紅外監(jiān)測儀通過線纜和軌旁控制箱連接，經(jīng)單片機(jī)分析后通過智能天線把路況信號傳回駕駛室(見圖2)。

道口設(shè)置紅外監(jiān)測儀，并同時設(shè)置兩面液晶顯示牌和兩個警示燈。只要有人在道口區(qū)域內(nèi)，就通過線纜通知信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)被占用信息。當(dāng)車輛壓在100 m信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)上時，液晶顯示牌就通知路人，車輛到達(dá)，禁止通行。當(dāng)還有人穿越時，警示燈亮起，警告司機(jī)，減速慢行。

圖2 平叉道口示意圖

4.1.1 設(shè)備優(yōu)選

信標(biāo)還包括無源電子標(biāo)簽，車載讀寫器。

軌旁控制箱還包括控制主機(jī)，接線端，隔離變壓器，IFC卡，信號解碼器。

紅外遙控接收系統(tǒng)還包括發(fā)射器，接收器，植入編碼。

智能天線還包括天線，GPS網(wǎng)絡(luò)，路由器，軟件和顯示屏。

車載設(shè)備還包括信息顯示屏。

4.1.2 電車接近長度計算公式［2］

道口信標(biāo)機(jī)感應(yīng)環(huán)位置的確定需要根據(jù)以下公式確定:

(1)電車接近通知時間計算公式(見圖3)

式中:T——電車接近通知時間;

t1——為道路車輛以規(guī)定最低速度通過道口(在電車接近通知開始，保證使已經(jīng)闖入道口的車輛能完全出清道口)的時間，s;

t2——道口燈閃及顯示牌顯示時間，以10 s計;

t3——道口燈閃及顯示牌顯示后至電車到達(dá)道口的時間，以10 s計。

式中:l1——兩道口信號機(jī)之間或兩停止線間的距離(多架信號機(jī)時，以遠(yuǎn)端計算)，m;

l2——道路車輛確認(rèn)信號顯示的最小距離，以5 m計;l3——道路車體長度，m;機(jī)動車車體長度取16 m;牛，馬車車體長度取7 m;

v——非機(jī)動車輛通過道口的規(guī)定最低速度，以5 km/h計算;

機(jī)動車通過道口的規(guī)定最低速度，以10 km/h計算。

注:當(dāng)?shù)缆贩矫嫘旭倷C(jī)動車和非機(jī)動車時，應(yīng)按非機(jī)動車通過道口時的最低速度計算。

(2)接近區(qū)段長度計算公式［2］

式中:L——接近區(qū)段長度，m;

v——列車在接近區(qū)段內(nèi)運(yùn)行的最高速度，km/h;

T——列車接近通知時間，s。

圖3 平叉道口圖

4.2 司機(jī)減壓系統(tǒng)

司機(jī)減壓系統(tǒng)［2］是在正常視力可見度范圍內(nèi)，在拐彎處，上下坡地段，事故多發(fā)地段，行人密集地段設(shè)置警示燈，液晶顯示牌，地段前面50 m設(shè)置信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)，當(dāng)車輛壓到信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)時，通知警示燈閃爍，顯示牌提示行人“車輛靠近，行人迅速離開”。

地段前面設(shè)置信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)，可以參照道口信號子系統(tǒng)的接近區(qū)段的長度來進(jìn)行計算。

設(shè)備優(yōu)選

信標(biāo)還包括無源電子標(biāo)簽。

軌旁控制箱還包括控制主機(jī)，接線端，隔離變壓器，IFC卡，信號解碼器。

智能天線還包括天線，GPS網(wǎng)絡(luò)，路由器，軟件和顯示頻。

路面上包含信息顯示屏及警示燈閃爍。

4.3 緊急狀態(tài)保障系統(tǒng)

緊急狀態(tài)保障系統(tǒng)［2］是在惡劣天氣狀態(tài)下，司機(jī)視力可見度小于10 m，則啟動緊急保障系統(tǒng)(平時處于休眠狀態(tài))。每隔300 m設(shè)置一組紅外線發(fā)射接受設(shè)備，通過線纜和軌旁控制箱相連，并通過智能天線和車載控制面板相連，發(fā)射兩種信號:“占用—清空”，對司機(jī)只起提醒作用。

4.4 技術(shù)路線

有軌電車保障系統(tǒng)，包括信標(biāo)、信標(biāo)讀寫器、第一無線通信模塊、路由器、中心服務(wù)器、紅外發(fā)射器、紅外接收器和第二無線通信模塊。

4.4.1 路線簡介

信標(biāo)有若干個，信標(biāo)設(shè)置在軌道旁。信標(biāo)讀寫器設(shè)置在電車前部下方，與第一無線通信模塊;路由器和中心服務(wù)器設(shè)置在控制中心，中心服務(wù)器與路由器連接;紅外發(fā)射器設(shè)置在電車頭部;紅外接收器設(shè)置在軌道旁，與第二無線通信模塊連接。第一無線通信模塊、第二無線通信模塊和路由器都連接到無線網(wǎng)絡(luò)。

信標(biāo)每隔一段距離設(shè)置在軌道旁，每個無源信標(biāo)中存儲有自身設(shè)置位置的信息。信標(biāo)讀寫器可以讀取5～20 m距離內(nèi)的無源信標(biāo)中存儲的信息。電車開動時，信標(biāo)讀寫器不斷刷新讀取到的信息，并將讀取到的信息依次通過第一無線通信模塊、無線網(wǎng)絡(luò)和路由器發(fā)送到中心服務(wù)器，控制中心的工作人員可以在中心服務(wù)器上看到電車所處的位置，當(dāng)電車靠近十字路口、平岔道口或人流密集區(qū)時，控制中心的工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況對電車司機(jī)進(jìn)行提醒。

紅外接收器每隔一段距離設(shè)置在軌道旁。紅外發(fā)射器發(fā)出的紅外線被紅外接收器接收。紅外接收器接收到紅外線以后，連同自身位置信息一起通過第二無線通信模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)，被第一無線模塊和路由器接收。同時第二無線接收模塊還通過第一無線通信模塊發(fā)出的信標(biāo)讀寫器讀取到的信息來判斷是否應(yīng)該接收到紅外線。

4.4.2 技術(shù)處理

如果有人在紅外探測范圍內(nèi)進(jìn)入軌道間，則紅外線會被隔斷一段時間。紅外接收器發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)接收到紅外線的期間內(nèi)持續(xù)一定時間沒有接收到紅外線則判定有人侵入限界，然后將報警信息通過第二無線通信模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)。第一無線通信模塊接收到報警信息以后通過電車上安裝的顯示屏、揚(yáng)聲器等設(shè)備向電車司機(jī)通報。同時控制中心的工作人員可以從中心服務(wù)器上得知是否有人侵入限界，在需要的情況下提醒司機(jī)注意駕駛安全。紅外發(fā)射器發(fā)出的紅外線傳輸距離為300 m以上，有軌電車在70 km/h(接近路口或者人流密集區(qū)會遠(yuǎn)小于這個速度)的速度下剎車需要180 m左右(據(jù)電車接近長度計算公式)，足夠司機(jī)作出適當(dāng)?shù)目刂撇僮鳌?/p>

軌道通過平叉道口或人流密集區(qū)等需要中間監(jiān)控的位置都設(shè)置有紅外收發(fā)器，負(fù)責(zé)檢測是否有人進(jìn)入軌道間。當(dāng)電車靠近紅外傳感器檢測區(qū)域時(通過第一無線通信模塊發(fā)出的信號判斷是否靠近)，紅外傳感器開始工作，通過第二無線通信模塊發(fā)送檢測結(jié)果到無線網(wǎng)絡(luò)，被第一無線通信模塊和路由器所接收，幫助電車司機(jī)和控制中心工作人員進(jìn)行控制管理。

4.4.3 技術(shù)效應(yīng)

信標(biāo)為RFID芯片，信標(biāo)讀取器為RFID讀卡器。

第一無線通信模塊和第二無線通信模塊都包括GPRS單元和WIFI單元。GPRS單元用于同路由器的連接，WIFI單元用于第一無線通信模塊和第二無線通信模塊之間的連接。

城市有軌電車保障系統(tǒng)還包括若干個感應(yīng)環(huán)，感應(yīng)環(huán)設(shè)置在軌道間的地面上且靠近安裝有紅外傳感器的區(qū)域，感應(yīng)環(huán)與紅外傳感器連接。電車靠近紅外傳感器的監(jiān)控區(qū)域時，感應(yīng)環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)信號并發(fā)送給紅外傳感器，紅外傳感器將檢測結(jié)果通過第二無線通信模塊進(jìn)行發(fā)送。通過感應(yīng)環(huán)可以更為精確地確定電車的位置。

城市有軌電車保障系統(tǒng)還包括軌旁控制箱，紅外接收器都通過軌旁控制箱與第二無線通信模塊連接，軌旁控制箱還與路口的紅綠燈控制箱連接。軌旁控制箱對各方信號進(jìn)行處理并對連接的各模塊進(jìn)行控制，在必要時還可以控制紅綠燈，對交通進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

4.4.4 邏輯架構(gòu)

第一層面:能見度檢測:低于15 m，則全線激活啟動;高于15 m，則部分激活啟動(這里的部分指上下坡，拐彎處，路口和岔口)。全線激活失敗，則控制中心出現(xiàn)警告信息，駕駛室操作界面閃現(xiàn)紅燈;部分激活失敗，自動進(jìn)入第三層面。

第二層面:系統(tǒng)設(shè)備是否全部正常營運(yùn):如果是，則控制中心和駕駛室操作界面一切正常，如果不是，自動進(jìn)入第三層面。

第三層面:系統(tǒng)設(shè)備部分故障，分下列情況:

(1)信標(biāo)或感應(yīng)環(huán)出現(xiàn)故障，其它正常(故障檢測通過故障檢測儀，是否有感應(yīng))。通過線纜通知控制器，控制器通過智能天線通知駕駛室和控制中心。這種情況下，駕駛員必須立即緊急減速至15 km/h以下。

(2)紅外檢測發(fā)射儀出現(xiàn)故障，其他正常(故障檢測通過紅外發(fā)射接收儀，是否發(fā)射及是否被接受)。通過線纜通知控制器，控制器通過智能天線通知駕駛室和控制中心。這種情況下，駕駛員必須根據(jù)目測情況自行決定是否采取減速手段或保持原速度．

(3)路口或岔口警示設(shè)備出現(xiàn)故障(故障檢測通過功能傳感儀，是否工作)。通過線纜通知控制器，控制器通過智能天線通知駕駛室和控制中心。這種情況下，駕駛員必須立即緊急減速至15 km/h以下。

(4)如果上述任兩種或以上故障疊加發(fā)生，則駕駛員必須緊急減速至15 km/h以下。

第四層面:故障排除，功能復(fù)位后，通過故障檢測儀通知控制器，控制器通過智能天線通知駕駛室和控制中心，則回到第一層面。

5 應(yīng)用前景

安全行駛系統(tǒng)明確知道是否有人正穿越軌道和十字路口的行人占道情況，結(jié)合全程行車監(jiān)控系統(tǒng)，控制中心或調(diào)度中心人員可以及時通知駕駛員調(diào)整駕駛模式，而駕駛員根據(jù)前方傳來的提醒信號和調(diào)度的提醒，作出正確的判斷。特別在十字路口(平岔道口)可以真正實(shí)現(xiàn)軌道先行，部分先行和常規(guī)信號三種模式。

本方案帶來的有益效果是，可以通過全程監(jiān)控系統(tǒng)確定車輛每時每刻的具體位置，可以通過安全行車系統(tǒng)確定車輛前方是否存在安全隱患，極大方便了調(diào)度和監(jiān)控人員對即時情況的了解和指令下達(dá)。同時司機(jī)只收到前方安全隱患的提醒信號和調(diào)度/控制中心的提醒指令，可以作出自己的判斷。本系統(tǒng)并不設(shè)置自動剎車等自動駕駛功能，以區(qū)別有軌電車和地鐵的不同，最大限度保留原汁原味的有軌電車特點(diǎn)——駕駛員目測駕駛。

目前全國已規(guī)劃的有軌電車建設(shè)里程在2 500 km左右。根據(jù)已建成和正在建設(shè)的項目來看，專用路權(quán)和混行路權(quán)各占一半，全國約有1 250 km需要本系統(tǒng)或類似的系統(tǒng)來保駕護(hù)航。由此帶來廣闊的應(yīng)用前景。

［1］沈海峰．城市有軌電車安全保障系統(tǒng):中國，CN 203126891U［P］．2013 －08 －14．

［2］GB10494—1989，鐵路區(qū)間道口信號設(shè)備技術(shù)條件［S］．