有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)研究

■ 何杜明 王長庚 翟成龍 張超

目前有軌電車在我國處于起步階段，有軌電車的運營管理大多沿用城市軌道交通運營模式，有軌電車與鐵路、城際鐵路和城市軌道交通相比，無論是運行速度、路權形式、運行控制模式，還是在供電系統(tǒng)、車站管理、售檢票模式等方面都存在較大區(qū)別。參照廣州市“十三五”軌道交通應急體系項目——軌道交通監(jiān)測預警及交通運輸保障項目立項范圍，依據(jù)當前有軌電車運營體系需求，進行有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)項目研究開發(fā)[1-2]。

1 設計原則及思路

有軌電車在非完全封閉環(huán)境下運行，存在與社會交通共享路權的平交道口，無法采用軌道交通信號系統(tǒng)的閉塞控制，由司機目視人工駕駛車輛，司機根據(jù)列車速度和經(jīng)驗判斷保持與前車的距離，通過對有軌電車運行環(huán)境及模式充分的調研，確定以下應遵循的設計原則：一是應對司機精神狀態(tài)和作業(yè)規(guī)范進行有效監(jiān)督和管理；二是應對有軌電車車輛設備運行狀態(tài)實時有效監(jiān)測，車輛設備異常時能提前告警。

有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）主要設計思路包括：遵循故障-安全原則，采用嵌入式計算機架構體系、軟件處理機制具有故障-安全措施，關鍵電路和器件的選用具有固有安全特性，同時增強設備的故障自診斷能力，完善故障-安全處理機制。

2 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)主要由主機單元、擴展單元、采集單元、人機界面單元等組成；配套地面軟件主要由有軌電車線路數(shù)據(jù)編制軟件、有軌電車車機聯(lián)控綜合分析軟件、有軌電車調度命令軟件等構成。系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)主機單元作為系統(tǒng)控制核心，通過接收信號系統(tǒng)信息、車載設備狀態(tài)信息、司機精神狀態(tài)及作業(yè)手勢語信息、人機交互指令信息等，能夠監(jiān)測列車運行狀態(tài)，結合車載數(shù)據(jù)，當列車超過線路限速值時進行提醒，實施列車運行防護，能夠指導司機優(yōu)化駕駛降低能耗和減少輪軌異常磨耗；能夠對司機精神狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不佳時自動提醒，對司機行車手勢語的合規(guī)性進行分析，發(fā)現(xiàn)司機手勢語動作不合規(guī)時自動提醒，為司乘管理提供數(shù)據(jù)支撐[3-5]。

擴展單元集成系統(tǒng)外圍擴展功能，包括調度指令管理及車地語音通話功能，擴展單元對外圍設備進行統(tǒng)一規(guī)劃整合，提升了系統(tǒng)設備的集成度，節(jié)省安裝空間，便于管理和維護。

人機界面單元通過網(wǎng)絡總線與主機單元通信，以圖形化方式直觀顯示車輛實時運行信息、機車狀態(tài)信息和告警提示信息等。

采集單元負責采集司機行車時的精神狀態(tài)及行車作業(yè)手勢語，將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機單元進行綜合分析。

3 系統(tǒng)功能應用

系統(tǒng)安裝在有軌電車駕駛室內(nèi)，包括系統(tǒng)主機及顯示器單元（見圖2、圖3）。

3.1 司機身份識別

為了實現(xiàn)司機行車監(jiān)測及駕駛情況綜合分析，系統(tǒng)必須先獲取每個車次號的值班司機身份。傳統(tǒng)司機身份識別方式是通過紙質或圖表文件進行錄入對比，不可避免會受到司機換班、調休等因素影響。系統(tǒng)通過對人臉識別系統(tǒng)進行研究，實現(xiàn)了自動識別值班司機身份。在車輛駕駛室安裝人臉識別攝像頭，值班司機行車時自動進行人臉圖像獲取，并與已知圖像集中的司機人臉圖像進行比較分析，自動判別出當前值班司機身份。

3.2 司機輔助駕駛

3.2.1 司機精神狀態(tài)監(jiān)測

對司機疲勞駕駛狀態(tài)進行視頻監(jiān)測、在線分析，當發(fā)現(xiàn)駕駛員出現(xiàn)盹睡、旁視等精力分散時，及時通過人機交互單元進行語音警示，提醒司機正常駕駛。并通過車-地無線通信系統(tǒng)及時將警示信息及視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到地面管理系統(tǒng)。通過車機聯(lián)控綜合分析地面軟件系統(tǒng)進行回放分析，作為司機綜合考核管理的參考依據(jù)。

3.2.2 司機標準作業(yè)手勢語監(jiān)測

有軌電車司機在正線行車途中，途徑站臺停車、發(fā)車、信號機進路標識、人行過軌及平交路口時需執(zhí)行標準作業(yè)手勢語，以保障前方行進路車安全。系統(tǒng)將有軌電車線路數(shù)據(jù)編制軟件所編制的線路作業(yè)手勢語數(shù)據(jù)植入主機單元中，在通過上述場景時自動獲取司機執(zhí)行標準作業(yè)手勢語圖像數(shù)據(jù)，并對司機標準化手勢語操作情況進行分析和記錄，發(fā)現(xiàn)司機手勢語執(zhí)行異常時通過人機交互單元進行語言警示，提醒司機正常駕駛。并通過車-地無線通信系統(tǒng)及時將警示信息及視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到地面管理系統(tǒng)。通過車機聯(lián)控綜合分析地面軟件系統(tǒng)進行回放分析，作為司機綜合考核管理的參考依據(jù)。

3.2.3 列車行車安全防護

依據(jù)車載基礎數(shù)據(jù)中線路允許速度確定出各級限速值，列車在行車過程中或當列車運行至道岔位置，在列車速度超過安全行車允許速度時，通過人機交互單元輸出超速告警提示，系統(tǒng)向司機發(fā)送解除牽引力指令，由司機實施常用制動、緊急制動，控制列車減速或停車。

根據(jù)實時接收到的線路上運行列車的位置信息，對列車間的間隔距離進行計算，并向各列車發(fā)布其與前車距離信息，車載主機單元依據(jù)收到的前車距離信息，當與前車距離超過安全距離時，車載主機通過人機交互單元對司機進行列車防追尾告警提示。

圖2 系統(tǒng)主機安裝

圖3 系統(tǒng)顯示器安裝

通過對有軌電車司機精神狀態(tài)及標準作業(yè)手勢語監(jiān)測、列車行車安全防護的研究，實現(xiàn)了司機行車全過程監(jiān)測及警示，改變了有軌電車傳統(tǒng)的乘務管理人員定期跟車監(jiān)控模式，司機行車過程管控真正實現(xiàn)了由“人控”轉變?yōu)椤皺C控”。

3.3 車輛運行狀態(tài)監(jiān)測

車載主機單元實時采集車輛控制單元（VCU）信息，監(jiān)測車輛設備狀態(tài)，記錄列車運行事件和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集項目包括：牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、走行部等。通過車-地無線通信系統(tǒng)將車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到地面管理系統(tǒng)，通過管理系統(tǒng)對車輛重點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)車輛或車載設備出現(xiàn)故障信息后及時對司機進行提醒，并向調度及運營管理人員發(fā)送告警信息，由調度人員通過地面調度管理軟件發(fā)送相應調度指令，指導司機進行行車操作，保障有軌電車行車安全。

車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到地面軟件系統(tǒng)后，通過建立專家數(shù)據(jù)庫，由車機聯(lián)控綜合分析軟件對運行信息進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，指導司機在不同場景下的運行操作，提高司機駕駛平穩(wěn)度和車輛運行效率，起到節(jié)能降耗的目的。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新點及運用情況

目前，系統(tǒng)已在廣州有軌電車有限責任公司試運行，具有如下創(chuàng)新點：

（1）系統(tǒng)關鍵部件采用雙套冗余技術設計，故障時可切換至備機；板件采用高集成度、高等級器件，從根本上提高了可靠性；系統(tǒng)各插件采用標準熱插拔設計，最大限度避免了插拔插件造成的電氣損傷。

（2）采用智能化信息采集及故障自診斷技術，設備檢測與維護更加自動化、智能化。

（3）采用線路數(shù)據(jù)及圖形化的數(shù)據(jù)編制方法，適應不同城市線路環(huán)境應用。

有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)目前在廣州海珠有軌電車線路進行試用，試用期間有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)設備運行穩(wěn)定、功能表現(xiàn)良好，系統(tǒng)提供了豐富的界面信息和準確的司機行車輔助提醒，提高了司機對有軌電車的精準操縱，也為有軌電車運營管理提供了可靠工具和安全保障。

5 結束語

有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)作為有軌電車運營管理的重要組成部分，可對司機行車操作進行優(yōu)化指導，降低司機勞動強度，實現(xiàn)平穩(wěn)駕駛，提高車輛運行效率，降低運行能耗；對司機駕駛行為和精神狀態(tài)監(jiān)控管理，促進司機作業(yè)標準化與合規(guī)性，提升運營安全；采集車輛運行及車載設備狀態(tài)數(shù)據(jù)并分析，為運營管理優(yōu)化提供參考依據(jù)。

[1] 趙鵬林，劉永平，張寧，等．現(xiàn)代有軌電車體系的思考與實踐[J]．鐵路技術創(chuàng)新，2016(4)：11-15．

[2] 康洪軍，黃振暉，張玉琢，等．有軌電車ATS系統(tǒng)人機交互界面設計[J]．中國鐵路，2015(1)：79-83．

[3] 吳勝權，黃振暉，曹源．有軌電車路權配置與信號系統(tǒng)選擇[J]．中國鐵路，2014(8)：97-99．

[4] 王艷榮，杲曉鋒，張建華，等．基于VlSVAP的有軌電車信號優(yōu)先控制仿真[J]．中國鐵路，2017(1)：78-81．

[5] 武娟．基于現(xiàn)代有軌電車的“一體化”公交系統(tǒng)[J]．鐵路技術創(chuàng)新，2017(3)：58-61．