俄羅斯Luzhskaya編組站無人駕駛 調(diào)車機車操作技術(shù)與原理

如今，所有運輸領(lǐng)域都在積極發(fā)展無人駕駛技術(shù)。人類在無人機方面已經(jīng)取得了巨大的進步，目前正在努力制造無人駕駛汽車。制造無人駕駛列車更為復(fù)雜，這與列車制動距離大以及要求車載傳感器在合理范圍內(nèi)識別障礙物2個方面有關(guān)。本文將介紹俄羅斯Luzhskaya編組站中無人駕駛調(diào)車機車的操作技術(shù)與原理。

1 俄羅斯調(diào)車機車自動控制技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)末，在軌距為1520 mm的俄羅斯鐵路上出現(xiàn)了第一批裝有無人駕駛技術(shù)系統(tǒng)的調(diào)車機車。這些系統(tǒng)由列車站中違反交通安全規(guī)定的行車行為所催生，其中大多數(shù)違規(guī)行車都出現(xiàn)在調(diào)車期間。最常見且最危險的鐵路車站違規(guī)行車是：盡管有停車信號，列車卻仍然通過。通過分析可知，主要有以下因素導(dǎo)致了此類違規(guī)行為的發(fā)生。

（1）機車司機未注意到交通指示信號，或不遵守信號規(guī)則 —— 54%;

（2）對信號指示的錯誤認(rèn)知，也就是司機將允許其他車輛通過的信號誤認(rèn)為是對自己發(fā)出的信號指示 —— 9%;

（3）機車司機、調(diào)度員和列車編組員的行為缺乏協(xié)調(diào) —— 9%;

（4）列車超速 —— 6%;

（5）延遲啟動制動程序 —— 5%。

為了減少人為因素對車站交通安全的影響，俄羅斯鐵路公司在20世紀(jì)90年代便開始使用調(diào)車機車遠程控制系統(tǒng)（MALS）以及駝峰信號自動化系統(tǒng)（GALS）。其目的在于提高車站交通（包括調(diào)車作業(yè)）的安全性，確保員工的安全和健康，加快作業(yè)進程，改善對調(diào)車活動的控制，提高調(diào)車機車的作業(yè)效率，以及創(chuàng)建可以優(yōu)化車站控制過程的信息平臺。這些系統(tǒng)利用連接著全電集中聯(lián)鎖裝置的鐵路設(shè)施數(shù)字無線電信道對調(diào)車機車進行控制，從而實現(xiàn)了上述目標(biāo)。此外，通過這些系統(tǒng)，還能控制調(diào)度員和機車司機的行為。

通過控制機車（牽引和制動），可以自動調(diào)節(jié)機車或車列在停車信號裝置前的速度和運動狀態(tài)，并且禁止調(diào)車機車超速運行。

在駝峰上推送和溜放車列時，GALS系統(tǒng)還能夠遠程控制調(diào)車機車的速度，實現(xiàn)了以可變的速度（最高0.5km/h）和一致的精度推送和溜放車列，從而最大限度地縮短了調(diào)車時間。

后來，通過使用衛(wèi)星導(dǎo)航和各種頻率范圍的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，以及引入調(diào)車機車動力裝置的各種操作模式，使這些系統(tǒng)得以統(tǒng)一，其功能也得以擴展。第1臺具有無人駕駛控制裝置的調(diào)車機車于2007年在Krasnoyarsk-Wostochnyi車站的駝峰上投入使用。在此機車上，司機無須參與列車的操作和控制。

2 Luzhskaya編組站的技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)

支持調(diào)車機車自動控制模式的技術(shù)裝置包括靜止設(shè)備和車輛設(shè)備2部分。

靜止設(shè)備包括以下組件：①全電集中聯(lián)鎖裝置（ESTW）的微處理器系統(tǒng) EZ-EM，包含調(diào)度員操作站，由Radioavionika OAO公司生產(chǎn)，用于進路線群中;②駝峰自動電氣集中裝置，型號為MSR32，包含駝峰作業(yè)員的MSR32自動化操作站，由西門子公司生產(chǎn)，其中還包括進路線群中的信息發(fā)送和接收裝置（應(yīng)答器），用于在推送和溜放車列時自動控制機車; ③MALS的固定裝置（俄語縮寫“SDU-ML”），包含帶調(diào)度員操作站和駝峰作業(yè)員操作站的MALS控制計算機，其中，MALS的調(diào)度員操作站發(fā)揮著主導(dǎo)作用，調(diào)度員可以將機車控制命令（如機車控制接管、行車許可、機車停止等）輸入其中。

調(diào)車機車TEM7A的車輛設(shè)備由以下部件組成：①調(diào)車機車自動控制系統(tǒng)（俄語縮寫“SAU-GL”）;②MALS的車輛設(shè)備;③MSR32的車輛設(shè)備;④速度、油位和位置電子控制系統(tǒng);⑤數(shù)據(jù)通信中心 KPD-3PV。

目前，無人駕駛機車在進路線群中的基本任務(wù)如下：①移動到指定進路的車列處，并與之相連;②在駝峰上推送和溜放車列。第1個操作以EZ-EM傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為基礎(chǔ)。而推送和溜放車列則依據(jù)MSR32系統(tǒng)集中裝置的數(shù)據(jù);對機車的直接控制由SAU-GL來完成。

引導(dǎo)調(diào)車機車移動并與車列連接，由ESTW調(diào)度員使用MALS的改進操作站來完成，該操作站中還會顯示調(diào)車機車的位置。

推送和溜放車列是在MSR32系統(tǒng)的控制下進行。通過執(zhí)行駝峰主控制器的命令，向機車發(fā)出的命令（如開始移動、改變推送速度、停止）會自動執(zhí)行。由于使用了多個基于不同信息和算法的控制系統(tǒng)以及2個操作員（調(diào)度員和駝峰作業(yè)員），因此需要明確界定交互作業(yè)的順序以及限定控制區(qū)域。交互作業(yè)的示例如下：駝峰作業(yè)員通過MSR32和EZ-EM之間的1個安全接口向EZ-EM調(diào)度員發(fā)出同意推送的信號，然后由EZ-EM指定推送進路。推送進路的控制則由駝峰作業(yè)員執(zhí)行，即駝峰作業(yè)員可以：①使列車開始移動，必要時，使其停止;②決定列車在線路上的行駛方向;③調(diào)整推送進路的分配。

除了控制推送進路，駝峰作業(yè)員和MSR32系統(tǒng)還可以控制機車。如有來自MSR32系統(tǒng)的請求，在收到自動連接的肯定答復(fù)后，SAU-GL系統(tǒng)將從接收MALS的機車控制命令切換到MSR32。當(dāng)列車的最后一節(jié)車廂越過駝峰后，MSR32會給出機車停止命令。在檢測到機車停止之后，由MALS系統(tǒng)接管機車的控制。

推送速度、加速度和列車質(zhì)量等參數(shù)是在MSR32子系統(tǒng)OPSIM（運行模擬系統(tǒng)，用于計算溜放速度）的自動模式下計算出來的，并通過數(shù)字接口從機車直接傳輸?shù)絊AU-GL中。MSR32系統(tǒng)通過以下途徑確定機車和車列的位置：①安裝在進路軌道上的應(yīng)答器（每個定位點有2個應(yīng)答器）信息，用于檢測機車的通過情況;②SAU-GL傳輸?shù)年P(guān)于機車行駛距離及速度的數(shù)據(jù);③來自車輪傳感器的信息。

在推送進路上使用自動機車控制，除了能實踐無人駕駛技術(shù)，還能通過優(yōu)化實施過程以及精確計算推送速度，將駝峰設(shè)備的作業(yè)能力提高25%。

3 控制調(diào)車機車和檢測障礙物的遠程控制子系統(tǒng)

Luzhskaya編組站正致力于實現(xiàn)對調(diào)車機車的遠程控制，這是其無人駕駛控制項目的一部分。為此，在上述系統(tǒng)的靜止部分添加了機車司機操作臺以及計算機遠程控制裝置（控制計算機中心），以便對3臺無人駕駛機車TEM7A的運行進行控制。必要時，其中的1臺機車可以接管對全部3臺機車的控制。操作臺包含1個控制臺以及顯示視頻信息和診斷信息的屏幕。

此遠程控制系統(tǒng)能與MALS系統(tǒng)進行功能交互。在項目實踐過程中，技術(shù)人員還開發(fā)了集成工具（交互規(guī)則、協(xié)議和數(shù)據(jù)格式）。使用這些工具，可以從MALS的控制計算機獲取和處理以下信息：①編組站進路狀況;②軌道區(qū)域狀況;③調(diào)車機車狀況;④每臺機車的數(shù)據(jù)（允許速度，指定進路）。此系統(tǒng)還能對已接收和處理的請求、相鄰系統(tǒng)發(fā)送的請求以及從相鄰系統(tǒng)接收的答復(fù)進行記錄和保存。

機車車輛設(shè)備還附加了2個模塊：①障礙物檢測模塊;②通信、同步和遠程控制模塊。圖1顯示了車輛設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。車輛設(shè)備的新安裝模塊與已有的TEM7A機車設(shè)備連接。

現(xiàn)有機車系統(tǒng)（如SAU-GL、KPD-3PV和MALS）之間的交互，采用串行接口 CAN、RS232、RS422。障礙物檢測模塊與通信、同步和遠程控制模塊之間的交互基于高速以太網(wǎng)接口（GigE）。

車輛設(shè)備和靜止設(shè)備之間的交互作業(yè)通過2個無線電信道實現(xiàn)。GSM LTE信道用于將視頻流從攝像機傳輸?shù)竭h程控制系統(tǒng)以及傳輸診斷信息。在SDU-ML系統(tǒng)上還使用1個頻帶寬度為160 MHz的信道來傳輸控制命令。

在遠程控制模式下，車輛設(shè)備有以下功能：①給TEM7A機車中的機車司機兼操作員傳輸其可用范圍內(nèi)的SAU-GL系統(tǒng)和MALS系統(tǒng)參數(shù); ②傳輸安裝在行駛方向上攝像機的視頻圖像;③接收和執(zhí)行遠程操作員的遠程命令;④監(jiān)控遠程控制通信信道;⑤在機車運行期間對障礙物進行檢測和分類; ⑥確定障礙物的位置;⑦如果識別出障礙物為人或者動物，將發(fā)出警報;⑧使機車在檢測到的障礙物前自動停止;⑨告知機車司機兼操作員干擾列車運行和制動的障礙物。

4 障礙物檢測子系統(tǒng)的技術(shù)特點

在Luzhskaya編組站中，有3臺具有無人駕駛模式的TEM7A機車投入使用（圖2）。這些機車裝有特殊的無線電設(shè)備和傳感器，可以檢測障礙物。

為了檢測障礙物（人和動物），機車安裝了障礙物檢測模塊，其包括：①激光雷達（LiDAR）;②雷達;③光學(xué)攝像機;④用于處理傳感器數(shù)據(jù)的高性能計算模塊。

使用障礙物檢測模塊，首先就是確定可能會出現(xiàn)障礙物的進路搜索區(qū)域。 為了提高此技術(shù)的精確性和可靠性，會使用2種方法檢測機車進路。第一種方法基于計算機視覺方法，通過處理用于檢測軌道的光學(xué)攝像機所獲取的圖像來實現(xiàn)。第二種方法基于電子地圖中的數(shù)據(jù)、當(dāng)前位置以及關(guān)于編組站內(nèi)指定行程的信息。確定了搜索區(qū)域，便可以根據(jù)障礙物所在的區(qū)域過濾掉其他識別出的物體和障礙物（圖3）。

物體的檢測和跟蹤僅在圖3所示的區(qū)域中進行。車載控制系統(tǒng)的響應(yīng)取決于物體的定位區(qū)域。當(dāng)在紅色區(qū)域中檢測到障礙物時，機車會發(fā)出聲音信號并在檢測到的物體前制動。當(dāng)在綠色區(qū)域中檢測到障礙物時，機車會發(fā)出聲音信號并將行駛速度降低到5km/h以下。當(dāng)在棕色區(qū)域中檢測到物體時，機車會發(fā)出警報信號。

檢測進路中的物體是由多個不同類型的傳感器來完成。圖4顯示了當(dāng)機車駛近車列時，雷達和激光雷達提供的信息示例。圖5顯示了與圖4信息相匹配的攝像機圖像。由于數(shù)據(jù)量很大，而且存在錯誤信號和干擾，因此需要使用強大的數(shù)學(xué)工具來處理數(shù)據(jù)。對于每個檢測到的物體，都要確定狀態(tài)向量及其協(xié)方差矩陣，這二者決定參數(shù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)會根據(jù)運動模型跟蹤所有檢測到的物體。對于機車進路中最重要的異物——人，恒速（CV）模型最適合。以目前廣泛應(yīng)用的、用于非線性測量的卡爾曼濾波算法為基礎(chǔ)，并對其進行適當(dāng)?shù)男薷?，可以實現(xiàn)對物體的跟蹤。

利用激光雷達、雷達和攝像機可以對物體狀態(tài)進行初始化以及進一步細化處理。每個傳感器都有其自身的特性和處理算法。對于激光雷達獲取的大量數(shù)據(jù)可以使用聚類算法。該算法根據(jù)邊界距離對物體上的點進行分組，這基于對自適應(yīng)斷點檢測算法的修改。利用激光雷達數(shù)據(jù)，還能夠以相當(dāng)高的精度檢測具有簡單幾何形狀的物體，并通過計算每個物體的重心來確定其位置。由于鐵路上存在大量高反射金屬物體以及大量相應(yīng)的干擾，所以應(yīng)用雷達時需要特殊的濾波算法。雷達可以識別出道岔、軌道和軌道箱。同時，雷達也可以有效地識別移動物體，并將它們與其他物體區(qū)分開。相比激光雷達，雷達的檢測范圍更大。在應(yīng)用將監(jiān)測對象與測量數(shù)據(jù)進行比較的數(shù)據(jù)處理算法時需要特別注意，應(yīng)該使用全局最鄰近算法。同時，應(yīng)對檢測系統(tǒng)進行設(shè)置，以排除不能識別路線上障礙物的問題。

大量參數(shù)增加了錯誤檢測障礙物的可能性。因此，此車載障礙物檢測系統(tǒng)還會將諸如塑料袋、膠帶和其他異物作為障礙物。而使用遠程監(jiān)測和遠程控制系統(tǒng)則可以解決錯誤檢測障礙物的問題。1個機車司機兼操作員可以在1個專門設(shè)計的操作臺上控制多輛調(diào)車機車。此操作臺上會顯示車輛數(shù)據(jù)和前置攝像頭的實時視頻圖像。如果需要，也可以通過操作站上的控制面板遠程控制所選機車。如果機車檢測到障礙物，則會向機車司機兼操作員發(fā)出警報。在手動模式下，如果障礙物識別錯誤，機車司機可以直接駕駛機車通過。

5 結(jié)語

Luzhskaya編組站無人駕駛機車的試運行證明了該技術(shù)的可行性和前景。該技術(shù)集自動控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計算等眾多技術(shù)于一體，是計算機科學(xué)、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，能提高車站交通的安全性，加快作業(yè)進程，并提高調(diào)車機車的作業(yè)效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]Y Smagin，P Popov. Technologie und Prinzipien des Betriebs lokführerloser Rangierlokomotiven auf dem Rangierbahnhof Luzhskazya[J]. Signal + Draht，2018，110（12）：30-38.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-03-12