全自動(dòng)運(yùn)行軌道交通系統(tǒng)列車智能環(huán)境感知技術(shù)的應(yīng)用

楊 碩 陳艷鑫

(1.蘇州軌道交通市域一號(hào)線有限公司 江蘇 蘇州 215000；2.蘇州軌道交通有限公司運(yùn)營一分公司 江蘇 蘇州 215000)

0 概述

截止2019年底，我國已有40個(gè)城市開通城市軌道交通線路，運(yùn)營里程長達(dá)6 730 km，現(xiàn)在每1～2年就增長1 000 km，有更多的城市在建新線，我國已步入了城軌交通大國的行列。隨著自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)成為了軌道交通行業(yè)的熱點(diǎn)，對(duì)列車的技術(shù)發(fā)展給出了新的方向。

1 探測技術(shù)的選擇

為使列車能夠智能感知運(yùn)行環(huán)境，探測設(shè)備是信息的來源。在一定范圍內(nèi)識(shí)別物體(障礙物)的技術(shù)有很多，例如：視頻識(shí)別、紅外成像識(shí)別、雷達(dá)識(shí)別、超聲波識(shí)別、激光測距等等，針對(duì)不同使用環(huán)境，這些技術(shù)各有優(yōu)勢。

在軌道交通環(huán)境特點(diǎn)下，考慮到探測手段的相輔相成，系統(tǒng)采用可見光與紅外探測的組合模式。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

本系統(tǒng)主要通過探測技術(shù)發(fā)現(xiàn)影響列車安全運(yùn)行的因素，通過智能軟件算法智能感知行車環(huán)境，主要實(shí)現(xiàn)識(shí)別前方障礙物功能和識(shí)別車門與站臺(tái)門二門異物的功能，系統(tǒng)可通過與列車TCMS系統(tǒng)的通信，根據(jù)運(yùn)用場景向控制中心報(bào)警提示，同時(shí)將相關(guān)視頻圖像儲(chǔ)存并推送至控制中心，供控制中心遠(yuǎn)程查閱現(xiàn)場圖像[1-2]。

2.1.1前方障礙物探測功能

為了確保列車行駛安全，通過可見光攝像機(jī)與紅外攝像機(jī)的配合使用，不斷地對(duì)行駛線路區(qū)間進(jìn)人、施工遺留物以及廣告牌、樹木、彩鋼板等前方限界內(nèi)的障礙進(jìn)行探測，并在監(jiān)控的基礎(chǔ)上不斷對(duì)限界外的行駛環(huán)境做評(píng)估，當(dāng)某些指標(biāo)超出預(yù)先確定的安全范圍，則按定義好的威脅等級(jí)采取相應(yīng)的措施并報(bào)警提示。

2.1.2車門與站臺(tái)門間異物探測功能

本功能是通過半球高清攝像機(jī)，采用ROI區(qū)域識(shí)別技術(shù)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別出二門之間的異物并報(bào)警提示，從而避免在夾到異物的情況下列車依然開車。

2.1.3其他功能

(1)視頻增強(qiáng)功能：列車在運(yùn)行中會(huì)通過各種復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)列車的駕駛會(huì)造成一定的影響，通過軟件算法消除影響駕駛的不利因素，如除霧霾、抗強(qiáng)光、低照度提亮等，輔助列車的全自動(dòng)運(yùn)行。

(2)視頻記錄功能：在整個(gè)列車行駛過程中，記錄所有的視頻信息，能夠?yàn)槭鹿?問題的追溯提供原始數(shù)據(jù)。

(3)遠(yuǎn)程通信功能：通過車地?zé)o線通道，將系統(tǒng)內(nèi)所有攝像機(jī)視頻信息傳輸?shù)絆CC工作站，當(dāng)某個(gè)列車發(fā)現(xiàn)有障礙物后，OCC工作站自動(dòng)切換到發(fā)現(xiàn)障礙物的這一路，全屏顯示，并發(fā)出報(bào)警提示。

(4)電源中斷保護(hù)功能：根據(jù)EN 50155標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)電源中斷10 ms時(shí)不影響正常運(yùn)行的能力。計(jì)算機(jī)模塊在識(shí)別電源故障1 ms后就通告CPU，以便采取可能的自保護(hù)措施。

(5)通電自檢功能：系統(tǒng)具備通電自檢的能力，并可將自檢結(jié)果向列車TCMS系統(tǒng)匯報(bào)。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)以上的功能需求，按6B編組的列車提出系統(tǒng)的構(gòu)架，如圖1所示。兩端的TC車各安裝一個(gè)視頻處理服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和處理，2個(gè)主機(jī)熱備冗余，2個(gè)視頻處理服務(wù)器通過RS485協(xié)議與TCMS通訊。本系統(tǒng)內(nèi)部通過以太網(wǎng)交換機(jī)自組環(huán)網(wǎng)。視頻處理服務(wù)器和車載車地通信設(shè)備互聯(lián)，達(dá)到與OCC通信的功能。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

兩端司機(jī)室各安裝1臺(tái)數(shù)字高清攝像機(jī)和1臺(tái)紅外高清攝像機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)前方障礙物探測功能。

每節(jié)車廂兩側(cè)居中位置各安裝2個(gè)高清半球攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向內(nèi)最近2個(gè)車門與站臺(tái)門之間區(qū)域的異物探測功能。

2.3 前方障礙物探測功能的實(shí)現(xiàn)規(guī)則

2.3.1異常情況的威脅等級(jí)分類

列車障礙物探測是安全行車的保障，系統(tǒng)的誤報(bào)率和漏報(bào)率是關(guān)鍵的性能指標(biāo)，同時(shí)以動(dòng)態(tài)包絡(luò)線為核心的限界判斷與實(shí)際應(yīng)用也有一定的差異[3]。為解決“非黑即白”的單一判斷方式，本系統(tǒng)通過將障礙物的判斷由限界內(nèi)擴(kuò)展到全區(qū)域(限界內(nèi)及比鄰區(qū)間)，比對(duì)人工駕駛車輛的處置方法，力圖設(shè)定更多的障礙物報(bào)警級(jí)別，達(dá)到多級(jí)判斷模式，增加流程的可操作性。根據(jù)對(duì)行車安全威脅的程度，將前方障礙物和兩側(cè)障礙物對(duì)行駛造成的威脅分為：確定威脅、或許威脅和環(huán)境威脅三種級(jí)別。

(1)確定威脅(A級(jí))

本級(jí)別的威脅會(huì)造成列車較大的碰撞，使得列車的運(yùn)行無法繼續(xù)，嚴(yán)重時(shí)可能造成列車傾覆。此類威脅都在列車行駛的限界內(nèi)，或者在限界內(nèi)有很大的體積(面積)占比。

本級(jí)別能識(shí)別的下限為：直線距離250 m，在限界內(nèi)的可視尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

根據(jù)識(shí)別程度的不同分為A1、A2、A3三種。

A1：指前方的車輛探測。前方探測距離：直線250 m，彎道以可視頻直線最大距離為準(zhǔn)。識(shí)別的確認(rèn)度在95%以上。

A2：指站臺(tái)間隙異物探測。探測范圍：列車側(cè)面所有列車門的區(qū)域。識(shí)別的確認(rèn)度在95%以上。

A3：列車前方限界內(nèi)所有影響列車行駛的障礙物。探測距離：直線250 m，彎道以可視頻直線最大距離為準(zhǔn)。當(dāng)識(shí)別的確認(rèn)度在80%以下，采取“減速到40 km/h再查看”的模式。

(2)或許威脅(B級(jí))

對(duì)列車的行駛或許會(huì)造成一定的損失，但列車可以通過。此類威脅一般跨列車行駛的限界，或者在限界內(nèi)體積(面積)比較小的物體。

本級(jí)別識(shí)別范圍為限界內(nèi)和跨限界、物體尺寸不足“A級(jí)”的情況。

根據(jù)識(shí)別程度的不同分為B1、B2、B3三種。

B1：合同中指定的情況，可設(shè)置。

B2：列車清障器清除范圍內(nèi)的物體屬于本級(jí)別。

B3：不屬于A1、A2、A3、B1、B2級(jí)別的障礙物都屬于本級(jí)別。

(3)環(huán)境威脅(C級(jí))

對(duì)列車的行駛不會(huì)造成直接損失，但可能會(huì)演變成B類以上的威脅。此類威脅一般在列車行駛的限界外。本級(jí)別識(shí)別范圍為限界外。

根據(jù)異物位置的不同分為C1、C2、C3三種。

C1：車站環(huán)境威脅，例如屏蔽門下的踏空膠條丟失、軌道旁有乘客遺留物等。

C2：高架環(huán)境威脅，例如廣告牌、樹木向軌道方向歪倒，接觸網(wǎng)上方有風(fēng)箏、塑料袋等。

C3：隧道環(huán)境威脅，例如限界外有前一天檢修遺留的工具等、限界外有大面積的變化(線纜變化、積水)。

2.3.2應(yīng)對(duì)措施建議處理流程

根據(jù)發(fā)現(xiàn)障礙物等級(jí)的不同，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施也有所區(qū)別，綜合考慮如下：

A1：直接報(bào)警，等待故障排除；

A2：直接報(bào)警，等待故障排除；

A3：控制列車減速，持續(xù)探測并推送畫面，近距離下人工(OCC或司機(jī))確認(rèn)后慢速通過；

B1～B3：控制列車減速通過，記錄并上報(bào)；

C1～C3：記錄并上報(bào)。

2.3.3人工判斷時(shí)間的驗(yàn)算

當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物后，列車采取減速查看的措施(見圖2)。

圖2 減速查看措施

為了讓OCC/司機(jī)有時(shí)間處理障礙物判斷任務(wù)，并在需要時(shí)可將列車在障礙物前制動(dòng)停車，需計(jì)算在不同速度下列車制動(dòng)至40 km/h的時(shí)間和40 km/h制動(dòng)至靜止的時(shí)間，再結(jié)合本系統(tǒng)的有效探測距離，即可以得到40 km/h下用于人工判斷的可持續(xù)時(shí)間(見表1)。

根據(jù)表2可以得出：在80 km/h的時(shí)速下，減速時(shí)間有9.26 s，在40 km/h時(shí)滑行判斷時(shí)間為3.98 s，滿足正常的判斷需要。其他速度下判斷時(shí)間均多于80 km/h的判斷時(shí)間，所以可以滿足所有速度下的判斷時(shí)間需求。

表1 人工判斷的可持續(xù)時(shí)間

2.3.4彎道可視距離與車速

在隧道中的彎道處，列車的視野會(huì)受到遮擋，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)彎半徑，可視距離有所不同?？梢暰嚯x的具體計(jì)算公式為：L2+(R-d)2=R2。其中L為可視距離的一半，R為隧道轉(zhuǎn)彎半徑，d為隧道直徑。

選取拐彎半徑的典型值300 m、800 m、1 200 m和2 000 m，再結(jié)合上述制動(dòng)判斷計(jì)算公式，得出以下結(jié)果(見表2)。

在轉(zhuǎn)彎半徑2 000 m直至直線，系統(tǒng)能夠支持80 km/h的時(shí)速；在轉(zhuǎn)彎半徑1 200 m～2 000 m，系統(tǒng)能夠支持70 km/h的時(shí)速；在轉(zhuǎn)彎半徑800 m～1 200 m，系統(tǒng)能夠支持50 km/h的時(shí)速；在轉(zhuǎn)彎半徑300 m～800 m，系統(tǒng)能夠支持40 km/h的時(shí)速。

表2 指定可視距離下剎車距離與時(shí)間的計(jì)算

2.4 車門與站臺(tái)門間異物探測功能實(shí)現(xiàn)規(guī)則

(1)列車進(jìn)站停車后，車側(cè)攝像機(jī)開始工作，啟動(dòng)檢測。

(2)列車TCMS發(fā)送開啟左側(cè)/右側(cè)車門指令，系統(tǒng)拍攝相應(yīng)側(cè)的視頻前圖(開門截圖)。

(3)列車TCMS發(fā)送關(guān)閉左側(cè)/右側(cè)車門指令，在車門實(shí)際關(guān)閉后，系統(tǒng)拍攝相應(yīng)側(cè)的視頻后圖(關(guān)門截圖)。

(4)系統(tǒng)依據(jù)視頻前圖(開門截圖)和后圖(關(guān)門截圖)，通過圖像識(shí)別算法比較有無障礙物。

(5)若有障礙物存在，則向OCC報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警區(qū)域視頻信息推送給OCC查閱，避免發(fā)車。

3 技術(shù)探討

3.1 物體識(shí)別的精度

視頻識(shí)別是以可見光識(shí)別物體作為根本方式，其中能夠識(shí)別物體大小與距離是重要問題[4]。目前能做到列車前方20～250 m的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍內(nèi)障礙物的識(shí)別，在250 m處，識(shí)別物體的下限尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，本系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體的材質(zhì)還不能做出判斷。隨著技術(shù)的發(fā)展及實(shí)際運(yùn)用中遇到的案例數(shù)據(jù)的填充，系統(tǒng)將可識(shí)別更多種、更細(xì)節(jié)的異常情況。

3.2 抗振動(dòng)解決方案

(1)通過尋找視頻中的參照點(diǎn)，以此為基點(diǎn)來判斷?？紤]到除了上下振動(dòng)，還可能出現(xiàn)左右扭動(dòng)，所以參照點(diǎn)需要2個(gè)。

(2)列車行進(jìn)過程中，所有的包絡(luò)線都是以鋼軌作為參照點(diǎn)的。所以以鋼軌作為參照點(diǎn)，可以改善行進(jìn)列車振動(dòng)造成的影響。

(3)通過視頻除抖算法，還原出平滑的視頻。

3.3 可見光視頻與紅外視頻的配合使用

(1)當(dāng)光線與能見度很好時(shí)采用可見光攝像機(jī)為主、紅外攝像機(jī)為輔的模式，紅外攝像機(jī)進(jìn)行視頻增強(qiáng)處理。基本不影響原來的識(shí)別準(zhǔn)確度。

(2)當(dāng)有霧霾(高架場景)、亮度不足(隧道低照度場景)時(shí)，自動(dòng)切換到紅外攝像機(jī)為主、可見光為輔的模式，可見光進(jìn)行視頻增強(qiáng)處理。在極端情況下識(shí)別的準(zhǔn)確度大幅提高。

3.4 系統(tǒng)的可靠性

作為主動(dòng)檢測類技術(shù)，系統(tǒng)的誤報(bào)率、漏報(bào)率是客觀存在的，如何提高系統(tǒng)的可信度，應(yīng)該是繼續(xù)努力的方向，當(dāng)可信度足夠高的時(shí)候，系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)列車進(jìn)行控制，保障安全行車，系統(tǒng)對(duì)列車自動(dòng)運(yùn)行的意義將大幅提升。

4 結(jié)束語

針對(duì)全自動(dòng)駕駛列車的使用環(huán)境特點(diǎn)，分析對(duì)比了現(xiàn)有的幾種探測技術(shù)，選擇了可視光攝像機(jī)與紅外攝像機(jī)配合作為識(shí)別手段，預(yù)想了列車運(yùn)行中可能遇見的主要異物侵限環(huán)境，基于異常的位置、類型及威脅程度等因素，提出了一種列車智能環(huán)境感知系統(tǒng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)侵限異物并向OCC報(bào)警。通過在部分城市的裝車試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，可為列車識(shí)別運(yùn)行環(huán)境內(nèi)的侵限異物等風(fēng)險(xiǎn)因素，達(dá)到了預(yù)想的效果。