基于無人駕駛平臺(tái)的主被動(dòng)障礙物檢測(cè)分析對(duì)比

張 帆，張從旺

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 技術(shù)中心，江蘇 南京 210031; 2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，江蘇 南京 210031)

目前，我國(guó)城市軌道交通正處于GoA4級(jí)無人駕駛(即完全無人駕駛)的轉(zhuǎn)型發(fā)展期，國(guó)內(nèi)大量的無人駕駛地鐵項(xiàng)目開始建設(shè)。傳統(tǒng)由司機(jī)自主判斷軌道障礙物來施加制動(dòng)或采取其他處理措施的方式急需改革。在無人駕駛地鐵的發(fā)展中，接觸式與非接觸式2種障礙物檢測(cè)方式發(fā)展最為迅速。接觸式障礙物檢測(cè)(主動(dòng)式障礙物檢測(cè))主要依賴于接觸式障礙物檢測(cè)裝置前端探測(cè)橫梁的撞擊，若引起位移則確認(rèn)有障礙物[1]。而非接觸式障礙物檢測(cè)(被動(dòng)式障礙物檢測(cè))的核心在于使用攝像機(jī)及雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)后，根據(jù)算法進(jìn)行處理，得出前方是否存在障礙物的結(jié)論。目前，軌道交通行業(yè)針對(duì)無人駕駛車輛的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的安全性、可靠性要求。

1 接觸式障礙物檢測(cè)

1.1 接觸式障礙物檢測(cè)原理

接觸式障礙物檢測(cè)裝置安裝于轉(zhuǎn)向架前端，其主要由電氣部分和機(jī)械部分組成，見圖1。電氣部分主要由高可靠性的行程開關(guān)、高密封等級(jí)的連接器和符合防火等級(jí)要求的電纜線組成。機(jī)械部分主要包括探測(cè)橫梁、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他安裝支座。

圖1 接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)內(nèi)部利用擺桿式行程開關(guān)作為提供障礙物檢測(cè)信號(hào)的干接點(diǎn)元件。當(dāng)外界障礙物接觸到探測(cè)橫梁時(shí)，探測(cè)橫梁在障礙物的沖擊力作用下推動(dòng)其相連接的吸能簧板運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)吸能簧板運(yùn)動(dòng)到一定位移，擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過其固有的預(yù)行程時(shí)，觸發(fā)干接點(diǎn)信號(hào)，向系統(tǒng)提供異常信號(hào)。

接觸式障礙物檢測(cè)裝置前端探測(cè)橫梁為輕質(zhì)鋁合金管材，其材料具有較高的變形吸能比，能夠很大程度上吸收障礙物帶來的沖擊能力，起到吸能緩沖作用(圖2)。同時(shí)具有良好的韌性和抗拉強(qiáng)度，能夠一定程度上抵抗障礙物的沖擊而不會(huì)發(fā)生斷裂，降低對(duì)車輛造成的二次風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 探測(cè)橫梁吸能變形

當(dāng)接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到一定質(zhì)量和一定速度的障礙物時(shí)，會(huì)觸發(fā)接觸式障礙物檢測(cè)裝置內(nèi)部的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝在車輛上的電控箱內(nèi)部的行程開關(guān)向車上提供障礙物檢測(cè)信號(hào)。其輸出信號(hào)為干接點(diǎn)信號(hào)，原常閉回路變換為開路，常開回路則變換為閉路。接觸式障礙物檢測(cè)裝置左右兩端各設(shè)置1個(gè)行程開關(guān)，每個(gè)行程開關(guān)提供1個(gè)常閉觸點(diǎn)和2個(gè)常開觸點(diǎn)，上述觸點(diǎn)在電控箱內(nèi)部集合，用于同一功能的常閉觸點(diǎn)被串聯(lián)在電路里，用于同一功能的常開觸點(diǎn)被并聯(lián)在電路里。接觸式障礙物檢測(cè)裝置信號(hào)原理圖見圖3。

P1-NO1、P1-NO2.行程開關(guān)1常開觸點(diǎn)1、2；P2-NO1、P2-NO2.行程開關(guān)2常開觸點(diǎn)1、2；P1-NC1.行程開關(guān)1常閉觸點(diǎn)1；P2-NC1.行程開關(guān)2常閉觸點(diǎn)1；TCMS.列車控制監(jiān)控系統(tǒng)；ATC.列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖3 接觸式障礙物檢測(cè)裝置信號(hào)原理圖

1.2 接觸式障礙物檢測(cè)設(shè)計(jì)分析

無人駕駛要求障礙物檢測(cè)系統(tǒng)必須具備高可靠性、可用性和安全性。首先，接觸式障礙物檢測(cè)裝置絕不可因可靠性不高導(dǎo)致掉落而引起列車制動(dòng)。在無人駕駛的站間場(chǎng)景下，若出現(xiàn)此情況則會(huì)導(dǎo)致列車救援。其次，需要接觸式障礙物檢測(cè)裝置與障礙物接觸時(shí)立刻進(jìn)行反應(yīng)，因此由通信造成的延時(shí)需要降到最低。針對(duì)這兩方面的要求，現(xiàn)從理論設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面來對(duì)接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1.2.1 接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

1.2.1.1裝置可靠性設(shè)計(jì)

為了保證接觸式障礙物檢測(cè)裝置的安全可靠，采用針對(duì)性防脫設(shè)計(jì)，緊固件組合采用NordLock防松墊圈和雙開槽鎖緊螺母雙防松組合形式。上述2種緊固件均為目前最優(yōu)的防松結(jié)構(gòu)，但通常情況下僅采用1種結(jié)構(gòu)。為提升本套系統(tǒng)的安全性，將上述2種防松結(jié)構(gòu)同時(shí)應(yīng)用于外殼體上。為提高螺栓防松的效果，延長(zhǎng)螺母松后的脫落時(shí)間，使用六角頭螺桿帶孔螺栓，將開口銷穿過螺桿孔，防止松動(dòng)的螺母脫落(圖4)。

圖4 外殼體安裝的防松結(jié)構(gòu)

此外，在左右外殼體安裝防松結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了鋼絲繩防脫結(jié)構(gòu)。鋼絲繩末端采用不銹鋼冷壓端子壓接，壓接后的端子通過螺栓固定在后端安裝座上，另外一端安裝在穿過外殼體的防脫橫桿上。防脫橫桿從外殼體兩側(cè)穿過，在外殼體內(nèi)部穿過彎板簧結(jié)構(gòu)。在車輛運(yùn)行過程中，鋼絲繩不會(huì)摩擦到彎板簧結(jié)構(gòu)。當(dāng)外殼體固定螺栓全部斷裂，外殼體和彎板簧一起向軌道掉落時(shí)，鋼絲繩會(huì)立即兜住外殼體和彎板簧，從而防止障礙物檢測(cè)裝置的零部件掉落在軌道上，避免卷入轉(zhuǎn)向架輪對(duì)下面。鋼絲繩防脫結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鋼絲繩防脫結(jié)構(gòu)

1.2.1.2整車電路可靠性設(shè)計(jì)

在整車電路的設(shè)計(jì)上，充分考慮了電路的可靠性和可用性。接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)部分電路邏輯圖如圖6所示，當(dāng)接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)被觸發(fā)時(shí)，其3組機(jī)械式行程開關(guān)自然動(dòng)作，其中常閉觸點(diǎn)行程開關(guān)斷開觸發(fā)車輛硬線緊急制動(dòng)環(huán)路斷電，常開觸點(diǎn)行程開關(guān)閉合觸發(fā)列車ATC、TCMS報(bào)警。為確保整車安全，采用斷電觸發(fā)緊急制動(dòng)環(huán)路，設(shè)計(jì)思路為故障導(dǎo)向安全，且只要障礙物持續(xù)存在，列車始終保持緊急制動(dòng)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，再通過另外2組限位開關(guān)，將障礙物狀態(tài)發(fā)送給列車TCMS及ATC，進(jìn)行屏幕的報(bào)警提示及故障記錄。整車電路設(shè)計(jì)具有高可靠性和穩(wěn)定性，滿足無人駕駛的要求。

SCB.供電斷路器；P-NO1、P-NO2.行程開關(guān)常開觸點(diǎn)組1、2；ODR.接觸式障礙物檢測(cè)繼電器；TLNOL.本端接觸式障礙物檢測(cè)列車線；TLNOR.遠(yuǎn)端接觸式障礙物檢測(cè)列車線。圖6 接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)部分電路邏輯圖

1.2.2 接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)可用性和安全性設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)的可用性和安全性，總體設(shè)計(jì)思路必須符合故障導(dǎo)向安全原則。接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)總體工作邏輯圖如圖7所示。

圖7 接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)總體工作邏輯圖

若軌道上存在障礙物，接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)接觸到障礙物后，探測(cè)橫梁向后移動(dòng)一定距離，觸發(fā)內(nèi)部行程開關(guān)，系統(tǒng)以此干接點(diǎn)信號(hào)作為障礙物檢測(cè)信號(hào)提供給車輛，車輛將根據(jù)障礙物檢測(cè)系統(tǒng)提供的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。例如，使列車施加緊急制動(dòng)，也可通過TCMS采集開關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)發(fā)送至地面運(yùn)行控制中心(OCC)。若在該裝置附近設(shè)有攝像機(jī)，在探測(cè)到障礙物時(shí)，OCC可以遠(yuǎn)程調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)圖像。

為保證接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的安全性，緊急制動(dòng)回路采用失電觸發(fā)，狀態(tài)報(bào)警回路采用得電觸發(fā)。當(dāng)發(fā)生碰撞、探測(cè)橫梁與障礙物接觸時(shí)，只要碰撞力超過10 N,則會(huì)觸發(fā)障礙物報(bào)警。即使速度過快或障礙物質(zhì)量過大，導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備完全損毀，也會(huì)造成采集點(diǎn)失電，正常觸發(fā)緊急制動(dòng)回路。同時(shí)，考慮了故障情況下另外2組觸點(diǎn)不會(huì)意外造成誤報(bào)警，若串入緊急制動(dòng)回路的觸點(diǎn)故障，也可由站臺(tái)工作人員確認(rèn)安全后，控制OBS(障礙物檢測(cè)旁路開關(guān))進(jìn)行旁路，保證列車可以退出運(yùn)營(yíng)，在設(shè)計(jì)層面上兼顧了系統(tǒng)的安全性和可用性。

1.3 仿真分析及試驗(yàn)檢測(cè)

為了確保接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)在無人駕駛場(chǎng)景下的可靠性，在列車運(yùn)行工況下，必須滿足相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度和振動(dòng)沖擊標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.3.1 振動(dòng)疲勞仿真分析

根據(jù)IEC 61373：2010《車輛設(shè)備沖擊振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的工況，接觸式障礙物檢測(cè)裝置需要在3個(gè)方向進(jìn)行5 h加速振動(dòng)試驗(yàn)后，不出現(xiàn)疲勞裂紋，即三向疲勞損傷值累積之和小于1。振動(dòng)疲勞仿真分析時(shí)，采用了模態(tài)頻率響應(yīng)法，約束接觸式障礙物檢測(cè)裝置兩端與構(gòu)架連接部分，在約束點(diǎn)施加振動(dòng)加速度功率譜。

根據(jù)各項(xiàng)加速度激勵(lì)的每秒疲勞損傷，得出5 h后各方向的疲勞損傷值，再對(duì)3個(gè)方向的疲勞損傷值求和，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 振動(dòng)疲勞仿真分析后3個(gè)方向的疲勞損傷值計(jì)算結(jié)果

經(jīng)仿真分析，三向疲勞損傷值累積之和均小于1，表明接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3.2 試驗(yàn)檢測(cè)

為了確保接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的可靠性，既要保證設(shè)備不能因輕度撞擊而造成不可逆損壞，又要保證整車設(shè)計(jì)能夠在真正接觸到障礙物時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的保護(hù)功能。因此進(jìn)行了碰撞試驗(yàn)來確保其滿足無人駕駛的要求。

碰撞試驗(yàn)方案為：將接觸式障礙物檢測(cè)裝置安裝在一輛模擬小車上，在小車前方設(shè)置障礙物，小車上設(shè)置報(bào)警燈，撞擊力觸發(fā)接觸式障礙物檢測(cè)裝置時(shí)則報(bào)警燈亮，并在撞擊后小車迅速制動(dòng)。根據(jù)速度等級(jí)和障礙物質(zhì)量的不同，通過觀察報(bào)警燈是否亮以及設(shè)備的形變程度來確認(rèn)接觸式障礙物檢測(cè)裝置的可靠性。驅(qū)動(dòng)小車質(zhì)量為10 015 kg，障礙物分為10 kg、20 kg、60 kg 3個(gè)質(zhì)量等級(jí)。接觸式障礙物檢測(cè)裝置試驗(yàn)情況見圖8。

圖8 接觸式障礙物檢測(cè)裝置試驗(yàn)情況

除以上設(shè)備外，還配置了專用的攝像機(jī)、加速度傳感器、速度測(cè)試儀等設(shè)備，確?？梢跃_地取得足夠的數(shù)據(jù)支撐分析結(jié)論，試驗(yàn)工況見表2。根據(jù)加速度傳感器、攝像機(jī)采集的加速度、位移等信息，計(jì)算撞擊力。4種工況下小車碰撞后的狀態(tài)如下：(1)在工況1下，接觸式障礙物檢測(cè)裝置撞擊后無明顯形變，報(bào)警燈未亮；(2)在工況2下，接觸式障礙物檢測(cè)裝置撞擊后無明顯形變，有輕微位移，指示燈亮；(3)在工況3下，接觸式障礙物檢測(cè)裝置碰撞后存在輕微形變，指示燈亮；(4)在工況4下，接觸式障礙物檢測(cè)裝置存在明顯形變，但狀態(tài)良好，無裂痕損傷，指示燈亮。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 碰撞試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果

以工況4數(shù)據(jù)為例，小車位移及加速度曲線圖見圖9。根據(jù)圖9及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可知,加速度持續(xù)時(shí)間約為39.6 ms，與高速攝影分析所得數(shù)據(jù)相當(dāng)。在33.7 ms時(shí)加速度初始峰值為1.52 m/s2，由此計(jì)算最大撞擊力為15.2 kN。

圖9 工況4下小車位移及加速度曲線圖

綜上所述，總共對(duì)3種質(zhì)量的障礙物進(jìn)行了4次撞擊試驗(yàn)，可以看出輕微撞擊對(duì)設(shè)備無損壞。根據(jù)1.2.2節(jié)分析，已知緊急制動(dòng)環(huán)路屬于失電控制邏輯，因此即使速度持續(xù)增加造成設(shè)備損壞或者更大規(guī)模的形變，也會(huì)使信號(hào)斷開。因此試驗(yàn)場(chǎng)景足夠滿足實(shí)際需求，系統(tǒng)可以保證在無人駕駛的情況下提供及時(shí)可靠的保護(hù)。

2 非接觸式障礙物檢測(cè)

2.1 非接觸式障礙物檢測(cè)原理

非接觸式障礙物檢測(cè)使用安裝在車頭內(nèi)裝頂板上方的數(shù)字高清攝像機(jī)和紅外高清攝像機(jī)，在列車的行駛線路上，會(huì)不斷地對(duì)行駛線路區(qū)間進(jìn)人、施工遺留物、光纜、電纜以及廣告牌、樹木、彩鋼板等前方限界內(nèi)的障礙物進(jìn)行探測(cè)，并在監(jiān)控的基礎(chǔ)上不斷地對(duì)限界外的行駛環(huán)境做評(píng)估。針對(duì)列車實(shí)時(shí)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的前方障礙物，通過智能環(huán)境感知技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取前方圖像信息并智能識(shí)別障礙物進(jìn)行預(yù)警和提示，降低了前方障礙物影響列車正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)能對(duì)平直軌道250 m處的150 mm×150 mm×150 mm大小的侵界障礙物作出有效識(shí)別并提示報(bào)警。侵界障礙物的識(shí)別不受隧道、高架等不同光線情況的影響，從檢測(cè)到障礙物到發(fā)出報(bào)警的時(shí)間小于1 s。非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)主機(jī)、紅外攝像機(jī)、高清攝像機(jī)和組網(wǎng)交換機(jī)組成，其主要指標(biāo)見表3。

表3 非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的主要指標(biāo)

非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)采用了基于雙目立體視覺的檢測(cè)算法及異物侵限圖像處理技術(shù)。雙目立體視覺技術(shù)的基本原理是：利用2個(gè)攝像機(jī)從不同的位置拍攝2幅圖像，通過目標(biāo)物體在這2幅圖像中的二維信息求解和推導(dǎo)出目標(biāo)物體的三維信息。二維圖像只能直觀地表示目標(biāo)物體的平面位置，無法得知物體的深度信息，但是通過雙目立體視覺關(guān)鍵技術(shù)的求解，就可以獲得明顯的深度信息[2]。異物侵限圖像處理技術(shù)主要功能是通過對(duì)圖像數(shù)據(jù)分析，判斷是否有侵限異物的存在，這個(gè)過程主要是通過軟件算法實(shí)現(xiàn)，從檢測(cè)算法上可以分為背景圖像的提取及更新、圖像區(qū)域分類、前景圖像提取及分類和可疑前景危險(xiǎn)度判別(異物確認(rèn))，見圖10。

圖10 異物侵限圖像處理技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

2.2 非接觸式障礙物檢測(cè)設(shè)計(jì)分析

2.2.1 非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

(1) 在列車行進(jìn)過程中，由于軌道不夠平滑，可能出現(xiàn)各種方式的振動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，大幅度的振動(dòng)可能把原先不在行進(jìn)內(nèi)的物體誤判為行進(jìn)方向的物體，從而出現(xiàn)誤判。為此，需采用專門的抗振動(dòng)算法——基點(diǎn)法。通過尋找視頻中的參照點(diǎn)，以此為基點(diǎn)作出判斷。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)，可以避免受到行進(jìn)列車的振動(dòng)影響。

(2) 采用了雙攝像機(jī)聯(lián)合監(jiān)控的方法提高準(zhǔn)確度。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)做視頻增強(qiáng)處理，不影響識(shí)別準(zhǔn)確度；當(dāng)有霧霾(高架場(chǎng)景)或者亮度不足(隧道低照度場(chǎng)景)時(shí)，自動(dòng)切換到紅外攝像機(jī)為主、可見光攝像機(jī)為輔，可見光做視頻增強(qiáng)處理，在極端情況下識(shí)別的準(zhǔn)確度大大提高[3]。

(3) 采用了惡劣工況圖像增強(qiáng)、抗強(qiáng)光、低照度提亮等方式增強(qiáng)可靠性。在隧道和高架橋上，或在陰天和夜晚出現(xiàn)亮度不足的情況時(shí)，可通過低照度提亮功能提高亮度。晴天時(shí)陽光對(duì)高架橋上迎面行駛列車的駕駛有很大的影響，抗強(qiáng)光功能可以在顯示屏上盡可能地還原前方的場(chǎng)景。圖像增強(qiáng)處理是將圖像相鄰像元的亮度值相差較大的邊緣處加以突出強(qiáng)調(diào)，經(jīng)邊緣增強(qiáng)后的圖像能更清晰地顯示出不同的障礙物類型，或現(xiàn)象的邊界，或線形影像的行跡，以便于不同障礙物類型的識(shí)別及其分布范圍的圈定。

2.2.2 非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)可用性和安全性設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)在無人駕駛環(huán)境下的可用性和安全性，需要在設(shè)計(jì)階段考慮包括通信線路故障、報(bào)警信號(hào)冗余、傳輸延遲指標(biāo)等重要項(xiàng)點(diǎn)。

2.2.2.1通信線路故障

非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)在列車兩端均具備檢測(cè)模塊與主機(jī)，為保證系統(tǒng)的通信能力，需要進(jìn)行組網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)其中一節(jié)斷開連接的情況下，仍然可保持整個(gè)非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)通信正常，不會(huì)因線路故障造成通信中斷。非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D11所示。

圖11 非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2.2.2報(bào)警信號(hào)冗余設(shè)計(jì)

整車電路設(shè)計(jì)上充分考慮了電路的可靠性和可用性，單端通信接口如圖12所示。

圖12 非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)單端通信接口圖

非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)在列車兩端，均與車載TCMS及車載通信系統(tǒng)有傳輸通道，其中同車載網(wǎng)絡(luò)通過RS485接口進(jìn)行通信， RS485接口僅用于給車載TCMS提供生命信號(hào)及報(bào)警信息，其數(shù)據(jù)量極低，對(duì)于報(bào)警信息的上報(bào)不會(huì)有沖突或延遲。同時(shí)系統(tǒng)主機(jī)通過千兆以太網(wǎng)口與車載通信系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面OCC推送報(bào)警信息及視頻，攝像機(jī)供電模式采用POE模式供電，技術(shù)成熟，集成度高。整體架構(gòu)可以保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定，滿足低延時(shí)要求。因此系統(tǒng)架構(gòu)具備兩端RS485端口及兩端以太網(wǎng)端口，冗余性足夠保證報(bào)警信息的及時(shí)傳遞。

2.2.2.3惡劣環(huán)境處理

利用高清及紅外攝像機(jī)的圖像采集進(jìn)行雙目識(shí)別運(yùn)算，匯聚成立體圖像。在此過程中，運(yùn)用背景圖像提取技術(shù)及前景圖像處理算法，針對(duì)各種惡劣工況下的低能見度場(chǎng)景進(jìn)行處理，使得采集的圖像可以達(dá)到分析需求的清晰度[3](圖13)。

圖13 低能見度場(chǎng)景處理圖

2.2.2.4傳輸時(shí)延計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物后報(bào)警發(fā)出時(shí)間需要小于1 s。根據(jù)上文分析可知，系統(tǒng)同時(shí)給車載TCMS和地面OCC發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如圖14所示，攝相機(jī)采集到圖像后實(shí)時(shí)傳送給分析主機(jī)，主機(jī)分析時(shí)間為6幀內(nèi)，即小于200 ms。分析主機(jī)與TCMS主機(jī)間通信時(shí)延為64 ms(最大)，即整個(gè)車載處理過程為264 ms以內(nèi)。車載報(bào)警信息由TCMS主機(jī)發(fā)送至車載顯示屏，兩者直接數(shù)據(jù)處理時(shí)延200 ms，通信時(shí)延64 ms(最大)。因此總時(shí)間計(jì)算為528 ms，可以保證系統(tǒng)給TCMS系統(tǒng)的報(bào)警信息在1 s內(nèi)推送至列車內(nèi)部。對(duì)于OCC報(bào)警提示，通信時(shí)延預(yù)估在500 ms內(nèi)，加上列車內(nèi)部通信時(shí)間，可以滿足1 s內(nèi)達(dá)成報(bào)警的需求。

圖14 傳輸時(shí)延計(jì)算圖

2.3 非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)指標(biāo)包括：識(shí)別距離(20～250 m)、識(shí)別障礙物個(gè)數(shù)(重點(diǎn)追蹤3個(gè)及以上)、識(shí)別障礙物體積(150 mm×150 mm×150 mm)、惡劣工況成像等，為了保證各指標(biāo)的可靠性，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3.1 惡劣能見度成像效果測(cè)試

在夜晚車輛僅開頭尾燈的極低亮度下，調(diào)取成像效果。如圖15所示，圖15(a)為實(shí)際可見場(chǎng)景，圖15(b)為經(jīng)處理后的成像效果，實(shí)際測(cè)試可以達(dá)到檢測(cè)需求。

圖15 惡劣能見度成像效果圖

2.3.2 探測(cè)性能測(cè)試

為確認(rèn)實(shí)際工況下具體參數(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，針對(duì)150 mm×150 mm×150 mm障礙物的檢測(cè)能力、20～250 m的識(shí)別距離，在彎道和直線不同工況下進(jìn)行軌道內(nèi)及軌面障礙物檢測(cè)試驗(yàn)。

2.3.2.1軌道內(nèi)障礙物檢測(cè)試驗(yàn)

軌道內(nèi)障礙物檢測(cè)試驗(yàn)方法采用實(shí)車測(cè)試，在列車靜止的情況下，使列車處于ATO運(yùn)行模式，且停在測(cè)試地點(diǎn)。在列車前方30 m、150 m、250 m分別放置100 mm×100 mm×100 mm的障礙物，結(jié)合直線和彎道運(yùn)行情況分別進(jìn)行檢測(cè)，要求系統(tǒng)可以準(zhǔn)確抓拍障礙物，且提供車載及地面報(bào)警信息。具體在以下2個(gè)工況下進(jìn)行測(cè)試：(1)在彎道20 m及150 m處共放置4個(gè)障礙物；(2)在直線250 m處放置障礙物。

彎道工況的試驗(yàn)結(jié)果為：系統(tǒng)在彎道區(qū)域內(nèi)正確檢測(cè)出所有障礙物，障礙物大小為100 mm×100 mm×100 mm，小于系統(tǒng)指標(biāo)(150 mm×150 mm×150 mm)，并且同時(shí)追蹤了4個(gè)障礙物(圖16中紅框部分)，系統(tǒng)正常給車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)出了故障。

圖16 彎道工況障礙物檢測(cè)情況

直線工況的試驗(yàn)結(jié)果為：系統(tǒng)在直線區(qū)域內(nèi)正確檢測(cè)出障礙物，障礙物大小為100 mm×100 mm×100 mm，小于系統(tǒng)指標(biāo)(150 mm×150 mm×150 mm)，并且系統(tǒng)可以在20～250 m的區(qū)間內(nèi)正確檢測(cè)出符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的障礙物(圖17)，試驗(yàn)期間系統(tǒng)正常給車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)出了故障。

圖17 直線工況障礙物檢測(cè)情況

2.3.2.2軌面障礙物檢測(cè)試驗(yàn)

軌面障礙物檢測(cè)試驗(yàn)方法采用實(shí)車測(cè)試，在列車靜止的情況下，在列車前方100 m、200 m、250 m分別放置體積小于150 mm×150 mm×150 mm的障礙物鐵鞋(圖18)，要求系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地抓拍障礙物，且提供車載及地面報(bào)警信息。

圖18 軌面100 m和250 m障礙物檢測(cè)情況

軌面障礙物檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為：系統(tǒng)在直線區(qū)域內(nèi)正確識(shí)別出了障礙物，且障礙物體積小于150 mm×150 mm×150 mm。由結(jié)果分析可知，非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)可以非常準(zhǔn)確地探查到列車前方250 m以內(nèi)的軌面障礙物。

綜上，可以看出系統(tǒng)可以在20～250 m的區(qū)間內(nèi)，在彎道或直線工況下，正確檢測(cè)體積小于150 mm×150 mm×150 mm的軌道內(nèi)或軌面障礙物。試驗(yàn)期間系統(tǒng)均可以正常給車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)報(bào)出故障，因此證明非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)要求。

3 無人駕駛場(chǎng)景下2種檢測(cè)方案的優(yōu)劣分析

3.1 系統(tǒng)性能對(duì)比

非接觸式與接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的部分性能對(duì)比情況如表4所示。

表4 非接觸式與接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的部分性能對(duì)比情況

3.2 無人駕駛場(chǎng)景分析

在無人駕駛場(chǎng)景下，有多個(gè)場(chǎng)景與障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力、故障情況直接相關(guān)，針對(duì)這種情況，對(duì)以下場(chǎng)景進(jìn)行分析，以此對(duì)比2種檢測(cè)手段的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1) 列車喚醒場(chǎng)景(無人駕駛列車由OCC決定發(fā)車時(shí)，接收遠(yuǎn)程指令，自主喚醒)。接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)無論是否處于故障狀態(tài)均對(duì)喚醒場(chǎng)景無影響，而非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)需進(jìn)行自檢，若自檢不通過會(huì)影響列車發(fā)車。

(2) 場(chǎng)段調(diào)車場(chǎng)景(列車自車庫(kù)駛出前往正線的過程)。接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)接觸障礙物則觸發(fā)緊急制動(dòng)，同時(shí)給ATC和TCMS提供報(bào)警信息，故障若不涉及干結(jié)點(diǎn)則無影響也無法檢出。處理措施為：需要人員到場(chǎng)確認(rèn)狀態(tài)。非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物則報(bào)警，推送給OCC。若故障報(bào)警，可在OCC直接查看視頻及報(bào)警信息。處理措施為：可通過場(chǎng)段攝像機(jī)及非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)自帶攝像機(jī)進(jìn)行確認(rèn)，明確是否為障礙物再派人員處理。

(3) 正線運(yùn)營(yíng)站臺(tái)場(chǎng)景(列車運(yùn)行處于站臺(tái)可控區(qū)域)?；緺顟B(tài)等同于(2)的情況，僅場(chǎng)段攝像機(jī)改為站臺(tái)監(jiān)控。

(4) 正線運(yùn)營(yíng)區(qū)間場(chǎng)景(列車運(yùn)行處于站臺(tái)間，不屬于任一站臺(tái)可控區(qū))。接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)接觸障礙物則觸發(fā)緊急制動(dòng)，同時(shí)給ATC及TCMS提供報(bào)警信息。故障若不涉及干結(jié)點(diǎn)則無影響也無法檢出，若涉及干結(jié)點(diǎn)則無法觸發(fā)緊急制動(dòng)或緊急制動(dòng)無法在區(qū)間緩解。處理措施為：故障及實(shí)際障礙物均需要人員到場(chǎng)確認(rèn)狀態(tài)。非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物則報(bào)警，推送給OCC。若故障報(bào)警，可在OCC直接查看視頻及報(bào)警信息。處理措施為：可通過非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)自帶攝像機(jī)進(jìn)行確認(rèn)，若屬于系統(tǒng)誤判故障情況，可暫時(shí)忽略，行駛至站臺(tái)再進(jìn)行處理。如明確是障礙物，則需要派人員處理。

根據(jù)以上分析可以看出，非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)在無人駕駛工況下更加靈活，而傳統(tǒng)的接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)則具備更高的可靠性。

3.3 未來趨勢(shì)分析及總結(jié)

綜上，可以看出2種障礙物檢測(cè)系統(tǒng)各有優(yōu)劣，在無人駕駛的場(chǎng)景下，僅傳統(tǒng)的接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足要求。探測(cè)距離更遠(yuǎn)、給人反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)的非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，即使涉及到軟件及通信層面，非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)也已經(jīng)在安全設(shè)計(jì)和安全認(rèn)證兩方面趕超接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，未來如果非接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)可以將安全性不斷提升，達(dá)到可以直接介入列車制動(dòng)控制的級(jí)別，發(fā)展前景將更加廣闊。另一方面，接觸式障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的高可靠性目前還無法替代，2種檢測(cè)方式相互融合正成為趨勢(shì)，隨著軌道交通行業(yè)無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，2種檢測(cè)系統(tǒng)必將共同向著更安全、更智能的方向發(fā)展。