全自動地鐵車輛自感知防護(hù)系統(tǒng)配置探討

溫朋哲， 董劍鋒， 王九州， 徐道亮

（1.天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司全自動運(yùn)行技術(shù)研究中心，天津 300392；2.北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068）

《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》于2020年3 月12 日正式發(fā)布實(shí)施，明確了智慧城軌建設(shè)目標(biāo)，指明了智慧城軌的建設(shè)路徑和方向，要求2025 年全自動運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)城軌A 型車、B 型車、D 型車智能化、簡統(tǒng)化。全自動運(yùn)行系統(tǒng)（FAO）是基于現(xiàn)代計算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)[1]。全自動運(yùn)營場景是指在一定時間、空間內(nèi)全自動運(yùn)行系統(tǒng)中各專業(yè)系統(tǒng)的交互行為，是對用戶需求的直觀體現(xiàn)，是各專業(yè)確定系統(tǒng)配置的直接依據(jù)[2]。不同全自動運(yùn)行線路的實(shí)際需求存在差異，制定的場景文件包含的場景數(shù)量以及同樣場景下各子系統(tǒng)的功能分配不盡相同。本文從全自動運(yùn)行線路運(yùn)營場景入手，對車輛系統(tǒng)新增功能進(jìn)行歸納總結(jié)并重點(diǎn)研究全自動車輛自感知防護(hù)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行地鐵車輛標(biāo)準(zhǔn)化配置提供參考。

1 全自動運(yùn)行車輛新增功能

通過對天津、北京和上海的全自動運(yùn)營場景進(jìn)行對比分析[1～3]，歸納出全自動運(yùn)行車輛新增的18 個共性功能：喚醒、休眠、全自動運(yùn)行模式選擇及司機(jī)室激活、車門自動控制、跳躍功能、空調(diào)遠(yuǎn)程控制、照明遠(yuǎn)程控制、電笛控制、自動復(fù)位及遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程隔離控制、遠(yuǎn)程緊急制動控制、自動降級功能、受電弓遠(yuǎn)程控制、緊急對講、障礙物檢測、輔助防撞、脫軌檢測及走行部在線監(jiān)測。

2 全自動運(yùn)行車輛自感知防護(hù)系統(tǒng)配置

全自動運(yùn)行地鐵車輛與傳統(tǒng)車輛的差異重點(diǎn)體現(xiàn)在由司機(jī)完成的相關(guān)工作均由設(shè)備替代完成，由司機(jī)感知逐漸向車輛自感知轉(zhuǎn)化。為保證運(yùn)營安全，全自動運(yùn)行車輛需建立完善的自感知防護(hù)系統(tǒng)，自主識別線路中車輛、信號燈、障礙物等，在車輛通信故障時自感知防護(hù)系統(tǒng)可提高降級模式下列車的運(yùn)行效率。目前車輛自感知防護(hù)系統(tǒng)主要包括接觸式障礙物檢測、主動障礙物檢測、輔助防撞及脫軌檢測。

2.1 接觸式障礙物檢測系統(tǒng)

目前接觸式障礙物檢測系統(tǒng)技術(shù)已比較成熟，由機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，見圖1。

圖1 接觸式障礙物檢測系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)械系統(tǒng)由檢測橫梁、可調(diào)節(jié)高度的齒狀金屬板、板彈簧及固定裝置組成[4]，安裝于頭（尾）車第一個轉(zhuǎn)向架前端；電氣系統(tǒng)為安裝于列車電氣柜中的車載主機(jī)。系統(tǒng)間采用電纜連接，將機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)傳遞給電氣系統(tǒng)。

接觸式障礙物檢測系統(tǒng)技術(shù)原理見圖2。

圖2 接觸式障礙物檢測技術(shù)原理

當(dāng)碰撞能量較低，彈簧產(chǎn)生的位移較小時（未超出設(shè)定值），接觸橫梁將障礙物清掃出軌道，列車?yán)^續(xù)前進(jìn)。

2.2 主動障礙物檢測

行車路線中的侵限障礙物會對列車形成碰撞威脅。配置主動障礙物檢測系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離線路障礙進(jìn)行檢測，提前預(yù)警制動，是列車自感知防護(hù)的迫切需求。

障礙物識別主要依賴圖像識別技術(shù)和雷達(dá)探測技術(shù)[5～6]。為適應(yīng)復(fù)雜多變的應(yīng)用場景，克服單一技術(shù)手段的缺陷，目前列車主動障礙物檢測主要采取AI 視覺傳感器技術(shù)與激光雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的方式。常規(guī)系統(tǒng)配置包括車載控制主機(jī)、視覺傳感器（長焦攝像機(jī)+近焦攝像機(jī)）、激光雷達(dá)、顯示器，見圖3。

圖3 主動障礙物檢測系統(tǒng)構(gòu)架

車載控制主機(jī)包括電源模塊、交換機(jī)模塊、視覺圖像處理模塊、激光雷達(dá)處理模塊及通信模塊，是實(shí)現(xiàn)視頻圖像處理、激光雷達(dá)信息處理、定位、測距、測速以及通信的核心。

AI 視覺技術(shù)主要用于探測中遠(yuǎn)距離（400 m 左右范圍）障礙物，其本質(zhì)屬于機(jī)器視覺的應(yīng)用。機(jī)器視覺領(lǐng)域的核心問題之一是檢測出圖像或視頻中感興趣的物體并檢測出物體的位置和大小。AI 視覺檢測主要依靠卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，由于軌行區(qū)范圍內(nèi)物體數(shù)據(jù)較多且存在動態(tài)物體（如人、掉落管線）等，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的適用性，可以對定義的目標(biāo)進(jìn)行檢測和識別。鋼軌作為特殊的物體，可通過AI語義分割神經(jīng)進(jìn)行自動分割。

激光雷達(dá)主要用于探測近距離（200 m 左右范圍）障礙物。采用多線激光雷達(dá)掃描，基于高精度激光回波信號測量技術(shù)采集列車前方畫面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件算法進(jìn)行拼接、標(biāo)定，快速生成軌行區(qū)橫斷面數(shù)據(jù)地圖，將獲取的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實(shí)現(xiàn)列車以及障礙物的實(shí)時定位。激光雷達(dá)探測技術(shù)精度高、速度快且數(shù)據(jù)完整。

數(shù)據(jù)融合處理模塊實(shí)時接收視覺檢測信息和激光雷達(dá)檢測信息，對不同傳感器檢測的障礙物信息進(jìn)行時間和空間上的匹配，通過綜合評估判定結(jié)果。

2.3 輔助防撞系統(tǒng)

正常情況下，列車運(yùn)行安全由ATP（列車自動防護(hù)）系統(tǒng)予以保證[7]。ATP 失效后降級運(yùn)行情況下，常規(guī)列車主要依賴降級運(yùn)行的規(guī)章制度及司機(jī)經(jīng)驗(yàn)保證行車安全，缺乏設(shè)備層面的安全保證。

輔助防撞系統(tǒng)主要通過二次雷達(dá)通信技術(shù)對地鐵列車之間距離、相對速度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)ATP切除或故障等工況下，提示前車距離和報警，必要時可輸出緊急制動。列車輔助防撞系統(tǒng)的核心為實(shí)時監(jiān)測本車與前車之間的距離，其技術(shù)原理主要有兩種。

一種是列車頭尾兩端各安裝一套車載防撞設(shè)備，司機(jī)駕駛室的激活端作為主控端，非激活端作為輔助端，車距直接通過前后兩列車的雷達(dá)測距進(jìn)行測量。此種方式下只需在折返線區(qū)域配置信號標(biāo)簽即可，其他區(qū)域無需配置地面設(shè)備。見圖4。

圖4 列車輔助防撞系統(tǒng)原理一

另一種除在列車頭尾兩端各安裝一套車載防撞設(shè)備外，還需在地面布置用于為車載防撞設(shè)備提供位置標(biāo)記的地面設(shè)備。車載防撞設(shè)備由系統(tǒng)主機(jī)、二次雷達(dá)模塊/天線組成，主要布置在區(qū)間、道岔、側(cè)線等位置[8]。此方式的防撞系統(tǒng)通過二次雷達(dá)的測距技術(shù)實(shí)時測量列車和地面設(shè)備之間的距離并結(jié)合車載電子地圖數(shù)據(jù)計算列車的位置信息。通過二次雷達(dá)的通信技術(shù)在前后列車之間交互列車位置信息，計算列車之間的距離。見圖5。

圖5 列車輔助防撞系統(tǒng)原理二

2.4 脫軌檢測

目前脫軌檢測方式較為多樣，有壓敏電阻式、振動分析式及軌道檢測式，其中振動分析式應(yīng)用較多。

列車正常運(yùn)行狀態(tài)下，輪對只與鋼軌發(fā)生接觸，當(dāng)列車輪對脫離鋼軌時，會最先與扣件或軌枕發(fā)生正面碰撞并產(chǎn)生強(qiáng)烈的、有規(guī)律的沖擊及振動信息；通過對安裝在轉(zhuǎn)向架軸箱處的傳感器信號同步連續(xù)采樣，采用步進(jìn)式進(jìn)行一次脫軌診斷，當(dāng)左右輪對同時檢測到連續(xù)多個強(qiáng)沖擊且間隔滿足軌枕間距對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)時，便能確認(rèn)輪對已經(jīng)脫軌，系統(tǒng)將觸發(fā)列車施加緊急制動，同時迅速報警并將報警信息持續(xù)輸出到TCMS，系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過車地?zé)o線傳輸通道實(shí)時傳輸?shù)絆CC。

3 結(jié)論與展望

車輛作為軌道交通的最終實(shí)現(xiàn)載體，為滿足全自動運(yùn)行系統(tǒng)要求，需不斷完善自身的自感知功能，其根本目的始終是更安全、更高效、更智能。目前全自動運(yùn)行車輛配置已接近標(biāo)準(zhǔn)化，接下來需不斷精簡車輛控制系統(tǒng)構(gòu)架，降低全生命周期成本并通過多傳感器及人工智能技術(shù)，使列車具備更強(qiáng)的環(huán)境感知及決策能力。