跨坐式單軌列車司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)置

姚 遠(yuǎn) 黃坤林

(蕪湖市運(yùn)達(dá)軌道交通建設(shè)運(yùn)營有限公司，241006，蕪湖//第一作者，工程師)

在我國，軌道交通的全自動運(yùn)行已從探索階段進(jìn)入到實際開發(fā)和應(yīng)用階段。蕪湖市軌道交通1號線及2號線一期工程采用了具備全自動運(yùn)行功能的跨坐式單軌系統(tǒng)，列車不設(shè)駕駛室，支持無人值守列車運(yùn)行(UTO)模式。

在軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)正常工作時，列車主要依靠信號系統(tǒng)控制運(yùn)行，不需要司機(jī)手動駕駛，僅在系統(tǒng)故障時需要司機(jī)實施應(yīng)急處置。在信號系統(tǒng)發(fā)生故障時，尤其是在切除ATP(列車自動防護(hù))的全人工駕駛模式下，列車的行車安全完全由司機(jī)負(fù)責(zé)，對司機(jī)的要求很高。由于司機(jī)日常已經(jīng)習(xí)慣了列車處于自動運(yùn)行狀態(tài)，若司機(jī)的應(yīng)急處置不合理，可能會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的事故?；诖耍谒緳C(jī)手動駕駛列車時，可通過設(shè)置相關(guān)的輔助系統(tǒng)來幫助司機(jī)實現(xiàn)安全駕駛，這也是軌道交通全自動運(yùn)行發(fā)展的必然趨勢。本文對跨坐式單軌車輛在全自動運(yùn)行下司機(jī)的駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)有司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)的主要技術(shù)形式

1. 1 列車防碰撞系統(tǒng)

1. 1. 1 基于GPS/北斗定位系統(tǒng)的列車防碰撞系統(tǒng)

通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取列車的位置信息,對這些信息進(jìn)行計算和處理，再通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相鄰列車的信息交互。當(dāng)相鄰的兩列車距離超過設(shè)定的安全距離時，車載設(shè)備將發(fā)生警報或觸發(fā)列車制動。

1. 1. 2 基于雷達(dá)技術(shù)的列車防碰撞系統(tǒng)

列車運(yùn)行時，通過安裝在列車前部的雷達(dá)，探測位于列車運(yùn)行前方的其他列車、車擋或障礙物等物體，并通過雷達(dá)波發(fā)射和接收到反射波的時間差，計算出前方物體與列車的距離。當(dāng)此距離小于規(guī)定距離時，系統(tǒng)報警，從而保障列車運(yùn)行安全。

1. 1. 3 基于磁柵標(biāo)尺定位的列車防碰撞系統(tǒng)

如圖1所示，該系統(tǒng)在線路上設(shè)置磁性標(biāo)尺，標(biāo)尺上設(shè)有線路里程信息。列車通過車載裝置時讀取磁性標(biāo)尺信息，從而確定列車位置。車載設(shè)備通過無線通信方式將列車位置發(fā)送至地面設(shè)備，地面設(shè)備收集所有在線運(yùn)行的列車定位信息，并進(jìn)行計算；當(dāng)兩列車間的距離突破安全距離，或列車距離線路端部過近時，系統(tǒng)發(fā)出警報，從而避免列車碰撞。

圖1 基于磁柵標(biāo)尺定位的列車防碰撞系統(tǒng)原理示意圖

1. 1. 4 線路端部防碰撞系統(tǒng)

在線路端部一定安全距離范圍內(nèi)設(shè)觸停桿，列車端部設(shè)觸停線。當(dāng)列車接近線路端部并超越其正常停車位置時，觸停桿截斷觸停線，觸停線串入列車緊急制動回路，觸發(fā)列車緊急制動，從而保證列車不會沖出線路端部。我國首條以無人值守列車運(yùn)行GoA4等級開通的自動旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)——上海軌道交通浦江線采用了此防碰撞系統(tǒng)，其觸停線如圖2所示。

圖2 上海軌道交通浦江線的列車觸停線

1. 2 線路障礙物探測系統(tǒng)

1. 2. 1 在列車前端下部設(shè)置列車排障器

通過設(shè)置在列車前端下部的排障器(如圖3)，用以清除線路上的障礙物。當(dāng)遇到無法清除的較大障礙物且障礙物對設(shè)置在列車前端的排障橫梁產(chǎn)生的力超過一定限值時，可觸發(fā)列車制動。

圖3 列車排障器示意圖

1. 2. 2 基于圖像成型技術(shù)的障礙物探測

采用光學(xué)傳感器，運(yùn)用圖像檢測理論來進(jìn)行障礙物檢測。通過多次采集線路數(shù)據(jù),建立起該線路的數(shù)據(jù)模型。列車運(yùn)行時，車載攝像機(jī)采集列車運(yùn)行前方的實時數(shù)據(jù)。通過對實時數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的對比分析，可判斷列車行進(jìn)前方是否存在障礙物。

2 現(xiàn)有司機(jī)駕駛輔助技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2. 1 列車防碰撞系統(tǒng)

基于衛(wèi)星定位的列車防碰撞系統(tǒng)在地面或高架線路上的定位精度高;但在地下區(qū)間，由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號無法完全覆蓋，存在信號盲區(qū)，無法對列車進(jìn)行精確定位。

基于雷達(dá)的列車防碰撞系統(tǒng)技術(shù)成熟、設(shè)備配置簡單。但雷達(dá)波為直線傳播，在小曲線區(qū)段的適用性較差，可能無法及時發(fā)現(xiàn)前方的運(yùn)行列車。

基于磁柵定位的列車防碰撞系統(tǒng)需要在全線布置定位磁柵，設(shè)置無線通信設(shè)備，系統(tǒng)建設(shè)及維護(hù)成本較高。

線路端部防碰撞系統(tǒng)構(gòu)成簡單，但觸停線較脆弱，可靠性較低，誤觸發(fā)率偏高，且防護(hù)區(qū)域有限。

2. 2 線路障礙物探測系統(tǒng)

列車排障器設(shè)置在列車上，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但是，只有在障礙物與列車存在實際接觸且超過一定的碰撞力值后，系統(tǒng)才能觸發(fā)列車制動。因而，該系統(tǒng)只能降低列車碰撞帶來的危害，不能完全避免列車與障礙物發(fā)生碰撞。

基于圖像成型技術(shù)的障礙物探測技術(shù)算法復(fù)雜，計算量大，受環(huán)境、天氣、列車振動、線路條件等干擾因素較多。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，可通過升級軟件算法及機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，來進(jìn)一步提高障礙物的識別率，降低誤報率。圖像檢測方法將在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 跨坐式單軌車輛的司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)

跨坐式單軌的轉(zhuǎn)彎半徑小，限速區(qū)段多，對列車速度控制要求較高。由于采用“梁軌合一”的形式，軌道梁下方?jīng)]有平臺承接，一旦發(fā)生列車超速、沖出線路端部、沖出道岔等事故，可能產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。因而，針對跨坐式單軌的特點(diǎn)，在出現(xiàn)碰撞(包括列車間碰撞、列車與障礙物碰撞、列車沖撞車擋等)、列車沖出道岔及列車超速等情況時，及時向司機(jī)告警并輔助司機(jī)介入列車控制是十分必要的。

通過對現(xiàn)有列車的司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)進(jìn)行對比可知，缺少了針對列車沖出道岔及列車超速這2個方面進(jìn)行防護(hù)的措施。因此，基于巴西圣保羅軌道交通項目原型的手動駕駛限速檢測系統(tǒng)(MSRDS)，蕪湖市軌道交通1號線、2號線一期工程采用了跨坐式單軌制式，并配套設(shè)置了司機(jī)手動駕駛輔助系統(tǒng)。

3. 1 司機(jī)手動駕駛輔助系統(tǒng)

3. 1. 1 道岔區(qū)域防護(hù)

在道岔區(qū)域前設(shè)置多個防沖岔射頻標(biāo)簽。如圖4所示，道岔的通路信息經(jīng)過計算與處理后發(fā)送給這些標(biāo)簽。當(dāng)列車經(jīng)過該區(qū)域時，若讀取到的標(biāo)簽信息為“可通過”，則列車正常通過該區(qū)段；若讀取到的標(biāo)簽信息為“不可通過”，則列車施加緊急制動。

圖4 防沖岔射頻標(biāo)簽設(shè)置方案示意圖

3. 1. 2 限速區(qū)域防護(hù)

根據(jù)列車運(yùn)行方向，如圖5所示，在線路限速區(qū)段前方設(shè)置限速射頻標(biāo)簽。列車通過該標(biāo)簽區(qū)域時，通過讀取標(biāo)簽，自動觸發(fā)列車限速報警；在線路限速區(qū)段后方設(shè)置限速解除標(biāo)簽，列車通過該標(biāo)簽區(qū)域時，通過讀取標(biāo)簽，自動解除列車限速報警。進(jìn)入該區(qū)段的限速標(biāo)簽可作為列車反向駛出該區(qū)段的限速解除標(biāo)簽。

圖5 限速射頻標(biāo)簽設(shè)置方案

3. 1. 3 線路端部防護(hù)

在線路端部一定安全距離范圍內(nèi)設(shè)置線路端部射頻標(biāo)簽。列車通過該標(biāo)簽區(qū)域時，通過讀取標(biāo)簽，自動觸發(fā)緊急制動，以確保不會沖出線路端部。其設(shè)置方案如圖6所示。

圖6 線路端部射頻標(biāo)簽設(shè)置方案

司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)的防護(hù)區(qū)域比較全面，但須保證系統(tǒng)的可靠性，且在信號系統(tǒng)正常的情況下，該系統(tǒng)不得影響信號系統(tǒng)的正常工作。蕪湖市軌道交通1號線、2號線一期工程的司機(jī)手動駕駛輔助系統(tǒng)在設(shè)計階段通過優(yōu)化系統(tǒng)配置方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能需求，在設(shè)計上保證了較高的可靠性；在系統(tǒng)設(shè)計方案穩(wěn)定后，通過搭建模擬試驗平臺和線路測試進(jìn)行功能驗證，以進(jìn)一步確保產(chǎn)品的可用性和可靠性。

3. 2 線路障礙物探測

線路障礙物探測系統(tǒng)根據(jù)列車是否實際接觸障礙物分為主動防護(hù)型和被動防護(hù)型?；谀壳暗募夹g(shù)水平，由于主動防護(hù)型的系統(tǒng)技術(shù)難度較大、系統(tǒng)可靠性不高，在實際項目上多采用被動防護(hù)型系統(tǒng)。但被動防護(hù)型系統(tǒng)只能在一定程度上減少列車碰撞所帶來的后果，不能夠從根源上避免列車發(fā)生碰撞。

蕪湖市軌道交通1號線、2號線一期項目所選用車輛原型設(shè)計方案為通過轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行排障。為完善系統(tǒng)的障礙物探測功能，項目擬采用與科研合作的方式，在單軌車輛上試裝基于圖像成型的障礙物探測系統(tǒng)，用于探測限界范圍內(nèi)可能存在的列車、移動障礙物、固定障礙物等，從而實現(xiàn)對司機(jī)的預(yù)警，避免發(fā)生碰撞事故。

4 結(jié)語

現(xiàn)有的司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)方案大多處于研發(fā)、試驗驗證或產(chǎn)品可靠性驗證階段，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、適用性均有待進(jìn)一步確認(rèn)，需要通過科研、產(chǎn)品升級、技術(shù)方案調(diào)整等手段，不斷探索適用于跨坐式單軌系統(tǒng)的司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)方案。

司機(jī)駕駛輔助系統(tǒng)僅作為輔助司機(jī)駕駛操作的一種手段。在人工駕駛模式下，司機(jī)仍須按照運(yùn)營駕駛管理規(guī)章制度的要求，規(guī)范行車，不應(yīng)也不得過度依賴這些輔助系統(tǒng)。