全自動(dòng)駕駛模式下站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

汪琴 劉秋新

(武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 武漢 430083)

0 引言

全自動(dòng)駕駛是一種先進(jìn)的軌道交通列車運(yùn)行控制技術(shù)。全自動(dòng)駕駛模式下，可根據(jù)列車、線路狀態(tài)預(yù)先設(shè)置好運(yùn)行參數(shù)，使得列車處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，減少鋼軌磨耗，提高運(yùn)營效率，降低成本[1]。全自動(dòng)駕駛列車反應(yīng)比人工更快、更精準(zhǔn)，可最大化減少人工操作帶來的人為誤差，使得列車的運(yùn)營更加高效，降低列車備用車的數(shù)量、提高列車出庫以及折返的效率，從而實(shí)現(xiàn)更小行車密度，提高城市軌道交通運(yùn)能[2]。全自動(dòng)駕駛可減少司機(jī)以及站務(wù)人員數(shù)量，節(jié)省運(yùn)營成本。全自動(dòng)駕駛已成為城市軌道交通發(fā)展的趨勢(shì)，但在其大力發(fā)展的背后，安全問題值得深入探討和研究。

站臺(tái)門作為站臺(tái)上與行車信號(hào)直接關(guān)聯(lián)的設(shè)備，承擔(dān)著保護(hù)乘客安全、引導(dǎo)乘客快速乘降、參與防災(zāi)救援等重要職能，其運(yùn)行的可靠性、安全性直接影響著乘客的安全以及列車的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)營。現(xiàn)有的站臺(tái)門都有自帶的監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控站臺(tái)門的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和速度曲線等來保證站臺(tái)門的正常運(yùn)行。然而，在全自動(dòng)駕駛模式下，對(duì)站臺(tái)門的自動(dòng)化、可靠性提出了更高的要求，運(yùn)行正常與否的監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對(duì)于數(shù)量眾多的站臺(tái)門，定期進(jìn)行人工檢修，工程量大不好操作，安全狀態(tài)的失控往往發(fā)現(xiàn)于事后，是一個(gè)重大的安全隱患[3]。全自動(dòng)駕駛模式下，發(fā)展更可靠、智能化的站臺(tái)門實(shí)時(shí)安全狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，是十分有必要的。

1 站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

1.1 全自動(dòng)駕駛模式對(duì)站臺(tái)門的要求

為了適應(yīng)全自動(dòng)駕駛的要求，站臺(tái)門系統(tǒng)需滿足以下要求：

(1)站臺(tái)門系統(tǒng)安全性更高。站臺(tái)門系統(tǒng)主體為機(jī)械設(shè)備，根據(jù)全自動(dòng)駕駛安全使用需求，需要對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估，安全認(rèn)證等級(jí)為SIL2級(jí)。SIL2級(jí)認(rèn)證具體包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、調(diào)試等全過程，取得認(rèn)證資格后方可交付運(yùn)營使用。

(2)每個(gè)滑動(dòng)門單元單獨(dú)控制，故障情況下實(shí)現(xiàn)與列車門對(duì)位隔離。對(duì)位隔離功能：當(dāng)列車個(gè)別車門故障隔離后，本列車停站時(shí)對(duì)應(yīng)的站臺(tái)門應(yīng)能保持鎖閉不參與停站的開、關(guān)門作業(yè)。相應(yīng)地，當(dāng)車站個(gè)別站臺(tái)門故障或被人工鎖閉隔離后，停該側(cè)站臺(tái)的所有列車相對(duì)應(yīng)的車門也保持鎖閉，不參與停站的開、關(guān)門作業(yè)。

(3)為保證乘客安全，站臺(tái)門系統(tǒng)需具備高可靠性的安全防夾裝置。全自動(dòng)駕駛線路采用的安全防夾探測(cè)系統(tǒng)有：紅外防夾探測(cè)系統(tǒng)和激光防夾探測(cè)系統(tǒng)兩種；信號(hào)的發(fā)射方式分為對(duì)射式和幕簾式。

1.2 站臺(tái)門安全監(jiān)控的需求

站臺(tái)門的高安全等級(jí)、對(duì)位隔離功能、安全防夾措施等從本體上保證了站臺(tái)門的安全，然而站臺(tái)門是一個(gè)系統(tǒng)工程，與周邊土建條件、隧道通風(fēng)、列車運(yùn)營等均存在著一定的關(guān)系，互相影響，根據(jù)系統(tǒng)論思想，應(yīng)該將站臺(tái)門以及與之相關(guān)聯(lián)的對(duì)象看作一個(gè)整體系統(tǒng)，從本質(zhì)上研究其結(jié)構(gòu)、功能、行為和動(dòng)態(tài)，以把握系統(tǒng)整體，達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)，從而為全自動(dòng)駕駛提供更為可靠的技術(shù)保證。

基于以上思想，需要建立站臺(tái)門及其周邊對(duì)象的監(jiān)控系統(tǒng)，主要監(jiān)控需求如下：

(1)站臺(tái)門外部工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)需求。外部工作環(huán)境包括列車風(fēng)壓的大小、土建的沉降變形、人群擠壓力等均會(huì)對(duì)站臺(tái)門的門體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等產(chǎn)生影響，通過對(duì)外部工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)并建立外部工作環(huán)境與站臺(tái)門狀態(tài)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門工作狀態(tài)的預(yù)測(cè)。

(2)站臺(tái)門狀態(tài)的監(jiān)測(cè)需求。站臺(tái)門狀態(tài)包括門體結(jié)構(gòu)的變形量、滑動(dòng)門開關(guān)時(shí)間、開關(guān)速度、門機(jī)狀態(tài)等反映站臺(tái)門的健康狀態(tài)，直接影響到行車、乘客的安全。

(3)站臺(tái)門故障預(yù)測(cè)的需求。通過對(duì)站臺(tái)門故障的預(yù)測(cè)，在故障之前進(jìn)行相應(yīng)的維修處理，提高其運(yùn)行的可靠性，減少因站臺(tái)門故障而導(dǎo)致乘客乘降不方便的情況，進(jìn)一步適應(yīng)全自動(dòng)駕駛模式。

2 站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)框架

根據(jù)全自動(dòng)駕駛的需求，建立站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)框架如下圖1所示。

系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控層、數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用層以及站臺(tái)門故障預(yù)測(cè)模型組成：

(1)現(xiàn)場監(jiān)控層。由數(shù)據(jù)采集傳感器、傳輸協(xié)議、傳輸途徑組成，分別對(duì)站臺(tái)門所處的外部環(huán)境、站臺(tái)門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用時(shí)間軸的形式，記錄每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將其存入外部環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫中，作為系統(tǒng)運(yùn)行的外部輸入數(shù)據(jù)。

圖1 站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(2)數(shù)據(jù)庫層。包括外部環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、站臺(tái)門狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、維修歷史數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、維修策略數(shù)據(jù)庫等，是系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)應(yīng)用層。提供系統(tǒng)運(yùn)行的人機(jī)界面，可進(jìn)行站臺(tái)門狀態(tài)的查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表的生產(chǎn)等功能。

(4)站臺(tái)門故障預(yù)測(cè)模型。整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：

①站臺(tái)門實(shí)時(shí)狀態(tài)獲取功能。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，獲取站臺(tái)門的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

②站臺(tái)門狀態(tài)模擬仿真功能。建立站臺(tái)門的BIM模型，采用ANSYS等軟件根據(jù)外部環(huán)境輸入量進(jìn)行站臺(tái)門狀態(tài)的計(jì)算機(jī)模擬仿真，并修正BIM模型。

③站臺(tái)門故障預(yù)測(cè)功能。根據(jù)站臺(tái)門的維修歷史、外部作用因素并結(jié)合站臺(tái)門的當(dāng)前狀態(tài)，采用人工智能算法進(jìn)行站臺(tái)門的故障預(yù)測(cè)。

④站臺(tái)門故障維修策略自動(dòng)生成功能。根據(jù)站臺(tái)門故障預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行站臺(tái)門維修周期、成本等方面的分析，從而確定最佳的維修時(shí)間以及維修方法。

3 站臺(tái)門智能安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

3.1 站臺(tái)門外部環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

站臺(tái)門外部環(huán)境監(jiān)測(cè)包括站臺(tái)門的風(fēng)壓、土建的沉降變形、人群擠壓力、行車密度[4]等。在站臺(tái)門的軌道側(cè)安裝風(fēng)壓傳感器，監(jiān)測(cè)列車風(fēng)的大??；分別在站臺(tái)板、底梁安裝位移傳感器，監(jiān)測(cè)土建的沉降量[5]，如圖2所示。

由于地鐵環(huán)境中存在電磁、振動(dòng)等各種干擾因素，因此傳感器需要選用抗干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的類型，如采用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)土建的沉降量。

3.2 站臺(tái)門狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

站臺(tái)門狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要針對(duì)滑動(dòng)門的變形量、開關(guān)門速度、門機(jī)的電流、電壓等[6]?；瑒?dòng)門變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，在最靠近站臺(tái)門限界的地點(diǎn)安裝位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站臺(tái)門的侵限情況。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意

圖3 滑動(dòng)門變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3.3 站臺(tái)門安全狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)

本文采用基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立站臺(tái)門的安全狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 站臺(tái)門安全狀態(tài)預(yù)測(cè)模型

隱藏層作為預(yù)測(cè)模型的關(guān)鍵層，包含了基于BIM技術(shù)對(duì)站臺(tái)門狀態(tài)的模擬仿真以及基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)預(yù)測(cè)、修正功能。

站臺(tái)門安全狀態(tài)預(yù)測(cè)模型運(yùn)行步驟(圖5)如下：①基于風(fēng)壓、行車密度、土建參數(shù)、電流等設(shè)計(jì)參數(shù)，建立站臺(tái)門運(yùn)維BIM三維仿真模型。②基于站臺(tái)門外部環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和站臺(tái)門狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，測(cè)得實(shí)際的風(fēng)壓、行車密度、土建沉降、電流、開關(guān)時(shí)間等參數(shù)。③對(duì)這些實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行降維、去噪、平滑等處理，使之能反映站臺(tái)門的當(dāng)前真實(shí)安全狀態(tài)。④將實(shí)測(cè)參數(shù)反饋給BIM模型進(jìn)行模型修正。⑤建立站臺(tái)門安全狀態(tài)相關(guān)參數(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)，通過一定數(shù)量的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)后得到較為理想的數(shù)學(xué)模型。⑥在綜合分析BIM模型與數(shù)學(xué)模型得出的站臺(tái)門的變形值、沉降值、摩擦值、振動(dòng)值等反映站臺(tái)門安全狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)輸出值的基礎(chǔ)上，建立循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)參數(shù)偏差原因進(jìn)行分析，辨識(shí)出將會(huì)導(dǎo)致站臺(tái)門故障的因素，結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析，提出維修方案，并對(duì)站臺(tái)門使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖5 站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)流程

根據(jù)站臺(tái)門安全狀態(tài)預(yù)測(cè)模型輸出結(jié)果，站臺(tái)門運(yùn)維管理人員能擬定科學(xué)高效的檢修計(jì)劃，有效避免安全事故發(fā)生。

4 結(jié)語

在全自動(dòng)駕駛模式下，站臺(tái)門自有監(jiān)控系統(tǒng)滿足不了軌道交通列車運(yùn)行的安全控制需求，站臺(tái)門的故障常要到事后才能發(fā)現(xiàn)，且故障原因難以在短時(shí)間分析得出，安全隱患大。本文建立全自動(dòng)駕駛模式下站臺(tái)門智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，從站臺(tái)門運(yùn)行外部環(huán)境參數(shù)和自身運(yùn)行參數(shù)出發(fā)，全面監(jiān)測(cè)站臺(tái)門安全狀態(tài)，構(gòu)建安全狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間、使用經(jīng)濟(jì)壽命，提出維修建議，主動(dòng)掌握站臺(tái)門安全狀態(tài)，結(jié)合BIM技術(shù)，能更直觀找到故障原因，提高站臺(tái)門維修效率，有效降低運(yùn)維成本。