新型地鐵列車自主定位及主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)研究

蔣先進(jìn)，范建偉，蔣淮申

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100036）

1 列車定位系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，由于地鐵無法使用GPS 或北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，地鐵列車定位和超速防護(hù)依靠軌旁設(shè)備和車載ATP 設(shè)備，只有獲取線路上全部列車的位置、速度信息，才能進(jìn)行列車行車許可和移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算，列車的定位和移動(dòng)授權(quán)計(jì)算完全依賴軌旁設(shè)備，信息傳遞復(fù)雜、成本較高。且列車對軌道上的障礙沒有直接的安全檢測和防護(hù)方法，在軌道上出現(xiàn)障礙或人工駕駛出錯(cuò)等意外狀況時(shí)無有效技術(shù)手段防止列車事故發(fā)生，行車安全無法得到保證，現(xiàn)有地鐵列車定位系統(tǒng)如圖1 所示。

車載設(shè)備主要包括應(yīng)答器接收設(shè)備、編碼里程計(jì)、多普勒雷達(dá)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備（ATP）。

圖1 現(xiàn)有地鐵列車定位系統(tǒng)Fig.1 Existing metro train positioning system

軌旁設(shè)備主要是應(yīng)答器。應(yīng)答器安裝于軌道旁邊，位置固定，為列車絕對定位依據(jù)，當(dāng)列車通過時(shí)應(yīng)答器會(huì)自動(dòng)發(fā)送定位報(bào)文，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容不同和實(shí)際列車定位要求，分為出庫應(yīng)答器、區(qū)間運(yùn)行應(yīng)答器、進(jìn)站應(yīng)答器、停車到位應(yīng)答器等。

編碼里程計(jì)安裝于列車輪軸上，車載ATP 通過對即時(shí)速度進(jìn)行積分（或求和）獲得列車的運(yùn)行距離，因速度傳感器存在較大誤差，列車需通過軌旁應(yīng)答器后對速度上報(bào)的定位信息進(jìn)行重新標(biāo)定。

這種嚴(yán)重依賴于軌旁設(shè)備的定位模式，導(dǎo)致目前地鐵列車建設(shè)難度大、施工過程繁瑣。在列車交付運(yùn)營后，故障率高且維修難度大，同時(shí)由于應(yīng)答器原理、報(bào)文等不同，使相同城市的不同線路之間地鐵列車很難互聯(lián)互通。

2 列車防撞系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前地鐵列車的防撞方式主要分為主動(dòng)防撞和被動(dòng)防撞。主動(dòng)防撞基于定位和車地通訊，每輛列車通過自身定位系統(tǒng)感知行駛位置并上報(bào)控制中心，中心通過對列車行駛的控制調(diào)度，將后車與前車之間保持在安全距離。主動(dòng)防撞僅能系統(tǒng)正常工作時(shí)避免發(fā)生列車追尾事故，而無法探測其他障礙物。

被動(dòng)防撞基于列車頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是在發(fā)生碰撞之后使產(chǎn)生的危害最低，無法避免碰撞事件的發(fā)生。

3 新型地鐵列車自主定位和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

以新一代地鐵列車控制系統(tǒng)應(yīng)用為背景，遵循多源定位信息融合、差異化設(shè)計(jì)的原則，系統(tǒng)架構(gòu)采用三裕度設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)高可靠、高精度的地鐵列車自主定位和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。

新型地鐵列車自主定位和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)由車地通訊設(shè)備、時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)處理設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、視覺設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備和電源變換裝置組合而成。地鐵列車自主定位和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)組成如圖2 所示。各組成部分的功能如表1 所示。

主要研究內(nèi)容：基于弱耦合關(guān)系下的多源定位信息三裕度系統(tǒng)架構(gòu)；高精度系統(tǒng)時(shí)鐘同步及多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)；基于自修正技術(shù)的慣性導(dǎo)航高精度自主定位技術(shù)；地鐵環(huán)境低光照條件下二維碼信標(biāo)準(zhǔn)確識別及高精度測距技術(shù)；地鐵環(huán)境下雷達(dá)避障信號高精度采集技術(shù)。

3.1 基于弱耦合關(guān)系下的多源定位信息三裕度系統(tǒng)架構(gòu)研究

地鐵運(yùn)行涉及公共安全和人身安全，其運(yùn)行安全性和可靠性尤為重要。作為地鐵列車運(yùn)行位置的感知、檢測、匯總、上報(bào)的列車自主定位系統(tǒng)，上報(bào)的位置精度、準(zhǔn)確度以及通訊鏈路的實(shí)時(shí)性和可靠性是影響列車自動(dòng)駕駛成敗的關(guān)鍵因素之一。

系統(tǒng)在研制之初，即制定了三裕度的系統(tǒng)架構(gòu)，確保全系統(tǒng)在一度故障下列車不存在涉及功能安全的故障隱患。同時(shí)為防止三裕度系統(tǒng)中共因失效導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作異常的問題，提出了差異化設(shè)計(jì)的思路，采用慣性導(dǎo)航、視覺定位、雷達(dá)避障的3 種不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位設(shè)備造成的共因失效。此外，為了避免定位精度在系統(tǒng)內(nèi)傳遞過程中出現(xiàn)逐次放大的問題，采用一種基于列車運(yùn)行全過程定位任務(wù)劃分的多源定位信息弱耦合技術(shù)，減少各源定位數(shù)據(jù)的相互交聯(lián)，逐層解耦、頂端融合，防止定位精度傳遞過程中的放大問題以及下級設(shè)備失效對上級設(shè)備定位精度的影響。

3.2 高精度系統(tǒng)時(shí)鐘同步及多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

圖2 地鐵列車自主定位和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of metro train self-positioning and active protection system composition

表1 地鐵列車自主定位和主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)功能Tab.1 Metro train self-positioning and active protection system functions

自主定位系統(tǒng)內(nèi)部采用的總線形式為“命令應(yīng)答式”，即作為頂層設(shè)備的時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備以額定時(shí)間間隔依次向多源定位終端發(fā)送命令字，各終端設(shè)備依次上報(bào)“當(dāng)前”檢測的列車位置數(shù)據(jù)，時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備對多源定位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并上報(bào)車載ATP。在列車運(yùn)行的情況下，若三裕度時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)處理設(shè)備在進(jìn)行定位信息采集時(shí)，每個(gè)裕度發(fā)送的命令字時(shí)刻不統(tǒng)一，則得到的定位數(shù)據(jù)必然離散，所進(jìn)行的后續(xù)融合處理必然毫無意義。

為了解決三裕度系統(tǒng)時(shí)鐘高精度同步和多源信息處理的問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展了基于IEEE1588 亞微秒級PTP 高精度時(shí)鐘同步方法研究、時(shí)鐘同步硬件單元模塊設(shè)計(jì)、三冗余節(jié)點(diǎn)主從選舉算法研究、高速數(shù)據(jù)處理硬件單元模塊設(shè)計(jì)研究等相關(guān)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了三裕度系統(tǒng)時(shí)鐘亞微秒級同步。

3.3 基于自修正技術(shù)的慣性導(dǎo)航高精度自主定位技術(shù)研究

由于地鐵環(huán)境因素，地鐵列車在隧道內(nèi)無法使用GPS 或北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，因此采用慣性導(dǎo)航來解決站間地鐵列車的定位問題，即地鐵列車在站間行駛時(shí)主要依賴于慣性導(dǎo)航為主以明確列車當(dāng)前位置，輔助于雷達(dá)避障。眾所周知，慣性導(dǎo)航技術(shù)在工作初始，導(dǎo)航精度較高且滿足系統(tǒng)使用要求，但隨著時(shí)間的增加，慣導(dǎo)內(nèi)部的陀螺儀會(huì)隨時(shí)間呈現(xiàn)隨機(jī)漂移，導(dǎo)致導(dǎo)航精度會(huì)急劇劣化。

為進(jìn)一步提高慣導(dǎo)自主導(dǎo)航的定位精度，同時(shí)對比傳統(tǒng)軍工行業(yè)對慣導(dǎo)的使用要求，并結(jié)合地鐵運(yùn)行特點(diǎn)采取如下措施以提高慣導(dǎo)自主定位精度。

相對于導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)等應(yīng)用背景，地鐵列車具有低速、長航時(shí)，且間歇性到站停車的特點(diǎn)，針對該應(yīng)用背景，采用零速檢測及修正技術(shù)，確保慣導(dǎo)在到站停車時(shí)定位精度不發(fā)散。

相對于導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)等應(yīng)用時(shí)需得到載體的航向、俯仰、橫滾等導(dǎo)航參數(shù)，地鐵列車僅具備沿軌道方向（縱向）的位置變化，垂直軌道方向（橫向）和高度方向變化較小，因此，采用運(yùn)動(dòng)約束修正技術(shù)，進(jìn)一步提高慣導(dǎo)自主導(dǎo)航定位精度。

慣導(dǎo)在導(dǎo)航過程中，瞬間出現(xiàn)較大的角動(dòng)量對導(dǎo)航精度影響較大。根據(jù)調(diào)查，目前地鐵列車最小轉(zhuǎn)彎半徑為125 m，且在列車轉(zhuǎn)彎過程中時(shí)速一般小于30 km，不存在武器系統(tǒng)或飛機(jī)出現(xiàn)的瞬間較大角動(dòng)量擾動(dòng)，因此，通過優(yōu)化慣導(dǎo)的硬件配置，提高慣導(dǎo)采樣速率，優(yōu)化采樣算法，通過試驗(yàn)合理設(shè)置角動(dòng)量采樣閾值，進(jìn)一步提升慣導(dǎo)自主導(dǎo)航定位精度。

3.4 地鐵環(huán)境下二維碼信標(biāo)準(zhǔn)確識別及高精度測距技術(shù)研究

慣性導(dǎo)航的原理是通過慣性器件對時(shí)間進(jìn)行二次積分得到載體的位置信息，為了體現(xiàn)差異化設(shè)計(jì)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用視覺定位系統(tǒng)作為輔助完成地鐵列車自主定位系統(tǒng)的研制。視覺定位的原理是通過雙目視覺采集設(shè)備，根據(jù)成像點(diǎn)距離和雙目之間的焦距即可計(jì)算出雙目采集設(shè)備距離目標(biāo)成像點(diǎn)的距離，與慣導(dǎo)定位原理不同。

視覺設(shè)備雙目測距原理如圖3 所示。以列車行進(jìn)方向左邊的二維碼信標(biāo)為例，定義車頭左右攝像頭水平間距為T，兩個(gè)呈像點(diǎn)之間間距為I，攝像頭焦距為f，因此車頭距離二維碼信標(biāo)水平距離處的距離D如公式（1）所示。

基于距離信息的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)還能完成列車速度的實(shí)時(shí)計(jì)算，假定在時(shí)刻T1，列車距離某一路段的二維碼標(biāo)識為D1，T2時(shí)刻，列車距離該二維碼標(biāo)識為D2，此時(shí)列車在該時(shí)段內(nèi)的平均行進(jìn)速度如公式（2）所示。

圖3 雙目測距原理Fig.3 Principle of binocular ranging

其中V即為列車的實(shí)時(shí)行進(jìn)速度。

由于地鐵環(huán)境中，光照條件差，可視范圍小，為確保二維碼信標(biāo)識別的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開展了如下研究。

1）低光照條件的二維碼準(zhǔn)確識別技術(shù)

隧道低光照條件下，通過圖像增強(qiáng)、從畫面中定位二維碼，以完成后續(xù)測距計(jì)算。此外，由于二維碼圖像可以只由兩種不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，采用對比度比較好的顏色進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，為了增強(qiáng)識別效率，選用反光涂料以及對比度明顯的顏色完成二維碼實(shí)際繪制。

2）高可靠距離測量技術(shù)研究

利用雙目攝像頭的視覺差實(shí)現(xiàn)雙目視覺測距，并確保測量精度達(dá)到規(guī)范要求。

3）運(yùn)動(dòng)條件下的圖像識別處理技術(shù)研究

在地鐵列車運(yùn)動(dòng)過程中，對圖像的清晰度會(huì)有很大的影響。運(yùn)動(dòng)速度越快，在相同快門時(shí)間內(nèi)，同一目標(biāo)在畫面中運(yùn)動(dòng)距離越大，這對識別二維碼及測距都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

當(dāng)車輛在30 km/h 的時(shí)候，通過采用幀率較高的攝像頭來增大圖像的采樣，同時(shí)通過縮短二維碼的解碼時(shí)間，并在圖像比較模糊的情況下通過圖像的修正來盡可能還原圖像，達(dá)到識別效果，而提高識別二維碼的進(jìn)度，便能夠進(jìn)一步提高距離測算。

車輛在5 km/h 以下時(shí)，由于車速較慢，識別二維碼的距離精度相對較高，準(zhǔn)確引導(dǎo)的過程可以通過逐漸增加二維碼的布放來進(jìn)一步加強(qiáng)。

4）圖像處理性能優(yōu)化

傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)時(shí)間開銷較大，難以在處理板有限的資源條件下完成計(jì)算。研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過對處理算法進(jìn)行優(yōu)化（包括圖像增強(qiáng)，目標(biāo)識別，二維碼解碼，距離測量幾個(gè)部分），能在較短的時(shí)間內(nèi)完成二維碼的圖像處理、解碼和測距。

5）二維碼設(shè)計(jì)方案

不同的二維碼編碼方案各有其實(shí)用場景。常見 的 二 維 碼 方 案 包 括：QR 編 碼、PDF417、DataMatrix 等，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不斷探索，選定了一種可靠、適用的編碼方案。

此外，經(jīng)過對編碼進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚砗?，通過其他設(shè)備無法讀取該二維碼或解碼后無法解析其含義。

6）測量可靠性問題

研發(fā)團(tuán)隊(duì)從以下4 個(gè)方面著手提高測量可靠性：

編碼可靠性：經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，本系統(tǒng)在25%遮擋情況下可識別；

防止偽信標(biāo)：連續(xù)布放的信標(biāo)ID 為一個(gè)連續(xù)單調(diào)遞增的序列，當(dāng)新獲取的序列值和跨越的距離值之間不匹配時(shí)，即可判定該信標(biāo)為偽造或錯(cuò)放。

針對信標(biāo)的丟失問題：系統(tǒng)通過一次性部署兩個(gè)以上的相同二維碼解決。如果一個(gè)損壞，另一個(gè)還可以使用。而假定兩個(gè)都丟失的話，還可以采用按照升序的方式將后續(xù)的二維碼不間斷進(jìn)行識別和檢測。

連續(xù)布放信標(biāo)：在連續(xù)的測量區(qū)段，按一定間隔連續(xù)布放二維碼，確保能夠及時(shí)有效地連續(xù)提供位置信息。

3.5 地鐵環(huán)境下激光雷達(dá)避障信號高精度采集技術(shù)研究

地鐵列車在行駛過程中，如遇軌道內(nèi)有障礙物（車、人、危險(xiǎn)物等），不加以識別檢測，將對列車的安全行駛造成很大的影響。激光雷達(dá)用于復(fù)雜地鐵環(huán)境對于障礙物識別檢測的任務(wù)十分契合，經(jīng)過現(xiàn)場不斷驗(yàn)證，最終本系統(tǒng)選用激光雷達(dá)作為軌道內(nèi)識別檢測障礙物的解決方案。激光雷達(dá)設(shè)備主要用于地鐵列車前方障礙物的識別檢測，從而對控制車速、保障乘客安全起著舉足輕重的作用。

根據(jù)地鐵列車應(yīng)用背景，開展了如下的研究內(nèi)容。

1）激光雷達(dá)模塊遠(yuǎn)距離高分辨率測量

根據(jù)地鐵列車行車實(shí)際場景，列車典型速度為80 km/h，此速度下地鐵列車的制動(dòng)距離為215 m，即激光雷達(dá)需要有至少215 m 的有效測量量程，且雷達(dá)模塊能在200 多米無誤地識別出前方障礙物，做到不漏檢、能識別，如圖4 所示。

圖4 地鐵列車?yán)走_(dá)模塊在地鐵隧道中200 m外探測靶板實(shí)測Fig.4 Actual measurement of radar module of metro train by detection target board 200 meters away in metro tunnel

2）場景內(nèi)非目標(biāo)物分辨/剔除，防誤報(bào)

列車在隧道內(nèi)部行進(jìn)空間內(nèi)行駛，激光雷達(dá)探測單元將視場內(nèi)的所有目標(biāo)物掃描出來并輸出，為準(zhǔn)確識別目標(biāo)物，將隧道內(nèi)的其他固定設(shè)施如隧道壁、鐵軌、地面等剔除；只保留列車行進(jìn)區(qū)間內(nèi)的非固定目標(biāo)物作為信號給到系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 地鐵列車?yán)走_(dá)模塊原始點(diǎn)云圖和ROI設(shè)定Fig.5 Original point cloud image and ROI setting of metro radar module

雷達(dá)模塊連續(xù)5 次運(yùn)行周期檢測到目標(biāo)后啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，以防止誤報(bào)。

4 新型地鐵列車自主定位及主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

4.1 列車自主定位

在應(yīng)用列車自主定位系統(tǒng)時(shí)，慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)速度測量，實(shí)現(xiàn)列車位置實(shí)時(shí)自我定位，相比于傳統(tǒng)的速度傳感器具有更高的精度，通過特有二維碼圖標(biāo)測距方式在列車進(jìn)站時(shí)匹配車載VOBC 預(yù)存的地圖配置，確認(rèn)圖標(biāo)所對應(yīng)的絕對位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位校核，實(shí)現(xiàn)不依賴軌旁軌道電路或應(yīng)答器的列車自主定位。

采用慣導(dǎo)和圖像實(shí)現(xiàn)列車自主定位，可以取代傳統(tǒng)的速度傳感器和應(yīng)答器的技術(shù)方案，具有精度高、工程施工靈活等優(yōu)點(diǎn)，奠定列車自主智能運(yùn)行基礎(chǔ)。

4.2 列車前方障礙主動(dòng)感知

采用激光雷達(dá)感知列車行進(jìn)前方的路段環(huán)境，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)作適當(dāng)運(yùn)算處理后，在各種路況下準(zhǔn)確獲得前方軌道上方而非隧道墻面的障礙物信息，不依賴定位和中心控制，不僅能避免發(fā)生列車追尾事故，還能探測人員、物體等其他各類障礙物，實(shí)現(xiàn)列車主動(dòng)防護(hù)。

5 結(jié)束語

新型地鐵列車自主定位及主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)中包括慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)、雷達(dá)和視覺采集子系統(tǒng)，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確定位車輛位置和探測前方障礙物，行調(diào)與司機(jī)通過軌旁和車載顯示終端實(shí)時(shí)掌握列車所在里程信息、前車及障礙信息。當(dāng)前后車距離小于安全追蹤距離或探測到有障礙物時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)給予司機(jī)警示并實(shí)時(shí)上報(bào)列控系統(tǒng)相關(guān)防護(hù)信息，司機(jī)未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采取制動(dòng)措施時(shí)列控系統(tǒng)將實(shí)施緊急制動(dòng)，防止或減輕車輛撞擊事故發(fā)生，保證列車和乘客的安全。