有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)

應(yīng) 博,陳家敏

(1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司 車輛分公司，上海 200233；2.上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

機(jī)動車、非機(jī)動車、行人與有軌電車共享路權(quán)，運行環(huán)境較為復(fù)雜，安全隱患較多[1]。運營的有軌電車多數(shù)采取混合路權(quán)，有軌電車線路或者為局部道路與社會車輛共用，或者與社會車輛共用交叉路口，安全壓力大。根據(jù)已開通的沈陽、蘇州城市有軌電車運行情況來看，在道口或擁擠地區(qū)與其他車輛碰擦已成為突出問題。

有軌電車不同于懸掛式單軌交通系統(tǒng)以及地鐵，運行情況復(fù)雜，雖然在道口和擁擠路面可設(shè)置管卡或信號，但閉塞系統(tǒng)也不采用自動駕駛系統(tǒng)，無法掌控路面情況，在復(fù)雜天氣環(huán)境中，更需要智能安全調(diào)速系統(tǒng)。

有軌電車自動化安全保障設(shè)備配置低。有軌電車目前暫不支持運行自動駕駛(ATO)系統(tǒng)和自動防護(hù)系統(tǒng)(ATP)，信號進(jìn)路自動排列和自動防護(hù)等自動化、智能化設(shè)備的配置相對較低，其更多是依靠司機(jī)的目視駕駛。

已有的車輛制動系統(tǒng)是能滿足正常的調(diào)速、停車以及緊急情況的剎車要求。在考慮智能安全調(diào)速系統(tǒng)的必要性時，借助傳感測試系統(tǒng)對周圍運動物件和行人進(jìn)行監(jiān)測、評估和預(yù)警，進(jìn)一步直接控制減速裝置或控制車輛制動系統(tǒng)，以完善有軌電車的安全性。

因此，研究一種獨立于信號系統(tǒng)、在日常輔助司機(jī)或突發(fā)情況下能起作用的列車智能安全調(diào)速系統(tǒng)勢在必行。

1 有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)組成

1.1 智能安全調(diào)速探測系統(tǒng)

包括車載激光射頻掃描、超聲波探測或圖像成形組合、信息處理單元及警示激光發(fā)射器三個部分。車載射頻掃描探頭組通過掃頻探測獲得周圍移動物體在掃頻區(qū)間中相對探頭組的距離。所探測得到的多組距離信息輸入信息處理單元。信息處理單元根據(jù)車載射頻掃描探頭組獲得的移動物體信息及本車速度傳感器傳輸?shù)男畔?，對移動物體相對車輛的位移大小及方向進(jìn)行計算，判斷對有軌電車運行情況的影響狀態(tài)，并自動控制車輛減速至安全范圍。

其包括信號發(fā)生器、信號接收器、信號處理器和距離顯示、燈光閃爍和聲音提示四個部分。具體流程如圖1所示。

圖1 安全調(diào)速探測系統(tǒng)流程圖

鑒于有軌電車地面交通的特殊性，采用激光射頻、超聲波或攝制圖像作為信號的載體，以保證所發(fā)射和反饋接受的信號信息量完整，不受干擾和探測準(zhǔn)確，保證系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

如圖2所示，有軌電車前進(jìn)時，駕駛員在駕駛室工作，車頭信號發(fā)射器和信號接收器所在車工作，即時測試并顯示與物體之間的距離，進(jìn)行燈光和聲音預(yù)警。當(dāng)駕駛員到達(dá)終點站，列車改變前進(jìn)方向，原車頭變?yōu)檐囄?，原車頭的信號發(fā)射器和信號接收器不工作。另一組信號發(fā)射器和信號接收器工作。

圖2 信號接收器

如圖3所示，根據(jù)所測得前方不同方向的行人和移動物件與駕駛列車車頭的實時變化的距離，分別以距離顯示、燈光閃爍和聲音提升來到達(dá)防撞的預(yù)警功能。

圖3 預(yù)警裝置

智能安全調(diào)速探測系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵是需充分了解有軌電車運營情況，了解線路周圍靜止物體及移動物體的特征，以及檢測范圍和多目標(biāo)移動的速度、角度與運行車輛之間關(guān)系，包括道口、彎道、平行、斜叉路線等工況，成立多種判斷危險的計算模型，并采用不同級別的控制車輛方案等。

1.2 有軌電車預(yù)警系統(tǒng)

控制激光發(fā)射器向車輛與移動物體運動路徑交叉點處投射激光禁行信號。當(dāng)列車根據(jù)已加載的軌道路線圖及自身位置判斷到達(dá)路口時，則發(fā)射激光警告信號，在車輛前方一定距離的地方發(fā)射光斑，該光斑成有軌電車形狀，警示路口車輛行人。

獨立設(shè)置激光柵欄發(fā)射裝置接受執(zhí)行器指令，發(fā)射有色的激光，在有軌電車前方遠(yuǎn)處道口和轉(zhuǎn)彎處形成柵欄形式的激光警示信號，以提醒地面上其他車輛和行人。

1.3 有軌電車速度控制系統(tǒng)

有軌電車原有制動系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置接口。有軌電車遇到危險的警告信號后，一方面有軌電車直接根據(jù)警示系統(tǒng)判斷信息采取相應(yīng)級別的制動作用；另一方面司機(jī)在接受預(yù)警信號后，主動采取制動減速。兩者以減速級別大為先。

有軌電車根據(jù)需要選擇安裝電磁阻尼器，預(yù)警系統(tǒng)與單獨設(shè)置的減速執(zhí)行器聯(lián)接，可直接控制獨立控制式電磁阻尼器來控制有軌電車減速。因車輛緊急制動為獨立的硬線控制，在緊急情況下可觸發(fā)車輛的緊急制動停車。

2 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)單獨控制車輛速度方案

在研發(fā)有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)，如何控制列車速度。單純依靠司機(jī)的反應(yīng)采取制動措施，不能確保安全性。因為司機(jī)長期高度緊張、疲勞，會引起判斷不準(zhǔn)確或誤動作。

為使避讓系統(tǒng)對運營的影響降至最低，考慮在不改變車輛制動系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)的情況下，采用獨立探測周圍車輛或行人并直接自動控制減速的有軌電車主動避讓減速系統(tǒng)。電磁阻尼器(圖4)或永磁阻尼器利用距離傳感器發(fā)出信號控制電磁閥通斷液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行磁性阻尼減速，實現(xiàn)防撞功能。

圖4 電磁阻尼器

圖5為電磁阻尼器電源裝置，如果軌道車輛無法給阻尼器供電，阻尼器系統(tǒng)可選擇自發(fā)電功能，車輛只需通過助力信號即可，系統(tǒng)本身具有發(fā)電、整流、電壓平衡的功能。車輛加速時，可選擇發(fā)電、對電瓶充電或不發(fā)電。一般情況下，車輛滑行時，發(fā)電功能工作。車輛制動時，發(fā)電功能工作，發(fā)電機(jī)為阻尼器供電，車速低時，電瓶也為阻尼器供電。

圖5 電磁阻尼器電源裝置

為使阻尼器結(jié)構(gòu)更小，若采用永磁阻尼器結(jié)構(gòu)，可采用軸端安裝方式，便于檢修拆裝。

城市軌道車輛多采用摩擦式制動，對于傳統(tǒng)的踏面或盤形制動,由于列車制動時制動裝置將吸收很大的能量,造成踏面與閘瓦或制動盤與閘片因磨耗及摩擦熱而產(chǎn)生變形及裂紋，從而加劇輪軌噪聲或制動盤噪聲。對于有軌電車來說，頻繁起停的過程中，其閘片與制動盤的摩擦?xí)a(chǎn)生有害粉塵，污染環(huán)境。在環(huán)保越來越受到重視的今天，對于需要頻繁起動、制動的有軌電車而言，非摩擦制動技術(shù)作為一種環(huán)保節(jié)能的制動技術(shù)，不僅可以有效避免摩擦磨耗，減少有害粉塵的產(chǎn)生，還能節(jié)約制動能耗，減小維護(hù)費用。

3 有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)判斷模式與接口

3.1 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)探測信號、數(shù)據(jù)處理及危險判斷模式

反射式雷達(dá)無線測距方式不對信號進(jìn)行額外的處理，目標(biāo)直接將信號反射回雷達(dá)，雷達(dá)接收到的信號可能是目標(biāo)反射回來的，也可能是周圍環(huán)境反射回來的，需要比較復(fù)雜的算法才能識別目標(biāo)反射的信息(抗多徑干擾的能力較弱)，而且在判別過程中，由于存在復(fù)雜的噪聲和干擾，可能會識別錯誤的信號，需要進(jìn)行專項研究。

在無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)頻率，可以分成射頻、中頻和基帶信號。射頻主要用于信號在空間的傳輸，基帶信號是基站等數(shù)字設(shè)備可以處理的信號，中頻是從射頻變化到基帶信號的過渡頻率。以前的通信系統(tǒng)一般是從射頻直接變到基帶?，F(xiàn)在的新系統(tǒng)是“射頻→中頻→基帶”，兩次變頻。

在雷達(dá)接收機(jī)中，射頻信號就是指從天線接收到的未混頻前的信號，其載頻就是雷達(dá)的工作頻率；射頻信號經(jīng)過混頻下變頻到某個幾十K到幾百兆的某個中頻段就成為中頻信號；中頻信號去掉載頻，經(jīng)A/D采樣就成為零中頻信號，也就是視頻信號。

雷達(dá)信號在射頻和中頻部分都是單通道實信號，只是載頻不同，信號形式是一樣的。在視頻部分，為了保留相位信息，中頻信號經(jīng)過正交雙通道處理成為兩路相位相差90度的實信號，即復(fù)信號。

為保證多種工況下，檢測車輛前方信號更加清晰完整，設(shè)置一套mobileye圖像識別模塊作為對比檢測之用。

有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)核心技術(shù)是通過信號接收器采集數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)分析處理研究，確定有軌電車減速或停車指令，傳遞到有軌電車制動系統(tǒng)控制系統(tǒng)，并將處理后有關(guān)預(yù)警信息在顯示屏上顯示和發(fā)出預(yù)警信號。

智能安全調(diào)速系統(tǒng)包括射頻收發(fā)裝置、基帶處理裝置、控制與診斷裝置、輔助傳感模塊、車輛制動接口模塊、預(yù)警終端等。

(1) 有軌電車設(shè)置一套主機(jī)系統(tǒng)控制兩端預(yù)警系統(tǒng)，兩端都能獨立實現(xiàn)完整的距離測量、風(fēng)險評估、預(yù)警和常用全制動、安全制動、緊急制動輸出。系統(tǒng)故障時自動發(fā)出設(shè)備故障警報。設(shè)備電源由列車蓄電池供電，為避免干擾司機(jī)，設(shè)置有切除/啟動開關(guān)。

(2) 接收的信號經(jīng)低噪聲放大，變頻，濾波放大后形成視頻回波信號，經(jīng)A/D采樣，多距離通道并行相關(guān)，恒虛警目標(biāo)檢測、目標(biāo)判決后輸出。采用多距離通道并行相關(guān)對擴(kuò)頻信號進(jìn)行捕獲和追蹤。

現(xiàn)有的mobileye模塊產(chǎn)品能夠做到識別有軌電車前方一定區(qū)域的車輛、行人、自行車、摩托車等，但是不支持有軌電車側(cè)面的識別和其他物體的識別，對于有軌電車運行的鐵軌可做到比較清晰的識別。

3.2 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)信號處理器和制動接口裝置

(1) 探測到危險車距時可輸出常用制動中全制動請求、安全制動請求、緊急制動請求，分別通過列車常用制動控制回路、安全制動回路和緊急制動回路使列車產(chǎn)生中等級別制動減速、安全制動和緊急制動。緊急制動具備較高安全等級、采用安全型繼電器輸出并且遵循故障導(dǎo)向安全、緊急制動請求為兩路安全型輸出信號作為冗余，并對繼電器狀態(tài)監(jiān)控。

(2) 列車串行接口，用于與列車控制網(wǎng)絡(luò)的通信，如時鐘同步信息、故障信息等，有利于故障及事故分析，需要與列車網(wǎng)絡(luò)及故障診斷系統(tǒng)協(xié)調(diào)。

(3) 顯示接口、預(yù)警聲訊接口和制動指令接口，該接口用于與預(yù)警和減速避讓系統(tǒng)的報警終端通信，顯示自檢、故障等相關(guān)信息，并提供危險車距報警，向有軌電車制動系統(tǒng)發(fā)出制動指令。

3.3 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)與地面警示系統(tǒng)的接口

有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)與地面警示系統(tǒng)配合，實現(xiàn)安全管理。

地面警示系統(tǒng)包括車控和地面接收車輛到達(dá)信號，即控制激光發(fā)射器向車輛與移動物體運動路徑交叉點處投射激光禁行信號，在關(guān)鍵路口獨立設(shè)置激光柵欄發(fā)射裝置接受執(zhí)行器指令，發(fā)射有色的激光柵欄。

有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)在探測路面信號和數(shù)據(jù)處理及計算判斷目標(biāo)值后，通過顯示器顯示車輛預(yù)警信息，同時車輛向設(shè)置地面激光柵欄發(fā)射裝置發(fā)出控制信號，并且可選擇制動執(zhí)行方案，智能安全調(diào)速系統(tǒng)執(zhí)行器接收信息處理單元傳達(dá)的信息，向原有列車常用制動、安全制動、緊急制動發(fā)出指令信號，或向渦流阻尼器發(fā)出減速信號。

4 結(jié)論

有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)能實現(xiàn)日常輔助司機(jī)和處理突發(fā)情況的作用。由于路口情況較為復(fù)雜，在一定程度上可輔助司機(jī)安全駕駛，實現(xiàn)提前預(yù)警和防撞。