城市軌道交通主動障礙物檢測預警防護系統(tǒng)研究

戎志立，于苡健

（中鐵通信信號勘測設計院有限公司，北京 100071）

1 引言

全自動運行系統(tǒng)（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO），是基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)。列車升級到全自動運行后對設備和功能要求更高，因此，需要采取措施降低列車運行風險，提高運行可靠性。障礙物檢測系統(tǒng)可有效避免重大事故的發(fā)生[1-4]。

障礙物檢測系統(tǒng)分為被動式障礙物檢測和主動式障礙物檢測。其中，被動式障礙物檢測是通過車載機械桿實現(xiàn)障礙物檢測，觸發(fā)傳感器信號后傳遞給車輛，實現(xiàn)列車緊急制動[5，6]。而主動式障礙物檢測是通過車輛前端傳感器采集前方線路信息，當檢測系統(tǒng)識別出障礙物時，可向調度人員發(fā)出預警信號，并可做出緊急制動處理。

2 系統(tǒng)架構

主動障礙物檢測預警防護系統(tǒng)由中央子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和軌旁子系統(tǒng)組成。其中，中央子系統(tǒng)主要由中央計算服務器、存儲設備和工作站構成；車載子系統(tǒng)的單端設備主要由傳感器組、主機（障礙物主機和安全計算機）、車載交換機、接口單元組成；軌旁子系統(tǒng)主要由邊緣計算主機、接口轉化器、無線（有線）通信設備構成。

3 系統(tǒng)功能

主動障礙物檢測系統(tǒng)是一套獨立系統(tǒng)，可與車輛接口，實現(xiàn)危險條件下的列車初級控制。同時可與信號系統(tǒng)結合，將障礙物檢測結果輸入列車自動運行子系統(tǒng)（ATO）或者列車自動防護子系統(tǒng)（ATP），參與車輛控制，實現(xiàn)真正的全無人列車控制系統(tǒng)。

無論信號系統(tǒng)是否正常，主動障礙物檢測系統(tǒng)都能實現(xiàn)障礙物檢測、預警、防護功能。當信號系統(tǒng)故障時，可作為降級后備選方案，協(xié)助列車駕駛員安全駕駛。

主動障礙物檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)多級主動障礙物檢測，并在車上和中央兩級系統(tǒng)上做融合計算，實時計算障礙物的屬性，如位置、大小、運動趨勢，確定障礙物的包絡，并對障礙物的包絡與行車安全空間做比對，在有沖突危險出現(xiàn)時，根據沖突風險的程度實現(xiàn)預警與列車控制的措施，提高列車運營的安全性。

3.1 多級主動障礙物檢測

在車級和軌旁分別配置冗余傳感器，通過圖像和雷達的融合檢測，實現(xiàn)遠距離非接觸式的多級檢測。檢測對象分為預知目標狀態(tài)和非預知目標屬性，預知目標狀態(tài)是指行車基礎設施中軌道識別、信號機的顯示狀態(tài)、道岔位置狀態(tài)；非預知目標是除預知目標意外的其他目標，只識別該類目標的位置、大小、運動屬性，不做狀態(tài)判斷。

3.1.1 車級主動障礙物檢測

車輛安裝感知傳感器，感知列車前方線路環(huán)境。傳感器數(shù)據經過車載感知主機進行融合計算、分析，識別出預期目標狀態(tài)和非預期目標障礙物，并與車載地圖結合，實現(xiàn)傳感器坐標系數(shù)據和車載地圖的融合，將映射障礙物（已識別）包絡到行車安全空間。

3.1.2 軌旁級主動障礙物檢測

沿線軌旁布置安裝感知傳感器，感知線路環(huán)境，傳感器數(shù)據經過路側主機進行融合計算、分析，識別出預期目標狀態(tài)和非預期目標障礙物，并與線路地圖結合，實現(xiàn)傳感器坐標系數(shù)據和線路地圖的融合，將映射障礙物（已識別）包絡到行車安全空間。

3.1.3 中央級主動障礙物檢測

沿線路側主機，是一套綜合系統(tǒng)，具備邊緣計算、V2X 無線網絡、傳感器數(shù)據接入等功能，并通過專用骨干網通道與控制中心的系統(tǒng)連接。

列車通過V2X 網絡通道實時傳送感知傳感器數(shù)據到控制中心，路側主機也將軌旁感知系統(tǒng)的數(shù)據實時傳送至控制中心，控制中心計算系統(tǒng)實時分析車端和軌旁的數(shù)據，進行障礙物再識別和融合處理，實現(xiàn)中央級的主動障礙物檢測。

3.2 行車安全空間及沖突判定

行車安全空間是本系統(tǒng)識別障礙物后進行沖突判定的主要依據，行車安全空間的確定包含列車定位、軌道識別及中心線判定、地圖、地圖映射等一系列技術。

3.3 沖突預警、沖突防護

沖突預警和沖突防護是系統(tǒng)的結果輸出，系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)、信號系統(tǒng)進行連接，然后通過司機顯示終端、中央系統(tǒng)界面與司乘人員及調度人員進行接口，實現(xiàn)沖突預警，一定條件下控制條件輸出，實現(xiàn)沖突防護。

本系統(tǒng)是一個逐步升級的系統(tǒng)，根據所配置產品的安全等級和接入條件，可實現(xiàn)與信號系統(tǒng)的對接，障礙物信息是ATO 或ATP 的輸入條件，ATO 或ATP 系統(tǒng)根據障礙物類型和特性進行控車策略的調整或ATP 安全條件的觸發(fā)，實現(xiàn)車輛的安全控制，特別是在全自動運行系統(tǒng)中，作為無人駕駛系統(tǒng)對運行環(huán)境適應的增強手段，降低運營風險，減少財物損失。

系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

1）告警信息。

2）超速預警——根據前方障礙物的距離、列車制動率、系統(tǒng)反應時間計算出列車最大的防護速度，與當前列車速度進行比較，列車防護速度大于當前列車運行速度，系統(tǒng)報警。

3）與信號系統(tǒng)車載OBC 聯(lián)動——當發(fā)現(xiàn)有障礙物處于列車限界內，需向控制中心告警，并將運行前方發(fā)現(xiàn)障礙物信息及緊急制動狀態(tài)發(fā)送至車載OBC。

4）輸出制動條件——發(fā)現(xiàn)障礙物，向車輛輸出緊急/常用制動。

5）系統(tǒng)自檢診斷——對于設備狀態(tài)需要實時診斷監(jiān)控，當設備工作異常時，及時報警。

6）切除信號時的車輛定位——系統(tǒng)存儲車輛運行線路的電子地圖，實現(xiàn)列車定位，在每個校準點處進行列車絕對位置的校正。

4 關鍵技術原理、技術指標

4.1 關鍵技術原理

4.1.1 軌道識別

系統(tǒng)對獲取的視覺傳感器數(shù)據進行處理：采用訓練過的神經網絡模型和嚴謹成熟的深度學習流程，對軌道全局特征和局部特征進行提取，實時獲取沿線軌道信息，確定軌道中心線位置，為實現(xiàn)精準的行車安全空間數(shù)據計算提供依據[7-9]。系統(tǒng)需要配置多級檢測手段，應具備直道、彎道、道岔等軌道類型識別，且可適用于隧道、高架等場景，在白天、夜晚、晴天、雨天、陰天等時段及天氣狀態(tài)下均有可靠的識別能力。

4.1.2 列車測速定位

車載系統(tǒng)實時獲取地面應答器數(shù)據，多級檢測系統(tǒng)數(shù)據，車輛速度數(shù)據，基于車載專用地圖數(shù)據實現(xiàn)列車測速測距算法，實現(xiàn)列車基于多傳感器的測速定位[10]。

4.1.3 障礙物識別

系統(tǒng)配置激光雷達和視覺傳感器兩類傳感器，實現(xiàn)目標感知，應用卷積神經網絡實現(xiàn)感知數(shù)據的處理、目標識別。視覺數(shù)據是通過設置障礙物檢測先驗框，采用深度可分離卷積及應用殘差網絡結構，對多層特征層輸出進行融合對檢測結果進行預測。激光點云數(shù)據經過聚類，進行目標分析和跟蹤，計算目標的各類屬性數(shù)據。

系統(tǒng)具備多種類型障礙物識別能力，具體包括列車、行人、信號燈、軌道等識別，且適用于不同的環(huán)境狀況下，單車感知直線段實現(xiàn)最遠200 m 的遠距離障礙物識別，直線段、曲線段依靠軌旁感知系統(tǒng)實現(xiàn)車路融合感知，無最小識別距離限制。

4.1.4 地圖融合

線路地圖、車載地圖、傳感器地圖坐標系三者融合處理技術，可實現(xiàn)行車安全空間的判定、障礙物包絡的判定。

4.1.5 車路信息融合

系統(tǒng)在單車感知基礎上，通過V2X 通道接入軌旁感知數(shù)據，同時軌旁感知數(shù)據經過預處理，實現(xiàn)車載數(shù)據融合及車路信息融合。

4.1.6 中央信息融合

系統(tǒng)通過V2X 通道接入軌旁感知數(shù)據、車載感知數(shù)據及列車信息，實現(xiàn)中央數(shù)據全融合及障礙物檢測綜合檢測，做到無死角、遠距離、多重冗余地提升可靠性。

4.2 技術指標

4.2.1 車載子系統(tǒng)檢測性能

1）漏報率：＜0.01%（視覺計算方案的比較統(tǒng)計法）；

2）誤報率：＜0.01%（視覺計算方案的比較統(tǒng)計法）；

3）障礙物檢測測距誤差：40 m 以內≤0.5 m；

4）安全完整度等級（SIL）可達到2 級。

4.2.2 軌旁子系統(tǒng)檢測性能

1）漏報率：＜0.01%（視覺計算方案的比較統(tǒng)計法）；

2）誤報率：＜0.01%（視覺計算方案的比較統(tǒng)計法）；

3）障礙物檢測測距誤差：40 m 以內≤0.5 m。

5 結語

主動障礙物檢測預警防護系統(tǒng)是在區(qū)間軌旁和列車上安裝檢測裝置，實現(xiàn)多級障礙物監(jiān)測，實時分析障礙物屬性，確定障礙物的包絡，并對障礙物的包絡與行車安全空間做比較，在有沖突危險出現(xiàn)時，根據沖突或危險的程度實現(xiàn)預警或緊急制動，提高列車運營的安全性。隨著計算機和傳感器技術的發(fā)展，主動障礙物檢測系統(tǒng)也會更加成熟完善，為列車安全運行提供重要保障。