有轨电车辅助驾驶系统研究

2018-06-11何杜明王长庚翟成龙张超

铁路技术创新 2018年2期

■ 何杜明王长庚翟成龙张超

目前有轨电车在我国处于起步阶段，有轨电车的运营管理大多沿用城市轨道交通运营模式，有轨电车与铁路、城际铁路和城市轨道交通相比，无论是运行速度、路权形式、运行控制模式，还是在供电系统、车站管理、售检票模式等方面都存在较大区别。参照广州市“十三五”轨道交通应急体系项目——轨道交通监测预警及交通运输保障项目立项范围，依据当前有轨电车运营体系需求，进行有轨电车辅助驾驶系统项目研究开发[1-2]。

1 设计原则及思路

有轨电车在非完全封闭环境下运行，存在与社会交通共享路权的平交道口，无法采用轨道交通信号系统的闭塞控制，由司机目视人工驾驶车辆，司机根据列车速度和经验判断保持与前车的距离，通过对有轨电车运行环境及模式充分的调研，确定以下应遵循的设计原则：一是应对司机精神状态和作业规范进行有效监督和管理；二是应对有轨电车车辆设备运行状态实时有效监测，车辆设备异常时能提前告警。

有轨电车辅助驾驶系统（简称系统）主要设计思路包括：遵循故障-安全原则，采用嵌入式计算机架构体系、软件处理机制具有故障-安全措施，关键电路和器件的选用具有固有安全特性，同时增强设备的故障自诊断能力，完善故障-安全处理机制。

2 系统构成

系统主要由主机单元、扩展单元、采集单元、人机界面单元等组成；配套地面软件主要由有轨电车线路数据编制软件、有轨电车车机联控综合分析软件、有轨电车调度命令软件等构成。系统架构见图1。

图1 系统架构

系统主机单元作为系统控制核心，通过接收信号系统信息、车载设备状态信息、司机精神状态及作业手势语信息、人机交互指令信息等，能够监测列车运行状态，结合车载数据，当列车超过线路限速值时进行提醒，实施列车运行防护，能够指导司机优化驾驶降低能耗和减少轮轨异常磨耗；能够对司机精神状态进行分析，发现状态不佳时自动提醒，对司机行车手势语的合规性进行分析，发现司机手势语动作不合规时自动提醒，为司乘管理提供数据支撑[3-5]。

扩展单元集成系统外围扩展功能，包括调度指令管理及车地语音通话功能，扩展单元对外围设备进行统一规划整合，提升了系统设备的集成度，节省安装空间，便于管理和维护。

人机界面单元通过网络总线与主机单元通信，以图形化方式直观显示车辆实时运行信息、机车状态信息和告警提示信息等。

采集单元负责采集司机行车时的精神状态及行车作业手势语，将数据发送到主机单元进行综合分析。

3 系统功能应用

系统安装在有轨电车驾驶室内，包括系统主机及显示器单元（见图2、图3）。

3.1 司机身份识别

为了实现司机行车监测及驾驶情况综合分析，系统必须先获取每个车次号的值班司机身份。传统司机身份识别方式是通过纸质或图表文件进行录入对比，不可避免会受到司机换班、调休等因素影响。系统通过对人脸识别系统进行研究，实现了自动识别值班司机身份。在车辆驾驶室安装人脸识别摄像头，值班司机行车时自动进行人脸图像获取，并与已知图像集中的司机人脸图像进行比较分析，自动判别出当前值班司机身份。

3.2 司机辅助驾驶

3.2.1 司机精神状态监测

对司机疲劳驾驶状态进行视频监测、在线分析，当发现驾驶员出现盹睡、旁视等精力分散时，及时通过人机交互单元进行语音警示，提醒司机正常驾驶。并通过车-地无线通信系统及时将警示信息及视频数据发送到地面管理系统。通过车机联控综合分析地面软件系统进行回放分析，作为司机综合考核管理的参考依据。

3.2.2 司机标准作业手势语监测

有轨电车司机在正线行车途中，途径站台停车、发车、信号机进路标识、人行过轨及平交路口时需执行标准作业手势语，以保障前方行进路车安全。系统将有轨电车线路数据编制软件所编制的线路作业手势语数据植入主机单元中，在通过上述场景时自动获取司机执行标准作业手势语图像数据，并对司机标准化手势语操作情况进行分析和记录，发现司机手势语执行异常时通过人机交互单元进行语言警示，提醒司机正常驾驶。并通过车-地无线通信系统及时将警示信息及视频数据发送到地面管理系统。通过车机联控综合分析地面软件系统进行回放分析，作为司机综合考核管理的参考依据。

3.2.3 列车行车安全防护

依据车载基础数据中线路允许速度确定出各级限速值，列车在行车过程中或当列车运行至道岔位置，在列车速度超过安全行车允许速度时，通过人机交互单元输出超速告警提示，系统向司机发送解除牵引力指令，由司机实施常用制动、紧急制动，控制列车减速或停车。

根据实时接收到的线路上运行列车的位置信息，对列车间的间隔距离进行计算，并向各列车发布其与前车距离信息，车载主机单元依据收到的前车距离信息，当与前车距离超过安全距离时，车载主机通过人机交互单元对司机进行列车防追尾告警提示。

图2 系统主机安装

图3 系统显示器安装

通过对有轨电车司机精神状态及标准作业手势语监测、列车行车安全防护的研究，实现了司机行车全过程监测及警示，改变了有轨电车传统的乘务管理人员定期跟车监控模式，司机行车过程管控真正实现了由“人控”转变为“机控”。

3.3 车辆运行状态监测

车载主机单元实时采集车辆控制单元（VCU）信息，监测车辆设备状态，记录列车运行事件和数据。数据采集项目包括：牵引系统、制动系统、网络控制系统、车门系统、信号系统、空调系统、PIS系统、辅助电源系统、走行部等。通过车-地无线通信系统将车辆状态数据发送到地面管理系统，通过管理系统对车辆重点监测数据进行分析，发现车辆或车载设备出现故障信息后及时对司机进行提醒，并向调度及运营管理人员发送告警信息，由调度人员通过地面调度管理软件发送相应调度指令，指导司机进行行车操作，保障有轨电车行车安全。

车辆状态数据信息传送到地面软件系统后，通过建立专家数据库，由车机联控综合分析软件对运行信息进行大数据统计分析，指导司机在不同场景下的运行操作，提高司机驾驶平稳度和车辆运行效率，起到节能降耗的目的。