全自动驾驶检修区域司机登车防护系统设计

方 征，周航博

（1.中国铁路西安局集团有限公司车辆部，陕西西安 710054；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司环境与设备设计院，陕西西安 710043）

1 引言

在地铁全自动驾驶车辆基地列车检修作业过程中，人身安全是必须严格把控的关键点。在现有的地铁列车全自动驾驶检修区域检修运营场景中规定，检修作业人员进入全自动驾驶检修区域需满足区域开放信号及人员防护开关开启，地铁列车处于信号闭锁状态，但司机进入全自动检修区域不受此场景限制。

目前，司机进入全自动检修区域时仍采取人工把控及对讲机对话沟通的方式，其存在作业效率低下，人员把控易失效，警示效果不佳等问题[1-2]。如若司机进入检修区域后在不明确自动驾驶地铁列车进出车时间的情况下，随意穿行股道，极易造成被地铁列车剐蹭等人身伤害事故[3-5]。因此，本文设计一种全自动驾驶检修区域司机登车防护系统，以实现在全自动驾驶检修区域中司机的安全防护。

2 系统设计

2.1 设计要求

全自动驾驶检修区域司机登车防护系统通过现代信息化技术手段完成对全自动驾驶检修区域登车人员的安全防护。该系统主要围绕以下6 点进行设计。

（1）自身系统与外部信号建立链接，通过外部信号的输入来判断系统是否启动。

（2）需借助传感、视频或图像识别等技术方式，保证对保护区域的实时检测及信号反馈。

（3）为保证信息反馈的稳定性与可靠性，至少需要2 种及以上的独立的安全冗余监测措施。

（4）防护区域现场需要设置安全警示系统，在检测到异常情况后，能够对现场人员提出报警信息，警示其不安全行为；并且通过提前预制信息，完成广播的自动播报警告。

（5）搭建中央控制系统，主要用于接收外部信号，判断监测功能是否启用；接收监测信号到系统进行处理，并发出信号到安全警示系统，用于警示现场人员。

（6）为中央控制系统配套显示功能，通过建立人机交互页面，完成对安全防护区域的实时监测，若有突发状况可及时人为介入。

2.2 结构设计及原理

司机登车防护系统包含控制及显示模块、激光检测模块、声光报警模块、视频侦测模块和外部数据接口模块[6-8]，如图1 所示。控制及显示模块作为系统的控制及运算核心，控制其余模块设备工作，同时实时采集各模块回传的设备信息。激光检测模块通过激光射线对司机登车防护区域进行检测[8]。声光报警模块通过警示灯督促违规侵界人员离开危险区域进入登车防护区域。视频侦测模块通过摄像头对司机登车防护区域进行全天候视频监控[9-10]。外部数据接口模块用于控制激光检测模块及视频侦测模块的检测功能启用。

图1 司机登车防护系统设计图

司机登车防护系统主要依靠控制及显示模块的中央调度功能，以各模块信号的采集及传输处理为基础，通过接收外部接口模块的外部数据信号，判断全自动驾驶检修区域内是否属于安全防护状态。若无需安全防护，则屏蔽检测功能，声光报警模块暂时停止工作；若当下有安全防护需要，则控制及显示模块输出启用检测功能，即启用激光检测模块与视频侦测模块。其中激光检测模块与视频侦测模块互为补充，以多重安全技术措施保障对检测范围的精准控制，达到防护司机人身安全的目的。

当有司机进入安全防护区域时，逻辑控制电气电路采集到视频侦测模块及激光检测模块的区域检测报警信息后，经内部继电器电隔离后传输至PLC。当PLC 判定区域报警信息符合判定条件，则输出控制信号至逻辑控制电气电路对应区域的继电器，使其通电吸合，驱动控制模块对应报警区域的声光报警模块工作；PLC 组态软件监控到PLC 有区域报警输入后，弹出有人员侵界提示弹窗，提示调度人员进行确认并实时反应现场红色警示灯的工作状态，并根据区域侵界报警时间截取对应区域监控视频及抓拍图像；控制及显示模块以PLC 控制为核心，利用逻辑控制电气电路实现信号电隔离，保证设备可靠稳定运行，且人机互动界面良好。相比现有技术，该系统使用人员可一目了然的了解现场登车区域内登车人员的活动轨迹，且区域侵界提示准确、有效，信息记录齐全，可有效地防护司机人身安全，提高地铁列车检修效率[11]。

2.3 模块设计

2.3.1 控制及显示模块

控制及显示模块包含PLC、PLC 组态软件、台式电脑和逻辑控制电气电路，均安装于数据指挥中心（DCC）控制室内，供调度人员集中使用。PLC 作为控制及显示模块的核心设备，用于与外部系统进行数据传送，接收视频侦测模块中警戒摄像头及激光对射装置的区域边界检测信息，按照既定判断算法对接收信息进行过滤判断，输出控制声光报警模块工作信号。PLC 组态软件是控制及显示模块的监控设备，通过建立一套良好的人机互动界面，实时监控PLC 内部点位及外部输入/输出点位变化，以图形动画形式展现现场设备的工作状态及进行区域侵界报警提示，同时通过网络通信协议（TCP/IP）访问硬盘录像机实时获取视频监控图像的数据流。台式电脑是控制及显示模块的显示设备，用于运行及显示PLC 组态软件界面及现场视频监控画面。逻辑控制电气电路是控制及显示模块的执行机构，用于直接采集现场设备信息经电隔离后传输至PLC，及根据PLC 的输出控制信号，直接驱动控制声光报警模块进行声光警示。

2.3.2 激光检测模块

激光检测模块包含激光对射装置，通过激光射线对司机登车防护区域进行检测，并实时通过逻辑控制电气电路将侵界报警信息传输至控制及显示模块。

2.3.3 声光报警模块

声光报警模块包含红色警示灯（带语音播放）、广播音柱及喊话。红色警示灯通过闪烁红色及播放固定语音督促违规侵界人员离开危险区域进入司机登车防护区域，广播音柱及喊话用于系统使用人员对不顾红色警示灯警示的违规侵界人员进行喊话，再次督促违规侵界人员离开危险区域进入登车防护区域。

2.3.4 视频侦测模块

视频侦测模块包含警戒摄像头、硬盘录像机、前端光电交换机、机架式光电交换机。警戒摄像头用于对司机登车防护区域进行全天候视频监控，并对视频监控画面内司机登车防护区域划定边界，设置边界跨越检测功能及区域内活体检测功能，通过图像分析技术判定司机登车区域内人员是否侵界。硬盘录像机用于存储警戒摄像头的视频录像及抓拍图像，并将警戒摄像头的区域侵界报警信号转发至控制及显示模块。前端光电交换机用于实现远程实时传输警戒摄像头的视频信息。机架式光电交换机用于汇聚所有司机登车防护区域的警戒摄像头的视频监控图像，统一接入硬盘录像机内。

2.3.5 外部数据接口模块

外部数据接口模块包含TIAS 系统区域开放信号、SPKS 开关箱。TIAS 系统区域开放信号及SPKS 开关箱作为系统的外部输入信号，通过自动化设备通信协议（MODBUS/TCP）建立数据链接，用于控制激光检测模块及视频侦测模块的检测功能启用。

3 系统设备

全自动驾驶检修区域司机登车防护系统设备安装示意图如图2 所示。

图2 司机登车防护系统设备安装示意图

激光对射装置安装于司机登车防护区域的边界处，每个防护区域至少4 套。激光对射装置发射端沿着司机登车防护区域的4 个边界射出多束不可见的激光光束到接收端，当司机越过防护区域边界时，身体会遮挡激光光束，接收端接收激光射线中断，从而输出报警信号至控制及显示模块。激光检测模块采用激光检测技术，检测距离远，且多光束的点对点检测方式可有效的提高防护区域边界检测的可靠性及准确性。

红色警示灯安装于现场司机登车防护区域内，每个区域至少安装4 个。广播音柱及喊话在现场司机登车防护区域内，每个区域至少2 个，对讲话筒安装于DCC控制室内，便于系统使用人员使用。当控制及显示模块接收到现场防护区域侵界信号后，输出声光警示控制信号至逻辑控制电气电路内对应控制继电器，控制继电器线圈得电，触点吸合，驱动红色警示灯亮灯并闪烁，播放定制语音警示督促违规侵界人员离开危险区域进入防护区域。当系统使用人员通过视频监控观察发现违规侵界人员不顾声光警示执意进入危险区域时，可通过对讲话筒对库内人员进行喊话，再次督促违规侵界人员离开危险区域进入安全防护区域。声光警示模块设备安装于司机登车防护区域的各个醒目位置，警示范围涵盖整个防护区域，警示效果明显，且固定语音播放功能及广播音柱喊话功能配合视频监控提高了警示的震摄性，可有效的防护司机人身安全。

警戒摄像头安装于现场司机登车防护区域，每个区域至少2 个，前端光电交换机安装于现场司机登车防护区域，每个区域1 个。硬盘录像机、机架式光电交换机安装在DCC 控制室内。警戒摄像头全范围监控司机登车防护区域，通过图像对比及图像深度学习算法对防护区域边界设置边界跨界检测功能及活体检测功能，并规定边界跨越检测功能的跨越方向报警。当司机跨越登车防护区域边界进入危险区域时输出报警信号；当司机由危险区域进入登车防护区域时，不输出报警信号。硬盘录像机通过前端光电交换机及机架式光电交换机实时获取各防护区域内警戒摄像头的视频录像的数据流并实时存储，实时接收警戒摄像头的区域侵界报警信号并及时转发至控制及显示模块。PLC 组态软件通过TCP/IP 访问硬盘录像机实时调取各区域的监控画面用于显示；视频侦测模块不仅提供全天24 h 的现场视频监控功能，便于调度人员实时远程了解现场各防护区域内司机的活动轨迹，且利用图像分析技术及深度学习算法实现各防护区域边界的智能化检测。双重检测技术通过与激光检测模块配合，将物理检测技术及图像检测技术结合，有效提高了人员侵界检测的可靠性及准确性，保证每个违规越界人员都可以检测到，有效地防护限制司机的活动范围，杜绝随意穿行股道的情况，从而保证司机的人身安全。

当TIAS 系统区域开放信号及SPKS 开关箱内的开关开启，此时地铁列车全自动驾驶检修区域内属于安全防护状态，无登车防护区域侵界报警提示；当TIAS 系统区域开放信号及SPKS 开关箱内的开关未同时开启时，地铁列车全自动驾驶检修区域内未处于安全防护状态，全自动驾驶地铁列车处于行车信号未闭锁状态，则启用激光检测模块及视频侦测模块的检测功能，用于限制各区域司机的活动范围，防护司机的人身安全。

4 应用实践

系统在南宁地铁5 号线那洪车辆基地现场试用后，在TIAS 系统区域开放信号及SPKS 开关箱内的开关已开启的联锁条件同时满足时，通过激光检测及视频侦测技术划定安全防护区域，可有效限制司机进入全自动驾驶检修分区后的活动范围；对于登车人员的越界活动行为能够准确识别，识别准确率达99.5%，检测判定时间低于0.2 s；现场声光报警装置能够及时给出现场声光警示，督促越界人员停止违规行为，返回安全防护区域，有效防护登车人员的人身安全。

5 结语

全自动驾驶检修区域司机登车防护系统通过划定安全活动区域，采用视频侦测技术及激光检测技术双重检测手段，设立区域边界检测，限制司机活动范围，实现全自动驾驶检修区域司机登车防护智能化、数字化控制，提高检修作业效率及司机登车防护的可靠性。