地鐵連掛救援可視系統設計研究

張德超

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院， 上海201620）

0 引 言

目前地鐵正常運營列車發生故障需要進行救援作業時，一般由就近的其他運營列車前往救援，兩輛列車在進行連掛作業之后，需要進行推進或者牽引至最近的站臺［1］。 在牽引過程中，因為救援車為車頭方向運行，需擔心列車前進運行的救援車司機的視野問題。 而在救援車推進過程中，是以故障車為車頭方向運行，施行推進的救援車司機無法看到推進前方的路況，需要與故障車司機進行聯控［2］。 當前救援推進作業聯控過程包括：救援車司機和故障車司機時刻保持聯系，通知其前方路況（以不低于30 s／次的頻率），通知救援車司機注意線路百米標位置，執行推進過程中的列車限速（30 km／h 的限速）、停車要求等［3-4］。 在此救援過程中不但耗費時間，而且加大了救援的難度，對正線運營的其他車輛影響較大，對救援車司機操作要求較高。 在看不見前方路況的情況下，司機心理負擔較大，對速度的把握比較困難，執行推進作業過程中運行安全得不到絕對的保障［5-6］。

為了解決這一難題，研究一種連掛救援作業可視系統，避免在推進作業過程中耗費大量時間進行聯控作業，幫助救援列車司機更加精準高效的了解前方路況，對列車速度的把控更加靈活和準確。 若在救援過程中列車發生緊急情況采取緊急制動時，救援車司機也可以在最短的時間內進行緊急制動，避免事故的發生，安全性得到最大的保障。

1 系統設計

本系統分為兩部分，數據采集處理部分和信息顯示部分。 在地鐵正線運營過程中，如遇列車故障需要救援，則在救援車與故障車進行連掛作業，救援車給故障車一個信號，提示其接通救援可視系統進行救援作業。

1.1 總體設計結構

地鐵連掛救援推進作業的可視系統包括處理器以及與處理器連接的高清數字攝像頭、路況監測傳感器、TFT 彩色液晶顯示屏和報警器。 高清數字攝像頭設置在列車車頭的正前方，路況監測傳感器設置在列車車頭位置，TFT 彩色液晶顯示屏和報警器均設置在列車的駕駛室中。 其設備運行原理如圖1 所示。

路況監測傳感器包括用于預測行車前方的彎道情況和道岔情況的紅外線測距傳感器，用于實時檢測軌道的傾斜度和高度差的雙軸水平傳感器，用于采集列車行駛距離的直線位移傳感器。 報警器包括警示燈和蜂鳴器，警示燈在不同安全等級下使用三種不同的顏色。 液晶顯示屏采用TFT 彩色液晶顯示屏。 處理器包括信號放大器和單片機。

1.2 元器件解析

（1）主程序模塊。 主程序模塊的處理器包括單片機和信號放大器。 將采集的數據經過信號放大器進行放大、濾波處理，儲存到單片機中。 通過單片機內嵌的程序對數據進行清洗、融合、甄別和剝離，最終將有效的數據通過多源數據結合的方式實時傳輸到不同的顯示模塊。 本系統使用AVR 單片機，與傳統的51 單片機相比，AVR 單片機內置復位電路，并且在熔絲位里，可以控制復位時間，所以AVR 單片機可以不設外部上電復位電路，依然可以正常復位，穩定工作。 其主程序模塊工作原理圖如圖2 所示。

圖1 設備運行原理圖Fig. 1 Schematic diagram of equipment operation

圖2 主程序模塊工作原理圖Fig. 2 Working principle of the main program module

（2）視頻采集模塊。 使用高清360°全景數字攝像頭，其內置操作系統，可以和多畫面的管理軟件共用，實現多路監控，且路數不受限制。 司機室、車控室和調度中心可以進行實時監測，進一步提高列車救援的安全性。

（3）路況監測傳感器模塊。 該模塊包括紅外線測距傳感器、雙軸水平傳感器，直線位移傳感器。 紅外線測距傳感器設置在救援推進作業的故障列車車頭，雙軸水平傳感器和直線位移傳感器設置在救援推進作業的故障列車輪軌內側。 紅外線測距傳感器，用于預測行車前方的彎道情況和道岔情況，并得知相應的距離；雙軸水平傳感器，屬于角度傳感器，用于實時檢測軌道的傾斜度和高度差，能夠同時測量兩個方向的水平角度，定出整個被測面的水平度，獲取不同的坡度狀態，便于司機對于車速的控制；直線位移傳感器，用于采集列車行駛距離。

（4）報警模塊。 該模塊包括警示燈和蜂鳴器，在不同安全等級下使用三種不同顏色警示燈報警。安全距離即臨界值在8 m 以外顯示為綠燈，臨界值在3～8 m 顯示為黃燈，臨界值小于3 m 則顯示為紅燈。 蜂鳴器有兩種不同的頻率響聲，根據列車與道岔的距離來控制，其臨界值區分為3 部分，臨界值在8 m 以外，蜂鳴器不發出警報聲；臨界值在3 ～8 m，蜂鳴器發出平緩的警報聲；臨界值在3 m 以內發出急促的警報聲。

（5）顯示模塊。 該模塊使用TFT 彩色液晶顯示屏，分辨率為128×64，自帶字庫，有超過八千漢字和ASCII 字符集，色彩豐富，高速度、高亮度、高對比度顯示采集的不同參數情況和前方路況，便于駕駛員的實時觀測。

（6）電源。 除正常狀態下供電外，還設置了列車備用電源，即使在無法供電的情況下，比如受電弓或者第三軌出現故障，依然可以正常為該系統供電。

1.3 實施方案

通過高清數字攝像頭將采集到的影像傳給單片機，且紅外線測距傳感器、雙軸水平傳感器和直線位移傳感器采集到的各類數據也同時傳送給單片機，部分數據經過信號放大器的放大濾波處理傳送給單片機。 經過單片機處理后，通過TFT 液晶顯示屏顯示實時采集的圖像，得到傳感器測得的各參數。 根據距離的遠近來控制警示燈顏色和蜂鳴器的報警操作。 整個過程需要電源供電，供電的電源也可是列車備用電源。

列車駕駛員在救援推進過程中，可通過液晶顯示屏實時觀測到各個參數，如預測行車前方的彎道情況和道岔情況，并得知相應的距離、軌道的傾斜度和高度差、列車行駛距離等。 在遇到上下坡、轉彎或者道岔的情況下，駕駛員能對列車速度的控制更加準確、靈活和高效，提高救援效率。 若在救援過程中列車發生緊急情況需采取緊急制動時，救援車司機也可避免聯控過程，在最短的時間內進行緊急制動，避免事故的發生，使安全性得到最大的保障。

2 系統優點

（1）地鐵連掛救援推進作業的可視系統，列車駕駛員在救援推進過程中可通過液晶顯示屏實時觀測路況信息，避免在推進作業過程中耗費大量時間進行聯控作業，對列車速度的把控更加靈活和準確，避免事故的發生，使安全性得到最大的保障。

（2）利用不同顏色的報警燈對不同安全等級進行報警，區分性強，容易引起駕駛員的注意，報警效果好。

（3）地鐵連掛救援推進作業的可視系統高效、便捷、可靠性高。

（4）應用前景巨大。 目前國內外列車救援研究較少，高效安全進行列車救援一直是困擾軌道交通的難題。 該系統能夠快速高效的進行救援作業，極大減少對正線運營的影響。

3 結束語

本設計研究創新性地將多種傳感器設備引用入列車救援推進作業中，經過處理器實時的數據處理，最終通過視頻裝置實時的顯示出來。 供救援車司機在救援過程中實時觀測前方路況和各參數指標（包括預測行車前方的彎道情況和道岔情況，并得知相應的距離、軌道的傾斜度和高度差、列車行駛距離等），取消了聯控作業，避免在推進作業過程中耗費大量時間進行聯控作業，對列車速度的把控更加靈活、高效，極大地縮短了救援時間。