全自動駕駛列車安全防護系統的應用與研究

孫瑤 毛如香 李梁 張艷萍 鄧虹輝

（中車株洲電力機車有限公司產品研發中心 湖南株洲 412001）

全自動駕駛列車是城市軌道交通現代化建設的趨勢，近些年在國內軌道交通領域深受青睞，例如，北京、深圳、廣州、上海、寧波、南寧等城市在新建線路時，大多選擇采用全自動駕駛設計。在一些軌道交通發展成熟的城市，也正在計劃或已經將既有有人駕駛的線路改造成全自動駕駛線路。截至2021年底，國內已規劃及在建運營的全自動線路共計85 條，線網規模達2500km以上，其中，已開通運營的線路有30條，運營里程為728.46km。

全自動駕駛列車能夠全面提高軌道交通系統的安全與效率，實現線路節能高效運行，是目前我國城市軌道交通建設的主流選擇制式。全自動駕駛列車在運行控制、線路監控、乘客監控、安全監控及應急管理等方面均全權交由系統來自動執行［1］，沒有司機和值守人員在車上實時監測車輛運營狀態、處理車輛故障，因此，需要實時掌握車輛關鍵系統狀態及列車運行狀況，以便在遇到緊急或異常情況時能夠及時將信息上傳至地面控制中心（OCC）作出反應。標準IEC 62267-2009［2］《鐵路應用設施—都市自動化有軌運輸—安全性要求》中明確指出，在DTO以及UTO模式下，由于列車沒有操作人員，應采取相關措施以降低列車與導軌上障礙物、通道上人員碰撞的風險。該標準的最新版IEC/TR 62267-2011［3］同樣也對列車上沒有乘務人員時可能引起的安全問題制定了處理措施。因此，全自動駕駛列車上需配置列車安全防護系統，能夠及時避免運行事故，為列車安全運行提供有效手段和技術保障。

1 列車安全防護系統

列車安全防護系統種類繁多、功能復雜，例如，安裝障礙物探測和脫軌檢測系統來應對軌道風險；安裝防撞系統，通過檢測車對車或者車對地的距離，防止發生碰撞事故；安裝弓網檢測系統，通過對受電弓形態異常、接觸網幾何參數異常、弓網接觸異常等進行在線動態實時監測，確保列車運營安全。

1.1 弓網監測系統

常規有人駕駛的城市軌道交通列車極少加裝弓網檢測設備。而對于全自動運行列車，由于車上無司機和值守人員，故需要對列車運行時的弓網狀態進行全面監視和檢測，一旦弓網出現異常情況，檢測系統能實時報警，并及時將相關信息上傳到地面OCC（運營控制中心）。同時，弓網檢測系統還能對接觸線的橫向偏移量及導高變化量進行檢測，從大數據層面分析線路趨勢，為線路整體施工水平和質量提供評價依據，也為線網的周期性維護維修提供建議和數據支持。

弓網檢測系統使用紫外光電傳感技術、紅外熱成像技術、圖像智能識別技術、激光三角測量技術、車底補償技術及牽引電流實時監測技術等前沿技術，采用非接觸式的檢測方式，可實現對弓網動態在線實時監測［4］。表1 為弓網檢測系統的各項功能，可根據具體線路需求和車輛編隊數量進行功能選配。

表1 弓網檢測系統功能配置

車載弓網檢測系統包括車頂采集部分、車內處理部分、車底補償定位等部分，同時，地面還配置有數據終端對車輛實時監測的數據進行分析存儲。如圖1所示為車載弓網檢測系統結構。

圖1 車載弓網檢測系統結構圖

車頂采集單元（如圖2 所示）由高清弓網視頻成像、受電弓檢測模塊、弓網燃弧檢測模塊、弓網應力檢測模塊、弓網溫度檢測模塊、接觸網幾何參數檢測模塊等組成，可以將采集到的目標信息進行預處理，并將預處理結果通過以太網傳輸至車內處理單元。車內處理單元是整個系統的核心采集處理部分，主要用于對車頂采集單元收集到的信號進行多重調制濾波、分析計算，并將各處理模塊與綜合定位模塊的信息數據進行實時融合，最后通過車地傳輸將信息發送至地面服務器。

圖2 車頂采集單元

車底補償單元由安裝在列車左右兩端的振動補償裝置構成。振動補償裝置采用結構光照射鋼軌，面陣相機拍攝鋼軌截面成像，分析車體相對于軌道的運動狀態，進而補償因車體振動導致的測量誤差。

地面數據管理軟件搭載運行環境為地面端服務器，實時接收車輛傳輸的報警數據，進行數據展示和統計。

1.2 脫軌檢測系統

全自動駕駛列車必須配置脫軌檢測系統，該系統與列車緊急制動環路串聯，在系統檢測到列車脫軌時，將自動斷開緊急回路觸發列車緊急制動。

列車脫軌并不是瞬時發生的，而是一段時間內一系列累積作用的動態過程。列車脫軌系數、輪重減載率、輪軌相對位移等參數在一定程度上都可以反映脫軌的趨勢。當輪對相對于鋼軌的位移到達一定程度時，將產生脫軌，列車脫軌時，輪對會撞擊到軌道扣件或軌枕，并產生一系列有規律的振動及沖擊信號。脫軌檢測系統可通過分析輪軌相對位移的偏移量、車輛振動沖擊信息的特征及計算脫軌系數來判斷列車輪對是否發生脫軌。

目前，行業內常用的脫軌檢測系統根據其檢測原理，主要有接觸式脫軌檢測裝置、非接觸式脫軌檢測裝置、振動式脫軌檢測裝置及激光開關式防脫軌裝置幾種。

接觸式脫軌檢測裝置主要由脫軌檢測梁（梁上安裝傳感器及附件）、前置處理器和脫軌檢測主機3部分組成。脫軌檢測梁安裝在車輛轉向架上，當車輛發生脫軌時，檢測梁下降與鐵軌碰撞，梁內的傳感器檢測到與軌道接近從而觸發脫軌報警。接觸式脫軌檢測傳感器的碰撞檢測梁重量較大，車輛運行時產生的劇烈振動可能導致檢測梁斷裂或脫落，而檢測梁的位置由于限界原因不能設置與軌道過于接近，但若位置過高的話，又會對其檢測的準確性有一定影響。

非接觸式脫軌檢測由脫軌檢測主機、前置單元和脫軌檢測探測器組成。為保證可以同時監測到前后兩個輪對脫軌狀況，脫軌檢測探測器應布置在轉向架的對角軸箱體位置，探測器內部配備感應式接近傳感器，對列車運行下前方鐵軌進行實時監測，列車一旦出現脫軌，探測器便將脫軌信號送給車上脫軌檢測前置單元［5］。感應式傳感器雖準確度高，但探測高度有限，其安裝位置須在轉向架簧下，故需承受強烈的輪軌沖擊和振動考驗。

振動式脫軌檢測裝置配置在列車的每根軸端，系統對同一條軸兩端傳感器信號同步連續采樣的流式數據，采用步進式進行一次脫軌診斷，當左右輪對同時檢測到連續3個強沖擊的間隔與軌枕間距對應的采樣點相符，便判斷輪對脫軌。振動式脫軌檢測系統一般與車輛走行部故障診斷系統集成在一起，可以共用走行部故障診斷系統的復合傳感器，并通過復合傳感器測量輪軸橫向和垂向加速度信號，以此計算列車的脫軌系數，并據此判斷車輛是否有脫軌趨勢。與前兩種脫軌檢測裝置相比，振動式脫軌檢測系統結構更為簡單、維護性更好，且基本無需增加額外設備，性價比高。

激光開關式防脫軌檢測裝置是行業內新興的一種脫軌檢測裝置，主要由控制及分析主機、采集盒、激光開關式傳感器等組成［6］。激光開關式傳感器由激光發射器和激光接收器兩部分組成，分別位于鋼軌兩外側。傳感器采用對射方式，發射器發射激光束，接收器負責接收。車輛正常運行時，發射器和接收器中間暢通無異物阻擋，二者間能夠正常對射接收激光束。當輪對發生脫軌時，軌道成為阻隔打斷了激光束，發射器發射的激光無法被正常接收，系統檢測到輪對脫軌（如圖3所示）。

圖3 輪對脫軌示意圖

表2所列為幾種脫軌檢測裝置的特點對比。

表2 脫軌檢測裝置對比

1.3 走行部故障診斷系統

走行部是車輛的重要組成部分，其運行安全也是城鐵車輛的重中之重，嚴重突發性的走行部故障可能引起脫軌等極端的惡性事故。因此，走行部的運行狀態和安全直接關系到車輛的運行狀態和安全［7］。走行部故障診斷系統能夠對車輪、軸承、齒輪等關鍵部件的狀態進行監測，對走行部運行狀態予以科學評估，對走行部故障進行早期識別和預警。

系統通過在列車輪對軸箱系統設置復合傳感器，實現對輪對軸箱系統的溫度、振動、沖擊信息等多個物理量的檢測、處理，并通過基于廣義共振與共振解調的故障診斷技術，實現列車走行部的狀態檢測、安全保障和主動運維決策等功能。走行部故障診斷系統原理圖如圖4所示。

圖4 走行部故障診斷系統原理圖

走行部故障診斷系統由走行部監測主機/從機、復合傳感器、前置處理器等組成，復合傳感器接入前置處理器，再接入主機/從機。

復合傳感器安裝在前后轉向架的軸箱處及齒輪箱小齒輪傳動端和電機非傳動端，獲取輪對軸箱系統的振動、沖擊、溫度3種物理量。前置處理器實現所轄測點的復合傳感器網絡管理、完成信號的預處理或數據采集，并與車輛主機/從機進行交互通信。

走行部監測主機/從機是實現本車輛前置處理器管理、信號采集、數據存儲、診斷分析并與實現車輛間交互通信的裝置。走行部監測主機設置在列車的首尾兩節車上，中間車配置從機，從機通過列車網絡將數據發送給頭車走行部監測主機后，由主機負責對全列車信息進行綜合診斷，輸出列車級診斷結果。

1.4 障礙物檢測

障礙物探測系統的主要功能是列車運行過程中與軌道上的異物發生碰撞或即將碰撞時自動觸發列車的緊急制動功能，分為接觸式障礙物探測和非接觸式障礙物探測。

（1）接觸式障礙物檢測裝置用于實時監視車輛運行狀態、檢測車輛碰撞障礙物能量，當列車運行過程碰撞障礙物能量超過閾值時，產生報警信號，此時，列車自動斷開制動安全回路，產生緊急制動，同時，該信號經由列車控制系統上傳至OCC。

系統由障礙物檢測主機、障礙物檢測電器盒、障礙物檢測梁及配套電纜組成。障礙物檢測梁（如圖5 所示）為系統的傳感檢測執行器件，安裝在車輛轉向架上，當車輛碰撞到障礙物時，檢測橫梁帶動彈簧板向后移動，傳感器檢測彈簧板位移量，將位移信號發生給障礙物檢測電器盒。障礙物檢測電器盒安裝在車體下方，主要對障礙物檢測梁傳感器檢測到的位移信號進行收集，并分析識別障礙物能量是否超過報警閾值，一旦檢測到風險即刻將報警信息傳給主機。障礙物檢測主機安裝于車內，與列車緊急制動環路串聯。主機內部設置網絡通信模塊，實現與車輛網絡通信，傳遞狀態和故障信息給車輛進行聲光報警提示。

圖5 障礙物檢測梁

（2）非接觸式障礙物檢測系統結合雷達和視覺傳感器手段，通過智能算法處理和深度學習智能檢測列車前方障礙物，實現對前方障礙物進行高可靠感知實時檢測，并將信息實時反饋給列車和OCC，通過判斷前方障礙物狀態采取措施，為列車安全駕駛提供預警及報警。

非接觸式障礙物檢測系統包含控制主機、雷達傳感器、視覺傳感器等設備。

目前，成熟運用的雷達傳感器主要有兩種，即毫米波雷達和激光雷達。毫米波在測速、測距方面具有天然優勢，具備檢測精度高、回波強度準確等技術特點，且不受環境背景光和雨雪霧霾天氣的干擾，但在橫向目標、消除多徑反射干擾方面還有待加強。激光雷達相對來說對近距離的障礙物分辨率更高，并且具有抗有源干擾能力強、體積重量小更加輕便等優點，但探測距離有限，對于顏色、圖案識別能力很弱，且價格昂貴。表3所示為兩者特點的對比。

表3 毫米波雷達與激光雷達特點

視覺傳感器主要用于軌道區域識別和列車識別。系統通過視覺傳感器采集列車軌行區的畫面影像發送給主機，主機通過深度學習的人工智能算法，自動分析、自動甄別障礙物入侵限界的異常事件。軌道上的障礙物是列車行進過程中隨機出現的，其形狀特征無法預測，在檢測窗口內，高于軌道平面的物體定義為列車行進前方的障礙物，若障礙物尺寸超限或侵入列車限界，則自動觸發聲光警示并將檢測結果上報OCC。視覺傳感器彌補了雷達傳感器無法識別交通標志的缺點，而且對物體識別率更高。非接觸式障礙物探測如圖6所示。

圖6 非接觸式障礙物探測

1.5 列車防撞系統

列車防撞系統主要采用二次雷達技術對前方列車、端墻（或盡頭）進行實時探測與測距。當系統檢測到前方有車—車或車—地碰撞等重大安全危險隱患時，將提前預警，為列車運營提供輔助安全保障。

系統采用雷達通信應答技術與前車或端墻雷達設備實時通信，實現對前車或端墻距離的檢測。

車—車之間的防撞（見圖7）主要通過前后列車之間的查詢—應答式測距機制來實現。后車向前車發送查詢射頻信號，前車接收后經信號處理與識別，若符合預設通信協議，則向后車發送應答信號；后車在接收應答信號后，根據查詢—應答時間差計算追蹤距離，可以在終端瀏覽顯示。若追蹤距離小于預警閾值，則發出聲光報警。

圖7 車-車防撞檢測

車—地防撞系統主要應用于車輛在段內或庫內作業時的安全防護。在列車上安裝端墻防撞報警器，地面則固定應答設備，在存車線、洗車線、試車線等地面軌道終點的前方軌枕上安裝地面防護信標。通過無線通信測距，實時監控車輛端墻和股道終點的距離，在低于下限時發出告警，有效防止端墻撞擊。車輛端墻防撞系統適用于車輛段車庫、試車線、洗車線和牽出線等，也可適用于車站存車線（見圖8）。

圖8 端墻防撞

2 列車安全防護系統技術特點

全自動駕駛列車安全防護系統功能全面、應用范圍廣，各項前沿技術的應用使其具有檢測準確性高、時效性好、獨立性強等優點，有力地保障了車輛運行安全。

2.1 多技術融合，檢測準確性高

列車安全防護系統通過多項前沿技術融合的手段保證檢測的準確可靠。例如，非接觸式障礙物檢測系統通過AI視覺技術和雷達技術的融合，使用多種不同的探測體制，避免單一技術體制失效可能帶來的漏報警風險，充分提高了系統的安全性；弓網檢測系統利用檢測定位技術和振動補償技術，可以對異常位置進行準確定位。

2.2 智能分級診斷，檢測效率高

列車安全防護系統可通過各檢測系統自身軟件，及時對相關檢測異常點進行綜合質量評定、故障診斷以及指導維護。檢測系統的智能缺陷識別功能能夠根據當前檢測的故障進行報警分級。例如，輕微故障系統將不作出反應，只是進行存儲和記錄；而可能影響到車輛安全運營的嚴重故障將通過以太網傳遞給TCMS系統，再由TCMS 系統將故障信息實時上傳至OCC 作出反應，檢測效率更高。

2.3 系統獨立性強

現有的全自動駕駛列車主要依賴信號系統通過車—地—車的交互保證安全［8］，而列車安全防護系統采用自主獨立的設計理念，不依賴信號控制系統信息，具備在信號控制系統故障的情況下保持獨立探測、預警及防護的能力。這對于全程由信號系統控車的全自動駕駛列車來說，可以大幅降低其在信號系統突發故障下的運行風險。

2.4 配置靈活性強

列車安全防護系統的類別較多，各檢測系統的功能也豐富多樣，目前，多數檢測系統已經模塊化設計，客戶可以根據工程預算及線路條件等進行個性化配置。無論是代表當前軌交發展方向的前沿技術產品，或是已經有較多應用業績的成熟產品，均可以靈活選擇。

3 列車安全防護系統發展方向

列車安全防護系統的應用對車輛運行狀態、車輛關鍵系統及部件進行了實時高效的檢測，但同時也帶來了相關的問題。除增加整車購置成本以外，列車安全防護系統的應用對于車輛總體技術指標及可靠性都提出了更多挑戰。

作為車輛的子系統，各類防護系統的可靠性指標與車輛整體可靠性密切相關。鑒于各類安全防護系統主要的設備組成，不外乎有數據采集、數據處理及地面分析等幾大部分組成，因此，在進行整車安全防護系統的設計時，可充分利用各系統的共性技術，對系統進行集成研究，這也是合理降低車輛成本，減小車輛重量、優化設備布置空間以及提升車輛可靠性的關鍵。

以非接觸式障礙物探測和端墻防撞系統為例，二者均有利用到二次雷達技術進行功能實現，因此，可以將二者的車內主機高度集成，集成后的車載控制主機由電源模塊、雷達模塊、分析模塊、通訊模塊、交換機模塊、RFID模塊及控制模塊等構成。采用全插拔模塊化無線纜設計，可根據需要便捷增減模塊，大量的輸入輸出接口設計具有很強的靈活性，便于系統的安裝與維護。除主機集成外，二者還可以共用視覺傳感器、車載雷達天線和顯示器等。集成后的系統優化了關鍵設備的重復配置，降低了設備故障率，減少了維護成本，提升了車輛可靠性，無論是在設備安裝空間方面，還是在整車重量控制方面，抑或是車輛購置成本方面，都更加有優勢。

4 結語

國內城市軌道交通正處在快速發展時期，隨著各大城市運營線路的不斷增長，軌道交通車輛的運營效率和安全要求也在不斷提升。列車安全防護系統的應用，是全自動駕駛列車發展的必然要求，也是城市軌道交通提升安全性和可靠性的必然趨勢。列車安全防護系統將向著高度自動化、智能化、集成化、模塊化的方向發展，為未來真正實現城市軌道交通無人駕駛、無人監管的智能列車自動化運營網絡提供支撐。