基于傳感器的感知系統(tǒng)在德國(guó)鐵路網(wǎng)首次測(cè)試和應(yīng)用

1 引言

為提高德國(guó)鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸能力、準(zhǔn)時(shí)性和效率，德國(guó)鐵路股份公司（DB）制定并推行“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略，通過(guò)不斷引入數(shù)字化技術(shù)，如歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）、數(shù)字化集中裝置等，提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化水平。

此外，DB 還致力于完成鐵路系統(tǒng)更深遠(yuǎn)的數(shù)字化。未來(lái)，列車將實(shí)現(xiàn)行車間隔最優(yōu)化的全自動(dòng)運(yùn)行，由基于人工智能（AI）的運(yùn)營(yíng)及事故管理系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行智能和自動(dòng)化控制，從而在不新建鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的情況下顯著提高鐵路的運(yùn)輸能力。為此，需要對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境（如障礙物、人等）進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并對(duì)列車位置進(jìn)行連續(xù)定位。

Sensors4Rail 項(xiàng)目作為DB 與合作伙伴聯(lián)合開(kāi)展的、德國(guó)“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略框架內(nèi)的一個(gè)重要項(xiàng)目，旨在研發(fā)和測(cè)試集環(huán)境感知、實(shí)時(shí)定位、數(shù)字地圖等功能于一身的智能系統(tǒng)。項(xiàng)目于2019年夏季正式開(kāi)始，其第一階段成果在2021年10月的漢堡國(guó)際智能交通系統(tǒng)（ITS）大會(huì)上由DB 與合作伙伴——西門子交通集團(tuán)、HERE Technologies、Ibeo Automotive Systems GmbH、博世公司一起發(fā)布。本文將對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2 項(xiàng)目背景

高度自動(dòng)化及全自動(dòng)化駕駛技術(shù)的應(yīng)用是縮短列車行車間隔，減少能源消耗，提高鐵路運(yùn)輸能力及可靠性、安全性的重要手段。漢堡數(shù)字化市區(qū)快速列車（S-Bahn）項(xiàng)目作為德國(guó)“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略框架內(nèi)的另一重要項(xiàng)目，將基于歐洲列車控制系統(tǒng)的列車自動(dòng)駕駛（ATO over ETCS）技術(shù)引入德國(guó)常規(guī)鐵路運(yùn)營(yíng)中，是列車自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。該項(xiàng)目在配備ETCS 的漢堡S-Bahn 21 號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱“S21 線”）23 km 長(zhǎng)線路區(qū)段上以高度自動(dòng)化運(yùn)行模式（GOA2）運(yùn)行4 列經(jīng)過(guò)改裝的列車，完成列車自動(dòng)起動(dòng)、加速、制動(dòng)、停車操作。列車運(yùn)行期間，駕駛員僅負(fù)責(zé)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行干預(yù)。在漢堡ITS 大會(huì)展示期間，漢堡數(shù)字化S-Bahn 項(xiàng)目列車實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化運(yùn)行，即在沒(méi)有駕駛員值守的情況下自動(dòng)駛?cè)胪＼嚲€及伯格多夫站（Bergedorf）站臺(tái)。然而，由于列車上并未安裝基于傳感器的障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，因此行車過(guò)程中，遠(yuǎn)程駕駛員是在控制中心利用集中裝置對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，難以達(dá)到實(shí)時(shí)、精確感知和控制的目標(biāo)。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境及狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，從而為列車全自動(dòng)化運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)，成為當(dāng)務(wù)之急。而在鐵路領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展仍處于起步階段，未達(dá)到其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的成熟度，需加大研發(fā)力度。Sensors4Rail 項(xiàng)目由此鋪開(kāi)。其研發(fā)內(nèi)容包括基于傳感器的環(huán)境感知系統(tǒng)、精確的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)以及高度準(zhǔn)確的線路環(huán)境數(shù)字地圖。為此，研發(fā)人員將最先進(jìn)的傳感器和功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到漢堡數(shù)字化S-Bahn 測(cè)試車輛中，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件組件。在這過(guò)程中，DB 負(fù)責(zé)進(jìn)行項(xiàng)目管理，提供車輛、所需線路，實(shí)施車輛改造，以及開(kāi)發(fā)信息安全相關(guān)工作包；西門子交通集團(tuán)負(fù)責(zé)本地化工作包的開(kāi)發(fā)，以及系統(tǒng)的測(cè)試、集成；博世公司與Ibeo Automotive Systems GmbH合作開(kāi)發(fā)環(huán)境感知工作包；HERE Technologies 開(kāi)發(fā)數(shù)字地圖工作包。上述系統(tǒng)可實(shí)時(shí)提供有關(guān)列車周圍環(huán)境的最準(zhǔn)確信息及列車的精確位置，檢測(cè)軌道上及周邊的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)障礙物并對(duì)其危害進(jìn)行評(píng)估。這對(duì)于開(kāi)發(fā)智能駕駛輔助系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)列車全自動(dòng)運(yùn)行將發(fā)揮決定性作用。此外，列車運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)（如列車位置或軌道上障礙物相關(guān)數(shù)據(jù)）被以高頻率采集，并通過(guò)云界面提供和查詢，用于更快地發(fā)現(xiàn)和處理故障，優(yōu)化列車調(diào)度，從而使鐵路運(yùn)輸更流暢和可靠。

3 系統(tǒng)概述

Sensors4Rail 項(xiàng)目相關(guān)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“Sensors4Rail系統(tǒng)”）搭載在經(jīng)過(guò)改裝的BR472 型車輛上，由DB 下屬子公司DB Systemtechnik 負(fù)責(zé)行車測(cè)試。

圖1展示了測(cè)試車輛上安裝的Sensors4Rail 系統(tǒng)，包括硬件和軟件。此外，DB 內(nèi)部云環(huán)境（即DB 模塊化云）也是Sensors4Rail 系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)可接收并處理全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)；列車與云之間的通信通過(guò)沃達(dá)豐（Vodafone）公司提供的、具有優(yōu)先級(jí)的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）/4G 連接實(shí)現(xiàn)。Sensors4Rail 項(xiàng)目的測(cè)試線路為漢堡S21 線從柏林托爾（Berliner Tor）至奧姆勒（Aumühle）的23 km 區(qū)間。測(cè)試的關(guān)鍵線路區(qū)間為Bergedorf—Berliner Tor 路段，其為漢堡ITS 大會(huì)的示范線路。

圖1 Sensors4Rail 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

4 車輛系統(tǒng)集成

Sensors4Rail 項(xiàng)目測(cè)試車輛長(zhǎng)度為60 m，共鋪設(shè)約4.3 km 長(zhǎng)的電纜，安裝了45 個(gè)特殊硬件組件及約3 500 個(gè)零件。該項(xiàng)目面臨的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是新硬件組件在車輛中的集成，包括攝像機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）等傳感器，具有多個(gè)圖形處理單元（GPU）的高性能服務(wù)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及在組件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所用的10 Gbps 網(wǎng)絡(luò)。

其中大部分組件是首次用于鐵路運(yùn)營(yíng)，因此不容易獲得所需批準(zhǔn)和許可。例如，用于環(huán)境感知的傳感器最初是為汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)的，必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室驗(yàn)證才能應(yīng)用到鐵路領(lǐng)域。因此，Sensors4Rail 的一個(gè)重要目標(biāo)是：在典型的鐵路環(huán)境下（溫度跨度大、振動(dòng)強(qiáng)烈、污染嚴(yán)重）對(duì)上述硬件組件進(jìn)行測(cè)試。

圖2展示了經(jīng)過(guò)改裝、安裝了環(huán)境感知傳感器的BR472 型列車正面。6 臺(tái)激光雷達(dá)以3 臺(tái)為一組，安裝在前擋風(fēng)玻璃上方的左右兩邊，能夠以15 Hz 的頻率進(jìn)行密集掃描，其測(cè)量范圍覆蓋所需的水平和垂直視野，并可實(shí)時(shí)生成列車運(yùn)行環(huán)境的3D 點(diǎn)云。上方車燈的一側(cè)安裝1 臺(tái)紅外攝像機(jī)，可通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)為8～14 μm的長(zhǎng)波紅外線來(lái)識(shí)別物體。與在近紅外光范圍內(nèi)工作的激光雷達(dá)一樣，紅外攝像機(jī)無(wú)需環(huán)境照明，能夠在絕對(duì)黑暗的環(huán)境中（如隧道中或夜間）感知靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體。前擋風(fēng)玻璃下方安裝3 臺(tái)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的攝像機(jī)，包括1 臺(tái)除采集圖像數(shù)據(jù)外還可確定近距離環(huán)境深度值的立體相機(jī)，以及2 臺(tái)視距分別為300 m（中距離）和550 m（遠(yuǎn)距離）的攝像機(jī)。車輛前部的環(huán)境感知由4 臺(tái)工作頻率為76～77 GHz 的雷達(dá)完成。所有原始傳感器數(shù)據(jù)都收集在高性能服務(wù)器中，并在此得到進(jìn)一步的實(shí)時(shí)處理和記錄以供日后分析。

安裝在BR472 型列車上的定位系統(tǒng)由位移脈沖發(fā)生器、光學(xué)軌頭傳感器、慣性測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)可將信號(hào)源數(shù)據(jù)與由雷達(dá)實(shí)時(shí)定位及地圖創(chuàng)建（SCAM）系統(tǒng)的環(huán)境感知功能所共同確定的列車位置信息、基于地界標(biāo)的定位信息相結(jié)合，計(jì)算出列車前部位置，并將以這種方式確定的列車位置與高精度定位系統(tǒng)所得結(jié)果進(jìn)行比較，分析偏差，實(shí)現(xiàn)在不安裝新基礎(chǔ)設(shè)施組件情況下的高精度列車實(shí)時(shí)定位。

高精度數(shù)字地圖（HD 地圖）最初也是為汽車行業(yè)的自動(dòng)化駕駛而開(kāi)發(fā)，用于支持駕駛員輔助系統(tǒng)的運(yùn)行及車輛的本地化。與傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖相比，HD 地圖能夠以更高的細(xì)節(jié)水平表達(dá)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，其包含沿線物體信息，如建筑物、橋梁或站臺(tái)邊緣，是鐵路及其周圍環(huán)境的數(shù)字孿生體，可用作連續(xù)比較實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的參考。研發(fā)人員利用徠卡Pegasus 2 測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建HD 地圖，并確定4 個(gè)GNSS 主站和多個(gè)控制點(diǎn)，其絕對(duì)坐標(biāo)精度約為3～5 cm。因此，HD 地圖可以作為基于地界標(biāo)的列車前部位置定位的基礎(chǔ)。

Sensors4Rail 項(xiàng)目在車輛中集成環(huán)境感知、定位和數(shù)字地圖這3 個(gè)子系統(tǒng)，并測(cè)試其以下6 個(gè)功能（圖 3）：

圖3 Sensors4Rail 項(xiàng)目測(cè)試的系統(tǒng)功能

（1）識(shí)別地界標(biāo)并與數(shù)字地圖進(jìn)行比較，以準(zhǔn)確定位列車前部位置；

（2）檢測(cè)和分類相鄰軌道上的列車，以免將其識(shí)別為危險(xiǎn)物或障礙物；

（3）檢測(cè)、分類和定位站臺(tái)上的人員，以便在緊急情況下做出反應(yīng)；

（4）檢測(cè)車輛所在軌道和相鄰軌道走向，并與數(shù)字地圖進(jìn)行比較，以便以軌道線路為參照定位對(duì)象；

（5）將所有定位和路徑信息整合到軌道的一個(gè)位置上，以便在不新建基礎(chǔ)設(shè)施的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的列車實(shí)時(shí)定位；

（6）通過(guò)監(jiān)控車輛所在軌道和相鄰軌道建筑接近限界內(nèi)外的空間容積來(lái)檢測(cè)軌道占用情況，以便對(duì)未知障礙物做出反應(yīng)。

5 項(xiàng)目成果展示

Sensors4Rail 項(xiàng)目的成果在漢堡ITS 大會(huì)上展示。

為此，研發(fā)人員基于現(xiàn)代化的圖形環(huán)境創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)圖像，用以展示Sensors4Rail 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)源于對(duì)線路的初始高精度測(cè)量。被識(shí)別的地界標(biāo)及列車位置相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)接口轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化處理，并顯示到列車上安裝的監(jiān)視器中（圖4）。由圖4可知，除列車實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境之外，界面還可以清晰地展示系統(tǒng)采集的眾多信息，如地界標(biāo)總數(shù)、列車當(dāng)前速度等，未來(lái)這些數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)娇刂浦行模糜趦?yōu)化列車調(diào)度或?qū)收献龀隹焖俜磻?yīng)。

圖4 Sensors4Rail 項(xiàng)目成果可視化展示界面

此外，相關(guān)數(shù)據(jù)還通過(guò)4G 接口發(fā)送到云端并提供給另一個(gè)服務(wù)實(shí)例，該實(shí)例在ITS 大會(huì)BR472 型列車展示運(yùn)行期間生成了與Linkedln 和YouTube 等社交網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)流相同的可視化效果，使更多的國(guó)際受眾能夠遠(yuǎn)程查看項(xiàng)目成果。

6 展望

目前，DB 及其合作伙伴正在籌備Sensors4Rail 項(xiàng)目第二階段的試運(yùn)行，該階段于2022年5月開(kāi)始，計(jì)劃將測(cè)試區(qū)域擴(kuò)展到漢堡S-Bahn 線網(wǎng)中的其他路線，并在各種天氣條件下及各時(shí)間段（白天和黑夜）記錄原始數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的多樣性。利用這些來(lái)自傳感器的原始數(shù)據(jù)還可對(duì)所使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，以促進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化完善。