無人駕駛地鐵中定點緊急停車系統(tǒng)的研究*

嚴　翔， 趙　慧， 王保華

(1　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081；2　西門子公司， 北京 100102；3　北京交通大學 電氣工程學院， 北京 100044)

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無人駕駛地鐵中定點緊急停車系統(tǒng)的研究*

嚴翔1， 趙慧2， 王保華3

(1中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081；2西門子公司， 北京 100102；3北京交通大學 電氣工程學院， 北京 100044)

無人駕駛地鐵列車逐漸成為城市軌道交通的發(fā)展方向，為了保證地鐵列車在關鍵位置的安全停車，本文采用了射頻識別技術實現定點位置識別，設計并實現了一套獨立于ATO的定點緊急停車系統(tǒng)。首先給出了系統(tǒng)的整體設計方案，其次對車載主控裝置的三大功能模塊和主要軟件設計進行了詳細介紹，最后在所搭建的測試平臺上完成了樣機的試驗驗證，試驗結果證明了系統(tǒng)的可用性。

定點緊急停車； 無人駕駛地鐵列車； RFID技術

隨著城市軌道交通系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，乘客需求的不斷增大以及地鐵車輛運行效率要求的不斷提高，全自動無人駕駛列車開始登上舞臺，成為城市軌道交通的發(fā)展方向及研究重點[1]。目前，巴黎、新加坡、柏林等城市的全自動化地鐵已正式投入運營[2]，這項技術在我國還處于起步階段，但已取得了一定成果，由中國中車長春軌道客車股份有限公司自主研發(fā)的某型無人駕駛地鐵列車即將在香港地鐵西港島線和南港島線投入運營。

另一方面，如何保證無人駕駛列車的行車安全，是方案設計人員、車輛運營人員以及乘客重點關心的問題。列車的完全自動化無人駕駛，意味著列車行車安全高度依賴于整個自動化控制系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)失控，后果不堪設想。自“7·23”甬溫線動車事故后，上海軌道交通10號線又發(fā)生“9·27”列車追尾事故，公共交通的安全性已成為一件敏感的事[3-4]。近些年，我國由于系統(tǒng)故障或司機操作失誤等其他原因致使列車未能緊急停車、超出界限的事故就頻有發(fā)生，造成重大的災難和不可估量的損失。如何保證列車在行車中的安全性也就成了需要解決的首要問題。尤其是在車輛入庫、線路末端以及試驗線末端等位置，必須要有常規(guī)車輛控制以外的安全制動措施，保證列車能夠在這些關鍵位置準確識別并緊急制動，這就需要有一套類似于定點停車的緊急制動系統(tǒng)，保證無人駕駛列車在關鍵位置可以快速有效地實現列車緊急停車。

定點緊急停車系統(tǒng)要實現的功能主要分為兩大部分：一是定點位置識別，二是緊急制動停車[5]。緊急制動部分可以利用列車原有的緊急制動回路(EB，Emergency Brake)，通過斷開EB，觸發(fā)緊急制動來實現；而定點位置識別是全自動無人駕駛軌道交通的一項關鍵性技術。目前在國內外城市軌道交通中可采用的列車定位方法有很多[6-7]，如基于軌道電路的定位技術，該技術實現簡單，但是定位精度取決于軌道電路的長度，精度較差；基于電子計軸的定位技術，與軌道電路方案類似，缺點是不具備向列車傳輸信息的通道，列車無法通過計軸器獲取更加詳細的位置信息；基于測速的定位技術，這是一種典型的增量式相對定位，隨著行駛距離的增加，其絕對誤差越來越大，不適合定位精度要求較高的系統(tǒng)；基于慣性導航的定位技術，屬于自主性導航，可獨立提供載體的各項導航參數，不受外界環(huán)境的影響，但導航的精度依賴于慣性測量器件的精度，誤差隨著時間累積而積累，不適合單獨定位；基于查詢/應答器的定位技術，定位精度與應答器的布設密度有關，為了準確的定位就必須大量的設置地面應答器，這樣就帶來了高額的成本。國內的列車定位系統(tǒng)多采用多傳感器信息融合的方式，也就是多種列車定位技術相結合的方法，例如北京地鐵2號線，4號線和10號線等，可以實現可靠、安全的列車定位，并達到使列車定位更加精確的效果，當然這樣的系統(tǒng)結構相對更復雜，成本也高。

綜上所述，目前的列車定位技術多是為列車行進過程中的連續(xù)定位服務的，而本文需要實現的定點位置識別相對于這些列車定位技術來說并不需要連續(xù)定位，只需要保證在單點位置能夠精確識別，進而觸發(fā)緊急制動即可，技術要求相對簡單，因此本文提出了一套基于射頻識別技術(RFID)的定點緊急停車系統(tǒng)的方案設計，該系統(tǒng)獨立于列車自動運行系統(tǒng)(ATO)，當列車行進至正線末端，入庫或檢測到地面設備需要停車時，系統(tǒng)會立即斷開車輛的EB控制回路，即使在列車ATO系統(tǒng)失效的情況下，仍能起到最后的防護作用，最大程度上保障行車及乘客的安全，此系統(tǒng)可以廣泛應用于需要在關鍵位置緊急制動的緊急停車場合。

1　系統(tǒng)整體方案設計

1.1系統(tǒng)組成

本文采用基于ISO/IEC 15693標準的射頻識別RFID技術設計了一套完全獨立于ATO的列車定點緊急停車系統(tǒng)。定點緊急停車系統(tǒng)由兩部分組成，分別為地面系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。前者主要由三組無源電子標簽組成；而后者又分為車載定點緊急停車主控裝置(簡稱車載主控裝置)和車載天線，車載主控裝置負責數據處理、信息上傳和邏輯控制輸出，分別與TCMS系統(tǒng)和EB控制回路相連；車載天線負責建立磁場，與地面系統(tǒng)進行交互。列車在入庫或行進到正線末端過程中，當車載控制系統(tǒng)與地面系統(tǒng)交匯時將自動觸發(fā)EB控制回路，使列車在不依賴計算機系統(tǒng)的前提下亦能實現安全停車，從而有效地避免了由于人為操作失誤導致的事故發(fā)生，不同于ATO的精確定點停車功能，本文的定點緊急停車只在關鍵位置觸發(fā)緊急制動，是對ATO系統(tǒng)的補充。

圖1　定點緊急停車系統(tǒng)結構示意圖

1.2工作原理

車載天線安裝在列車車頭的下方，車輛識別采用RFID技術，當車載控制系統(tǒng)上電后，此天線會建立一個特定頻率(13.56 MHz)的磁場，在列車行進的過程中，該磁場也會隨之移動。列車駛近地面設備時，即等同于地面設備進入車載天線所發(fā)出的磁場，地面設備被車載天線發(fā)出的射頻能量所激活，發(fā)出特定的信息，信息通過車載天線送至車載主控裝置，后者控制對應的繼電器輸出使列車緊急制動，如圖2所示。為保證車輛在線路末端的最大速度下，車載系統(tǒng)對地面系統(tǒng)辨識的可靠性和方向識別，地面系統(tǒng)的三套無源電子標簽設備按特定次序和距離在一條軌道上順次布置。

圖2　定點緊急停車系統(tǒng)工作原理圖

1.3RFID技術特點

無線射頻識別技術(RFID)是從二十世紀九十年代興起的一種非接觸式自動識別技術，可以通過射頻信號自動識別目標對象以獲取相關數據，整個工作過程無需人工干預。與傳統(tǒng)的自動識別技術相比，具有讀寫速度快、讀寫距離遠、能夠讀取高速移動物體、具有高可靠性、耐用性、有防沖突機制、安全加密性能好、使用壽命長等特點，廣泛應用于高速公路收費及智能系統(tǒng)、生產自動化及過程控制等領域。RFID射頻識別的頻率很多，根據各個頻段的不同，其能量和數據傳輸是不一致的。在相同的頻率下也有多種RFID技術標準共存，比如13.56 MHz就有ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693、ISO 18000-3等標準存在，不同的標準采用的無線調制方式、基帶編碼格式、傳輸協議和傳輸距離各有差異，我國的第二代電子身份證采用的就是ISO/IEC 14443 TypeB協議標準；相對而言，ISO/IEC 15693讀寫距離更遠，最高時可達1 m，并且成本較低，設計簡單。

由于設計裝置的應用環(huán)境為戶外軌道上，地面標簽與車載天線的垂直距離約為45 cm，從各項指標綜合考慮，采用工作頻率為13.56 MHz基于ISO/IEC 15693標準的射頻識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

(1) 讀卡器：用于對電子標簽發(fā)出操作命令，例如讀、寫、取消等命令；接收電子標簽返回的信息。典型的讀卡器需包含高頻模塊、主控單元以及與電子標簽的耦合元件等；

(2)電子標簽：由標簽芯片與標簽天線以及耦合元件組成，每一個標簽具有唯一的電子編碼。在具體應用中，標簽附在物體上以標識目標對象。按照射頻信號發(fā)送方式的不同，電子標簽分為主動式和被動式兩種。前者又稱為有源標簽，能夠主動向讀卡器發(fā)送射頻信號，一般情況下由內部電池供電。后者又稱為無源標簽，會被特定頻率的磁場所激活，本身不帶電池。

(3) 天線：用于讀卡器和電子標簽之間能量及信息的傳遞。

2　車載主控裝置

定點緊急停車系統(tǒng)實現的重點是車載控制系統(tǒng)部分，其中車載主控裝置又是車載控制系統(tǒng)的核心，車載主控裝置的功能主要分為標簽識別、邏輯控制和故障記錄3大部分，標簽識別部分的主要功能是利用RFID技術檢測地面系統(tǒng)的電子標簽，將檢測到的信號傳輸給控制板；邏輯控制部分的主要功能是由控制板分析處理接收到來自通信板的信號，綜合其他的反饋信息，控制繼電器組輸出觸發(fā)EB回路；故障記錄部分的主要功能是采集所有單元的工作狀態(tài)，對繼電器組的輸出進行記錄并生成日志，同時也負責兩套冷備通信板的切換。接下來分別對主邏輯控制單元(控制板)、標簽識別通信單元(通信板)和故障記錄單元(輸入和記錄板)中的關鍵技術設計進行詳細介紹。

2.1關鍵模塊設計

2.1.1總體結構

為了提高系統(tǒng)的安全等級，同時考慮到射頻信號的干擾問題，主控裝置采用雙機備用模式(分別為單元A和單元B，共用一套記錄板)，結構框圖如圖3所示。正常情況下，兩套控制單元同時工作，然而僅有一塊通信板控制對應的車載天線啟動工作，完成對地面設備的激活和辨識，并實時將結果發(fā)送到兩套控制單元的控制板；另一塊通信板處于冷備狀態(tài)。兩套控制單元中的控制板對工作中通信板發(fā)送過來的數據進行分析處理并輸出控制各自的繼電器組，兩套繼電器組位于一塊繼電器組輸出板內，并處于串聯模型，確保當工作中的通信板檢測到地面標簽時有一套控制單元正常工作仍能夠正常觸發(fā)緊急制動回路；

與此同時，兩套控制單元中的控制板對處于工作狀態(tài)的通信板進行監(jiān)控，確保當該通信板發(fā)生故障時，能夠通知故障記錄單元，由輸入和記錄板控制通信板的供電，切換到另一通信板工作，并觸發(fā)故障狀態(tài)繼電器，將故障報給TCMS；輸入和記錄板接收所有控制輸入信號并分發(fā)給兩個控制板，同時對所有電源板、通信板、控制板的工作狀態(tài)，輸入輸出信號以及繼電器組的輸出進行記錄，生成日志，便于故障分析。

圖3　主控裝置結構框圖

2.1.2主邏輯控制單元

主邏輯控制單元(控制板)主要負責讀取處于工作狀態(tài)的通信板數據以及來自列控系統(tǒng)的狀態(tài)信號，經過邏輯處理后控制對應的繼電器組輸出；同時也監(jiān)控通信板的狀態(tài)，當檢測到通信板故障時，通過422總線電路通知故障記錄單元，由故障記錄單元控制切換啟用另一塊通信板。硬件結構如圖4所示。其中RS232接口與兩個通信板相連，由于正常情況下只有一塊通信板上電工作，因此不影響串口通信；422電路接口分別與故障記錄單元以及另一塊邏輯主控板相連，形成總線結構，可用于控制板之間的信息交換以及各自板內狀態(tài)信息的上傳記錄。

主控芯片選用意法半導體公司生產的、基于Cortex-M3內核的32位處理器STM32F103RBT6，內置128 kB的Flash、20 kB的RAM、12位AD、4個16位定時器和3路USART通訊口等多種資源，時鐘頻率最高可達72 MHz，內嵌3個12位的逐次逼近型AD轉換器和4個可同步運行的通用定時器。豐富的通信、IO資源以及強大穩(wěn)定的邏輯處理能力滿足本設計的要求。

圖4　邏輯主控板結構圖

2.1.3基于RFID的通信單元

標簽識別通信單元采用RFID技術，主要任務是控制射頻模塊對數據進行調制后通過天線向標簽發(fā)射讀取信號，并從天線上接收標簽的應答信號，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其他相關信息傳輸到控制板以供處理。

基于RFID的通信單元以射頻收發(fā)芯片CL RC632為核心，控制單元采用宏晶科技公司的8051單片機STC12C5A60AD，負責運行讀寫標簽的程序，提供CL RC632芯片的控制信號，通過RS232接口完成與控制板的數據通信。通信板根據15693協議，不斷地通過車載天線發(fā)送射頻信號，其中心頻率為13.56 MHz，其結構框圖如圖5所示。

圖5　通信板結構框圖

2.1.4故障記錄單元

故障記錄單元的主要功能有：(1)實時監(jiān)測兩個邏輯主控單元狀態(tài)信息、實時監(jiān)測所有輸出繼電器組的動作情況并生成日志、監(jiān)測所有外部控制信號，當發(fā)生故障時將時間、故障類型進行存儲，工作人員可通過串口進行查詢；(2)當兩個控制板都發(fā)生故障無法控制對應的EB繼電器動作時，控制中間繼電器斷開，同樣使得EB回路斷開，保證故障導向安全；(3)接收來自控制板對通信板的狀態(tài)監(jiān)測信息，當檢測到通信板故障時，控制對通信板的供電切換，其硬件結構框圖如圖6所示。

圖6　故障記錄板結構框圖

2.2關鍵軟件功能設計

車載定點緊急停車處理裝置軟件設計的核心是在感應到RFID信號時如何控制EB的觸發(fā)，另外由于本系統(tǒng)設計需求是保證車輛在正線末端或列車入庫時能夠安全停車，同時不影響車輛出庫，因此還需要對車輛的運行方向進行識別，當然這個方向識別是一個可選的功能，對于行進方向未知的情況可以通過方向識別機制來判別方向，進而選擇是否觸發(fā)緊急停車；對于行進方向已知的情況，在不需要緊急制動的行進方向可以利用列控旁路開關，在系統(tǒng)外部旁路掉定點停車系統(tǒng)。邏輯主控單元的主程序處理流程圖如圖7(a)所示。

關于方向識別的詳細流程圖如圖7(b)所示。當檢測到第1個地面標簽時記錄該標簽的UID號并繼續(xù)檢測等待，如果等待超時，即在一定時間間隔內沒有再檢測到第2個地面標簽，則說明地面標簽識別失敗，根據故障導向導向安全原則直接進入觸發(fā)EB；如果在超時之前檢測到第2個地面標簽記錄該標簽的UID號，判斷前一個UID號是否小于后一個UID號，如果是，則判定此刻為入庫狀態(tài)，需要觸發(fā)EB回路斷開，控制地鐵列車施加緊急制動；如果不是，則說明此刻為出庫狀態(tài)，系統(tǒng)不動作，地鐵列車可以正常出庫。當然UID號大小判斷規(guī)則可根據實際情況進行設置；另外，為了提高系統(tǒng)可靠性，地面設置了3個無源標簽，3個標簽的UID號是依次遞進的，只要在一定時間內能夠連續(xù)識別到兩個電子標簽，即可快速確定地鐵列車的行駛方向。

圖7　主程序處理和方向識別流程圖

2.3樣機實物

最終研制完成的硬件實物如圖8所示，包括地面標簽、車載天線箱、車載主控機箱以及測試工裝，其中車載主控機箱內包括兩塊熱備冗余的電源板、兩塊冷備冗余的通信板、兩塊獨立工作的主邏輯控制板、一塊輸入和故障記錄板以及一塊繼電器組輸出板；測試工裝是用于模擬列控信號輸入的測試信號輸入裝置。

圖8　樣機硬件實物圖

3　試驗和結果

為了驗證所設計系統(tǒng)的有效性和可用性，需要安裝在實際無人駕駛地鐵列車上并在列車實際運行過程中進行測試，然而對于尚處于調試階段的系統(tǒng)測試，這樣的測試方法顯然是不現實的，不僅測試成本高而且安全性難以保證；為了達到與實際地鐵列車安裝運行同樣的效果，在試驗室環(huán)境下搭建了一套定點緊急停車模擬試驗平臺，利用該試驗平臺完成了動態(tài)試驗，主要模擬列車以一定的速度運行通過地面標簽時定點緊急停車系統(tǒng)的動作情況。

3.1系統(tǒng)測試平臺

設計的定點緊急停車系統(tǒng)測試平臺能夠模擬裝有車載設備的列車行經地面標簽時，串聯在列車緊急制動回路里的EB繼電器觸點能否及時斷開，從而確保列車緊急停車。定點緊急停車系統(tǒng)在實際安裝中，其主控機箱和車載天線箱是安裝在列車上的，隨列車的移動而移動，地面標簽則固定在軌道內的路基上面。但在試驗中，若要實現主控機箱和車載天線箱一起運動，難度很大。為了方便操作及測試，利用相對運動原理，將主控機箱和車載天線箱固定，使地面標簽以一定的高度及速度經過車載天線箱的下方來進行試驗，平臺結構如圖9所示，包括地面標簽、彈射器裝置(彈射器和彈射軌道)、霍爾傳感器、示波器、天線箱懸掛支架、車載天線、車載主控機箱和測試工裝，由于一次只能彈射一個地面電子標簽，因此該平臺只能模擬單個地面電子標簽的定點識別測試，測試程序為無方向識別模式，即僅識別一個電子標簽就立即出發(fā)EB制動，對于具有方向識別的功能測試還是需要在實際線路上完成。

圖9　試驗平臺結構圖

彈射器裝置主要由3 m長彈射支架、標簽托板、6根彈力繩、正反轉電機和30 A·h蓄電池等組成，其中標簽托板上固定有電子標簽，托板側邊安裝兩個間距100 mm的磁鐵，利用支架一側的霍爾傳感器和示波器捕獲兩個連續(xù)脈沖，根據脈沖間隔時間，可計算出標簽經過天線箱正下方時的速度值，從而準確調校彈射器的蓄力。當彈射器裝置啟動時，標簽托板被拉緊蓄力后的彈簧繩從一端彈出，在彈射軌道上快速移動，從而與位置固定的車載天線形成相對運動，模擬列車運行。

3.2試驗測試及結果分析

以香港某型地鐵無人駕駛列車為例，車載天線與地面標簽垂直距離為450 mm，入庫時最大設計速度不高于40 km/h，動態(tài)試驗現場如圖10所示。調整支架高度使天線箱與電子標簽的垂直距離為450 mm；調整彈射器蓄力使末端線路瞬時速度達到要求的40 km/h。

圖10　動態(tài)試驗現場圖

經測試當標簽移動速度最大為40 km/h時，電子標簽經過感應點后觸發(fā)控制EB的繼電器動作；最終在軌道正線末端進行測試，車輛識別并動作率達100%，硬件設備工作可靠，軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定；而當車輛出庫行駛時，未觸發(fā)EB回路，不影響車輛正常運行。試驗結果顯示設計的定點停車系統(tǒng)可在車載天線與地面標簽垂直距離為450 mm情況下，可實現相對速度超過40 km/h的定點位置檢測，斷開EB回路引發(fā)列車緊急制動，驗證了系統(tǒng)硬件和軟件功能，適用于速度不超過40 km/h的應用場合。

4　結束語

為了最大限度地保證了無人駕駛列車在關鍵位置的行車安全，提出基于RFID技術的定點緊急停車系統(tǒng)，使緊急情況時的制動系統(tǒng)獨立于ATO系統(tǒng)之外，當列車行經地面標簽時，能觸發(fā)列車緊急制動，做好在ATO無法作用、失效或人工操作失誤情況下的最后一道防線。試驗測試結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，控制靈活、準確，有較強的實用性。

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Research on Fixed Point Emergency Stop System in Driverless Metro

YANXiang1,ZHAOHui2,WANGBaohua3

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Siemens Co., Beijing 100102, China;3 School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Driverless metro has become the development direction of urban rail transit. In order to ensure the driverless metro safely stop at the key position, a set of fixed point emergency stop system which is independent of the ATO system is designed and implemented using the radio frequency identification technology. Firstly, the overall design scheme of the system is given. Then, three major functional modules and the main software design of the main control unit on-board are introduced. Finally, the test platform is established and the test results are given to demonstrate the availability of the designed system.

fixed point emergency stop; driverless metro; RFID technology

1008-7842 (2016) 03-0097-06

男，助理研究員(

2015-11-25)

U293.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.21

*“十二五”國家科技支撐計劃(2015BAG13B01-02);大學科技園、技術轉移中心及工程研究中心建設項目(E14H100040)