有軌電車輔助駕駛系統研究

■ 何杜明 王長庚 翟成龍 張超

目前有軌電車在我國處于起步階段，有軌電車的運營管理大多沿用城市軌道交通運營模式，有軌電車與鐵路、城際鐵路和城市軌道交通相比，無論是運行速度、路權形式、運行控制模式，還是在供電系統、車站管理、售檢票模式等方面都存在較大區別。參照廣州市“十三五”軌道交通應急體系項目——軌道交通監測預警及交通運輸保障項目立項范圍，依據當前有軌電車運營體系需求，進行有軌電車輔助駕駛系統項目研究開發[1-2]。

1 設計原則及思路

有軌電車在非完全封閉環境下運行，存在與社會交通共享路權的平交道口，無法采用軌道交通信號系統的閉塞控制，由司機目視人工駕駛車輛，司機根據列車速度和經驗判斷保持與前車的距離，通過對有軌電車運行環境及模式充分的調研，確定以下應遵循的設計原則：一是應對司機精神狀態和作業規范進行有效監督和管理；二是應對有軌電車車輛設備運行狀態實時有效監測，車輛設備異常時能提前告警。

有軌電車輔助駕駛系統（簡稱系統）主要設計思路包括：遵循故障-安全原則，采用嵌入式計算機架構體系、軟件處理機制具有故障-安全措施，關鍵電路和器件的選用具有固有安全特性，同時增強設備的故障自診斷能力，完善故障-安全處理機制。

2 系統構成

系統主要由主機單元、擴展單元、采集單元、人機界面單元等組成；配套地面軟件主要由有軌電車線路數據編制軟件、有軌電車車機聯控綜合分析軟件、有軌電車調度命令軟件等構成。系統架構見圖1。

圖1 系統架構

系統主機單元作為系統控制核心，通過接收信號系統信息、車載設備狀態信息、司機精神狀態及作業手勢語信息、人機交互指令信息等，能夠監測列車運行狀態，結合車載數據，當列車超過線路限速值時進行提醒，實施列車運行防護，能夠指導司機優化駕駛降低能耗和減少輪軌異常磨耗；能夠對司機精神狀態進行分析，發現狀態不佳時自動提醒，對司機行車手勢語的合規性進行分析，發現司機手勢語動作不合規時自動提醒，為司乘管理提供數據支撐[3-5]。

擴展單元集成系統外圍擴展功能，包括調度指令管理及車地語音通話功能，擴展單元對外圍設備進行統一規劃整合，提升了系統設備的集成度，節省安裝空間，便于管理和維護。

人機界面單元通過網絡總線與主機單元通信，以圖形化方式直觀顯示車輛實時運行信息、機車狀態信息和告警提示信息等。

采集單元負責采集司機行車時的精神狀態及行車作業手勢語，將數據發送到主機單元進行綜合分析。

3 系統功能應用

系統安裝在有軌電車駕駛室內，包括系統主機及顯示器單元（見圖2、圖3）。

3.1 司機身份識別

為了實現司機行車監測及駕駛情況綜合分析，系統必須先獲取每個車次號的值班司機身份。傳統司機身份識別方式是通過紙質或圖表文件進行錄入對比，不可避免會受到司機換班、調休等因素影響。系統通過對人臉識別系統進行研究，實現了自動識別值班司機身份。在車輛駕駛室安裝人臉識別攝像頭，值班司機行車時自動進行人臉圖像獲取，并與已知圖像集中的司機人臉圖像進行比較分析，自動判別出當前值班司機身份。

3.2 司機輔助駕駛

3.2.1 司機精神狀態監測

對司機疲勞駕駛狀態進行視頻監測、在線分析，當發現駕駛員出現盹睡、旁視等精力分散時，及時通過人機交互單元進行語音警示，提醒司機正常駕駛。并通過車-地無線通信系統及時將警示信息及視頻數據發送到地面管理系統。通過車機聯控綜合分析地面軟件系統進行回放分析，作為司機綜合考核管理的參考依據。

3.2.2 司機標準作業手勢語監測

有軌電車司機在正線行車途中，途徑站臺停車、發車、信號機進路標識、人行過軌及平交路口時需執行標準作業手勢語，以保障前方行進路車安全。系統將有軌電車線路數據編制軟件所編制的線路作業手勢語數據植入主機單元中，在通過上述場景時自動獲取司機執行標準作業手勢語圖像數據，并對司機標準化手勢語操作情況進行分析和記錄，發現司機手勢語執行異常時通過人機交互單元進行語言警示，提醒司機正常駕駛。并通過車-地無線通信系統及時將警示信息及視頻數據發送到地面管理系統。通過車機聯控綜合分析地面軟件系統進行回放分析，作為司機綜合考核管理的參考依據。

3.2.3 列車行車安全防護

依據車載基礎數據中線路允許速度確定出各級限速值，列車在行車過程中或當列車運行至道岔位置，在列車速度超過安全行車允許速度時，通過人機交互單元輸出超速告警提示，系統向司機發送解除牽引力指令，由司機實施常用制動、緊急制動，控制列車減速或停車。

根據實時接收到的線路上運行列車的位置信息，對列車間的間隔距離進行計算，并向各列車發布其與前車距離信息，車載主機單元依據收到的前車距離信息，當與前車距離超過安全距離時，車載主機通過人機交互單元對司機進行列車防追尾告警提示。

圖2 系統主機安裝

圖3 系統顯示器安裝

通過對有軌電車司機精神狀態及標準作業手勢語監測、列車行車安全防護的研究，實現了司機行車全過程監測及警示，改變了有軌電車傳統的乘務管理人員定期跟車監控模式，司機行車過程管控真正實現了由“人控”轉變為“機控”。

3.3 車輛運行狀態監測

車載主機單元實時采集車輛控制單元（VCU）信息，監測車輛設備狀態，記錄列車運行事件和數據。數據采集項目包括：牽引系統、制動系統、網絡控制系統、車門系統、信號系統、空調系統、PIS系統、輔助電源系統、走行部等。通過車-地無線通信系統將車輛狀態數據發送到地面管理系統，通過管理系統對車輛重點監測數據進行分析，發現車輛或車載設備出現故障信息后及時對司機進行提醒，并向調度及運營管理人員發送告警信息，由調度人員通過地面調度管理軟件發送相應調度指令，指導司機進行行車操作，保障有軌電車行車安全。

車輛狀態數據信息傳送到地面軟件系統后，通過建立專家數據庫，由車機聯控綜合分析軟件對運行信息進行大數據統計分析，指導司機在不同場景下的運行操作，提高司機駕駛平穩度和車輛運行效率，起到節能降耗的目的。

4 系統創新點及運用情況

目前，系統已在廣州有軌電車有限責任公司試運行，具有如下創新點：

（1）系統關鍵部件采用雙套冗余技術設計，故障時可切換至備機；板件采用高集成度、高等級器件，從根本上提高了可靠性；系統各插件采用標準熱插拔設計，最大限度避免了插拔插件造成的電氣損傷。

（2）采用智能化信息采集及故障自診斷技術，設備檢測與維護更加自動化、智能化。

（3）采用線路數據及圖形化的數據編制方法，適應不同城市線路環境應用。

有軌電車輔助駕駛系統目前在廣州海珠有軌電車線路進行試用，試用期間有軌電車輔助駕駛系統設備運行穩定、功能表現良好，系統提供了豐富的界面信息和準確的司機行車輔助提醒，提高了司機對有軌電車的精準操縱，也為有軌電車運營管理提供了可靠工具和安全保障。

5 結束語

有軌電車輔助駕駛系統作為有軌電車運營管理的重要組成部分，可對司機行車操作進行優化指導，降低司機勞動強度，實現平穩駕駛，提高車輛運行效率，降低運行能耗；對司機駕駛行為和精神狀態監控管理，促進司機作業標準化與合規性，提升運營安全；采集車輛運行及車載設備狀態數據并分析，為運營管理優化提供參考依據。

[1] 趙鵬林，劉永平，張寧，等．現代有軌電車體系的思考與實踐[J]．鐵路技術創新，2016(4)：11-15．

[2] 康洪軍，黃振暉，張玉琢，等．有軌電車ATS系統人機交互界面設計[J]．中國鐵路，2015(1)：79-83．

[3] 吳勝權，黃振暉，曹源．有軌電車路權配置與信號系統選擇[J]．中國鐵路，2014(8)：97-99．

[4] 王艷榮，杲曉鋒，張建華，等．基于VlSVAP的有軌電車信號優先控制仿真[J]．中國鐵路，2017(1)：78-81．

[5] 武娟．基于現代有軌電車的“一體化”公交系統[J]．鐵路技術創新，2017(3)：58-61．