跨坐式單軌列車司機駕駛輔助系統設置

姚 遠 黃坤林

(蕪湖市運達軌道交通建設運營有限公司，241006，蕪湖//第一作者，工程師)

在我國，軌道交通的全自動運行已從探索階段進入到實際開發和應用階段。蕪湖市軌道交通1號線及2號線一期工程采用了具備全自動運行功能的跨坐式單軌系統，列車不設駕駛室，支持無人值守列車運行(UTO)模式。

在軌道交通全自動運行系統正常工作時，列車主要依靠信號系統控制運行，不需要司機手動駕駛，僅在系統故障時需要司機實施應急處置。在信號系統發生故障時，尤其是在切除ATP(列車自動防護)的全人工駕駛模式下，列車的行車安全完全由司機負責，對司機的要求很高。由于司機日常已經習慣了列車處于自動運行狀態，若司機的應急處置不合理，可能會導致非常嚴重的事故。基于此，在司機手動駕駛列車時，可通過設置相關的輔助系統來幫助司機實現安全駕駛，這也是軌道交通全自動運行發展的必然趨勢。本文對跨坐式單軌車輛在全自動運行下司機的駕駛輔助系統設置進行探討。

1 現有司機駕駛輔助系統的主要技術形式

1. 1 列車防碰撞系統

1. 1. 1 基于GPS/北斗定位系統的列車防碰撞系統

通過衛星定位系統獲取列車的位置信息,對這些信息進行計算和處理，再通過無線數據傳輸網絡實現相鄰列車的信息交互。當相鄰的兩列車距離超過設定的安全距離時，車載設備將發生警報或觸發列車制動。

1. 1. 2 基于雷達技術的列車防碰撞系統

列車運行時，通過安裝在列車前部的雷達，探測位于列車運行前方的其他列車、車擋或障礙物等物體，并通過雷達波發射和接收到反射波的時間差，計算出前方物體與列車的距離。當此距離小于規定距離時，系統報警，從而保障列車運行安全。

1. 1. 3 基于磁柵標尺定位的列車防碰撞系統

如圖1所示，該系統在線路上設置磁性標尺，標尺上設有線路里程信息。列車通過車載裝置時讀取磁性標尺信息，從而確定列車位置。車載設備通過無線通信方式將列車位置發送至地面設備，地面設備收集所有在線運行的列車定位信息，并進行計算；當兩列車間的距離突破安全距離，或列車距離線路端部過近時，系統發出警報，從而避免列車碰撞。

圖1 基于磁柵標尺定位的列車防碰撞系統原理示意圖

1. 1. 4 線路端部防碰撞系統

在線路端部一定安全距離范圍內設觸停桿，列車端部設觸停線。當列車接近線路端部并超越其正常停車位置時，觸停桿截斷觸停線，觸停線串入列車緊急制動回路，觸發列車緊急制動，從而保證列車不會沖出線路端部。我國首條以無人值守列車運行GoA4等級開通的自動旅客運輸(APM)系統——上海軌道交通浦江線采用了此防碰撞系統，其觸停線如圖2所示。

圖2 上海軌道交通浦江線的列車觸停線

1. 2 線路障礙物探測系統

1. 2. 1 在列車前端下部設置列車排障器

通過設置在列車前端下部的排障器(如圖3)，用以清除線路上的障礙物。當遇到無法清除的較大障礙物且障礙物對設置在列車前端的排障橫梁產生的力超過一定限值時，可觸發列車制動。

圖3 列車排障器示意圖

1. 2. 2 基于圖像成型技術的障礙物探測

采用光學傳感器，運用圖像檢測理論來進行障礙物檢測。通過多次采集線路數據,建立起該線路的數據模型。列車運行時，車載攝像機采集列車運行前方的實時數據。通過對實時數據和模型數據的對比分析，可判斷列車行進前方是否存在障礙物。

2 現有司機駕駛輔助技術的優缺點分析

2. 1 列車防碰撞系統

基于衛星定位的列車防碰撞系統在地面或高架線路上的定位精度高;但在地下區間，由于衛星定位系統信號無法完全覆蓋，存在信號盲區，無法對列車進行精確定位。

基于雷達的列車防碰撞系統技術成熟、設備配置簡單。但雷達波為直線傳播，在小曲線區段的適用性較差，可能無法及時發現前方的運行列車。

基于磁柵定位的列車防碰撞系統需要在全線布置定位磁柵，設置無線通信設備，系統建設及維護成本較高。

線路端部防碰撞系統構成簡單，但觸停線較脆弱，可靠性較低，誤觸發率偏高，且防護區域有限。

2. 2 線路障礙物探測系統

列車排障器設置在列車上，結構簡單，可靠性高，但是，只有在障礙物與列車存在實際接觸且超過一定的碰撞力值后，系統才能觸發列車制動。因而，該系統只能降低列車碰撞帶來的危害，不能完全避免列車與障礙物發生碰撞。

基于圖像成型技術的障礙物探測技術算法復雜，計算量大，受環境、天氣、列車振動、線路條件等干擾因素較多。隨著計算機軟硬件技術的發展，可通過升級軟件算法及機器學習等方法，來進一步提高障礙物的識別率，降低誤報率。圖像檢測方法將在軌道交通領域得到廣泛應用。

3 跨坐式單軌車輛的司機駕駛輔助系統

跨坐式單軌的轉彎半徑小，限速區段多，對列車速度控制要求較高。由于采用“梁軌合一”的形式，軌道梁下方沒有平臺承接，一旦發生列車超速、沖出線路端部、沖出道岔等事故，可能產生非常嚴重的后果。因而，針對跨坐式單軌的特點，在出現碰撞(包括列車間碰撞、列車與障礙物碰撞、列車沖撞車擋等)、列車沖出道岔及列車超速等情況時，及時向司機告警并輔助司機介入列車控制是十分必要的。

通過對現有列車的司機駕駛輔助系統進行對比可知，缺少了針對列車沖出道岔及列車超速這2個方面進行防護的措施。因此，基于巴西圣保羅軌道交通項目原型的手動駕駛限速檢測系統(MSRDS)，蕪湖市軌道交通1號線、2號線一期工程采用了跨坐式單軌制式，并配套設置了司機手動駕駛輔助系統。

3. 1 司機手動駕駛輔助系統

3. 1. 1 道岔區域防護

在道岔區域前設置多個防沖岔射頻標簽。如圖4所示，道岔的通路信息經過計算與處理后發送給這些標簽。當列車經過該區域時，若讀取到的標簽信息為“可通過”，則列車正常通過該區段；若讀取到的標簽信息為“不可通過”，則列車施加緊急制動。

圖4 防沖岔射頻標簽設置方案示意圖

3. 1. 2 限速區域防護

根據列車運行方向，如圖5所示，在線路限速區段前方設置限速射頻標簽。列車通過該標簽區域時，通過讀取標簽，自動觸發列車限速報警；在線路限速區段后方設置限速解除標簽，列車通過該標簽區域時，通過讀取標簽，自動解除列車限速報警。進入該區段的限速標簽可作為列車反向駛出該區段的限速解除標簽。

圖5 限速射頻標簽設置方案

3. 1. 3 線路端部防護

在線路端部一定安全距離范圍內設置線路端部射頻標簽。列車通過該標簽區域時，通過讀取標簽，自動觸發緊急制動，以確保不會沖出線路端部。其設置方案如圖6所示。

圖6 線路端部射頻標簽設置方案

司機駕駛輔助系統的防護區域比較全面，但須保證系統的可靠性，且在信號系統正常的情況下，該系統不得影響信號系統的正常工作。蕪湖市軌道交通1號線、2號線一期工程的司機手動駕駛輔助系統在設計階段通過優化系統配置方案，實現了系統的功能需求，在設計上保證了較高的可靠性；在系統設計方案穩定后，通過搭建模擬試驗平臺和線路測試進行功能驗證，以進一步確保產品的可用性和可靠性。

3. 2 線路障礙物探測

線路障礙物探測系統根據列車是否實際接觸障礙物分為主動防護型和被動防護型。基于目前的技術水平，由于主動防護型的系統技術難度較大、系統可靠性不高，在實際項目上多采用被動防護型系統。但被動防護型系統只能在一定程度上減少列車碰撞所帶來的后果，不能夠從根源上避免列車發生碰撞。

蕪湖市軌道交通1號線、2號線一期項目所選用車輛原型設計方案為通過轉向架構架進行排障。為完善系統的障礙物探測功能，項目擬采用與科研合作的方式，在單軌車輛上試裝基于圖像成型的障礙物探測系統，用于探測限界范圍內可能存在的列車、移動障礙物、固定障礙物等，從而實現對司機的預警，避免發生碰撞事故。

4 結語

現有的司機駕駛輔助系統方案大多處于研發、試驗驗證或產品可靠性驗證階段，系統的可靠性、穩定性、適用性均有待進一步確認，需要通過科研、產品升級、技術方案調整等手段，不斷探索適用于跨坐式單軌系統的司機駕駛輔助系統方案。

司機駕駛輔助系統僅作為輔助司機駕駛操作的一種手段。在人工駕駛模式下，司機仍須按照運營駕駛管理規章制度的要求，規范行車，不應也不得過度依賴這些輔助系統。