新型地鐵列車自主定位及主動防護系統研究

蔣先進，范建偉，蔣淮申

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100036）

1 列車定位系統現狀

目前，由于地鐵無法使用GPS 或北斗等衛(wèi)星定位系統，地鐵列車定位和超速防護依靠軌旁設備和車載ATP 設備，只有獲取線路上全部列車的位置、速度信息，才能進行列車行車許可和移動授權的計算，列車的定位和移動授權計算完全依賴軌旁設備，信息傳遞復雜、成本較高。且列車對軌道上的障礙沒有直接的安全檢測和防護方法，在軌道上出現障礙或人工駕駛出錯等意外狀況時無有效技術手段防止列車事故發(fā)生，行車安全無法得到保證，現有地鐵列車定位系統如圖1 所示。

車載設備主要包括應答器接收設備、編碼里程計、多普勒雷達、數據處理設備（ATP）。

圖1 現有地鐵列車定位系統Fig.1 Existing metro train positioning system

軌旁設備主要是應答器。應答器安裝于軌道旁邊，位置固定，為列車絕對定位依據，當列車通過時應答器會自動發(fā)送定位報文，根據報文內容不同和實際列車定位要求，分為出庫應答器、區(qū)間運行應答器、進站應答器、停車到位應答器等。

編碼里程計安裝于列車輪軸上，車載ATP 通過對即時速度進行積分（或求和）獲得列車的運行距離，因速度傳感器存在較大誤差，列車需通過軌旁應答器后對速度上報的定位信息進行重新標定。

這種嚴重依賴于軌旁設備的定位模式，導致目前地鐵列車建設難度大、施工過程繁瑣。在列車交付運營后，故障率高且維修難度大，同時由于應答器原理、報文等不同，使相同城市的不同線路之間地鐵列車很難互聯互通。

2 列車防撞系統現狀

目前地鐵列車的防撞方式主要分為主動防撞和被動防撞。主動防撞基于定位和車地通訊，每輛列車通過自身定位系統感知行駛位置并上報控制中心，中心通過對列車行駛的控制調度，將后車與前車之間保持在安全距離。主動防撞僅能系統正常工作時避免發(fā)生列車追尾事故，而無法探測其他障礙物。

被動防撞基于列車頭結構設計，目的是在發(fā)生碰撞之后使產生的危害最低，無法避免碰撞事件的發(fā)生。

3 新型地鐵列車自主定位和主動防護系統

以新一代地鐵列車控制系統應用為背景，遵循多源定位信息融合、差異化設計的原則，系統架構采用三裕度設計方案，實現高可靠、高精度的地鐵列車自主定位和主動防護系統。

新型地鐵列車自主定位和主動防護系統由車地通訊設備、時鐘同步數據處理設備、慣導設備、視覺設備、雷達設備和電源變換裝置組合而成。地鐵列車自主定位和主動防護系統組成如圖2 所示。各組成部分的功能如表1 所示。

主要研究內容：基于弱耦合關系下的多源定位信息三裕度系統架構；高精度系統時鐘同步及多源數據處理技術；基于自修正技術的慣性導航高精度自主定位技術；地鐵環(huán)境低光照條件下二維碼信標準確識別及高精度測距技術；地鐵環(huán)境下雷達避障信號高精度采集技術。

3.1 基于弱耦合關系下的多源定位信息三裕度系統架構研究

地鐵運行涉及公共安全和人身安全，其運行安全性和可靠性尤為重要。作為地鐵列車運行位置的感知、檢測、匯總、上報的列車自主定位系統，上報的位置精度、準確度以及通訊鏈路的實時性和可靠性是影響列車自動駕駛成敗的關鍵因素之一。

系統在研制之初，即制定了三裕度的系統架構，確保全系統在一度故障下列車不存在涉及功能安全的故障隱患。同時為防止三裕度系統中共因失效導致整個系統工作異常的問題，提出了差異化設計的思路，采用慣性導航、視覺定位、雷達避障的3 種不同原理、不同特性的定位方式，避免相同原理和特性的定位設備造成的共因失效。此外，為了避免定位精度在系統內傳遞過程中出現逐次放大的問題，采用一種基于列車運行全過程定位任務劃分的多源定位信息弱耦合技術，減少各源定位數據的相互交聯，逐層解耦、頂端融合，防止定位精度傳遞過程中的放大問題以及下級設備失效對上級設備定位精度的影響。

3.2 高精度系統時鐘同步及多源數據處理技術研究

圖2 地鐵列車自主定位和主動防護系統組成框圖Fig.2 Block diagram of metro train self-positioning and active protection system composition

表1 地鐵列車自主定位和主動防護系統功能Tab.1 Metro train self-positioning and active protection system functions

自主定位系統內部采用的總線形式為“命令應答式”，即作為頂層設備的時鐘同步及數據處理設備以額定時間間隔依次向多源定位終端發(fā)送命令字，各終端設備依次上報“當前”檢測的列車位置數據，時鐘同步及數據處理設備對多源定位信息數據進行融合并上報車載ATP。在列車運行的情況下，若三裕度時鐘同步及數據處理設備在進行定位信息采集時，每個裕度發(fā)送的命令字時刻不統一，則得到的定位數據必然離散，所進行的后續(xù)融合處理必然毫無意義。

為了解決三裕度系統時鐘高精度同步和多源信息處理的問題，研發(fā)團隊開展了基于IEEE1588 亞微秒級PTP 高精度時鐘同步方法研究、時鐘同步硬件單元模塊設計、三冗余節(jié)點主從選舉算法研究、高速數據處理硬件單元模塊設計研究等相關技術研究，實現了三裕度系統時鐘亞微秒級同步。

3.3 基于自修正技術的慣性導航高精度自主定位技術研究

由于地鐵環(huán)境因素，地鐵列車在隧道內無法使用GPS 或北斗等衛(wèi)星定位系統，因此采用慣性導航來解決站間地鐵列車的定位問題，即地鐵列車在站間行駛時主要依賴于慣性導航為主以明確列車當前位置，輔助于雷達避障。眾所周知，慣性導航技術在工作初始，導航精度較高且滿足系統使用要求，但隨著時間的增加，慣導內部的陀螺儀會隨時間呈現隨機漂移，導致導航精度會急劇劣化。

為進一步提高慣導自主導航的定位精度，同時對比傳統軍工行業(yè)對慣導的使用要求，并結合地鐵運行特點采取如下措施以提高慣導自主定位精度。

相對于導彈、火箭、飛機等應用背景，地鐵列車具有低速、長航時，且間歇性到站停車的特點，針對該應用背景，采用零速檢測及修正技術，確保慣導在到站停車時定位精度不發(fā)散。

相對于導彈、火箭、飛機等應用時需得到載體的航向、俯仰、橫滾等導航參數，地鐵列車僅具備沿軌道方向（縱向）的位置變化，垂直軌道方向（橫向）和高度方向變化較小，因此，采用運動約束修正技術，進一步提高慣導自主導航定位精度。

慣導在導航過程中，瞬間出現較大的角動量對導航精度影響較大。根據調查，目前地鐵列車最小轉彎半徑為125 m，且在列車轉彎過程中時速一般小于30 km，不存在武器系統或飛機出現的瞬間較大角動量擾動，因此，通過優(yōu)化慣導的硬件配置，提高慣導采樣速率，優(yōu)化采樣算法，通過試驗合理設置角動量采樣閾值，進一步提升慣導自主導航定位精度。

3.4 地鐵環(huán)境下二維碼信標準確識別及高精度測距技術研究

慣性導航的原理是通過慣性器件對時間進行二次積分得到載體的位置信息，為了體現差異化設計，研發(fā)團隊采用視覺定位系統作為輔助完成地鐵列車自主定位系統的研制。視覺定位的原理是通過雙目視覺采集設備，根據成像點距離和雙目之間的焦距即可計算出雙目采集設備距離目標成像點的距離，與慣導定位原理不同。

視覺設備雙目測距原理如圖3 所示。以列車行進方向左邊的二維碼信標為例，定義車頭左右攝像頭水平間距為T，兩個呈像點之間間距為I，攝像頭焦距為f，因此車頭距離二維碼信標水平距離處的距離D如公式（1）所示。

基于距離信息的基礎上，系統的光學系統還能完成列車速度的實時計算，假定在時刻T1，列車距離某一路段的二維碼標識為D1，T2時刻，列車距離該二維碼標識為D2，此時列車在該時段內的平均行進速度如公式（2）所示。

圖3 雙目測距原理Fig.3 Principle of binocular ranging

其中V即為列車的實時行進速度。

由于地鐵環(huán)境中，光照條件差，可視范圍小，為確保二維碼信標識別的準確性和及時性，研發(fā)團隊開展了如下研究。

1）低光照條件的二維碼準確識別技術

隧道低光照條件下，通過圖像增強、從畫面中定位二維碼，以完成后續(xù)測距計算。此外，由于二維碼圖像可以只由兩種不同的顏色進行區(qū)分，因此在實際的設計過程中，采用對比度比較好的顏色進行區(qū)分。同時，為了增強識別效率，選用反光涂料以及對比度明顯的顏色完成二維碼實際繪制。

2）高可靠距離測量技術研究

利用雙目攝像頭的視覺差實現雙目視覺測距，并確保測量精度達到規(guī)范要求。

3）運動條件下的圖像識別處理技術研究

在地鐵列車運動過程中，對圖像的清晰度會有很大的影響。運動速度越快，在相同快門時間內，同一目標在畫面中運動距離越大，這對識別二維碼及測距都會產生負面影響。

當車輛在30 km/h 的時候，通過采用幀率較高的攝像頭來增大圖像的采樣，同時通過縮短二維碼的解碼時間，并在圖像比較模糊的情況下通過圖像的修正來盡可能還原圖像，達到識別效果，而提高識別二維碼的進度，便能夠進一步提高距離測算。

車輛在5 km/h 以下時，由于車速較慢，識別二維碼的距離精度相對較高，準確引導的過程可以通過逐漸增加二維碼的布放來進一步加強。

4）圖像處理性能優(yōu)化

傳統的圖像處理技術時間開銷較大，難以在處理板有限的資源條件下完成計算。研發(fā)團隊經過對處理算法進行優(yōu)化（包括圖像增強，目標識別，二維碼解碼，距離測量幾個部分），能在較短的時間內完成二維碼的圖像處理、解碼和測距。

5）二維碼設計方案

不同的二維碼編碼方案各有其實用場景。常見 的 二 維 碼 方 案 包 括：QR 編 碼、PDF417、DataMatrix 等，研發(fā)團隊經過不斷探索，選定了一種可靠、適用的編碼方案。

此外，經過對編碼進行適當的加密處理后，通過其他設備無法讀取該二維碼或解碼后無法解析其含義。

6）測量可靠性問題

研發(fā)團隊從以下4 個方面著手提高測量可靠性：

編碼可靠性：經過現場驗證，本系統在25%遮擋情況下可識別；

防止偽信標：連續(xù)布放的信標ID 為一個連續(xù)單調遞增的序列，當新獲取的序列值和跨越的距離值之間不匹配時，即可判定該信標為偽造或錯放。

針對信標的丟失問題：系統通過一次性部署兩個以上的相同二維碼解決。如果一個損壞，另一個還可以使用。而假定兩個都丟失的話，還可以采用按照升序的方式將后續(xù)的二維碼不間斷進行識別和檢測。

連續(xù)布放信標：在連續(xù)的測量區(qū)段，按一定間隔連續(xù)布放二維碼，確保能夠及時有效地連續(xù)提供位置信息。

3.5 地鐵環(huán)境下激光雷達避障信號高精度采集技術研究

地鐵列車在行駛過程中，如遇軌道內有障礙物（車、人、危險物等），不加以識別檢測，將對列車的安全行駛造成很大的影響。激光雷達用于復雜地鐵環(huán)境對于障礙物識別檢測的任務十分契合，經過現場不斷驗證，最終本系統選用激光雷達作為軌道內識別檢測障礙物的解決方案。激光雷達設備主要用于地鐵列車前方障礙物的識別檢測，從而對控制車速、保障乘客安全起著舉足輕重的作用。

根據地鐵列車應用背景，開展了如下的研究內容。

1）激光雷達模塊遠距離高分辨率測量

根據地鐵列車行車實際場景，列車典型速度為80 km/h，此速度下地鐵列車的制動距離為215 m，即激光雷達需要有至少215 m 的有效測量量程，且雷達模塊能在200 多米無誤地識別出前方障礙物，做到不漏檢、能識別，如圖4 所示。

圖4 地鐵列車雷達模塊在地鐵隧道中200 m外探測靶板實測Fig.4 Actual measurement of radar module of metro train by detection target board 200 meters away in metro tunnel

2）場景內非目標物分辨/剔除，防誤報

列車在隧道內部行進空間內行駛，激光雷達探測單元將視場內的所有目標物掃描出來并輸出，為準確識別目標物，將隧道內的其他固定設施如隧道壁、鐵軌、地面等剔除；只保留列車行進區(qū)間內的非固定目標物作為信號給到系統，如圖5 所示。

圖5 地鐵列車雷達模塊原始點云圖和ROI設定Fig.5 Original point cloud image and ROI setting of metro radar module

雷達模塊連續(xù)5 次運行周期檢測到目標后啟動報警系統，以防止誤報。

4 新型地鐵列車自主定位及主動防護系統技術優(yōu)勢

4.1 列車自主定位

在應用列車自主定位系統時，慣導系統可以實現速度測量，實現列車位置實時自我定位，相比于傳統的速度傳感器具有更高的精度，通過特有二維碼圖標測距方式在列車進站時匹配車載VOBC 預存的地圖配置，確認圖標所對應的絕對位置進行精準定位校核，實現不依賴軌旁軌道電路或應答器的列車自主定位。

采用慣導和圖像實現列車自主定位，可以取代傳統的速度傳感器和應答器的技術方案，具有精度高、工程施工靈活等優(yōu)點，奠定列車自主智能運行基礎。

4.2 列車前方障礙主動感知

采用激光雷達感知列車行進前方的路段環(huán)境，將點云數據作適當運算處理后，在各種路況下準確獲得前方軌道上方而非隧道墻面的障礙物信息，不依賴定位和中心控制，不僅能避免發(fā)生列車追尾事故，還能探測人員、物體等其他各類障礙物，實現列車主動防護。

5 結束語

新型地鐵列車自主定位及主動防護系統中包括慣性導航子系統、雷達和視覺采集子系統，該系統可準確定位車輛位置和探測前方障礙物，行調與司機通過軌旁和車載顯示終端實時掌握列車所在里程信息、前車及障礙信息。當前后車距離小于安全追蹤距離或探測到有障礙物時，本系統會給予司機警示并實時上報列控系統相關防護信息，司機未在規(guī)定時間內采取制動措施時列控系統將實施緊急制動，防止或減輕車輛撞擊事故發(fā)生，保證列車和乘客的安全。