現代有軌電車輔助駕駛系統應用研究

劉家棟，楊 穎，高 鋒，孫 瑤

（1. 中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412005；2. 墨西哥鐵路工程技術有限責任公司，墨西哥墨西哥城）

截至2021年6月底，中國內地包括北京、廣州、沈陽、武漢、深圳等20個城市的現代有軌電車已投入運營，共計36條線路，總運營里程480.842 km[1]。但現代有軌電車駕駛模式多采用目視人工駕駛，自動化程度較低，其運營安全受司機精神狀態及外界因素影響較大[2]。據統計，天津現代有軌電車運營安全事故中，司機責任事故占比34.6%，成為引發安全事故的第一大因素[3]。為此開發一種適用于現代有軌電車的安全輔助駕駛系統，輔助司機進行駕駛，可減少因司機主觀因素造成的交通事故，進而提高現代有軌電車的運營安全性。

1 現代有軌電車運營特點

1.1 信號優先

依據現代有軌電車與社會車輛行駛時車道占用關系，現代有軌電車的路權形式可分為獨立路權、半獨立路權和混合路權[4]。獨立路權是指現代有軌電車與社會車輛線路完全隔離；半獨立路權指現代有軌電車與社會車輛線路之間用隔離柵、水泥凸臺等物理設施完全隔離，但在交叉路口存在混行；混和路權是指兩者線路之間以道路交通標線形式進行隔離，軌行區和交叉路口均存在混行情況[5-6]。

我國現代有軌電車線路多數依托既有道路進行改造建設，已運營的線路90%以上采用半獨立路權。由于和社會車輛在道路交叉口存在混行，為保證現代有軌電車的行車安全及系統的準點率，多采用現代有軌電車路口信號優先的方式。T/CAMET 07004-2018《現代有軌電車信號系統通用技術條件》中也建議采用有軌電車信號優先的原則[7]。如沈陽渾南、蘇州高新區、淮安等地采用絕對優先權限，即通過現代有軌電車內置道路信號燈控制系統，當車輛距離路口一定距離時，車內控制系統對路口的智能信號燈發出控制指令，現代有軌電車通行方向上的紅燈就會變為綠燈，保證了現代有軌電車優先通行。武漢光谷、廣州黃埔等線路部分路口采用相對優先權，即根據平交路口的交通狀況決定現代有軌電車通行的優先等級。

1.2 人工駕駛

地鐵車輛一般采用列車自動駕駛系統（ATO）駕駛模式，既可以減輕作業人員勞動強度，又提高了行車的安全性。但現代有軌電車交通系統因設計理念、規劃布局、成本造價等因素的制約，信號控制系統自動化、智能化程度相對較低，無法采用軌道交通信號系統的閉塞控制，多采用目視人工駕駛。2019年11月，中國城市軌道交通協會發布的團體標準《現代有軌電車司機輔助功能規范》征求意見稿中要求，現代有軌電車可實現司機疲勞駕駛、不規范駕駛等行為的自動監視及報警功能，及基于攝像頭、雷達等多傳感器的軌行區障礙物探測報警功能，并且可實現自動駕駛功能，從標準規范層面推動現代有軌電車輔助駕駛功能的發展[8]。

2 輔助駕駛系統發展及功能配置

輔助駕駛系統主要目的是提高車輛行駛的安全性，減少安全事故，通過安裝在車輛上的傳感器及監控設備監視司機狀態、車輛及道路狀況等信息，并為司機提供預警信號，可在一定的條件下對車輛實施控制。事實上，司機輔助駕駛系統的最終目的是可以實現現代有軌電車的自動駕駛。

2.1 歐洲輔助駕駛系統發展

德國運輸公司協會（VDV）在其2019年8月份的立場文件《Operation of Autonomous Tramways》中指出自 2013年以來，汽車領域的傳感器首次安裝在現代有軌電車上用于檢測軌道上的障礙物，自從這項開創性測試以來，現代有軌電車的輔助系統進入快速發展時期[9]。

2015年7月，龐巴迪和奧地利技術學院（AIT）以及法蘭克福有軌電車運營公司（VGF）合作開發的司機輔助駕駛系統（DAS）獲得了德國客運服務的認證。2015年8月，VGF將該系統裝在了已運行的S型有軌電車上[10]。西門子在2018年InnoTrans上展示的司機輔助駕駛系統，已經具備有司機值守的自動駕駛功能；同樣泰雷茲也和德國卡爾斯魯厄市的有軌電車運營商聯合開發輔助駕駛系統，在車場調度運用成功后，將用于正線運營[11]；其他的有軌電車制造商Alstom，CAF，Newag等均在開發自主的輔助駕駛系統。當前歐洲正在實現現代有軌電車司機輔助駕駛向自動駕駛升級。

2.2 國內輔助駕駛系統發展

輔助駕駛系統在城市公共交通和干線鐵路上已經成熟運用。如北京公交集團為進一步增強安全運營保障水平，2019年起將輔助駕駛系統納入新車采購的標準配置，主要功能包括司機疲勞探測、車輛偏離預警與保持、車輛周圍障礙物檢測、車輛運動控制與通訊等。同樣干線機車的安全防護系統（6A系統）中的自動視頻監控及記錄子系統（AVDR）的視頻監控設備，可以對司機在值乘當中標準化作業執行不到位、精力不集中、瞌睡、間斷瞭望等違章行為通過網絡或電話形式及時給予提醒糾偏，避免列車發生冒進信號、沖動沖撞，甚至撞人等事故[12]。

現代有軌電車的運行環境相對于公共汽車而言，運行軌跡固定，運行環境更加簡單，筆者認為現代有軌電車的輔助駕駛系統可以借鑒公共汽車的輔助駕駛系統。國內現代有軌電車未批量裝備輔助駕駛系統，直接從人工目視駕駛跨越到自動駕駛。如2020年底具有自動駕駛功能的淮安現代有軌電車在正線試驗段運行并通過專家評審。此外，國內唯一采用獨立路權的佛山南海新交通試驗段的車輛裝備了列車自動控制系統（ATC），基本可以實現現代有軌電車的自動駕駛[13]。

采用獨立路權的現代有軌電車線路完全可以參照地鐵的運營模式，采用ATC，甚至是ATO的模式運行。但是國內絕大部分現代有軌電車線路為半獨立路權，相對于自動駕駛，采用司機輔助駕駛系統是經濟合算的運營模式。

2.3 輔助駕駛系統功能配置

通過對現代有軌電車運行環境及駕駛模式調研，結合既有公共交通輔助駕駛系統的功能應用，現代有軌電車輔助駕駛系統的基礎構架包括數據感知層、系統分析層和地面應用層。通過車載數據感知層采集實時視頻數據，系統分析層進行分析整合后，對異常情況進行聲光及振動警報，同時司機室人機界面（HMI）直觀顯示警示信息，提醒司機處理，并將現場的視頻、圖片及報警信息等證據回傳到運營控制中心（OCC）。在地面應用層對列車前方異物信息、司機駕駛行為和行車報警信息進行分類集中管理。

輔助駕駛系統主要車載設備包括行為識別傳感器、雙目視覺傳感器、障礙物探測裝置和車載控制主機等，其拓撲結構如圖1所示。

行為識別傳感器安裝在司機室操作臺上對著司機，讓司機面部處于圖像正中間，采用紅外高清攝像機，可在司機佩戴帽子、眼鏡、墨鏡情況下采集司機閉眼、打哈欠等視頻畫面。手勢識別傳感器安裝在司機右后方墻壁上，離地高度150～160 cm，采用紅外高清攝像機，用于識別司機在駕車行駛過程中的各種手勢動作。

雙目視覺傳感器模擬人類視覺原理，使用計算機被動感知距離的方法，從2個或者多個點觀察物體，獲取在不同視角下的圖像，根據圖像之間像素的匹配關系，通過三角測量原理計算出像素之間的偏移來獲取物體的三維信息，從而實現列車運行前方三維物體識別。障礙物探測裝置安裝在司機室外部，用于感知列車前進方向障礙物情況，防止主動碰撞的發生。

行人保護裝置安裝在車輛底部，用于阻止行人或較大異物從車輛兩側滾入車底，造成二次傷害及引起車輛脫軌事故的發生。

3 輔助駕駛系統的功能應用

現代有軌電車的輔助駕駛系統主要包含司機身份識別、司機狀態監測、操作手勢語監測、主動防撞及行人防護等功能，其中主動防撞和操作手語監測為核心功能。

3.1 司機身份識別

現代有軌電車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，而輔助駕駛系統則可根據每個車次號的值班安排自動識別。

司機上車后，安裝在操作臺的行為識別傳感器會自動識別司機身份，如圖2所示。系統識別人員信息后，會將其與已知數據庫圖像集中的人臉圖像進行比較分析，自動判別身份是否合法，如識別到非許可的人員在駕駛位時，將識別信息和駕駛操作監控一起回傳到OCC，進行報警及數據備份；如為合法司機，系統根據識別結果生成司機基本信息，并作為司機在崗時間起點，同時系統將司機離開座位作為司機離崗時間終點，計算并存儲司機的在崗時間，可作為司機出勤時間考核管理的主要依據。

圖2 身份識別效果示意圖

3.2 司機狀態監測

司機室激活后系統立即啟動司機狀態監測，主要通過行為識別傳感器進行司機面部定位與跟蹤、嘴唇與眼睛定位、嘴唇與眼睛特征向量提取以及疲勞狀態識別。司機疲勞行為包含但不限于以下行為：①閉眼駕駛：眼睛閉合，或眼睛緩慢閉合過程；②打哈欠：疲勞時嘴部慢慢張大過程；③瞌睡點頭：頭部點頭由慢至快的過程等。疲勞特征判定依據為系統大量學習疲勞視頻后根據司機面部特征的綜合判斷，當司機疲勞特征達到所學習生理疲勞相似度80%以上時，均判定為疲勞狀態。

司機異常行為包含以下行為：①抽煙及接打電話；②視野偏離：即司機在行車過程中長時間視線不在軌道前方，存在低頭寫字、玩手機等情況；③面部遮擋：即在行車過程中無法看到司機眼部或嘴部。

輔助駕駛系統司機異常行為監測效果如圖3所示，當系統監測到司機疲勞駕駛或者出現異常行為，會立即通過人機交互單元進行聲光警示或者通過司機穿戴設備進行動作警示，提醒司機正常駕駛，避免因駕駛過程中非規范行為帶來安全事故。

圖3 異常行為監測效果示意圖

3.3 操作手勢語監測

現代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，以保障列車行車安全。系統通過手勢識別傳感器對通過上述場景時司機操作手勢進行有效識別，并對比已預植在系統中的標準操作手勢語圖像數據。系統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，并將警示信息及視頻數據發送到 OCC。

3.4 主動防撞

對于距離的測量有多種技術可以實現，比較常用的為攝像視頻成像測距和毫米波雷達測距。相比于攝像頭視頻成像，毫米波雷達對前方障礙物的測距測速精度較高，穿透力強，不易受天氣環境的影響，但原始信號中包含的大量噪聲雜波信號導致其目標誤判率和目標跟蹤丟失率較高，也無法對目標進行正確的分類。相比于毫米雷達傳感器，攝像頭視頻成像通過先進的圖像處理技術可獲得對障礙物信息完整的觀測，包括對障礙物的類型、大小和位置做出相對準確的判斷，但其極易受天氣、環境、光照條件的影響[5]。

為保證障礙物探測的準確性，建議采用決策級信息融合技術，如圖4所示。毫米波雷達和攝像視頻成像傳感器在分別對自己原始數據進行處理后獲得決策目標信息，融合中心對這些決策信息融合分析，如確定障礙物存在，將在HMI上標定異物并發出預警信號提醒司機，以保障車輛行車安全。

圖4 信息融合分析

3.5 行人保護

行人保護主要防止跌倒于軌道表面行人或者較大物體滾入車底，避免其遭受車輪二次碾壓及引起車輛脫軌，對路面行人及行車安全提供有效的保護，避免重大傷亡事故發生。在車輛底架兩側分別安裝感應開關和保護裝置，一旦有行人或者較大物體侵入車底，感應開關感知異物侵入并立即啟動保護裝置，以及在HMI上向司機預警。如感應開關感知異物侵入車輛底部而保護裝置沒有動作，司機可在司機室啟動保護裝置，同樣，當危險解除后司機可在司機室手動復位保護裝置。

3.6 車輛設備狀態監測

車載控制主機連接TCMS系統，實時采集牽引系統、制動系統等關鍵系統運行事件和故障數據，一旦關鍵系統出現故障后及時對司機進行提醒警示，并上傳OCC，由地面工作人員指導司機進行簡單故障排除操作，用以保障車輛行車及乘客安全。

4 結語

輔助駕駛系統通過對司機行車全過程監測及對路面環境監測，使列車運行實現了由單純的“人控”轉變為“機控”，有效減少司機主觀因素產生的交通事故，更好地保護司機和道路環境中行人的安全,提升了運行安全性指標和運營水平。

目前輔助駕駛系統仍處于推廣階段，廣州海珠現代有軌電車項目于2017年進行裝車試用并取得不錯的效果，降低了司機勞動強度，提高車輛運行效率等[15]，但也存在誤報及司機狀態監測不精準等問題。輔助駕駛系統還處于發展階段，其穩定性、障礙物識別能力等仍有較大優化改進空間[16-20]。近年來國內新招標的嘉興、麗江、黃石等現代有軌電車項目均明確要求配置輔助駕駛系統，筆者認為將來現代有軌電車的輔助駕駛系統將成為必不可少的輔助駕駛工具。