城市軌道交通工程車安全控制及運行監測系統運用研究

王成峰，卞榮俊

城市軌道交通工程車（以下簡稱“城軌工程車”）,主要承擔城市軌道交通的車輛段（停車場）內調車、事故救援、地鐵施工、線路維護和檢測作業等任務,具有使用頻率高,作業區域廣,作業涉及部門多,正線作業時段多在夜間等特點［1］。目前,國內的城軌工程車均未安裝行車安全防護設備,主要依靠乘務員經驗、目視信號進行車輛運行操控；且執行正線的施工作業、線路維護和檢測作業等任務時,多集中在每日0：00以后,人員精神狀態對行車安全易產生嚴重影響。同時,隨著土地資源日漸緊張,多數地鐵公司采用在車輛段上加蓋物業的方式（如青島地鐵2號線遼陽東路車輛段）,造成車輛段內光線暗、彎道多、立柱密集等,司機視野受限,同樣影響城軌工程車的調車作業安全。因此,如何加強對工程車輛的運用和乘務人員的管理是目前亟待解決的問題。

1 城軌工程車安全控制及運行監測系統

1.1 研發背景

隨著列車運行記錄監控裝置（LKJ）在鐵路列車上的成功推廣應用,其記錄和分析功能已經成為確保行車安全的必要手段［2］。基于LKJ2000監控裝置平臺,結合城軌工程車的實際作業需求,青島地鐵集團有限公司和河南思維自動化有限公司聯合開發,研制出適合工程車運用管理的新型一體化“城市軌道交通工程車安全控制及運行監測系統”（以下簡稱“監測系統”）,使管理人員能夠全面分析和監督駕駛員的操控過程,提高工程車的安全管理水平。

1.2 系統組成

監測系統主要由車載設備、地面設備和應用軟件等組成。車載設備包括運行監控設備、綜合視頻監控設備和車載無線通信設備［3-4］。其中,運行監控設備包括運行監控主機、屏幕顯示器（DMI）、壓力傳感器、速度傳感器、常用制動裝置、定位查詢主機和查詢天線［5］等；綜合視頻監控設備包括視頻主機和音視頻采集設備（數字攝像機、音頻采集裝置等）；無線通信設備包括無線路由器、4G通信模塊和接收天線等。地面設備包括地面信標、地面服務器、查詢分析終端、移動終端及運行監控裝置專用管理設備（如IC卡、讀卡器等）。應用軟件包括服務器處理軟件、運行監控數據分析軟件、視頻分析軟件和移動終端軟件。監測系統組成見圖1。

圖1 城市軌道交通工程車安全控制及運行監測系統組成

1.3 工作原理

監測系統主要是采用無線Wi-Fi/4G公網信號,以及數傳電臺的組網方案,將采集的計算機聯鎖監控機數據（各線路上的信號機狀態信息、通信注冊信息等）、乘務員操作情況、城軌工程車及設備的故障情況等,傳輸給該系統的地面服務器。一方面,地面服務器接收到計算機聯鎖數據后,結合工程車所在位置,實時將前方地面信號機的編號和狀態發送給車載運行監控系統,由車載運行監控系統實時更新工程車的限速值,并及時發出停車指令,避免工程車作業過程中出現冒進關閉信號機、超速行駛、擠道岔等問題［6］；另一方面,實現全程運行數據的處理分析和運行狀態的實時監控,利用無線Wi-Fi/4G公網進行推送,使管理者及時掌握安全相關信息,不斷提高工程車的修、管、用水平。

1.4 主要功能

1）工程車運行安全控制子系統。可以通過采集計算機聯鎖監控機的數據,結合工程車所在位置,實時計算生成連續式距離-速度控制曲線,在發生車輛超速、試圖越過關閉的信號機等情況時,輸出制動指令,實現城軌工程車安全防護［7］。同時,該子系統具備工程車運行線路數據（包括公里標、信號機、站名、曲線、坡道）顯示、防冒出關閉的信號機、防超速、盡頭線防護、調車控車、封鎖作業控制、數據和距離誤差修正、工程車定位,以及運行過程數據記錄等功能。

2）工程車運行過程綜合視頻監測子系統。對司機操作過程進行全程錄音,對司機室、前方線路、機械間、連掛車鉤等進行視頻監控；在線智能識別司機盹睡及非正常精神狀態,一旦發現異常后及時進行報警［8］；可推送消息及圖片至管理人員手機終端。該子系統可累計記錄包括語音錄音、司機室視頻、盹睡視頻、機械間視頻、線路前方視頻等信息長達15天,以此作為事后分析依據。

3）監控信息實時傳輸子系統。可以實現車地通信,將安全控制子系統的運行數據及報警信息、綜合視頻監控子系統的報警信息、圖片及點播的視頻流等,通過無線收發接口設備傳輸給服務器,與服務器實現雙向信息交互；同時,可接收地面信號狀態信息。

4）車輛段調車監控地面子系統。可以實現調車作業防錯辦監督預警及車地聯控發車控制、圖形化調車作業計劃編輯及管理功能。采用基于400 MHz數字電臺（或可靠性更高的物聯網技術）,組建車輛段車地通信網絡,實現調車作業單信息、調車控制命令信息等安全控制信息的傳輸,地面信標運用狀態自動檢測記錄、圖形化顯示段場圖等功能［9］,以及調車作業一度停車標等關鍵點控制。車輛段調車監控地面子系統功能見圖2。

圖2 車輛段調車監控地面子系統功能

5）應用分析子系統。主要用于實現對全程運行數據的處理分析及運行狀態的實時監控,及時掌握運行中存在的安全隱患。其主要功能模塊有：①全程運行記錄數據的分析和回放；②乘務員通話記錄回放；③視頻回放；④視頻在線點播及權限管理；⑤運行狀態監控及報警；⑥運行狀態報警信息實時推送,通過手機及時提醒相關值班、調度、管理人員；⑦運行數據及視頻數據存儲管理等。

2 系統創新點

該監測系統很好地利用了LKJ2000運行監控系統的擴展功能,在實現LKJ2000運行監控系統基本的作業四防功能基礎上,結合青島地鐵實際特點,將乘務員視頻監控、盹睡報警、軸溫檢測、工程車關鍵設備運行狀態監測等與運行監測系統集成,并通過無線網絡實現運行監控系統與地面服務器的實時通信。該系統的關鍵創新點體現如下。

2.1 應用創新

1）人工智能應用創新。采用圖像智能識別技術,自動捕獲乘務員面部特征,對乘務員盹睡等異常精神狀態進行識別及報警。

2）大數據分析應用創新。通過對運行監控數據和視頻監控數據進行大數據分析,查找車輛在運行中的安全隱患,規范乘務員標準化操作能力。

3）移動互聯網應用創新。采用移動互聯網技術,通過微信將車輛運行狀態信息實時推送到管理人員手機終端,實現管理人員遠程電子添乘。

4）計算機聯鎖信號分析和應用創新。在信號系統供應商開放計算機聯鎖信號的前提下,通過計算機聯鎖監控機的隔離串口通信模塊,將計算機聯鎖監控數據傳輸給監測子系統的地面服務器,由地面服務器結合工程車所在位置,實時將前方地面信號機的編號和狀態發送給車載運行監控系統,實時更新工程車的限速值,并及時發出停車指令,避免城軌工程車發生冒進關閉信號機、超速行駛、擠道岔等問題。

2.2 技術創新

1）通過采集計算機聯鎖監控機的數據,結合工程車所在位置,實時計算生成連續式距離-速度控制曲線,遇異常情況輸出制動指令,實現城軌工程車安全防護。

2）采用無線射頻技術讀取信標信息,結合監控系統預存儲線路數據,實現工程車精確定位。

3）采用視頻壓縮技術,使視頻傳輸更高效、更清晰、更流暢。

4）采用4G無線通信技術,實現圖片及視頻數據和車輛實時監測信息的傳輸。

5）采用RSA數據加密技術,提高了信息傳輸的完整性和安全性。

3 應用效果

目前,城市軌道交通工程車安全控制及運行監測系統已在青島地鐵3號線上完成裝車使用,實現了超速防護、信號冒進防護、車輛溜逸防護、盡頭線防護、正線封鎖作業控制等功能［10］。通過近3年的應用,該系統的各項功能穩定,達到了設計要求；實現了乘務員由接到作業任務到完成的全過程信息記錄,為乘務員的整備、操作、呼喚、應答等作業管理標準化提供了技術支持,節約了人員管理和時間成本。目前該技術已在上海地鐵、深圳地鐵等進行了推廣應用。

4 結論

城市軌道交通工程車安全控制及運行監測系統的開發與應用,填補了國內城市軌道交通行業工程車安全防護設備的缺失,依據“科技保安全、技術強管理”的先進理念,開創了智能化、自動化的城軌工程車運用管理新模式,在國內軌道交通行業內具有較高的推廣應用價值。今后還需基于5G、人工智能、無人駕駛等前沿科技,結合城市軌道交通工程車的運用特點,進一步完善系統功能,使工程車管理完全實現信息化、網絡化、自動化和智能化。