有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)

應(yīng) 博,陳家敏

(1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司 車輛分公司，上海 200233；2.上海機(jī)動(dòng)車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人與有軌電車共享路權(quán)，運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，安全隱患較多[1]。運(yùn)營的有軌電車多數(shù)采取混合路權(quán)，有軌電車線路或者為局部道路與社會(huì)車輛共用，或者與社會(huì)車輛共用交叉路口，安全壓力大。根據(jù)已開通的沈陽、蘇州城市有軌電車運(yùn)行情況來看，在道口或擁擠地區(qū)與其他車輛碰擦已成為突出問題。

有軌電車不同于懸掛式單軌交通系統(tǒng)以及地鐵，運(yùn)行情況復(fù)雜，雖然在道口和擁擠路面可設(shè)置管卡或信號(hào)，但閉塞系統(tǒng)也不采用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，無法掌控路面情況，在復(fù)雜天氣環(huán)境中，更需要智能安全調(diào)速系統(tǒng)。

有軌電車自動(dòng)化安全保障設(shè)備配置低。有軌電車目前暫不支持運(yùn)行自動(dòng)駕駛(ATO)系統(tǒng)和自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP)，信號(hào)進(jìn)路自動(dòng)排列和自動(dòng)防護(hù)等自動(dòng)化、智能化設(shè)備的配置相對較低，其更多是依靠司機(jī)的目視駕駛。

已有的車輛制動(dòng)系統(tǒng)是能滿足正常的調(diào)速、停車以及緊急情況的剎車要求。在考慮智能安全調(diào)速系統(tǒng)的必要性時(shí)，借助傳感測試系統(tǒng)對周圍運(yùn)動(dòng)物件和行人進(jìn)行監(jiān)測、評(píng)估和預(yù)警，進(jìn)一步直接控制減速裝置或控制車輛制動(dòng)系統(tǒng)，以完善有軌電車的安全性。

因此，研究一種獨(dú)立于信號(hào)系統(tǒng)、在日常輔助司機(jī)或突發(fā)情況下能起作用的列車智能安全調(diào)速系統(tǒng)勢在必行。

1 有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)組成

1.1 智能安全調(diào)速探測系統(tǒng)

包括車載激光射頻掃描、超聲波探測或圖像成形組合、信息處理單元及警示激光發(fā)射器三個(gè)部分。車載射頻掃描探頭組通過掃頻探測獲得周圍移動(dòng)物體在掃頻區(qū)間中相對探頭組的距離。所探測得到的多組距離信息輸入信息處理單元。信息處理單元根據(jù)車載射頻掃描探頭組獲得的移動(dòng)物體信息及本車速度傳感器傳輸?shù)男畔?，對移?dòng)物體相對車輛的位移大小及方向進(jìn)行計(jì)算，判斷對有軌電車運(yùn)行情況的影響狀態(tài)，并自動(dòng)控制車輛減速至安全范圍。

其包括信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)接收器、信號(hào)處理器和距離顯示、燈光閃爍和聲音提示四個(gè)部分。具體流程如圖1所示。

圖1 安全調(diào)速探測系統(tǒng)流程圖

鑒于有軌電車地面交通的特殊性，采用激光射頻、超聲波或攝制圖像作為信號(hào)的載體，以保證所發(fā)射和反饋接受的信號(hào)信息量完整，不受干擾和探測準(zhǔn)確，保證系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

如圖2所示，有軌電車前進(jìn)時(shí)，駕駛員在駕駛室工作，車頭信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)接收器所在車工作，即時(shí)測試并顯示與物體之間的距離，進(jìn)行燈光和聲音預(yù)警。當(dāng)駕駛員到達(dá)終點(diǎn)站，列車改變前進(jìn)方向，原車頭變?yōu)檐囄玻囶^的信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)接收器不工作。另一組信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)接收器工作。

圖2 信號(hào)接收器

如圖3所示，根據(jù)所測得前方不同方向的行人和移動(dòng)物件與駕駛列車車頭的實(shí)時(shí)變化的距離，分別以距離顯示、燈光閃爍和聲音提升來到達(dá)防撞的預(yù)警功能。

圖3 預(yù)警裝置

智能安全調(diào)速探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是需充分了解有軌電車運(yùn)營情況，了解線路周圍靜止物體及移動(dòng)物體的特征，以及檢測范圍和多目標(biāo)移動(dòng)的速度、角度與運(yùn)行車輛之間關(guān)系，包括道口、彎道、平行、斜叉路線等工況，成立多種判斷危險(xiǎn)的計(jì)算模型，并采用不同級(jí)別的控制車輛方案等。

1.2 有軌電車預(yù)警系統(tǒng)

控制激光發(fā)射器向車輛與移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)路徑交叉點(diǎn)處投射激光禁行信號(hào)。當(dāng)列車根據(jù)已加載的軌道路線圖及自身位置判斷到達(dá)路口時(shí)，則發(fā)射激光警告信號(hào)，在車輛前方一定距離的地方發(fā)射光斑，該光斑成有軌電車形狀，警示路口車輛行人。

獨(dú)立設(shè)置激光柵欄發(fā)射裝置接受執(zhí)行器指令，發(fā)射有色的激光，在有軌電車前方遠(yuǎn)處道口和轉(zhuǎn)彎處形成柵欄形式的激光警示信號(hào)，以提醒地面上其他車輛和行人。

1.3 有軌電車速度控制系統(tǒng)

有軌電車原有制動(dòng)系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置接口。有軌電車遇到危險(xiǎn)的警告信號(hào)后，一方面有軌電車直接根據(jù)警示系統(tǒng)判斷信息采取相應(yīng)級(jí)別的制動(dòng)作用；另一方面司機(jī)在接受預(yù)警信號(hào)后，主動(dòng)采取制動(dòng)減速。兩者以減速級(jí)別大為先。

有軌電車根據(jù)需要選擇安裝電磁阻尼器，預(yù)警系統(tǒng)與單獨(dú)設(shè)置的減速執(zhí)行器聯(lián)接，可直接控制獨(dú)立控制式電磁阻尼器來控制有軌電車減速。因車輛緊急制動(dòng)為獨(dú)立的硬線控制，在緊急情況下可觸發(fā)車輛的緊急制動(dòng)停車。

2 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)單獨(dú)控制車輛速度方案

在研發(fā)有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)，如何控制列車速度。單純依靠司機(jī)的反應(yīng)采取制動(dòng)措施，不能確保安全性。因?yàn)樗緳C(jī)長期高度緊張、疲勞，會(huì)引起判斷不準(zhǔn)確或誤動(dòng)作。

為使避讓系統(tǒng)對運(yùn)營的影響降至最低，考慮在不改變車輛制動(dòng)系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)的情況下，采用獨(dú)立探測周圍車輛或行人并直接自動(dòng)控制減速的有軌電車主動(dòng)避讓減速系統(tǒng)。電磁阻尼器(圖4)或永磁阻尼器利用距離傳感器發(fā)出信號(hào)控制電磁閥通斷液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行磁性阻尼減速，實(shí)現(xiàn)防撞功能。

圖4 電磁阻尼器

圖5為電磁阻尼器電源裝置，如果軌道車輛無法給阻尼器供電，阻尼器系統(tǒng)可選擇自發(fā)電功能，車輛只需通過助力信號(hào)即可，系統(tǒng)本身具有發(fā)電、整流、電壓平衡的功能。車輛加速時(shí)，可選擇發(fā)電、對電瓶充電或不發(fā)電。一般情況下，車輛滑行時(shí)，發(fā)電功能工作。車輛制動(dòng)時(shí)，發(fā)電功能工作，發(fā)電機(jī)為阻尼器供電，車速低時(shí)，電瓶也為阻尼器供電。

圖5 電磁阻尼器電源裝置

為使阻尼器結(jié)構(gòu)更小，若采用永磁阻尼器結(jié)構(gòu)，可采用軸端安裝方式，便于檢修拆裝。

城市軌道車輛多采用摩擦式制動(dòng)，對于傳統(tǒng)的踏面或盤形制動(dòng),由于列車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)裝置將吸收很大的能量,造成踏面與閘瓦或制動(dòng)盤與閘片因磨耗及摩擦熱而產(chǎn)生變形及裂紋，從而加劇輪軌噪聲或制動(dòng)盤噪聲。對于有軌電車來說，頻繁起停的過程中，其閘片與制動(dòng)盤的摩擦?xí)a(chǎn)生有害粉塵，污染環(huán)境。在環(huán)保越來越受到重視的今天，對于需要頻繁起動(dòng)、制動(dòng)的有軌電車而言，非摩擦制動(dòng)技術(shù)作為一種環(huán)保節(jié)能的制動(dòng)技術(shù)，不僅可以有效避免摩擦磨耗，減少有害粉塵的產(chǎn)生，還能節(jié)約制動(dòng)能耗，減小維護(hù)費(fèi)用。

3 有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)判斷模式與接口

3.1 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)探測信號(hào)、數(shù)據(jù)處理及危險(xiǎn)判斷模式

反射式雷達(dá)無線測距方式不對信號(hào)進(jìn)行額外的處理，目標(biāo)直接將信號(hào)反射回雷達(dá)，雷達(dá)接收到的信號(hào)可能是目標(biāo)反射回來的，也可能是周圍環(huán)境反射回來的，需要比較復(fù)雜的算法才能識(shí)別目標(biāo)反射的信息(抗多徑干擾的能力較弱)，而且在判別過程中，由于存在復(fù)雜的噪聲和干擾，可能會(huì)識(shí)別錯(cuò)誤的信號(hào)，需要進(jìn)行專項(xiàng)研究。

在無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)頻率，可以分成射頻、中頻和基帶信號(hào)。射頻主要用于信號(hào)在空間的傳輸，基帶信號(hào)是基站等數(shù)字設(shè)備可以處理的信號(hào)，中頻是從射頻變化到基帶信號(hào)的過渡頻率。以前的通信系統(tǒng)一般是從射頻直接變到基帶?，F(xiàn)在的新系統(tǒng)是“射頻→中頻→基帶”，兩次變頻。

在雷達(dá)接收機(jī)中，射頻信號(hào)就是指從天線接收到的未混頻前的信號(hào)，其載頻就是雷達(dá)的工作頻率；射頻信號(hào)經(jīng)過混頻下變頻到某個(gè)幾十K到幾百兆的某個(gè)中頻段就成為中頻信號(hào)；中頻信號(hào)去掉載頻，經(jīng)A/D采樣就成為零中頻信號(hào)，也就是視頻信號(hào)。

雷達(dá)信號(hào)在射頻和中頻部分都是單通道實(shí)信號(hào)，只是載頻不同，信號(hào)形式是一樣的。在視頻部分，為了保留相位信息，中頻信號(hào)經(jīng)過正交雙通道處理成為兩路相位相差90度的實(shí)信號(hào)，即復(fù)信號(hào)。

為保證多種工況下，檢測車輛前方信號(hào)更加清晰完整，設(shè)置一套mobileye圖像識(shí)別模塊作為對比檢測之用。

有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)核心技術(shù)是通過信號(hào)接收器采集數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)分析處理研究，確定有軌電車減速或停車指令，傳遞到有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，并將處理后有關(guān)預(yù)警信息在顯示屏上顯示和發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

智能安全調(diào)速系統(tǒng)包括射頻收發(fā)裝置、基帶處理裝置、控制與診斷裝置、輔助傳感模塊、車輛制動(dòng)接口模塊、預(yù)警終端等。

(1) 有軌電車設(shè)置一套主機(jī)系統(tǒng)控制兩端預(yù)警系統(tǒng)，兩端都能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)完整的距離測量、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)警和常用全制動(dòng)、安全制動(dòng)、緊急制動(dòng)輸出。系統(tǒng)故障時(shí)自動(dòng)發(fā)出設(shè)備故障警報(bào)。設(shè)備電源由列車蓄電池供電，為避免干擾司機(jī)，設(shè)置有切除/啟動(dòng)開關(guān)。

(2) 接收的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大，變頻，濾波放大后形成視頻回波信號(hào)，經(jīng)A/D采樣，多距離通道并行相關(guān)，恒虛警目標(biāo)檢測、目標(biāo)判決后輸出。采用多距離通道并行相關(guān)對擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行捕獲和追蹤。

現(xiàn)有的mobileye模塊產(chǎn)品能夠做到識(shí)別有軌電車前方一定區(qū)域的車輛、行人、自行車、摩托車等，但是不支持有軌電車側(cè)面的識(shí)別和其他物體的識(shí)別，對于有軌電車運(yùn)行的鐵軌可做到比較清晰的識(shí)別。

3.2 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)信號(hào)處理器和制動(dòng)接口裝置

(1) 探測到危險(xiǎn)車距時(shí)可輸出常用制動(dòng)中全制動(dòng)請求、安全制動(dòng)請求、緊急制動(dòng)請求，分別通過列車常用制動(dòng)控制回路、安全制動(dòng)回路和緊急制動(dòng)回路使列車產(chǎn)生中等級(jí)別制動(dòng)減速、安全制動(dòng)和緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)具備較高安全等級(jí)、采用安全型繼電器輸出并且遵循故障導(dǎo)向安全、緊急制動(dòng)請求為兩路安全型輸出信號(hào)作為冗余，并對繼電器狀態(tài)監(jiān)控。

(2) 列車串行接口，用于與列車控制網(wǎng)絡(luò)的通信，如時(shí)鐘同步信息、故障信息等，有利于故障及事故分析，需要與列車網(wǎng)絡(luò)及故障診斷系統(tǒng)協(xié)調(diào)。

(3) 顯示接口、預(yù)警聲訊接口和制動(dòng)指令接口，該接口用于與預(yù)警和減速避讓系統(tǒng)的報(bào)警終端通信，顯示自檢、故障等相關(guān)信息，并提供危險(xiǎn)車距報(bào)警，向有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)指令。

3.3 有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)與地面警示系統(tǒng)的接口

有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)與地面警示系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)安全管理。

地面警示系統(tǒng)包括車控和地面接收車輛到達(dá)信號(hào)，即控制激光發(fā)射器向車輛與移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)路徑交叉點(diǎn)處投射激光禁行信號(hào)，在關(guān)鍵路口獨(dú)立設(shè)置激光柵欄發(fā)射裝置接受執(zhí)行器指令，發(fā)射有色的激光柵欄。

有軌電車智能安全調(diào)速系統(tǒng)在探測路面信號(hào)和數(shù)據(jù)處理及計(jì)算判斷目標(biāo)值后，通過顯示器顯示車輛預(yù)警信息，同時(shí)車輛向設(shè)置地面激光柵欄發(fā)射裝置發(fā)出控制信號(hào)，并且可選擇制動(dòng)執(zhí)行方案，智能安全調(diào)速系統(tǒng)執(zhí)行器接收信息處理單元傳達(dá)的信息，向原有列車常用制動(dòng)、安全制動(dòng)、緊急制動(dòng)發(fā)出指令信號(hào)，或向渦流阻尼器發(fā)出減速信號(hào)。

4 結(jié)論

有軌電車安全調(diào)速系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)日常輔助司機(jī)和處理突發(fā)情況的作用。由于路口情況較為復(fù)雜，在一定程度上可輔助司機(jī)安全駕駛，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和防撞。