全自動駕駛檢修區域司機登車防護系統設計

方 征，周航博

（1.中國鐵路西安局集團有限公司車輛部，陜西西安 710054；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司環境與設備設計院，陜西西安 710043）

1 引言

在地鐵全自動駕駛車輛基地列車檢修作業過程中，人身安全是必須嚴格把控的關鍵點。在現有的地鐵列車全自動駕駛檢修區域檢修運營場景中規定，檢修作業人員進入全自動駕駛檢修區域需滿足區域開放信號及人員防護開關開啟，地鐵列車處于信號閉鎖狀態，但司機進入全自動檢修區域不受此場景限制。

目前，司機進入全自動檢修區域時仍采取人工把控及對講機對話溝通的方式，其存在作業效率低下，人員把控易失效，警示效果不佳等問題[1-2]。如若司機進入檢修區域后在不明確自動駕駛地鐵列車進出車時間的情況下，隨意穿行股道，極易造成被地鐵列車剮蹭等人身傷害事故[3-5]。因此，本文設計一種全自動駕駛檢修區域司機登車防護系統，以實現在全自動駕駛檢修區域中司機的安全防護。

2 系統設計

2.1 設計要求

全自動駕駛檢修區域司機登車防護系統通過現代信息化技術手段完成對全自動駕駛檢修區域登車人員的安全防護。該系統主要圍繞以下6 點進行設計。

（1）自身系統與外部信號建立鏈接，通過外部信號的輸入來判斷系統是否啟動。

（2）需借助傳感、視頻或圖像識別等技術方式，保證對保護區域的實時檢測及信號反饋。

（3）為保證信息反饋的穩定性與可靠性，至少需要2 種及以上的獨立的安全冗余監測措施。

（4）防護區域現場需要設置安全警示系統，在檢測到異常情況后，能夠對現場人員提出報警信息，警示其不安全行為；并且通過提前預制信息，完成廣播的自動播報警告。

（5）搭建中央控制系統，主要用于接收外部信號，判斷監測功能是否啟用；接收監測信號到系統進行處理，并發出信號到安全警示系統，用于警示現場人員。

（6）為中央控制系統配套顯示功能，通過建立人機交互頁面，完成對安全防護區域的實時監測，若有突發狀況可及時人為介入。

2.2 結構設計及原理

司機登車防護系統包含控制及顯示模塊、激光檢測模塊、聲光報警模塊、視頻偵測模塊和外部數據接口模塊[6-8]，如圖1 所示。控制及顯示模塊作為系統的控制及運算核心，控制其余模塊設備工作，同時實時采集各模塊回傳的設備信息。激光檢測模塊通過激光射線對司機登車防護區域進行檢測[8]。聲光報警模塊通過警示燈督促違規侵界人員離開危險區域進入登車防護區域。視頻偵測模塊通過攝像頭對司機登車防護區域進行全天候視頻監控[9-10]。外部數據接口模塊用于控制激光檢測模塊及視頻偵測模塊的檢測功能啟用。

圖1 司機登車防護系統設計圖

司機登車防護系統主要依靠控制及顯示模塊的中央調度功能，以各模塊信號的采集及傳輸處理為基礎，通過接收外部接口模塊的外部數據信號，判斷全自動駕駛檢修區域內是否屬于安全防護狀態。若無需安全防護，則屏蔽檢測功能，聲光報警模塊暫時停止工作；若當下有安全防護需要，則控制及顯示模塊輸出啟用檢測功能，即啟用激光檢測模塊與視頻偵測模塊。其中激光檢測模塊與視頻偵測模塊互為補充，以多重安全技術措施保障對檢測范圍的精準控制，達到防護司機人身安全的目的。

當有司機進入安全防護區域時，邏輯控制電氣電路采集到視頻偵測模塊及激光檢測模塊的區域檢測報警信息后，經內部繼電器電隔離后傳輸至PLC。當PLC 判定區域報警信息符合判定條件，則輸出控制信號至邏輯控制電氣電路對應區域的繼電器，使其通電吸合，驅動控制模塊對應報警區域的聲光報警模塊工作；PLC 組態軟件監控到PLC 有區域報警輸入后，彈出有人員侵界提示彈窗，提示調度人員進行確認并實時反應現場紅色警示燈的工作狀態，并根據區域侵界報警時間截取對應區域監控視頻及抓拍圖像；控制及顯示模塊以PLC 控制為核心，利用邏輯控制電氣電路實現信號電隔離，保證設備可靠穩定運行，且人機互動界面良好。相比現有技術，該系統使用人員可一目了然的了解現場登車區域內登車人員的活動軌跡，且區域侵界提示準確、有效，信息記錄齊全，可有效地防護司機人身安全，提高地鐵列車檢修效率[11]。

2.3 模塊設計

2.3.1 控制及顯示模塊

控制及顯示模塊包含PLC、PLC 組態軟件、臺式電腦和邏輯控制電氣電路，均安裝于數據指揮中心（DCC）控制室內，供調度人員集中使用。PLC 作為控制及顯示模塊的核心設備，用于與外部系統進行數據傳送，接收視頻偵測模塊中警戒攝像頭及激光對射裝置的區域邊界檢測信息，按照既定判斷算法對接收信息進行過濾判斷，輸出控制聲光報警模塊工作信號。PLC 組態軟件是控制及顯示模塊的監控設備，通過建立一套良好的人機互動界面，實時監控PLC 內部點位及外部輸入/輸出點位變化，以圖形動畫形式展現現場設備的工作狀態及進行區域侵界報警提示，同時通過網絡通信協議（TCP/IP）訪問硬盤錄像機實時獲取視頻監控圖像的數據流。臺式電腦是控制及顯示模塊的顯示設備，用于運行及顯示PLC 組態軟件界面及現場視頻監控畫面。邏輯控制電氣電路是控制及顯示模塊的執行機構，用于直接采集現場設備信息經電隔離后傳輸至PLC，及根據PLC 的輸出控制信號，直接驅動控制聲光報警模塊進行聲光警示。

2.3.2 激光檢測模塊

激光檢測模塊包含激光對射裝置，通過激光射線對司機登車防護區域進行檢測，并實時通過邏輯控制電氣電路將侵界報警信息傳輸至控制及顯示模塊。

2.3.3 聲光報警模塊

聲光報警模塊包含紅色警示燈（帶語音播放）、廣播音柱及喊話。紅色警示燈通過閃爍紅色及播放固定語音督促違規侵界人員離開危險區域進入司機登車防護區域，廣播音柱及喊話用于系統使用人員對不顧紅色警示燈警示的違規侵界人員進行喊話，再次督促違規侵界人員離開危險區域進入登車防護區域。

2.3.4 視頻偵測模塊

視頻偵測模塊包含警戒攝像頭、硬盤錄像機、前端光電交換機、機架式光電交換機。警戒攝像頭用于對司機登車防護區域進行全天候視頻監控，并對視頻監控畫面內司機登車防護區域劃定邊界，設置邊界跨越檢測功能及區域內活體檢測功能，通過圖像分析技術判定司機登車區域內人員是否侵界。硬盤錄像機用于存儲警戒攝像頭的視頻錄像及抓拍圖像，并將警戒攝像頭的區域侵界報警信號轉發至控制及顯示模塊。前端光電交換機用于實現遠程實時傳輸警戒攝像頭的視頻信息。機架式光電交換機用于匯聚所有司機登車防護區域的警戒攝像頭的視頻監控圖像，統一接入硬盤錄像機內。

2.3.5 外部數據接口模塊

外部數據接口模塊包含TIAS 系統區域開放信號、SPKS 開關箱。TIAS 系統區域開放信號及SPKS 開關箱作為系統的外部輸入信號，通過自動化設備通信協議（MODBUS/TCP）建立數據鏈接，用于控制激光檢測模塊及視頻偵測模塊的檢測功能啟用。

3 系統設備

全自動駕駛檢修區域司機登車防護系統設備安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 司機登車防護系統設備安裝示意圖

激光對射裝置安裝于司機登車防護區域的邊界處，每個防護區域至少4 套。激光對射裝置發射端沿著司機登車防護區域的4 個邊界射出多束不可見的激光光束到接收端，當司機越過防護區域邊界時，身體會遮擋激光光束，接收端接收激光射線中斷，從而輸出報警信號至控制及顯示模塊。激光檢測模塊采用激光檢測技術，檢測距離遠，且多光束的點對點檢測方式可有效的提高防護區域邊界檢測的可靠性及準確性。

紅色警示燈安裝于現場司機登車防護區域內，每個區域至少安裝4 個。廣播音柱及喊話在現場司機登車防護區域內，每個區域至少2 個，對講話筒安裝于DCC控制室內，便于系統使用人員使用。當控制及顯示模塊接收到現場防護區域侵界信號后，輸出聲光警示控制信號至邏輯控制電氣電路內對應控制繼電器，控制繼電器線圈得電，觸點吸合，驅動紅色警示燈亮燈并閃爍，播放定制語音警示督促違規侵界人員離開危險區域進入防護區域。當系統使用人員通過視頻監控觀察發現違規侵界人員不顧聲光警示執意進入危險區域時，可通過對講話筒對庫內人員進行喊話，再次督促違規侵界人員離開危險區域進入安全防護區域。聲光警示模塊設備安裝于司機登車防護區域的各個醒目位置，警示范圍涵蓋整個防護區域，警示效果明顯，且固定語音播放功能及廣播音柱喊話功能配合視頻監控提高了警示的震攝性，可有效的防護司機人身安全。

警戒攝像頭安裝于現場司機登車防護區域，每個區域至少2 個，前端光電交換機安裝于現場司機登車防護區域，每個區域1 個。硬盤錄像機、機架式光電交換機安裝在DCC 控制室內。警戒攝像頭全范圍監控司機登車防護區域，通過圖像對比及圖像深度學習算法對防護區域邊界設置邊界跨界檢測功能及活體檢測功能，并規定邊界跨越檢測功能的跨越方向報警。當司機跨越登車防護區域邊界進入危險區域時輸出報警信號；當司機由危險區域進入登車防護區域時，不輸出報警信號。硬盤錄像機通過前端光電交換機及機架式光電交換機實時獲取各防護區域內警戒攝像頭的視頻錄像的數據流并實時存儲，實時接收警戒攝像頭的區域侵界報警信號并及時轉發至控制及顯示模塊。PLC 組態軟件通過TCP/IP 訪問硬盤錄像機實時調取各區域的監控畫面用于顯示；視頻偵測模塊不僅提供全天24 h 的現場視頻監控功能，便于調度人員實時遠程了解現場各防護區域內司機的活動軌跡，且利用圖像分析技術及深度學習算法實現各防護區域邊界的智能化檢測。雙重檢測技術通過與激光檢測模塊配合，將物理檢測技術及圖像檢測技術結合，有效提高了人員侵界檢測的可靠性及準確性，保證每個違規越界人員都可以檢測到，有效地防護限制司機的活動范圍，杜絕隨意穿行股道的情況，從而保證司機的人身安全。

當TIAS 系統區域開放信號及SPKS 開關箱內的開關開啟，此時地鐵列車全自動駕駛檢修區域內屬于安全防護狀態，無登車防護區域侵界報警提示；當TIAS 系統區域開放信號及SPKS 開關箱內的開關未同時開啟時，地鐵列車全自動駕駛檢修區域內未處于安全防護狀態，全自動駕駛地鐵列車處于行車信號未閉鎖狀態，則啟用激光檢測模塊及視頻偵測模塊的檢測功能，用于限制各區域司機的活動范圍，防護司機的人身安全。

4 應用實踐

系統在南寧地鐵5 號線那洪車輛基地現場試用后，在TIAS 系統區域開放信號及SPKS 開關箱內的開關已開啟的聯鎖條件同時滿足時，通過激光檢測及視頻偵測技術劃定安全防護區域，可有效限制司機進入全自動駕駛檢修分區后的活動范圍；對于登車人員的越界活動行為能夠準確識別，識別準確率達99.5%，檢測判定時間低于0.2 s；現場聲光報警裝置能夠及時給出現場聲光警示，督促越界人員停止違規行為，返回安全防護區域，有效防護登車人員的人身安全。

5 結語

全自動駕駛檢修區域司機登車防護系統通過劃定安全活動區域，采用視頻偵測技術及激光檢測技術雙重檢測手段，設立區域邊界檢測，限制司機活動范圍，實現全自動駕駛檢修區域司機登車防護智能化、數字化控制，提高檢修作業效率及司機登車防護的可靠性。