袁元豪 編譯

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提高智能列車運(yùn)行安全性與可靠性

列車運(yùn)行的安全是依靠人機(jī)系統(tǒng)來協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。在行車控制方式上，人機(jī)系統(tǒng)將人工優(yōu)先與機(jī)械優(yōu)先各自的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提高行車安全性。隨著技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備使用狀況的變化，必須考慮增加系統(tǒng)新的功能。日本鐵道綜合研究所的開發(fā)目標(biāo)是：

（1）在普通速度線路的行車智能化建設(shè)上，考慮平交道口、站臺門不完備、司機(jī)處置緊急情況時(shí)壓力大、不利于冷靜判斷等情況；

（2）在司機(jī)喪失意識時(shí)，人機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)⒘熊囖D(zhuǎn)為機(jī)械控制，實(shí)現(xiàn)安全停車；

（3）增強(qiáng)車載設(shè)備故障檢測和報(bào)警等安全行車的輔助功能。

1　智能列車的構(gòu)成

日本鐵道綜合研究所開發(fā)的智能列車由幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，見圖 1，系統(tǒng)可以保持日常監(jiān)視。

圖1　智能列車構(gòu)成

智能列車的“子智能”可感知影響運(yùn)行安全的異常情況，判斷列車運(yùn)行中應(yīng)做出的緊急制動(dòng)、減速等，通過通信系統(tǒng)將異常信息發(fā)送到“主智能”。但利用“子智能”控制列車也有局限性，例如檢測到火災(zāi)時(shí)，“子智能”不能準(zhǔn)確控制列車在隧道內(nèi)的避難處停車，而且，火災(zāi)中，當(dāng)各種配線燒毀的情況下發(fā)出多種警報(bào)時(shí)，超過司機(jī)緊急辨別這些信息的能力，多種信息的干擾會導(dǎo)致漏判最重要的火災(zāi)信息。在這種狀況下“主智能”可利用其他“子智能”信息，對運(yùn)行狀態(tài)和線路狀態(tài)做出綜合判斷。

另外，萬一司機(jī)失去控制列車的能力，在緊急情況下只有實(shí)施列車制動(dòng)，并在安全位置停車。“子智能”還具有軸承燒損檢測、監(jiān)視、報(bào)警功能，便于安全運(yùn)行和及時(shí)維護(hù)。

2　列車運(yùn)行位置檢測和數(shù)據(jù)庫

為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)前列車的精確位置檢測，需要開發(fā)線路空間信息數(shù)據(jù)庫，以及高精度復(fù)合型列車位置檢測裝置。

利用車載陀螺儀、加速度計(jì)，通過速度發(fā)電機(jī)的脈沖次數(shù)計(jì)算列車的里程位置，并用車輪空轉(zhuǎn)滑行率來修正，最大積累誤差為 15m。

線路空間信息數(shù)據(jù)庫除有曲率、超高、坡度等參數(shù)外，還有橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物信息，以及道岔、道口的位置等與線路有關(guān)的一切信息，以及智能列車運(yùn)行所必要的數(shù)據(jù)，利用無線通信系統(tǒng)可將必要的行車數(shù)據(jù)下載到車載終端。這些數(shù)據(jù)的生成使用既存數(shù)據(jù)庫，但是數(shù)據(jù)輸入時(shí)，從圖像到道口和道岔的確認(rèn)，采用不同的數(shù)據(jù)編制方法。從駕駛臺采集運(yùn)行前方圖像數(shù)據(jù)，變換為俯視圖像，可以確定精確的位置，另一方面，驗(yàn)證輸入數(shù)據(jù)的正確性很重要，顯示了數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的可視化。安全運(yùn)行方法的判斷，如圖 2 所示。

為了判斷安全停止位置，要計(jì)算列車?yán)^續(xù)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)和地點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，用停車邏輯最小值（綜合風(fēng)險(xiǎn)）的和來確定。地點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)是利用線路空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來計(jì)算；繼續(xù)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)是對應(yīng)不同異常情況來計(jì)算。

圖2　安全停車位置的確定

3　人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)

在緊急狀態(tài)下，司機(jī)需要冷靜才能做出正確的判斷，通過對有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)的調(diào)查，確定了以下 3 條設(shè)計(jì)原則：

（1）不顯示重要度較低的信息；

（2）顯示具體的安全運(yùn)行模式；

（3）提示確定運(yùn)行模式的根據(jù)。

駕駛臺顯示畫面如圖 3 所示。

另外，還有司機(jī)輔助系統(tǒng)的圖像，前方障礙物檢測裝置（圖 4）和睡眠程度檢測裝置。

圖3　簡潔的信息提示

圖4　前方障礙物檢測

4　轉(zhuǎn)向架狀態(tài)的檢測

轉(zhuǎn)向架集成了與列車運(yùn)行安全性有關(guān)的功能，設(shè)有各種傳感器，進(jìn)行日常狀態(tài)監(jiān)測，可提高運(yùn)行安全性的效果。但是列車運(yùn)行中轉(zhuǎn)向架存在激烈的振動(dòng)和溫度變化，所以，在轉(zhuǎn)向架內(nèi)和車體上檢查傳感器的很細(xì)電纜很不方便，所以，開發(fā)了自律分散型轉(zhuǎn)向架安全性監(jiān)測系統(tǒng)（圖 5）。

該監(jiān)視系統(tǒng)是由傳感器、超小型計(jì)算機(jī)、無線通信設(shè)備、振動(dòng)發(fā)電元件等組成。安裝在轉(zhuǎn)向架內(nèi)必要的位置，用無線系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)到車上。小型計(jì)算機(jī)對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理，壓縮的數(shù)據(jù)發(fā)送到車上共用的單元體，從共用的單元體數(shù)據(jù)檢出異常（故障）的特征，發(fā)送到“主智能”相應(yīng)的方案內(nèi)。開發(fā)了列車蛇形運(yùn)動(dòng)和車軸軸承異常檢測監(jiān)視模塊，選擇合適的傳感器，監(jiān)視各種對象。最后對系統(tǒng)進(jìn)行了綜合運(yùn)用試驗(yàn)，確認(rèn)系統(tǒng)功能。

圖5　自律分散型轉(zhuǎn)向架安全性監(jiān)測系統(tǒng)

5　成果的利用

研發(fā)目標(biāo)是強(qiáng)化列車的智能化功能，確立司機(jī)的輔助人機(jī)系統(tǒng)，提高行車安全性。日本鐵道綜合研究所對其宗旨和行車規(guī)則進(jìn)行了研究，有待解決的問題是各家鐵路公司之間必須對行車規(guī)則加以整合。另一方面，作為“子智能”技術(shù)要素的無線數(shù)據(jù)必須實(shí)用，便于更新，并且可以與 ATS 數(shù)據(jù)兼容。再者，在自律分散型轉(zhuǎn)向架安全性監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)該研究其耐久性評價(jià)，提高電子元件性能，完善測試數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)用性。

6　結(jié)束語

以上針對智能列車技術(shù)及其安全性和可靠性問題做了概要介紹。智能系統(tǒng)性能的提高和實(shí)用化等相關(guān)技術(shù)問題還處于繼續(xù)研究之中。

參考文獻(xiàn)

[1] 佐タ木 君章. 知能列による安全性·信賴性向上[J]. RRR，2015，72（7）：8-11.

袁元豪 編譯

責(zé)任編輯 冒一平

收稿日期2016-04-11