地鐵全自動駕駛車輛基地自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)研究*

史時喜

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)， 710043， 西安∥正高級工程師)

全自動駕駛(FAO)技術在城市軌道交通的應用越來越廣泛[1]，目前國內各大城市已將FAO系統(tǒng)建設納入規(guī)劃[2]。 為此，車輛基地將劃分為人工駕駛區(qū)域和自動駕駛區(qū)域。其中，自動駕駛區(qū)域與正線一樣，需納入FAO模式管理中。列車的運行由信號系統(tǒng)控制完成[3-4]，無需人工干預，正常運營期間不允許人員隨意進入自動駕駛區(qū)域[5]。但對于列車的日常維護而言，則不可避免地需要人工駕駛完成，因此作業(yè)人員在該區(qū)域存在人車沖突的安全風險，這也造成了自動駕駛區(qū)作業(yè)人員管理的困難[6]。

目前國內建設的FAO車輛基地自動駕駛區(qū)多采用物理隔離措施，依靠人工管理的方式[7]。但該種方式存在非作業(yè)人員誤入作業(yè)區(qū)域、作業(yè)人員滯留作業(yè)區(qū)域等諸多風險。針對自動駕駛區(qū)內的人員管理，本文提出一種集安全聯(lián)鎖控制、門禁控制、圖像監(jiān)控及安全警示等功能于一體的自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)。

1 地鐵FAO車輛基地自動駕駛區(qū)設計方案

地鐵FAO車輛基地主要設施一般包括停車列檢庫、檢修庫、洗車庫、鏇輪庫、調機及工程車庫等。車輛基地總圖按照人工駕駛區(qū)和自動駕駛區(qū)分區(qū)布置，如圖1所示。其中，人工駕駛區(qū)包括檢修庫、鏇輪庫、調機及工程車庫等；自動駕駛區(qū)包括停車列檢庫、洗車庫等。利用調機牽出線兼作轉換軌，實現(xiàn)自動駕駛模式與人工駕駛模式信號轉換作業(yè)。

圖1 地鐵FAO車輛基地總圖Fig.1 Schematic diagram of metro FAO vehicle base plan

停車列檢庫是自動駕駛區(qū)核心區(qū)域，列車正常運行場景下的入庫、休眠、喚醒、出庫等均無需人工干預[8]；而列車的列檢、清掃等維護任務均由人工完成。為保證停車列檢庫安全防護等級與正線相同，確保列車運行安全，庫內列檢等維護作業(yè)進行時，該區(qū)域內列車禁止動車、接觸網為斷電狀態(tài)。但停車列檢庫內所有列車斷電且禁止動車，會影響列車出入庫的運行效率，進而影響正線運行。因此，停車列檢庫按照每2個股道劃分為1個防護分區(qū)，各防護分區(qū)內進行列車維護作業(yè)時，不影響其他防護分區(qū)內列車正常運行。停車列檢庫平面布置如圖2所示。

圖2 停車列檢庫平面布置圖Fig.2 Floor plan of parking maintenance garage

停車列檢庫各防護分區(qū)之間均設置了分區(qū)圍欄等隔離設施，避免其運營期間人員隨意進出。為滿足作業(yè)人員的通行，在停車列檢庫中部設置地下人行通道，并在人行通道對應于各防護分區(qū)處設置出入口。

2 自動駕駛區(qū)存在問題及其解決思路

自動駕駛區(qū)雖設置了分區(qū)隔離設施，但在安全管理上主要還是采用人工配合視頻監(jiān)控的方式，存在一定的安全風險。主要問題包括以下幾點：

1) 人員進出管理完全依賴門衛(wèi)和視頻監(jiān)控，不可避免地出現(xiàn)人員誤入和滯留的問題。

2) 各分區(qū)出入口的開關未與列車信號、接觸網等系統(tǒng)進行聯(lián)鎖，作業(yè)時存在安全隱患。

針對自動駕駛區(qū)內人員管理存在的相關問題，本文提出一種集門禁管理、安全聯(lián)鎖控制、實時監(jiān)控、人員防護等功能于一體的安全防護系統(tǒng)。安全防護系統(tǒng)結合自動駕駛區(qū)物理隔離方案，利用多種檢測手段和邏輯聯(lián)鎖控制方法嚴格控制人員進出，以實現(xiàn)在列車正常運行情況下自動駕駛區(qū)無人員通行，以及在人員維護作業(yè)情況下列車禁止動車的目標。

3 車輛基地自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)

車輛基地自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)通過中樞與列車信號、隔離開關、門禁等系統(tǒng)進行自動聯(lián)鎖，并將信息呈現(xiàn)給調度人員，保證列車維護作業(yè)安全、有序進行[9]。

安全防護系統(tǒng)設有1個主控系統(tǒng)，通過主控系統(tǒng)銜接門禁控制子系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控及人員定位子系統(tǒng)、顯示調度子系統(tǒng)等。每個子系統(tǒng)通過主控系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)形成互鎖機制，所有子系統(tǒng)都依托主控系統(tǒng)運行，當主控系統(tǒng)發(fā)生故障后，其他子系統(tǒng)將無法運行。

車輛基地DCC(控制中心)負責對車輛基地的行車、車輛檢修、接觸網斷送電等基地內的所有生產作業(yè)進行全面調度管理[10]。車輛基地自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)主要承擔車輛基地DCC檢修調度中的部分功能。該控制中心可通過各子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)接觸網斷送電記錄、臺位占用統(tǒng)計、隔離開關狀態(tài)及檢修區(qū)域人員滯留情況顯示，并通過各子系統(tǒng)的邏輯聯(lián)鎖進一步保障車輛及人員作業(yè)安全。車輛基地內有調車需求時，由車場調度向OCC(運營控制中心)申請，車場檢修調度提供可用的車輛數量及車輛檢修計劃；負責正線列車調度的ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)提供列車運行圖信息，結合本系統(tǒng)提供的車輛停留、臺位占用、隔離開關狀態(tài)、防護分區(qū)內作業(yè)人員狀態(tài)等信息，綜合產生調車計劃。

車輛基地自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)的結構如圖3所示。

圖3 車輛基地自動駕駛區(qū)安全防護系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structural diagram of vehicle base automatic driving area safety protection system

3.1 門禁控制子系統(tǒng)

停車列檢庫中各防護分區(qū)出入口處均設置門禁控制子系統(tǒng)(見圖4)。

圖4 門禁控制子系統(tǒng)Fig.4 Access control subsystem

門禁控制子系統(tǒng)由門禁控制主機、指紋識別儀、狀態(tài)指示燈、門鎖、防尾隨系統(tǒng)等組成，每個防護分區(qū)的門禁控制子系統(tǒng)彼此獨立。門禁控制子系統(tǒng)具有生物識別功能，提前錄入作業(yè)人員信息，并與檢修作業(yè)計劃管理等系統(tǒng)關聯(lián)。當進入門禁控制區(qū)的人員無作業(yè)任務或作業(yè)任務與該作業(yè)區(qū)域不符時，禁止打開門鎖。門禁控制子系統(tǒng)還具有計數與防尾隨功能，采用光電傳感器-智能圖像分析技術，統(tǒng)計出、入防護分區(qū)人員的數量，確保出、入防護分區(qū)人員一致；當發(fā)生尾隨時，現(xiàn)場聲光報警并自動記錄尾隨錄像，同時通過語音提示調度室，調度人員可通過調取尾隨視頻進行確認。

門禁控制子系統(tǒng)與接觸網是否帶電邏輯聯(lián)鎖，當作業(yè)分區(qū)隔離開關未分閘或接地桿未接地時，該分區(qū)門禁禁止開放，實現(xiàn)了作業(yè)分區(qū)的供電安全，并通過顯示調度系統(tǒng)實時顯示該分區(qū)接觸網帶電狀態(tài)與人員狀態(tài)，從多角度保證作業(yè)分區(qū)的人員安全。

3.2 安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)

安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)主要實現(xiàn)信號、隔離開關、接地、門禁等設施間的互聯(lián)互鎖。該系統(tǒng)主要由操作終端、接口柜、車位傳感器、報警設備等組成，各防護分區(qū)安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)彼此獨立。操作終端是安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)的人機接口，通常置于調度控制室，用于設備操作員進行確認操作。接口柜內設置有安全繼電器和相關的安全邏輯控制單元，用于接收操作終端的指令并驅動隔離開關、信號機等動作，并采集相關設備狀態(tài)發(fā)送給操作終端。車位傳感器用于檢測車輛是否到達庫門前和是否駛入臺位。報警設備用于警示該系統(tǒng)相應的動作狀態(tài)和其他不正常的狀態(tài)。各設施之間的聯(lián)鎖關系如下：

1) 合閘條件如下：門禁控制子系統(tǒng)檢測自動駕駛區(qū)無人；監(jiān)護員通過視頻監(jiān)控認為可以合閘(受電弓升弓)；自動接地桿已摘(收到位)；按下報警按鈕后，聲光報警響30 s同時進行廣播提示。上述條件均具備，且可合閘紅色指示燈亮后，按下隔離開關閉合按鈕，隔離開關才能閉合。

2) 監(jiān)護員通過視頻監(jiān)控認為可以分閘(受電弓降弓)，按下報警按鈕后，聲光報警響30 s;同時進行廣播提示，分閘黃色指示燈亮后，按下隔離開關斷開按鈕，隔離開關才能斷開。

3) 隔離開關合閘，則隔離開關合閘紅燈亮，LED(發(fā)光二極管)顯示屏顯示“有電”，相應股道檢修臺位的作業(yè)門鎖閉，作業(yè)門指示燈紅燈亮。

4) 當隔離開關分閘且自動接地桿接地，以及LED顯示屏顯示“無電”、門禁作業(yè)門解鎖、作業(yè)指示燈綠燈亮時，作業(yè)人員方可刷卡進入防護分區(qū)。

5) 隔離開關分閘到位并驗證無電，且經操作人員確認后，自動接地桿可以掛桿。

6) 隔離開關分閘到位并驗證無電，防護分區(qū)無人員作業(yè)，經操作人員確認后，自動接地桿可以摘桿。

隔離開關閉合和分閘操作與門禁狀態(tài)、接觸網帶電狀態(tài)、庫內動車信號等的聯(lián)鎖關系如圖5～6所示。

圖5 隔離開關閉合安全聯(lián)鎖關系示意圖

圖6 隔離開關分閘安全聯(lián)鎖關系示意圖

3.3 視頻監(jiān)控及人員定位子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控及人員定位子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對安全防護系統(tǒng)防護分區(qū)內作業(yè)人員及其他狀態(tài)的實時監(jiān)控，以便調度人員了解現(xiàn)場情況并及時做出響應。該系統(tǒng)由圖像監(jiān)控主機、圖像監(jiān)控終端、攝像機、人員定位裝置等組成。在作業(yè)區(qū)域安裝高清攝像槍機和球機對作業(yè)情況進行監(jiān)視，并通過光端機傳輸至設備機房，然后進行數字視頻的編碼和網絡傳輸。采用RFID(射頻識別)跟蹤定位技術和UWB(超寬帶)無線定位通信技術，對作業(yè)人員在作業(yè)區(qū)間進行精確定位，定位精度在1 m以內。同時通過數據庫對攝像機在庫內的拍攝位置數據與定位數據進行處理，并將攝像機和定位系統(tǒng)進行關聯(lián)，記錄檢修位置和檢修作業(yè)視頻。視頻監(jiān)控及人員定位子系統(tǒng)的現(xiàn)場布置如圖7所示。

圖7 視頻監(jiān)控及人員定位子系統(tǒng)現(xiàn)場布置

3.4 顯示調度子系統(tǒng)

顯示調度子系統(tǒng)以PLC(可編程邏輯控制器)網絡控制系統(tǒng)為核心，通過自動檢測設備，對車輛停留、臺位占用、隔離開關位置、接地狀態(tài)、防護分區(qū)內有無人員及作業(yè)人員狀態(tài)等信息進行自動讀取和記錄，在調度室的顯示終端大屏上進行實時顯示。該系統(tǒng)主要由顯示調度主機、調度顯示屏、音頻廣播系統(tǒng)、操作臺、微機柜及各級檢測單元等組成。

調度控制軟件運行后，軟件界面可顯示下列信息：車輛進出狀態(tài)，隔離開關分合閘狀態(tài)，自動接地桿接地狀態(tài)，安全作業(yè)門指示燈狀態(tài)。系統(tǒng)的顯示界面根據庫內狀態(tài)實時變化，調度人員可以觀察庫內各股道列檢臺位的作業(yè)情況，見圖8。

圖8 顯示調度子系統(tǒng)軟件界面Fig.8 Software interface of dispatching display subsystem

4 安全防護系統(tǒng)的應用效果

以南寧市某地鐵車輛基地建設項目為依托，對該項目自動駕駛區(qū)的安全防護系統(tǒng)進行了測試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)實現(xiàn)了作業(yè)分區(qū)出入口的門禁自動化管控，具體表現(xiàn)為：該系統(tǒng)能夠在無人值守情況下，準確統(tǒng)計出入人員數量，有效防止人員尾隨；實時監(jiān)控作業(yè)區(qū)域信號及接觸網帶電狀態(tài)，對作業(yè)人員進行安全警示，一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)立即進行警示，并通知對應管理人員；通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)，實時定位自動駕駛區(qū)內人員位置，并實時顯示在調度中心的顯示終端；通過主控系統(tǒng)銜接及邏輯聯(lián)鎖控制，使得各子系統(tǒng)之間相互協(xié)作。由此可見，車輛基地安全防護系統(tǒng)從硬件控制、人員管理等多個角度全方位保障自動駕駛區(qū)作業(yè)過程中人車安全的同時，起到了減員、增效的作用。

5 結語

本文通過對當前地鐵FAO車輛基地自動駕駛區(qū)的安全管控現(xiàn)狀進行分析，針對存在的安全隱患，針對性地提出了以信息化、智能化技術為核心的安全防護系統(tǒng)，有效彌補了傳統(tǒng)車輛基地自動駕駛區(qū)人員管控與安全防護的短板。通過預留接口，實現(xiàn)了安全防護系統(tǒng)與車輛基地內其他管理系統(tǒng)的數據聯(lián)通與功能互補，為車輛、設備及人員的安全提供了有力保障。