全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 征，周航博

（1.中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司車輛部，陜西西安 710054；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司環(huán)境與設(shè)備設(shè)計(jì)院，陜西西安 710043）

1 引言

在地鐵全自動(dòng)駕駛車輛基地列車檢修作業(yè)過(guò)程中，人身安全是必須嚴(yán)格把控的關(guān)鍵點(diǎn)。在現(xiàn)有的地鐵列車全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域檢修運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中規(guī)定，檢修作業(yè)人員進(jìn)入全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域需滿足區(qū)域開(kāi)放信號(hào)及人員防護(hù)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，地鐵列車處于信號(hào)閉鎖狀態(tài)，但司機(jī)進(jìn)入全自動(dòng)檢修區(qū)域不受此場(chǎng)景限制。

目前，司機(jī)進(jìn)入全自動(dòng)檢修區(qū)域時(shí)仍采取人工把控及對(duì)講機(jī)對(duì)話溝通的方式，其存在作業(yè)效率低下，人員把控易失效，警示效果不佳等問(wèn)題[1-2]。如若司機(jī)進(jìn)入檢修區(qū)域后在不明確自動(dòng)駕駛地鐵列車進(jìn)出車時(shí)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(shè)計(jì)一種全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域中司機(jī)的安全防護(hù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)代信息化技術(shù)手段完成對(duì)全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域登車人員的安全防護(hù)。該系統(tǒng)主要圍繞以下6 點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）自身系統(tǒng)與外部信號(hào)建立鏈接，通過(guò)外部信號(hào)的輸入來(lái)判斷系統(tǒng)是否啟動(dòng)。

（2）需借助傳感、視頻或圖像識(shí)別等技術(shù)方式，保證對(duì)保護(hù)區(qū)域的實(shí)時(shí)檢測(cè)及信號(hào)反饋。

（3）為保證信息反饋的穩(wěn)定性與可靠性，至少需要2 種及以上的獨(dú)立的安全冗余監(jiān)測(cè)措施。

（4）防護(hù)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)置安全警示系統(tǒng)，在檢測(cè)到異常情況后，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)人員提出報(bào)警信息，警示其不安全行為；并且通過(guò)提前預(yù)制信息，完成廣播的自動(dòng)播報(bào)警告。

（5）搭建中央控制系統(tǒng)，主要用于接收外部信號(hào)，判斷監(jiān)測(cè)功能是否啟用；接收監(jiān)測(cè)信號(hào)到系統(tǒng)進(jìn)行處理，并發(fā)出信號(hào)到安全警示系統(tǒng)，用于警示現(xiàn)場(chǎng)人員。

（6）為中央控制系統(tǒng)配套顯示功能，通過(guò)建立人機(jī)交互頁(yè)面，完成對(duì)安全防護(hù)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若有突發(fā)狀況可及時(shí)人為介入。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)包含控制及顯示模塊、激光檢測(cè)模塊、聲光報(bào)警模塊、視頻偵測(cè)模塊和外部數(shù)據(jù)接口模塊[6-8]，如圖1 所示?？刂萍帮@示模塊作為系統(tǒng)的控制及運(yùn)算核心，控制其余模塊設(shè)備工作，同時(shí)實(shí)時(shí)采集各模塊回傳的設(shè)備信息。激光檢測(cè)模塊通過(guò)激光射線對(duì)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)[8]。聲光報(bào)警模塊通過(guò)警示燈督促違規(guī)侵界人員離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入登車防護(hù)區(qū)域。視頻偵測(cè)模塊通過(guò)攝像頭對(duì)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域進(jìn)行全天候視頻監(jiān)控[9-10]。外部數(shù)據(jù)接口模塊用于控制激光檢測(cè)模塊及視頻偵測(cè)模塊的檢測(cè)功能啟用。

圖1 司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)主要依靠控制及顯示模塊的中央調(diào)度功能，以各模塊信號(hào)的采集及傳輸處理為基礎(chǔ)，通過(guò)接收外部接口模塊的外部數(shù)據(jù)信號(hào)，判斷全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域內(nèi)是否屬于安全防護(hù)狀態(tài)。若無(wú)需安全防護(hù)，則屏蔽檢測(cè)功能，聲光報(bào)警模塊暫時(shí)停止工作；若當(dāng)下有安全防護(hù)需要，則控制及顯示模塊輸出啟用檢測(cè)功能，即啟用激光檢測(cè)模塊與視頻偵測(cè)模塊。其中激光檢測(cè)模塊與視頻偵測(cè)模塊互為補(bǔ)充，以多重安全技術(shù)措施保障對(duì)檢測(cè)范圍的精準(zhǔn)控制，達(dá)到防護(hù)司機(jī)人身安全的目的。

當(dāng)有司機(jī)進(jìn)入安全防護(hù)區(qū)域時(shí)，邏輯控制電氣電路采集到視頻偵測(cè)模塊及激光檢測(cè)模塊的區(qū)域檢測(cè)報(bào)警信息后，經(jīng)內(nèi)部繼電器電隔離后傳輸至PLC。當(dāng)PLC 判定區(qū)域報(bào)警信息符合判定條件，則輸出控制信號(hào)至邏輯控制電氣電路對(duì)應(yīng)區(qū)域的繼電器，使其通電吸合，驅(qū)動(dòng)控制模塊對(duì)應(yīng)報(bào)警區(qū)域的聲光報(bào)警模塊工作；PLC 組態(tài)軟件監(jiān)控到PLC 有區(qū)域報(bào)警輸入后，彈出有人員侵界提示彈窗，提示調(diào)度人員進(jìn)行確認(rèn)并實(shí)時(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)紅色警示燈的工作狀態(tài)，并根據(jù)區(qū)域侵界報(bào)警時(shí)間截取對(duì)應(yīng)區(qū)域監(jiān)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(shí)現(xiàn)信號(hào)電隔離，保證設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行，且人機(jī)互動(dòng)界面良好。相比現(xiàn)有技術(shù)，該系統(tǒng)使用人員可一目了然的了解現(xiàn)場(chǎng)登車區(qū)域內(nèi)登車人員的活動(dòng)軌跡，且區(qū)域侵界提示準(zhǔn)確、有效，信息記錄齊全，可有效地防護(hù)司機(jī)人身安全，提高地鐵列車檢修效率[11]。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 控制及顯示模塊

控制及顯示模塊包含PLC、PLC 組態(tài)軟件、臺(tái)式電腦和邏輯控制電氣電路，均安裝于數(shù)據(jù)指揮中心（DCC）控制室內(nèi)，供調(diào)度人員集中使用。PLC 作為控制及顯示模塊的核心設(shè)備，用于與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，接收視頻偵測(cè)模塊中警戒攝像頭及激光對(duì)射裝置的區(qū)域邊界檢測(cè)信息，按照既定判斷算法對(duì)接收信息進(jìn)行過(guò)濾判斷，輸出控制聲光報(bào)警模塊工作信號(hào)。PLC 組態(tài)軟件是控制及顯示模塊的監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)建立一套良好的人機(jī)互動(dòng)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC 內(nèi)部點(diǎn)位及外部輸入/輸出點(diǎn)位變化，以圖形動(dòng)畫(huà)形式展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)及進(jìn)行區(qū)域侵界報(bào)警提示，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（TCP/IP）訪問(wèn)硬盤(pán)錄像機(jī)實(shí)時(shí)獲取視頻監(jiān)控圖像的數(shù)據(jù)流。臺(tái)式電腦是控制及顯示模塊的顯示設(shè)備，用于運(yùn)行及顯示PLC 組態(tài)軟件界面及現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控畫(huà)面。邏輯控制電氣電路是控制及顯示模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于直接采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息經(jīng)電隔離后傳輸至PLC，及根據(jù)PLC 的輸出控制信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)控制聲光報(bào)警模塊進(jìn)行聲光警示。

2.3.2 激光檢測(cè)模塊

激光檢測(cè)模塊包含激光對(duì)射裝置，通過(guò)激光射線對(duì)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)通過(guò)邏輯控制電氣電路將侵界報(bào)警信息傳輸至控制及顯示模塊。

2.3.3 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊包含紅色警示燈（帶語(yǔ)音播放）、廣播音柱及喊話。紅色警示燈通過(guò)閃爍紅色及播放固定語(yǔ)音督促違規(guī)侵界人員離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域，廣播音柱及喊話用于系統(tǒng)使用人員對(duì)不顧紅色警示燈警示的違規(guī)侵界人員進(jìn)行喊話，再次督促違規(guī)侵界人員離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入登車防護(hù)區(qū)域。

2.3.4 視頻偵測(cè)模塊

視頻偵測(cè)模塊包含警戒攝像頭、硬盤(pán)錄像機(jī)、前端光電交換機(jī)、機(jī)架式光電交換機(jī)。警戒攝像頭用于對(duì)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域進(jìn)行全天候視頻監(jiān)控，并對(duì)視頻監(jiān)控畫(huà)面內(nèi)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域劃定邊界，設(shè)置邊界跨越檢測(cè)功能及區(qū)域內(nèi)活體檢測(cè)功能，通過(guò)圖像分析技術(shù)判定司機(jī)登車區(qū)域內(nèi)人員是否侵界。硬盤(pán)錄像機(jī)用于存儲(chǔ)警戒攝像頭的視頻錄像及抓拍圖像，并將警戒攝像頭的區(qū)域侵界報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至控制及顯示模塊。前端光電交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸警戒攝像頭的視頻信息。機(jī)架式光電交換機(jī)用于匯聚所有司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域的警戒攝像頭的視頻監(jiān)控圖像，統(tǒng)一接入硬盤(pán)錄像機(jī)內(nèi)。

2.3.5 外部數(shù)據(jù)接口模塊

外部數(shù)據(jù)接口模塊包含TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開(kāi)放信號(hào)、SPKS 開(kāi)關(guān)箱。TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開(kāi)放信號(hào)及SPKS 開(kāi)關(guān)箱作為系統(tǒng)的外部輸入信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備通信協(xié)議（MODBUS/TCP）建立數(shù)據(jù)鏈接，用于控制激光檢測(cè)模塊及視頻偵測(cè)模塊的檢測(cè)功能啟用。

3 系統(tǒng)設(shè)備

全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖

激光對(duì)射裝置安裝于司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域的邊界處，每個(gè)防護(hù)區(qū)域至少4 套。激光對(duì)射裝置發(fā)射端沿著司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域的4 個(gè)邊界射出多束不可見(jiàn)的激光光束到接收端，當(dāng)司機(jī)越過(guò)防護(hù)區(qū)域邊界時(shí)，身體會(huì)遮擋激光光束，接收端接收激光射線中斷，從而輸出報(bào)警信號(hào)至控制及顯示模塊。激光檢測(cè)模塊采用激光檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，且多光束的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)方式可有效的提高防護(hù)區(qū)域邊界檢測(cè)的可靠性及準(zhǔn)確性。

紅色警示燈安裝于現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)區(qū)域至少安裝4 個(gè)。廣播音柱及喊話在現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)區(qū)域至少2 個(gè)，對(duì)講話筒安裝于DCC控制室內(nèi)，便于系統(tǒng)使用人員使用。當(dāng)控制及顯示模塊接收到現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)區(qū)域侵界信號(hào)后，輸出聲光警示控制信號(hào)至邏輯控制電氣電路內(nèi)對(duì)應(yīng)控制繼電器，控制繼電器線圈得電，觸點(diǎn)吸合，驅(qū)動(dòng)紅色警示燈亮燈并閃爍，播放定制語(yǔ)音警示督促違規(guī)侵界人員離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入防護(hù)區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)使用人員通過(guò)視頻監(jiān)控觀察發(fā)現(xiàn)違規(guī)侵界人員不顧聲光警示執(zhí)意進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，可通過(guò)對(duì)講話筒對(duì)庫(kù)內(nèi)人員進(jìn)行喊話，再次督促違規(guī)侵界人員離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入安全防護(hù)區(qū)域。聲光警示模塊設(shè)備安裝于司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域的各個(gè)醒目位置，警示范圍涵蓋整個(gè)防護(hù)區(qū)域，警示效果明顯，且固定語(yǔ)音播放功能及廣播音柱喊話功能配合視頻監(jiān)控提高了警示的震攝性，可有效的防護(hù)司機(jī)人身安全。

警戒攝像頭安裝于現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域至少2 個(gè)，前端光電交換機(jī)安裝于現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域1 個(gè)。硬盤(pán)錄像機(jī)、機(jī)架式光電交換機(jī)安裝在DCC 控制室內(nèi)。警戒攝像頭全范圍監(jiān)控司機(jī)登車防護(hù)區(qū)域，通過(guò)圖像對(duì)比及圖像深度學(xué)習(xí)算法對(duì)防護(hù)區(qū)域邊界設(shè)置邊界跨界檢測(cè)功能及活體檢測(cè)功能，并規(guī)定邊界跨越檢測(cè)功能的跨越方向報(bào)警。當(dāng)司機(jī)跨越登車防護(hù)區(qū)域邊界進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)司機(jī)由危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入登車防護(hù)區(qū)域時(shí)，不輸出報(bào)警信號(hào)。硬盤(pán)錄像機(jī)通過(guò)前端光電交換機(jī)及機(jī)架式光電交換機(jī)實(shí)時(shí)獲取各防護(hù)區(qū)域內(nèi)警戒攝像頭的視頻錄像的數(shù)據(jù)流并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)接收警戒攝像頭的區(qū)域侵界報(bào)警信號(hào)并及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至控制及顯示模塊。PLC 組態(tài)軟件通過(guò)TCP/IP 訪問(wèn)硬盤(pán)錄像機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)取各區(qū)域的監(jiān)控畫(huà)面用于顯示；視頻偵測(cè)模塊不僅提供全天24 h 的現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控功能，便于調(diào)度人員實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程了解現(xiàn)場(chǎng)各防護(hù)區(qū)域內(nèi)司機(jī)的活動(dòng)軌跡，且利用圖像分析技術(shù)及深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)各防護(hù)區(qū)域邊界的智能化檢測(cè)。雙重檢測(cè)技術(shù)通過(guò)與激光檢測(cè)模塊配合，將物理檢測(cè)技術(shù)及圖像檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，有效提高了人員侵界檢測(cè)的可靠性及準(zhǔn)確性，保證每個(gè)違規(guī)越界人員都可以檢測(cè)到，有效地防護(hù)限制司機(jī)的活動(dòng)范圍，杜絕隨意穿行股道的情況，從而保證司機(jī)的人身安全。

當(dāng)TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開(kāi)放信號(hào)及SPKS 開(kāi)關(guān)箱內(nèi)的開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，此時(shí)地鐵列車全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域內(nèi)屬于安全防護(hù)狀態(tài)，無(wú)登車防護(hù)區(qū)域侵界報(bào)警提示；當(dāng)TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開(kāi)放信號(hào)及SPKS 開(kāi)關(guān)箱內(nèi)的開(kāi)關(guān)未同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，地鐵列車全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域內(nèi)未處于安全防護(hù)狀態(tài)，全自動(dòng)駕駛地鐵列車處于行車信號(hào)未閉鎖狀態(tài)，則啟用激光檢測(cè)模塊及視頻偵測(cè)模塊的檢測(cè)功能，用于限制各區(qū)域司機(jī)的活動(dòng)范圍，防護(hù)司機(jī)的人身安全。

4 應(yīng)用實(shí)踐

系統(tǒng)在南寧地鐵5 號(hào)線那洪車輛基地現(xiàn)場(chǎng)試用后，在TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開(kāi)放信號(hào)及SPKS 開(kāi)關(guān)箱內(nèi)的開(kāi)關(guān)已開(kāi)啟的聯(lián)鎖條件同時(shí)滿足時(shí)，通過(guò)激光檢測(cè)及視頻偵測(cè)技術(shù)劃定安全防護(hù)區(qū)域，可有效限制司機(jī)進(jìn)入全自動(dòng)駕駛檢修分區(qū)后的活動(dòng)范圍；對(duì)于登車人員的越界活動(dòng)行為能夠準(zhǔn)確識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.5%，檢測(cè)判定時(shí)間低于0.2 s；現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警裝置能夠及時(shí)給出現(xiàn)場(chǎng)聲光警示，督促越界人員停止違規(guī)行為，返回安全防護(hù)區(qū)域，有效防護(hù)登車人員的人身安全。

5 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域司機(jī)登車防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)劃定安全活動(dòng)區(qū)域，采用視頻偵測(cè)技術(shù)及激光檢測(cè)技術(shù)雙重檢測(cè)手段，設(shè)立區(qū)域邊界檢測(cè)，限制司機(jī)活動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛檢修區(qū)域司機(jī)登車防護(hù)智能化、數(shù)字化控制，提高檢修作業(yè)效率及司機(jī)登車防護(hù)的可靠性。