戎志立，于苡健

（中鐵通信信號(hào)勘測設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100071）

1 引言

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO），是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)。列車升級(jí)到全自動(dòng)運(yùn)行后對(duì)設(shè)備和功能要求更高，因此，需要采取措施降低列車運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)行可靠性。障礙物檢測系統(tǒng)可有效避免重大事故的發(fā)生[1-4]。

障礙物檢測系統(tǒng)分為被動(dòng)式障礙物檢測和主動(dòng)式障礙物檢測。其中，被動(dòng)式障礙物檢測是通過車載機(jī)械桿實(shí)現(xiàn)障礙物檢測，觸發(fā)傳感器信號(hào)后傳遞給車輛，實(shí)現(xiàn)列車緊急制動(dòng)[5，6]。而主動(dòng)式障礙物檢測是通過車輛前端傳感器采集前方線路信息，當(dāng)檢測系統(tǒng)識(shí)別出障礙物時(shí)，可向調(diào)度人員發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并可做出緊急制動(dòng)處理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

主動(dòng)障礙物檢測預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)由中央子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和軌旁子系統(tǒng)組成。其中，中央子系統(tǒng)主要由中央計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和工作站構(gòu)成；車載子系統(tǒng)的單端設(shè)備主要由傳感器組、主機(jī)（障礙物主機(jī)和安全計(jì)算機(jī)）、車載交換機(jī)、接口單元組成；軌旁子系統(tǒng)主要由邊緣計(jì)算主機(jī)、接口轉(zhuǎn)化器、無線（有線）通信設(shè)備構(gòu)成。

3 系統(tǒng)功能

主動(dòng)障礙物檢測系統(tǒng)是一套獨(dú)立系統(tǒng)，可與車輛接口，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)條件下的列車初級(jí)控制。同時(shí)可與信號(hào)系統(tǒng)結(jié)合，將障礙物檢測結(jié)果輸入列車自動(dòng)運(yùn)行子系統(tǒng)（ATO）或者列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（ATP），參與車輛控制，實(shí)現(xiàn)真正的全無人列車控制系統(tǒng)。

無論信號(hào)系統(tǒng)是否正常，主動(dòng)障礙物檢測系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)障礙物檢測、預(yù)警、防護(hù)功能。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)故障時(shí)，可作為降級(jí)后備選方案，協(xié)助列車駕駛員安全駕駛。

主動(dòng)障礙物檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)主動(dòng)障礙物檢測，并在車上和中央兩級(jí)系統(tǒng)上做融合計(jì)算，實(shí)時(shí)計(jì)算障礙物的屬性，如位置、大小、運(yùn)動(dòng)趨勢，確定障礙物的包絡(luò)，并對(duì)障礙物的包絡(luò)與行車安全空間做比對(duì)，在有沖突危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)沖突風(fēng)險(xiǎn)的程度實(shí)現(xiàn)預(yù)警與列車控制的措施，提高列車運(yùn)營的安全性。

3.1 多級(jí)主動(dòng)障礙物檢測

在車級(jí)和軌旁分別配置冗余傳感器，通過圖像和雷達(dá)的融合檢測，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸式的多級(jí)檢測。檢測對(duì)象分為預(yù)知目標(biāo)狀態(tài)和非預(yù)知目標(biāo)屬性，預(yù)知目標(biāo)狀態(tài)是指行車基礎(chǔ)設(shè)施中軌道識(shí)別、信號(hào)機(jī)的顯示狀態(tài)、道岔位置狀態(tài)；非預(yù)知目標(biāo)是除預(yù)知目標(biāo)意外的其他目標(biāo)，只識(shí)別該類目標(biāo)的位置、大小、運(yùn)動(dòng)屬性，不做狀態(tài)判斷。

3.1.1 車級(jí)主動(dòng)障礙物檢測

車輛安裝感知傳感器，感知列車前方線路環(huán)境。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過車載感知主機(jī)進(jìn)行融合計(jì)算、分析，識(shí)別出預(yù)期目標(biāo)狀態(tài)和非預(yù)期目標(biāo)障礙物，并與車載地圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感器坐標(biāo)系數(shù)據(jù)和車載地圖的融合，將映射障礙物（已識(shí)別）包絡(luò)到行車安全空間。

3.1.2 軌旁級(jí)主動(dòng)障礙物檢測

沿線軌旁布置安裝感知傳感器，感知線路環(huán)境，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過路側(cè)主機(jī)進(jìn)行融合計(jì)算、分析，識(shí)別出預(yù)期目標(biāo)狀態(tài)和非預(yù)期目標(biāo)障礙物，并與線路地圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感器坐標(biāo)系數(shù)據(jù)和線路地圖的融合，將映射障礙物（已識(shí)別）包絡(luò)到行車安全空間。

3.1.3 中央級(jí)主動(dòng)障礙物檢測

沿線路側(cè)主機(jī)，是一套綜合系統(tǒng)，具備邊緣計(jì)算、V2X 無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器數(shù)據(jù)接入等功能，并通過專用骨干網(wǎng)通道與控制中心的系統(tǒng)連接。

列車通過V2X 網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)時(shí)傳送感知傳感器數(shù)據(jù)到控制中心，路側(cè)主機(jī)也將軌旁感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至控制中心，控制中心計(jì)算系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析車端和軌旁的數(shù)據(jù)，進(jìn)行障礙物再識(shí)別和融合處理，實(shí)現(xiàn)中央級(jí)的主動(dòng)障礙物檢測。

3.2 行車安全空間及沖突判定

行車安全空間是本系統(tǒng)識(shí)別障礙物后進(jìn)行沖突判定的主要依據(jù)，行車安全空間的確定包含列車定位、軌道識(shí)別及中心線判定、地圖、地圖映射等一系列技術(shù)。

3.3 沖突預(yù)警、沖突防護(hù)

沖突預(yù)警和沖突防護(hù)是系統(tǒng)的結(jié)果輸出，系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行連接，然后通過司機(jī)顯示終端、中央系統(tǒng)界面與司乘人員及調(diào)度人員進(jìn)行接口，實(shí)現(xiàn)沖突預(yù)警，一定條件下控制條件輸出，實(shí)現(xiàn)沖突防護(hù)。

本系統(tǒng)是一個(gè)逐步升級(jí)的系統(tǒng)，根據(jù)所配置產(chǎn)品的安全等級(jí)和接入條件，可實(shí)現(xiàn)與信號(hào)系統(tǒng)的對(duì)接，障礙物信息是ATO 或ATP 的輸入條件，ATO 或ATP 系統(tǒng)根據(jù)障礙物類型和特性進(jìn)行控車策略的調(diào)整或ATP 安全條件的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)車輛的安全控制，特別是在全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中，作為無人駕駛系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)的增強(qiáng)手段，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，減少財(cái)物損失。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）告警信息。

2）超速預(yù)警——根據(jù)前方障礙物的距離、列車制動(dòng)率、系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間計(jì)算出列車最大的防護(hù)速度，與當(dāng)前列車速度進(jìn)行比較，列車防護(hù)速度大于當(dāng)前列車運(yùn)行速度，系統(tǒng)報(bào)警。

3）與信號(hào)系統(tǒng)車載OBC 聯(lián)動(dòng)——當(dāng)發(fā)現(xiàn)有障礙物處于列車限界內(nèi)，需向控制中心告警，并將運(yùn)行前方發(fā)現(xiàn)障礙物信息及緊急制動(dòng)狀態(tài)發(fā)送至車載OBC。

4）輸出制動(dòng)條件——發(fā)現(xiàn)障礙物，向車輛輸出緊急/常用制動(dòng)。

5）系統(tǒng)自檢診斷——對(duì)于設(shè)備狀態(tài)需要實(shí)時(shí)診斷監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備工作異常時(shí)，及時(shí)報(bào)警。

6）切除信號(hào)時(shí)的車輛定位——系統(tǒng)存儲(chǔ)車輛運(yùn)行線路的電子地圖，實(shí)現(xiàn)列車定位，在每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處進(jìn)行列車絕對(duì)位置的校正。

4 關(guān)鍵技術(shù)原理、技術(shù)指標(biāo)

4.1 關(guān)鍵技術(shù)原理

4.1.1 軌道識(shí)別

系統(tǒng)對(duì)獲取的視覺傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：采用訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和嚴(yán)謹(jǐn)成熟的深度學(xué)習(xí)流程，對(duì)軌道全局特征和局部特征進(jìn)行提取，實(shí)時(shí)獲取沿線軌道信息，確定軌道中心線位置，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的行車安全空間數(shù)據(jù)計(jì)算提供依據(jù)[7-9]。系統(tǒng)需要配置多級(jí)檢測手段，應(yīng)具備直道、彎道、道岔等軌道類型識(shí)別，且可適用于隧道、高架等場景，在白天、夜晚、晴天、雨天、陰天等時(shí)段及天氣狀態(tài)下均有可靠的識(shí)別能力。

4.1.2 列車測速定位

車載系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取地面應(yīng)答器數(shù)據(jù)，多級(jí)檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，車輛速度數(shù)據(jù)，基于車載專用地圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)列車測速測距算法，實(shí)現(xiàn)列車基于多傳感器的測速定位[10]。

4.1.3 障礙物識(shí)別

系統(tǒng)配置激光雷達(dá)和視覺傳感器兩類傳感器，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)感知，應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的處理、目標(biāo)識(shí)別。視覺數(shù)據(jù)是通過設(shè)置障礙物檢測先驗(yàn)框，采用深度可分離卷積及應(yīng)用殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)多層特征層輸出進(jìn)行融合對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過聚類，進(jìn)行目標(biāo)分析和跟蹤，計(jì)算目標(biāo)的各類屬性數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)具備多種類型障礙物識(shí)別能力，具體包括列車、行人、信號(hào)燈、軌道等識(shí)別，且適用于不同的環(huán)境狀況下，單車感知直線段實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)200 m 的遠(yuǎn)距離障礙物識(shí)別，直線段、曲線段依靠軌旁感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車路融合感知，無最小識(shí)別距離限制。

4.1.4 地圖融合

線路地圖、車載地圖、傳感器地圖坐標(biāo)系三者融合處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)行車安全空間的判定、障礙物包絡(luò)的判定。

4.1.5 車路信息融合

系統(tǒng)在單車感知基礎(chǔ)上，通過V2X 通道接入軌旁感知數(shù)據(jù)，同時(shí)軌旁感知數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)融合及車路信息融合。

4.1.6 中央信息融合

系統(tǒng)通過V2X 通道接入軌旁感知數(shù)據(jù)、車載感知數(shù)據(jù)及列車信息，實(shí)現(xiàn)中央數(shù)據(jù)全融合及障礙物檢測綜合檢測，做到無死角、遠(yuǎn)距離、多重冗余地提升可靠性。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

4.2.1 車載子系統(tǒng)檢測性能

1）漏報(bào)率：＜0.01%（視覺計(jì)算方案的比較統(tǒng)計(jì)法）；

2）誤報(bào)率：＜0.01%（視覺計(jì)算方案的比較統(tǒng)計(jì)法）；

3）障礙物檢測測距誤差：40 m 以內(nèi)≤0.5 m；

4）安全完整度等級(jí)（SIL）可達(dá)到2 級(jí)。

4.2.2 軌旁子系統(tǒng)檢測性能

1）漏報(bào)率：＜0.01%（視覺計(jì)算方案的比較統(tǒng)計(jì)法）；

2）誤報(bào)率：＜0.01%（視覺計(jì)算方案的比較統(tǒng)計(jì)法）；

3）障礙物檢測測距誤差：40 m 以內(nèi)≤0.5 m。

5 結(jié)語

主動(dòng)障礙物檢測預(yù)警防護(hù)系統(tǒng)是在區(qū)間軌旁和列車上安裝檢測裝置，實(shí)現(xiàn)多級(jí)障礙物監(jiān)測，實(shí)時(shí)分析障礙物屬性，確定障礙物的包絡(luò)，并對(duì)障礙物的包絡(luò)與行車安全空間做比較，在有沖突危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)沖突或危險(xiǎn)的程度實(shí)現(xiàn)預(yù)警或緊急制動(dòng)，提高列車運(yùn)營的安全性。隨著計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)障礙物檢測系統(tǒng)也會(huì)更加成熟完善，為列車安全運(yùn)行提供重要保障。