嚴(yán)　翔， 趙　慧， 王保華

(1　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2　西門子公司， 北京 100102；3　北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

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無人駕駛地鐵中定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)的研究*

嚴(yán)翔1， 趙慧2， 王保華3

(1中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2西門子公司， 北京 100102；3北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

無人駕駛地鐵列車逐漸成為城市軌道交通的發(fā)展方向，為了保證地鐵列車在關(guān)鍵位置的安全停車，本文采用了射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)位置識(shí)別，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套獨(dú)立于ATO的定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)。首先給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，其次對(duì)車載主控裝置的三大功能模塊和主要軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后在所搭建的測(cè)試平臺(tái)上完成了樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)的可用性。

定點(diǎn)緊急停車； 無人駕駛地鐵列車； RFID技術(shù)

隨著城市軌道交通系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，乘客需求的不斷增大以及地鐵車輛運(yùn)行效率要求的不斷提高，全自動(dòng)無人駕駛列車開始登上舞臺(tái)，成為城市軌道交通的發(fā)展方向及研究重點(diǎn)[1]。目前，巴黎、新加坡、柏林等城市的全自動(dòng)化地鐵已正式投入運(yùn)營[2]，這項(xiàng)技術(shù)在我國還處于起步階段，但已取得了一定成果，由中國中車長春軌道客車股份有限公司自主研發(fā)的某型無人駕駛地鐵列車即將在香港地鐵西港島線和南港島線投入運(yùn)營。

另一方面，如何保證無人駕駛列車的行車安全，是方案設(shè)計(jì)人員、車輛運(yùn)營人員以及乘客重點(diǎn)關(guān)心的問題。列車的完全自動(dòng)化無人駕駛，意味著列車行車安全高度依賴于整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)失控，后果不堪設(shè)想。自“7·23”甬溫線動(dòng)車事故后，上海軌道交通10號(hào)線又發(fā)生“9·27”列車追尾事故，公共交通的安全性已成為一件敏感的事[3-4]。近些年，我國由于系統(tǒng)故障或司機(jī)操作失誤等其他原因致使列車未能緊急停車、超出界限的事故就頻有發(fā)生，造成重大的災(zāi)難和不可估量的損失。如何保證列車在行車中的安全性也就成了需要解決的首要問題。尤其是在車輛入庫、線路末端以及試驗(yàn)線末端等位置，必須要有常規(guī)車輛控制以外的安全制動(dòng)措施，保證列車能夠在這些關(guān)鍵位置準(zhǔn)確識(shí)別并緊急制動(dòng)，這就需要有一套類似于定點(diǎn)停車的緊急制動(dòng)系統(tǒng)，保證無人駕駛列車在關(guān)鍵位置可以快速有效地實(shí)現(xiàn)列車緊急停車。

定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要分為兩大部分：一是定點(diǎn)位置識(shí)別，二是緊急制動(dòng)停車[5]。緊急制動(dòng)部分可以利用列車原有的緊急制動(dòng)回路(EB，Emergency Brake)，通過斷開EB，觸發(fā)緊急制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；而定點(diǎn)位置識(shí)別是全自動(dòng)無人駕駛軌道交通的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。目前在國內(nèi)外城市軌道交通中可采用的列車定位方法有很多[6-7]，如基于軌道電路的定位技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，但是定位精度取決于軌道電路的長度，精度較差；基于電子計(jì)軸的定位技術(shù)，與軌道電路方案類似，缺點(diǎn)是不具備向列車傳輸信息的通道，列車無法通過計(jì)軸器獲取更加詳細(xì)的位置信息；基于測(cè)速的定位技術(shù)，這是一種典型的增量式相對(duì)定位，隨著行駛距離的增加，其絕對(duì)誤差越來越大，不適合定位精度要求較高的系統(tǒng)；基于慣性導(dǎo)航的定位技術(shù)，屬于自主性導(dǎo)航，可獨(dú)立提供載體的各項(xiàng)導(dǎo)航參數(shù)，不受外界環(huán)境的影響，但導(dǎo)航的精度依賴于慣性測(cè)量器件的精度，誤差隨著時(shí)間累積而積累，不適合單獨(dú)定位；基于查詢/應(yīng)答器的定位技術(shù)，定位精度與應(yīng)答器的布設(shè)密度有關(guān)，為了準(zhǔn)確的定位就必須大量的設(shè)置地面應(yīng)答器，這樣就帶來了高額的成本。國內(nèi)的列車定位系統(tǒng)多采用多傳感器信息融合的方式，也就是多種列車定位技術(shù)相結(jié)合的方法，例如北京地鐵2號(hào)線，4號(hào)線和10號(hào)線等，可以實(shí)現(xiàn)可靠、安全的列車定位，并達(dá)到使列車定位更加精確的效果，當(dāng)然這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)更復(fù)雜，成本也高。

綜上所述，目前的列車定位技術(shù)多是為列車行進(jìn)過程中的連續(xù)定位服務(wù)的，而本文需要實(shí)現(xiàn)的定點(diǎn)位置識(shí)別相對(duì)于這些列車定位技術(shù)來說并不需要連續(xù)定位，只需要保證在單點(diǎn)位置能夠精確識(shí)別，進(jìn)而觸發(fā)緊急制動(dòng)即可，技術(shù)要求相對(duì)簡單，因此本文提出了一套基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)獨(dú)立于列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(ATO)，當(dāng)列車行進(jìn)至正線末端，入庫或檢測(cè)到地面設(shè)備需要停車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即斷開車輛的EB控制回路，即使在列車ATO系統(tǒng)失效的情況下，仍能起到最后的防護(hù)作用，最大程度上保障行車及乘客的安全，此系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于需要在關(guān)鍵位置緊急制動(dòng)的緊急停車場(chǎng)合。

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

本文采用基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻識(shí)別RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一套完全獨(dú)立于ATO的列車定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)。定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)由兩部分組成，分別為地面系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。前者主要由三組無源電子標(biāo)簽組成；而后者又分為車載定點(diǎn)緊急停車主控裝置(簡稱車載主控裝置)和車載天線，車載主控裝置負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、信息上傳和邏輯控制輸出，分別與TCMS系統(tǒng)和EB控制回路相連；車載天線負(fù)責(zé)建立磁場(chǎng)，與地面系統(tǒng)進(jìn)行交互。列車在入庫或行進(jìn)到正線末端過程中，當(dāng)車載控制系統(tǒng)與地面系統(tǒng)交匯時(shí)將自動(dòng)觸發(fā)EB控制回路，使列車在不依賴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的前提下亦能實(shí)現(xiàn)安全停車，從而有效地避免了由于人為操作失誤導(dǎo)致的事故發(fā)生，不同于ATO的精確定點(diǎn)停車功能，本文的定點(diǎn)緊急停車只在關(guān)鍵位置觸發(fā)緊急制動(dòng)，是對(duì)ATO系統(tǒng)的補(bǔ)充。

圖1　定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2工作原理

車載天線安裝在列車車頭的下方，車輛識(shí)別采用RFID技術(shù)，當(dāng)車載控制系統(tǒng)上電后，此天線會(huì)建立一個(gè)特定頻率(13.56 MHz)的磁場(chǎng)，在列車行進(jìn)的過程中，該磁場(chǎng)也會(huì)隨之移動(dòng)。列車駛近地面設(shè)備時(shí)，即等同于地面設(shè)備進(jìn)入車載天線所發(fā)出的磁場(chǎng)，地面設(shè)備被車載天線發(fā)出的射頻能量所激活，發(fā)出特定的信息，信息通過車載天線送至車載主控裝置，后者控制對(duì)應(yīng)的繼電器輸出使列車緊急制動(dòng)，如圖2所示。為保證車輛在線路末端的最大速度下，車載系統(tǒng)對(duì)地面系統(tǒng)辨識(shí)的可靠性和方向識(shí)別，地面系統(tǒng)的三套無源電子標(biāo)簽設(shè)備按特定次序和距離在一條軌道上順次布置。

圖2　定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)工作原理圖

1.3RFID技術(shù)特點(diǎn)

無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是從二十世紀(jì)九十年代興起的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，整個(gè)工作過程無需人工干預(yù)。與傳統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，具有讀寫速度快、讀寫距離遠(yuǎn)、能夠讀取高速移動(dòng)物體、具有高可靠性、耐用性、有防沖突機(jī)制、安全加密性能好、使用壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速公路收費(fèi)及智能系統(tǒng)、生產(chǎn)自動(dòng)化及過程控制等領(lǐng)域。RFID射頻識(shí)別的頻率很多，根據(jù)各個(gè)頻段的不同，其能量和數(shù)據(jù)傳輸是不一致的。在相同的頻率下也有多種RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存，比如13.56 MHz就有ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693、ISO 18000-3等標(biāo)準(zhǔn)存在，不同的標(biāo)準(zhǔn)采用的無線調(diào)制方式、基帶編碼格式、傳輸協(xié)議和傳輸距離各有差異，我國的第二代電子身份證采用的就是ISO/IEC 14443 TypeB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；相對(duì)而言，ISO/IEC 15693讀寫距離更遠(yuǎn)，最高時(shí)可達(dá)1 m，并且成本較低，設(shè)計(jì)簡單。

由于設(shè)計(jì)裝置的應(yīng)用環(huán)境為戶外軌道上，地面標(biāo)簽與車載天線的垂直距離約為45 cm，從各項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮，采用工作頻率為13.56 MHz基于ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

(1) 讀卡器：用于對(duì)電子標(biāo)簽發(fā)出操作命令，例如讀、寫、取消等命令；接收電子標(biāo)簽返回的信息。典型的讀卡器需包含高頻模塊、主控單元以及與電子標(biāo)簽的耦合元件等；

(2)電子標(biāo)簽：由標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線以及耦合元件組成，每一個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。在具體應(yīng)用中，標(biāo)簽附在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。按照射頻信號(hào)發(fā)送方式的不同，電子標(biāo)簽分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。前者又稱為有源標(biāo)簽，能夠主動(dòng)向讀卡器發(fā)送射頻信號(hào)，一般情況下由內(nèi)部電池供電。后者又稱為無源標(biāo)簽，會(huì)被特定頻率的磁場(chǎng)所激活，本身不帶電池。

(3) 天線：用于讀卡器和電子標(biāo)簽之間能量及信息的傳遞。

2　車載主控裝置

定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是車載控制系統(tǒng)部分，其中車載主控裝置又是車載控制系統(tǒng)的核心，車載主控裝置的功能主要分為標(biāo)簽識(shí)別、邏輯控制和故障記錄3大部分，標(biāo)簽識(shí)別部分的主要功能是利用RFID技術(shù)檢測(cè)地面系統(tǒng)的電子標(biāo)簽，將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給控制板；邏輯控制部分的主要功能是由控制板分析處理接收到來自通信板的信號(hào)，綜合其他的反饋信息，控制繼電器組輸出觸發(fā)EB回路；故障記錄部分的主要功能是采集所有單元的工作狀態(tài)，對(duì)繼電器組的輸出進(jìn)行記錄并生成日志，同時(shí)也負(fù)責(zé)兩套冷備通信板的切換。接下來分別對(duì)主邏輯控制單元(控制板)、標(biāo)簽識(shí)別通信單元(通信板)和故障記錄單元(輸入和記錄板)中的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1.1總體結(jié)構(gòu)

為了提高系統(tǒng)的安全等級(jí)，同時(shí)考慮到射頻信號(hào)的干擾問題，主控裝置采用雙機(jī)備用模式(分別為單元A和單元B，共用一套記錄板)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。正常情況下，兩套控制單元同時(shí)工作，然而僅有一塊通信板控制對(duì)應(yīng)的車載天線啟動(dòng)工作，完成對(duì)地面設(shè)備的激活和辨識(shí)，并實(shí)時(shí)將結(jié)果發(fā)送到兩套控制單元的控制板；另一塊通信板處于冷備狀態(tài)。兩套控制單元中的控制板對(duì)工作中通信板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并輸出控制各自的繼電器組，兩套繼電器組位于一塊繼電器組輸出板內(nèi)，并處于串聯(lián)模型，確保當(dāng)工作中的通信板檢測(cè)到地面標(biāo)簽時(shí)有一套控制單元正常工作仍能夠正常觸發(fā)緊急制動(dòng)回路；

與此同時(shí)，兩套控制單元中的控制板對(duì)處于工作狀態(tài)的通信板進(jìn)行監(jiān)控，確保當(dāng)該通信板發(fā)生故障時(shí)，能夠通知故障記錄單元，由輸入和記錄板控制通信板的供電，切換到另一通信板工作，并觸發(fā)故障狀態(tài)繼電器，將故障報(bào)給TCMS；輸入和記錄板接收所有控制輸入信號(hào)并分發(fā)給兩個(gè)控制板，同時(shí)對(duì)所有電源板、通信板、控制板的工作狀態(tài)，輸入輸出信號(hào)以及繼電器組的輸出進(jìn)行記錄，生成日志，便于故障分析。

圖3　主控裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2主邏輯控制單元

主邏輯控制單元(控制板)主要負(fù)責(zé)讀取處于工作狀態(tài)的通信板數(shù)據(jù)以及來自列控系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)過邏輯處理后控制對(duì)應(yīng)的繼電器組輸出；同時(shí)也監(jiān)控通信板的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到通信板故障時(shí)，通過422總線電路通知故障記錄單元，由故障記錄單元控制切換啟用另一塊通信板。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中RS232接口與兩個(gè)通信板相連，由于正常情況下只有一塊通信板上電工作，因此不影響串口通信；422電路接口分別與故障記錄單元以及另一塊邏輯主控板相連，形成總線結(jié)構(gòu)，可用于控制板之間的信息交換以及各自板內(nèi)狀態(tài)信息的上傳記錄。

主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的、基于Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103RBT6，內(nèi)置128 kB的Flash、20 kB的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器和3路USART通訊口等多種資源，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，內(nèi)嵌3個(gè)12位的逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器和4個(gè)可同步運(yùn)行的通用定時(shí)器。豐富的通信、IO資源以及強(qiáng)大穩(wěn)定的邏輯處理能力滿足本設(shè)計(jì)的要求。

圖4　邏輯主控板結(jié)構(gòu)圖

2.1.3基于RFID的通信單元

標(biāo)簽識(shí)別通信單元采用RFID技術(shù)，主要任務(wù)是控制射頻模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過天線向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并從天線上接收標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)娇刂瓢逡怨┨幚怼?/p>

基于RFID的通信單元以射頻收發(fā)芯片CL RC632為核心，控制單元采用宏晶科技公司的8051單片機(jī)STC12C5A60AD，負(fù)責(zé)運(yùn)行讀寫標(biāo)簽的程序，提供CL RC632芯片的控制信號(hào)，通過RS232接口完成與控制板的數(shù)據(jù)通信。通信板根據(jù)15693協(xié)議，不斷地通過車載天線發(fā)送射頻信號(hào)，其中心頻率為13.56 MHz，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　通信板結(jié)構(gòu)框圖

2.1.4故障記錄單元

故障記錄單元的主要功能有：(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)邏輯主控單元狀態(tài)信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有輸出繼電器組的動(dòng)作情況并生成日志、監(jiān)測(cè)所有外部控制信號(hào)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)將時(shí)間、故障類型進(jìn)行存儲(chǔ)，工作人員可通過串口進(jìn)行查詢；(2)當(dāng)兩個(gè)控制板都發(fā)生故障無法控制對(duì)應(yīng)的EB繼電器動(dòng)作時(shí)，控制中間繼電器斷開，同樣使得EB回路斷開，保證故障導(dǎo)向安全；(3)接收來自控制板對(duì)通信板的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)檢測(cè)到通信板故障時(shí)，控制對(duì)通信板的供電切換，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6　故障記錄板結(jié)構(gòu)框圖

2.2關(guān)鍵軟件功能設(shè)計(jì)

車載定點(diǎn)緊急停車處理裝置軟件設(shè)計(jì)的核心是在感應(yīng)到RFID信號(hào)時(shí)如何控制EB的觸發(fā)，另外由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求是保證車輛在正線末端或列車入庫時(shí)能夠安全停車，同時(shí)不影響車輛出庫，因此還需要對(duì)車輛的運(yùn)行方向進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)然這個(gè)方向識(shí)別是一個(gè)可選的功能，對(duì)于行進(jìn)方向未知的情況可以通過方向識(shí)別機(jī)制來判別方向，進(jìn)而選擇是否觸發(fā)緊急停車；對(duì)于行進(jìn)方向已知的情況，在不需要緊急制動(dòng)的行進(jìn)方向可以利用列控旁路開關(guān)，在系統(tǒng)外部旁路掉定點(diǎn)停車系統(tǒng)。邏輯主控單元的主程序處理流程圖如圖7(a)所示。

關(guān)于方向識(shí)別的詳細(xì)流程圖如圖7(b)所示。當(dāng)檢測(cè)到第1個(gè)地面標(biāo)簽時(shí)記錄該標(biāo)簽的UID號(hào)并繼續(xù)檢測(cè)等待，如果等待超時(shí)，即在一定時(shí)間間隔內(nèi)沒有再檢測(cè)到第2個(gè)地面標(biāo)簽，則說明地面標(biāo)簽識(shí)別失敗，根據(jù)故障導(dǎo)向?qū)虬踩瓌t直接進(jìn)入觸發(fā)EB；如果在超時(shí)之前檢測(cè)到第2個(gè)地面標(biāo)簽記錄該標(biāo)簽的UID號(hào)，判斷前一個(gè)UID號(hào)是否小于后一個(gè)UID號(hào)，如果是，則判定此刻為入庫狀態(tài)，需要觸發(fā)EB回路斷開，控制地鐵列車施加緊急制動(dòng)；如果不是，則說明此刻為出庫狀態(tài)，系統(tǒng)不動(dòng)作，地鐵列車可以正常出庫。當(dāng)然UID號(hào)大小判斷規(guī)則可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置；另外，為了提高系統(tǒng)可靠性，地面設(shè)置了3個(gè)無源標(biāo)簽，3個(gè)標(biāo)簽的UID號(hào)是依次遞進(jìn)的，只要在一定時(shí)間內(nèi)能夠連續(xù)識(shí)別到兩個(gè)電子標(biāo)簽，即可快速確定地鐵列車的行駛方向。

圖7　主程序處理和方向識(shí)別流程圖

2.3樣機(jī)實(shí)物

最終研制完成的硬件實(shí)物如圖8所示，包括地面標(biāo)簽、車載天線箱、車載主控機(jī)箱以及測(cè)試工裝，其中車載主控機(jī)箱內(nèi)包括兩塊熱備冗余的電源板、兩塊冷備冗余的通信板、兩塊獨(dú)立工作的主邏輯控制板、一塊輸入和故障記錄板以及一塊繼電器組輸出板；測(cè)試工裝是用于模擬列控信號(hào)輸入的測(cè)試信號(hào)輸入裝置。

圖8　樣機(jī)硬件實(shí)物圖

3　試驗(yàn)和結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性和可用性，需要安裝在實(shí)際無人駕駛地鐵列車上并在列車實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行測(cè)試，然而對(duì)于尚處于調(diào)試階段的系統(tǒng)測(cè)試，這樣的測(cè)試方法顯然是不現(xiàn)實(shí)的，不僅測(cè)試成本高而且安全性難以保證；為了達(dá)到與實(shí)際地鐵列車安裝運(yùn)行同樣的效果，在試驗(yàn)室環(huán)境下搭建了一套定點(diǎn)緊急停車模擬試驗(yàn)平臺(tái)，利用該試驗(yàn)平臺(tái)完成了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，主要模擬列車以一定的速度運(yùn)行通過地面標(biāo)簽時(shí)定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)的動(dòng)作情況。

3.1系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

設(shè)計(jì)的定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)能夠模擬裝有車載設(shè)備的列車行經(jīng)地面標(biāo)簽時(shí)，串聯(lián)在列車緊急制動(dòng)回路里的EB繼電器觸點(diǎn)能否及時(shí)斷開，從而確保列車緊急停車。定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)在實(shí)際安裝中，其主控機(jī)箱和車載天線箱是安裝在列車上的，隨列車的移動(dòng)而移動(dòng)，地面標(biāo)簽則固定在軌道內(nèi)的路基上面。但在試驗(yàn)中，若要實(shí)現(xiàn)主控機(jī)箱和車載天線箱一起運(yùn)動(dòng)，難度很大。為了方便操作及測(cè)試，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，將主控機(jī)箱和車載天線箱固定，使地面標(biāo)簽以一定的高度及速度經(jīng)過車載天線箱的下方來進(jìn)行試驗(yàn)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖9所示，包括地面標(biāo)簽、彈射器裝置(彈射器和彈射軌道)、霍爾傳感器、示波器、天線箱懸掛支架、車載天線、車載主控機(jī)箱和測(cè)試工裝，由于一次只能彈射一個(gè)地面電子標(biāo)簽，因此該平臺(tái)只能模擬單個(gè)地面電子標(biāo)簽的定點(diǎn)識(shí)別測(cè)試，測(cè)試程序?yàn)闊o方向識(shí)別模式，即僅識(shí)別一個(gè)電子標(biāo)簽就立即出發(fā)EB制動(dòng)，對(duì)于具有方向識(shí)別的功能測(cè)試還是需要在實(shí)際線路上完成。

圖9　試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

彈射器裝置主要由3 m長彈射支架、標(biāo)簽托板、6根彈力繩、正反轉(zhuǎn)電機(jī)和30 A·h蓄電池等組成，其中標(biāo)簽托板上固定有電子標(biāo)簽，托板側(cè)邊安裝兩個(gè)間距100 mm的磁鐵，利用支架一側(cè)的霍爾傳感器和示波器捕獲兩個(gè)連續(xù)脈沖，根據(jù)脈沖間隔時(shí)間，可計(jì)算出標(biāo)簽經(jīng)過天線箱正下方時(shí)的速度值，從而準(zhǔn)確調(diào)校彈射器的蓄力。當(dāng)彈射器裝置啟動(dòng)時(shí)，標(biāo)簽托板被拉緊蓄力后的彈簧繩從一端彈出，在彈射軌道上快速移動(dòng)，從而與位置固定的車載天線形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模擬列車運(yùn)行。

3.2試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

以香港某型地鐵無人駕駛列車為例，車載天線與地面標(biāo)簽垂直距離為450 mm，入庫時(shí)最大設(shè)計(jì)速度不高于40 km/h，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。調(diào)整支架高度使天線箱與電子標(biāo)簽的垂直距離為450 mm；調(diào)整彈射器蓄力使末端線路瞬時(shí)速度達(dá)到要求的40 km/h。

圖10　動(dòng)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

經(jīng)測(cè)試當(dāng)標(biāo)簽移動(dòng)速度最大為40 km/h時(shí)，電子標(biāo)簽經(jīng)過感應(yīng)點(diǎn)后觸發(fā)控制EB的繼電器動(dòng)作；最終在軌道正線末端進(jìn)行測(cè)試，車輛識(shí)別并動(dòng)作率達(dá)100%，硬件設(shè)備工作可靠，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；而當(dāng)車輛出庫行駛時(shí)，未觸發(fā)EB回路，不影響車輛正常運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的定點(diǎn)停車系統(tǒng)可在車載天線與地面標(biāo)簽垂直距離為450 mm情況下，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)速度超過40 km/h的定點(diǎn)位置檢測(cè)，斷開EB回路引發(fā)列車緊急制動(dòng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件和軟件功能，適用于速度不超過40 km/h的應(yīng)用場(chǎng)合。

4　結(jié)束語

為了最大限度地保證了無人駕駛列車在關(guān)鍵位置的行車安全，提出基于RFID技術(shù)的定點(diǎn)緊急停車系統(tǒng)，使緊急情況時(shí)的制動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立于ATO系統(tǒng)之外，當(dāng)列車行經(jīng)地面標(biāo)簽時(shí)，能觸發(fā)列車緊急制動(dòng)，做好在ATO無法作用、失效或人工操作失誤情況下的最后一道防線。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制靈活、準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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Research on Fixed Point Emergency Stop System in Driverless Metro

YANXiang1,ZHAOHui2,WANGBaohua3

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Siemens Co., Beijing 100102, China;3 School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Driverless metro has become the development direction of urban rail transit. In order to ensure the driverless metro safely stop at the key position, a set of fixed point emergency stop system which is independent of the ATO system is designed and implemented using the radio frequency identification technology. Firstly, the overall design scheme of the system is given. Then, three major functional modules and the main software design of the main control unit on-board are introduced. Finally, the test platform is established and the test results are given to demonstrate the availability of the designed system.

fixed point emergency stop; driverless metro; RFID technology

1008-7842 (2016) 03-0097-06

男，助理研究員(

2015-11-25)

U293.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.21

*“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2015BAG13B01-02);大學(xué)科技園、技術(shù)轉(zhuǎn)移中心及工程研究中心建設(shè)項(xiàng)目(E14H100040)