史時(shí)喜

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)， 710043， 西安∥正高級(jí)工程師)

全自動(dòng)駕駛(FAO)技術(shù)在城市軌道交通的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，目前國(guó)內(nèi)各大城市已將FAO系統(tǒng)建設(shè)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(dòng)駕駛區(qū)域。其中，自動(dòng)駕駛區(qū)域與正線一樣，需納入FAO模式管理中。列車的運(yùn)行由信號(hào)系統(tǒng)控制完成[3-4]，無(wú)需人工干預(yù)，正常運(yùn)營(yíng)期間不允許人員隨意進(jìn)入自動(dòng)駕駛區(qū)域[5]。但對(duì)于列車的日常維護(hù)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(fēng)險(xiǎn)，這也造成了自動(dòng)駕駛區(qū)作業(yè)人員管理的困難[6]。

目前國(guó)內(nèi)建設(shè)的FAO車輛基地自動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)自動(dòng)駕駛區(qū)內(nèi)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(dòng)駕駛區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)。

1 地鐵FAO車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)設(shè)計(jì)方案

地鐵FAO車輛基地主要設(shè)施一般包括停車列檢庫(kù)、檢修庫(kù)、洗車庫(kù)、鏇輪庫(kù)、調(diào)機(jī)及工程車庫(kù)等。車輛基地總圖按照人工駕駛區(qū)和自動(dòng)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(kù)、鏇輪庫(kù)、調(diào)機(jī)及工程車庫(kù)等；自動(dòng)駕駛區(qū)包括停車列檢庫(kù)、洗車庫(kù)等。利用調(diào)機(jī)牽出線兼作轉(zhuǎn)換軌，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛模式與人工駕駛模式信號(hào)轉(zhuǎn)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(kù)是自動(dòng)駕駛區(qū)核心區(qū)域，列車正常運(yùn)行場(chǎng)景下的入庫(kù)、休眠、喚醒、出庫(kù)等均無(wú)需人工干預(yù)[8]；而列車的列檢、清掃等維護(hù)任務(wù)均由人工完成。為保證停車列檢庫(kù)安全防護(hù)等級(jí)與正線相同，確保列車運(yùn)行安全，庫(kù)內(nèi)列檢等維護(hù)作業(yè)進(jìn)行時(shí)，該區(qū)域內(nèi)列車禁止動(dòng)車、接觸網(wǎng)為斷電狀態(tài)。但停車列檢庫(kù)內(nèi)所有列車斷電且禁止動(dòng)車，會(huì)影響列車出入庫(kù)的運(yùn)行效率，進(jìn)而影響正線運(yùn)行。因此，停車列檢庫(kù)按照每2個(gè)股道劃分為1個(gè)防護(hù)分區(qū)，各防護(hù)分區(qū)內(nèi)進(jìn)行列車維護(hù)作業(yè)時(shí)，不影響其他防護(hù)分區(qū)內(nèi)列車正常運(yùn)行。停車列檢庫(kù)平面布置如圖2所示。

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

停車列檢庫(kù)各防護(hù)分區(qū)之間均設(shè)置了分區(qū)圍欄等隔離設(shè)施，避免其運(yùn)營(yíng)期間人員隨意進(jìn)出。為滿足作業(yè)人員的通行，在停車列檢庫(kù)中部設(shè)置地下人行通道，并在人行通道對(duì)應(yīng)于各防護(hù)分區(qū)處設(shè)置出入口。

2 自動(dòng)駕駛區(qū)存在問(wèn)題及其解決思路

自動(dòng)駕駛區(qū)雖設(shè)置了分區(qū)隔離設(shè)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(fēng)險(xiǎn)。主要問(wèn)題包括以下幾點(diǎn)：

1) 人員進(jìn)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(wèn)題。

2) 各分區(qū)出入口的開關(guān)未與列車信號(hào)、接觸網(wǎng)等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖，作業(yè)時(shí)存在安全隱患。

針對(duì)自動(dòng)駕駛區(qū)內(nèi)人員管理存在的相關(guān)問(wèn)題，本文提出一種集門禁管理、安全聯(lián)鎖控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、人員防護(hù)等功能于一體的安全防護(hù)系統(tǒng)。安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)駕駛區(qū)物理隔離方案，利用多種檢測(cè)手段和邏輯聯(lián)鎖控制方法嚴(yán)格控制人員進(jìn)出，以實(shí)現(xiàn)在列車正常運(yùn)行情況下自動(dòng)駕駛區(qū)無(wú)人員通行，以及在人員維護(hù)作業(yè)情況下列車禁止動(dòng)車的目標(biāo)。

3 車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)

車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)通過(guò)中樞與列車信號(hào)、隔離開關(guān)、門禁等系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)鎖，并將信息呈現(xiàn)給調(diào)度人員，保證列車維護(hù)作業(yè)安全、有序進(jìn)行[9]。

安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)有1個(gè)主控系統(tǒng)，通過(guò)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(diào)度子系統(tǒng)等。每個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)主控系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)形成互鎖機(jī)制，所有子系統(tǒng)都依托主控系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)主控系統(tǒng)發(fā)生故障后，其他子系統(tǒng)將無(wú)法運(yùn)行。

車輛基地DCC(控制中心)負(fù)責(zé)對(duì)車輛基地的行車、車輛檢修、接觸網(wǎng)斷送電等基地內(nèi)的所有生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行全面調(diào)度管理[10]。車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)主要承擔(dān)車輛基地DCC檢修調(diào)度中的部分功能。該控制中心可通過(guò)各子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)斷送電記錄、臺(tái)位占用統(tǒng)計(jì)、隔離開關(guān)狀態(tài)及檢修區(qū)域人員滯留情況顯示，并通過(guò)各子系統(tǒng)的邏輯聯(lián)鎖進(jìn)一步保障車輛及人員作業(yè)安全。車輛基地內(nèi)有調(diào)車需求時(shí)，由車場(chǎng)調(diào)度向OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)申請(qǐng)，車場(chǎng)檢修調(diào)度提供可用的車輛數(shù)量及車輛檢修計(jì)劃；負(fù)責(zé)正線列車調(diào)度的ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)提供列車運(yùn)行圖信息，結(jié)合本系統(tǒng)提供的車輛停留、臺(tái)位占用、隔離開關(guān)狀態(tài)、防護(hù)分區(qū)內(nèi)作業(yè)人員狀態(tài)等信息，綜合產(chǎn)生調(diào)車計(jì)劃。

車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(kù)中各防護(hù)分區(qū)出入口處均設(shè)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(jī)、指紋識(shí)別儀、狀態(tài)指示燈、門鎖、防尾隨系統(tǒng)等組成，每個(gè)防護(hù)分區(qū)的門禁控制子系統(tǒng)彼此獨(dú)立。門禁控制子系統(tǒng)具有生物識(shí)別功能，提前錄入作業(yè)人員信息，并與檢修作業(yè)計(jì)劃管理等系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。當(dāng)進(jìn)入門禁控制區(qū)的人員無(wú)作業(yè)任務(wù)或作業(yè)任務(wù)與該作業(yè)區(qū)域不符時(shí)，禁止打開門鎖。門禁控制子系統(tǒng)還具有計(jì)數(shù)與防尾隨功能，采用光電傳感器-智能圖像分析技術(shù)，統(tǒng)計(jì)出、入防護(hù)分區(qū)人員的數(shù)量，確保出、入防護(hù)分區(qū)人員一致；當(dāng)發(fā)生尾隨時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警并自動(dòng)記錄尾隨錄像，同時(shí)通過(guò)語(yǔ)音提示調(diào)度室，調(diào)度人員可通過(guò)調(diào)取尾隨視頻進(jìn)行確認(rèn)。

門禁控制子系統(tǒng)與接觸網(wǎng)是否帶電邏輯聯(lián)鎖，當(dāng)作業(yè)分區(qū)隔離開關(guān)未分閘或接地桿未接地時(shí)，該分區(qū)門禁禁止開放，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)分區(qū)的供電安全，并通過(guò)顯示調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示該分區(qū)接觸網(wǎng)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(shí)現(xiàn)信號(hào)、隔離開關(guān)、接地、門禁等設(shè)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(bào)警設(shè)備等組成，各防護(hù)分區(qū)安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)彼此獨(dú)立。操作終端是安全聯(lián)鎖控制子系統(tǒng)的人機(jī)接口，通常置于調(diào)度控制室，用于設(shè)備操作員進(jìn)行確認(rèn)操作。接口柜內(nèi)設(shè)置有安全繼電器和相關(guān)的安全邏輯控制單元，用于接收操作終端的指令并驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)、信號(hào)機(jī)等動(dòng)作，并采集相關(guān)設(shè)備狀態(tài)發(fā)送給操作終端。車位傳感器用于檢測(cè)車輛是否到達(dá)庫(kù)門前和是否駛?cè)肱_(tái)位。報(bào)警設(shè)備用于警示該系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)作狀態(tài)和其他不正常的狀態(tài)。各設(shè)施之間的聯(lián)鎖關(guān)系如下：

1) 合閘條件如下：門禁控制子系統(tǒng)檢測(cè)自動(dòng)駕駛區(qū)無(wú)人；監(jiān)護(hù)員通過(guò)視頻監(jiān)控認(rèn)為可以合閘(受電弓升弓)；自動(dòng)接地桿已摘(收到位)；按下報(bào)警按鈕后，聲光報(bào)警響30 s同時(shí)進(jìn)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(guān)閉合按鈕，隔離開關(guān)才能閉合。

2) 監(jiān)護(hù)員通過(guò)視頻監(jiān)控認(rèn)為可以分閘(受電弓降弓)，按下報(bào)警按鈕后，聲光報(bào)警響30 s;同時(shí)進(jìn)行廣播提示，分閘黃色指示燈亮后，按下隔離開關(guān)斷開按鈕，隔離開關(guān)才能斷開。

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

4) 當(dāng)隔離開關(guān)分閘且自動(dòng)接地桿接地，以及LED顯示屏顯示“無(wú)電”、門禁作業(yè)門解鎖、作業(yè)指示燈綠燈亮?xí)r，作業(yè)人員方可刷卡進(jìn)入防護(hù)分區(qū)。

5) 隔離開關(guān)分閘到位并驗(yàn)證無(wú)電，且經(jīng)操作人員確認(rèn)后，自動(dòng)接地桿可以掛桿。

6) 隔離開關(guān)分閘到位并驗(yàn)證無(wú)電，防護(hù)分區(qū)無(wú)人員作業(yè)，經(jīng)操作人員確認(rèn)后，自動(dòng)接地桿可以摘桿。

隔離開關(guān)閉合和分閘操作與門禁狀態(tài)、接觸網(wǎng)帶電狀態(tài)、庫(kù)內(nèi)動(dòng)車信號(hào)等的聯(lián)鎖關(guān)系如圖5～6所示。

圖5 隔離開關(guān)閉合安全聯(lián)鎖關(guān)系示意圖

圖6 隔離開關(guān)分閘安全聯(lián)鎖關(guān)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(shí)現(xiàn)對(duì)安全防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)分區(qū)內(nèi)作業(yè)人員及其他狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便調(diào)度人員了解現(xiàn)場(chǎng)情況并及時(shí)做出響應(yīng)。該系統(tǒng)由圖像監(jiān)控主機(jī)、圖像監(jiān)控終端、攝像機(jī)、人員定位裝置等組成。在作業(yè)區(qū)域安裝高清攝像槍機(jī)和球機(jī)對(duì)作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)視，并通過(guò)光端機(jī)傳輸至設(shè)備機(jī)房，然后進(jìn)行數(shù)字視頻的編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸。采用RFID(射頻識(shí)別)跟蹤定位技術(shù)和UWB(超寬帶)無(wú)線定位通信技術(shù)，對(duì)作業(yè)人員在作業(yè)區(qū)間進(jìn)行精確定位，定位精度在1 m以內(nèi)。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)攝像機(jī)在庫(kù)內(nèi)的拍攝位置數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將攝像機(jī)和定位系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)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(chǎng)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(chǎng)布置

3.4 顯示調(diào)度子系統(tǒng)

顯示調(diào)度子系統(tǒng)以PLC(可編程邏輯控制器)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為核心，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)車輛停留、臺(tái)位占用、隔離開關(guān)位置、接地狀態(tài)、防護(hù)分區(qū)內(nèi)有無(wú)人員及作業(yè)人員狀態(tài)等信息進(jìn)行自動(dòng)讀取和記錄，在調(diào)度室的顯示終端大屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)主要由顯示調(diào)度主機(jī)、調(diào)度顯示屏、音頻廣播系統(tǒng)、操作臺(tái)、微機(jī)柜及各級(jí)檢測(cè)單元等組成。

調(diào)度控制軟件運(yùn)行后，軟件界面可顯示下列信息：車輛進(jìn)出狀態(tài)，隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)，自動(dòng)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(jù)庫(kù)內(nèi)狀態(tài)實(shí)時(shí)變化，調(diào)度人員可以觀察庫(kù)內(nèi)各股道列檢臺(tái)位的作業(yè)情況，見圖8。

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

4 安全防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

以南寧市某地鐵車輛基地建設(shè)項(xiàng)目為依托，對(duì)該項(xiàng)目自動(dòng)駕駛區(qū)的安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了作業(yè)分區(qū)出入口的門禁自動(dòng)化管控，具體表現(xiàn)為：該系統(tǒng)能夠在無(wú)人值守情況下，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出入人員數(shù)量，有效防止人員尾隨；實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)區(qū)域信號(hào)及接觸網(wǎng)帶電狀態(tài)，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行安全警示，一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)立即進(jìn)行警示，并通知對(duì)應(yīng)管理人員；通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)定位自動(dòng)駕駛區(qū)內(nèi)人員位置，并實(shí)時(shí)顯示在調(diào)度中心的顯示終端；通過(guò)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(hù)系統(tǒng)從硬件控制、人員管理等多個(gè)角度全方位保障自動(dòng)駕駛區(qū)作業(yè)過(guò)程中人車安全的同時(shí)，起到了減員、增效的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前地鐵FAO車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)的安全管控現(xiàn)狀進(jìn)行分析，針對(duì)存在的安全隱患，針對(duì)性地提出了以信息化、智能化技術(shù)為核心的安全防護(hù)系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)車輛基地自動(dòng)駕駛區(qū)人員管控與安全防護(hù)的短板。通過(guò)預(yù)留接口，實(shí)現(xiàn)了安全防護(hù)系統(tǒng)與車輛基地內(nèi)其他管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)通與功能互補(bǔ)，為車輛、設(shè)備及人員的安全提供了有力保障。