方 征，周航博

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

1 引言

在地鐵全自動駕駛車輛基地列車檢修作業(yè)過程中，人身安全是必須嚴格把控的關(guān)鍵點。在現(xiàn)有的地鐵列車全自動駕駛檢修區(qū)域檢修運營場景中規(guī)定，檢修作業(yè)人員進入全自動駕駛檢修區(qū)域需滿足區(qū)域開放信號及人員防護開關(guān)開啟，地鐵列車處于信號閉鎖狀態(tài)，但司機進入全自動檢修區(qū)域不受此場景限制。

目前，司機進入全自動檢修區(qū)域時仍采取人工把控及對講機對話溝通的方式，其存在作業(yè)效率低下，人員把控易失效，警示效果不佳等問題[1-2]。如若司機進入檢修區(qū)域后在不明確自動駕駛地鐵列車進出車時間的情況下，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)計一種全自動駕駛檢修區(qū)域司機登車防護系統(tǒng)，以實現(xiàn)在全自動駕駛檢修區(qū)域中司機的安全防護。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

全自動駕駛檢修區(qū)域司機登車防護系統(tǒng)通過現(xiàn)代信息化技術(shù)手段完成對全自動駕駛檢修區(qū)域登車人員的安全防護。該系統(tǒng)主要圍繞以下6 點進行設(shè)計。

（1）自身系統(tǒng)與外部信號建立鏈接，通過外部信號的輸入來判斷系統(tǒng)是否啟動。

（2）需借助傳感、視頻或圖像識別等技術(shù)方式，保證對保護區(qū)域的實時檢測及信號反饋。

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

（4）防護區(qū)域現(xiàn)場需要設(shè)置安全警示系統(tǒng)，在檢測到異常情況后，能夠?qū)ΜF(xiàn)場人員提出報警信息，警示其不安全行為；并且通過提前預(yù)制信息，完成廣播的自動播報警告。

（5）搭建中央控制系統(tǒng)，主要用于接收外部信號，判斷監(jiān)測功能是否啟用；接收監(jiān)測信號到系統(tǒng)進行處理，并發(fā)出信號到安全警示系統(tǒng)，用于警示現(xiàn)場人員。

（6）為中央控制系統(tǒng)配套顯示功能，通過建立人機交互頁面，完成對安全防護區(qū)域的實時監(jiān)測，若有突發(fā)狀況可及時人為介入。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

司機登車防護系統(tǒng)包含控制及顯示模塊、激光檢測模塊、聲光報警模塊、視頻偵測模塊和外部數(shù)據(jù)接口模塊[6-8]，如圖1 所示。控制及顯示模塊作為系統(tǒng)的控制及運算核心，控制其余模塊設(shè)備工作，同時實時采集各模塊回傳的設(shè)備信息。激光檢測模塊通過激光射線對司機登車防護區(qū)域進行檢測[8]。聲光報警模塊通過警示燈督促違規(guī)侵界人員離開危險區(qū)域進入登車防護區(qū)域。視頻偵測模塊通過攝像頭對司機登車防護區(qū)域進行全天候視頻監(jiān)控[9-10]。外部數(shù)據(jù)接口模塊用于控制激光檢測模塊及視頻偵測模塊的檢測功能啟用。

圖1 司機登車防護系統(tǒng)設(shè)計圖

司機登車防護系統(tǒng)主要依靠控制及顯示模塊的中央調(diào)度功能，以各模塊信號的采集及傳輸處理為基礎(chǔ)，通過接收外部接口模塊的外部數(shù)據(jù)信號，判斷全自動駕駛檢修區(qū)域內(nèi)是否屬于安全防護狀態(tài)。若無需安全防護，則屏蔽檢測功能，聲光報警模塊暫時停止工作；若當下有安全防護需要，則控制及顯示模塊輸出啟用檢測功能，即啟用激光檢測模塊與視頻偵測模塊。其中激光檢測模塊與視頻偵測模塊互為補充，以多重安全技術(shù)措施保障對檢測范圍的精準控制，達到防護司機人身安全的目的。

當有司機進入安全防護區(qū)域時，邏輯控制電氣電路采集到視頻偵測模塊及激光檢測模塊的區(qū)域檢測報警信息后，經(jīng)內(nèi)部繼電器電隔離后傳輸至PLC。當PLC 判定區(qū)域報警信息符合判定條件，則輸出控制信號至邏輯控制電氣電路對應(yīng)區(qū)域的繼電器，使其通電吸合，驅(qū)動控制模塊對應(yīng)報警區(qū)域的聲光報警模塊工作；PLC 組態(tài)軟件監(jiān)控到PLC 有區(qū)域報警輸入后，彈出有人員侵界提示彈窗，提示調(diào)度人員進行確認并實時反應(yīng)現(xiàn)場紅色警示燈的工作狀態(tài)，并根據(jù)區(qū)域侵界報警時間截取對應(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現(xiàn)信號電隔離，保證設(shè)備可靠穩(wěn)定運行，且人機互動界面良好。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)場登車區(qū)域內(nèi)登車人員的活動軌跡，且區(qū)域侵界提示準確、有效，信息記錄齊全，可有效地防護司機人身安全，提高地鐵列車檢修效率[11]。

2.3 模塊設(shè)計

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)進行數(shù)據(jù)傳送，接收視頻偵測模塊中警戒攝像頭及激光對射裝置的區(qū)域邊界檢測信息，按照既定判斷算法對接收信息進行過濾判斷，輸出控制聲光報警模塊工作信號。PLC 組態(tài)軟件是控制及顯示模塊的監(jiān)控設(shè)備，通過建立一套良好的人機互動界面，實時監(jiān)控PLC 內(nèi)部點位及外部輸入/輸出點位變化，以圖形動畫形式展現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)及進行區(qū)域侵界報警提示，同時通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（TCP/IP）訪問硬盤錄像機實時獲取視頻監(jiān)控圖像的數(shù)據(jù)流。臺式電腦是控制及顯示模塊的顯示設(shè)備，用于運行及顯示PLC 組態(tài)軟件界面及現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面。邏輯控制電氣電路是控制及顯示模塊的執(zhí)行機構(gòu)，用于直接采集現(xiàn)場設(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，直接驅(qū)動控制聲光報警模塊進行聲光警示。

2.3.2 激光檢測模塊

激光檢測模塊包含激光對射裝置，通過激光射線對司機登車防護區(qū)域進行檢測，并實時通過邏輯控制電氣電路將侵界報警信息傳輸至控制及顯示模塊。

2.3.3 聲光報警模塊

聲光報警模塊包含紅色警示燈（帶語音播放）、廣播音柱及喊話。紅色警示燈通過閃爍紅色及播放固定語音督促違規(guī)侵界人員離開危險區(qū)域進入司機登車防護區(qū)域，廣播音柱及喊話用于系統(tǒng)使用人員對不顧紅色警示燈警示的違規(guī)侵界人員進行喊話，再次督促違規(guī)侵界人員離開危險區(qū)域進入登車防護區(qū)域。

2.3.4 視頻偵測模塊

視頻偵測模塊包含警戒攝像頭、硬盤錄像機、前端光電交換機、機架式光電交換機。警戒攝像頭用于對司機登車防護區(qū)域進行全天候視頻監(jiān)控，并對視頻監(jiān)控畫面內(nèi)司機登車防護區(qū)域劃定邊界，設(shè)置邊界跨越檢測功能及區(qū)域內(nèi)活體檢測功能，通過圖像分析技術(shù)判定司機登車區(qū)域內(nèi)人員是否侵界。硬盤錄像機用于存儲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)域侵界報警信號轉(zhuǎn)發(fā)至控制及顯示模塊。前端光電交換機用于實現(xiàn)遠程實時傳輸警戒攝像頭的視頻信息。機架式光電交換機用于匯聚所有司機登車防護區(qū)域的警戒攝像頭的視頻監(jiān)控圖像，統(tǒng)一接入硬盤錄像機內(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)域開放信號、SPKS 開關(guān)箱。TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開放信號及SPKS 開關(guān)箱作為系統(tǒng)的外部輸入信號，通過自動化設(shè)備通信協(xié)議（MODBUS/TCP）建立數(shù)據(jù)鏈接，用于控制激光檢測模塊及視頻偵測模塊的檢測功能啟用。

3 系統(tǒng)設(shè)備

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

圖2 司機登車防護系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖

激光對射裝置安裝于司機登車防護區(qū)域的邊界處，每個防護區(qū)域至少4 套。激光對射裝置發(fā)射端沿著司機登車防護區(qū)域的4 個邊界射出多束不可見的激光光束到接收端，當司機越過防護區(qū)域邊界時，身體會遮擋激光光束，接收端接收激光射線中斷，從而輸出報警信號至控制及顯示模塊。激光檢測模塊采用激光檢測技術(shù)，檢測距離遠，且多光束的點對點檢測方式可有效的提高防護區(qū)域邊界檢測的可靠性及準確性。

紅色警示燈安裝于現(xiàn)場司機登車防護區(qū)域內(nèi)，每個區(qū)域至少安裝4 個。廣播音柱及喊話在現(xiàn)場司機登車防護區(qū)域內(nèi)，每個區(qū)域至少2 個，對講話筒安裝于DCC控制室內(nèi)，便于系統(tǒng)使用人員使用。當控制及顯示模塊接收到現(xiàn)場防護區(qū)域侵界信號后，輸出聲光警示控制信號至邏輯控制電氣電路內(nèi)對應(yīng)控制繼電器，控制繼電器線圈得電，觸點吸合，驅(qū)動紅色警示燈亮燈并閃爍，播放定制語音警示督促違規(guī)侵界人員離開危險區(qū)域進入防護區(qū)域。當系統(tǒng)使用人員通過視頻監(jiān)控觀察發(fā)現(xiàn)違規(guī)侵界人員不顧聲光警示執(zhí)意進入危險區(qū)域時，可通過對講話筒對庫內(nèi)人員進行喊話，再次督促違規(guī)侵界人員離開危險區(qū)域進入安全防護區(qū)域。聲光警示模塊設(shè)備安裝于司機登車防護區(qū)域的各個醒目位置，警示范圍涵蓋整個防護區(qū)域，警示效果明顯，且固定語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，可有效的防護司機人身安全。

警戒攝像頭安裝于現(xiàn)場司機登車防護區(qū)域，每個區(qū)域至少2 個，前端光電交換機安裝于現(xiàn)場司機登車防護區(qū)域，每個區(qū)域1 個。硬盤錄像機、機架式光電交換機安裝在DCC 控制室內(nèi)。警戒攝像頭全范圍監(jiān)控司機登車防護區(qū)域，通過圖像對比及圖像深度學(xué)習算法對防護區(qū)域邊界設(shè)置邊界跨界檢測功能及活體檢測功能，并規(guī)定邊界跨越檢測功能的跨越方向報警。當司機跨越登車防護區(qū)域邊界進入危險區(qū)域時輸出報警信號；當司機由危險區(qū)域進入登車防護區(qū)域時，不輸出報警信號。硬盤錄像機通過前端光電交換機及機架式光電交換機實時獲取各防護區(qū)域內(nèi)警戒攝像頭的視頻錄像的數(shù)據(jù)流并實時存儲，實時接收警戒攝像頭的區(qū)域侵界報警信號并及時轉(zhuǎn)發(fā)至控制及顯示模塊。PLC 組態(tài)軟件通過TCP/IP 訪問硬盤錄像機實時調(diào)取各區(qū)域的監(jiān)控畫面用于顯示；視頻偵測模塊不僅提供全天24 h 的現(xiàn)場視頻監(jiān)控功能，便于調(diào)度人員實時遠程了解現(xiàn)場各防護區(qū)域內(nèi)司機的活動軌跡，且利用圖像分析技術(shù)及深度學(xué)習算法實現(xiàn)各防護區(qū)域邊界的智能化檢測。雙重檢測技術(shù)通過與激光檢測模塊配合，將物理檢測技術(shù)及圖像檢測技術(shù)結(jié)合，有效提高了人員侵界檢測的可靠性及準確性，保證每個違規(guī)越界人員都可以檢測到，有效地防護限制司機的活動范圍，杜絕隨意穿行股道的情況，從而保證司機的人身安全。

當TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開放信號及SPKS 開關(guān)箱內(nèi)的開關(guān)開啟，此時地鐵列車全自動駕駛檢修區(qū)域內(nèi)屬于安全防護狀態(tài)，無登車防護區(qū)域侵界報警提示；當TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開放信號及SPKS 開關(guān)箱內(nèi)的開關(guān)未同時開啟時，地鐵列車全自動駕駛檢修區(qū)域內(nèi)未處于安全防護狀態(tài)，全自動駕駛地鐵列車處于行車信號未閉鎖狀態(tài)，則啟用激光檢測模塊及視頻偵測模塊的檢測功能，用于限制各區(qū)域司機的活動范圍，防護司機的人身安全。

4 應(yīng)用實踐

系統(tǒng)在南寧地鐵5 號線那洪車輛基地現(xiàn)場試用后，在TIAS 系統(tǒng)區(qū)域開放信號及SPKS 開關(guān)箱內(nèi)的開關(guān)已開啟的聯(lián)鎖條件同時滿足時，通過激光檢測及視頻偵測技術(shù)劃定安全防護區(qū)域，可有效限制司機進入全自動駕駛檢修分區(qū)后的活動范圍；對于登車人員的越界活動行為能夠準確識別，識別準確率達99.5%，檢測判定時間低于0.2 s；現(xiàn)場聲光報警裝置能夠及時給出現(xiàn)場聲光警示，督促越界人員停止違規(guī)行為，返回安全防護區(qū)域，有效防護登車人員的人身安全。

5 結(jié)語

全自動駕駛檢修區(qū)域司機登車防護系統(tǒng)通過劃定安全活動區(qū)域，采用視頻偵測技術(shù)及激光檢測技術(shù)雙重檢測手段，設(shè)立區(qū)域邊界檢測，限制司機活動范圍，實現(xiàn)全自動駕駛檢修區(qū)域司機登車防護智能化、數(shù)字化控制，提高檢修作業(yè)效率及司機登車防護的可靠性。