基于RFID、WIFI、GPS和红外监控技术的城市有轨电车安全保障系统

沈海峰，胡长辉，叶一彪，虞小鹏，吴良军

(1.杭州禾利科技有限公司，浙江杭州 310052;2.中铁上海设计院集团，上海 200070;3.浙江大学VLSI研究所，浙江杭州 310027)

1 概述

有轨电车以其投资小，建设周期短，运量适中，项目审批简单等优点，成为受广大二三线城市青睐的新型轨道交通模式。有轨电车和地铁最大的区别在于它和城市车辆及行人有混行路段，这里的安全控制技术无法从地铁得到借鉴。其次国内有轨电车目前基本是在开发区、高新区、城郊结合部以及主副城之间运行，出现混行路段的概率非常大。国外基本还是通过驾驶员目测驾驶，并结合市民出行的高素质来保障安全行驶，但国内在高峰时段路口的人流是国外的专家不能想象的，如果没有辅助的技术手段，安全隐患始终存在。

基于此背景，我们自行开发了城市有轨电车安全保障系统［1］，国内目前其他同类的研究还有南京14所的障碍物检测系统(采用雷达扫描技术)(广州地铁集团海珠线项目招投标技术要求及中标文件)。已开建的项目如广州地铁海珠线要求投标方须具备障碍物检测的技术作为中标前提条件。由此可见，城市有轨电车安全保障系统应用前景广阔。

2 研究目标和范围

本研究着重解决有轨电车，社会车辆，行人混行区域如何实现安全控制的课题，研究范围涉及正线，路口，岔口和司机目测盲区。研究目的是为了通过研究来确定采用何种技术，何种方法来保证混行段的安全控制。

3 研究依据

整个研究工作严格遵循下列技术标准:

·BO Strab德国有轨电车建设营运标准

德国政府关于电车系统的建造和操作条例，该条例和公布的相关VDV指导文件是整个系统设计的基础文件，其中包括OCC中采用的功能和信号系统。

·VDV 331德国交通协会条例

根据BO Strab文件中的内容，提出关于信号系统和列车安全安装的整体安全要求

·TR SIG RZA信号系统安装调试规定

符合BO Strab要求，关于信号系统安装和列车保护设备的批准和验收

·EN 50124-1铁路项目－绝缘配合－第一部分:基本要求－所有电气和电子设备的电气间隙和爬电距离

·EN 50122-1铁路项目－固定安装－第一部分:关于电气安全和接地的保护性条例

·EN 60439-1低压开关和控制开关的组合件－第一部分:部分型式测试和部分型式测试的组合件

·EN 50121-4铁路项目－电磁兼容性－第四部分:信号和通讯设备的排放和干扰

·DIN VDE 0831电气轨道信号的安装

·2006/95/EC关于低压的指导文件

图1 有轨电车安全保障系统框架图

·89/336/EEC或2004/108/EC关于电磁兼容性的指导文件

4 方案确定

本方案采用道口信号子系统，司机减压系统和紧急状态保障系统(见图1)。它是一套在有轨电车和其他公交工具混行并且行人突然横穿马路的情况下都能保证行驶安全的保障系统，特别是在人流密集的十字路口系统。该系统通过路旁的信标和车载的读写器，车载智能天线通过路由器和控制中心的服务器相连，红外发射器和轨旁接受器的检测，包括在十字路口(平叉道口)设置基于Wifi的红外收发仪，以及前四者和轨旁控制箱的连接，从而实现在任何情况下有轨电车都能确保安全行使，避免重大安全事故的发生。

4.1 道口(路口)信号子系统

道口(路口)前方200 m设置一个信标或感应环，车辆到达时通知道口设备，并采集信息。道口(路口)前方在100 m处再埋一个信标或感应环，把采集到的信息通过信标或感应环和车辆上的读写器互动，通知驾驶员车辆要进入平叉道口，注意路面情况。平叉道口设置红外发射和接收仪，以检测是否有人(人群)正占用此空间，红外监测仪通过线缆和轨旁控制箱连接，经单片机分析后通过智能天线把路况信号传回驾驶室(见图2)。

道口设置红外监测仪，并同时设置两面液晶显示牌和两个警示灯。只要有人在道口区域内，就通过线缆通知信标或感应环被占用信息。当车辆压在100 m信标或感应环上时，液晶显示牌就通知路人，车辆到达，禁止通行。当还有人穿越时，警示灯亮起，警告司机，减速慢行。

图2 平叉道口示意图

4.1.1 设备优选

信标还包括无源电子标签，车载读写器。

轨旁控制箱还包括控制主机，接线端，隔离变压器，IFC卡，信号解码器。

红外遥控接收系统还包括发射器，接收器，植入编码。

智能天线还包括天线，GPS网络，路由器，软件和显示屏。

车载设备还包括信息显示屏。

4.1.2 电车接近长度计算公式［2］

道口信标机感应环位置的确定需要根据以下公式确定:

(1)电车接近通知时间计算公式(见图3)

式中:T——电车接近通知时间;

t1——为道路车辆以规定最低速度通过道口(在电车接近通知开始，保证使已经闯入道口的车辆能完全出清道口)的时间，s;

t2——道口灯闪及显示牌显示时间，以10 s计;

t3——道口灯闪及显示牌显示后至电车到达道口的时间，以10 s计。

式中:l1——两道口信号机之间或两停止线间的距离(多架信号机时，以远端计算)，m;

l2——道路车辆确认信号显示的最小距离，以5 m计;l3——道路车体长度，m;机动车车体长度取16 m;牛，马车车体长度取7 m;

v——非机动车辆通过道口的规定最低速度，以5 km/h计算;

机动车通过道口的规定最低速度，以10 km/h计算。

注:当道路方面行驶机动车和非机动车时，应按非机动车通过道口时的最低速度计算。

(2)接近区段长度计算公式［2］

式中:L——接近区段长度，m;

v——列车在接近区段内运行的最高速度，km/h;

T——列车接近通知时间，s。

图3 平叉道口图

4.2 司机减压系统

司机减压系统［2］是在正常视力可见度范围内，在拐弯处，上下坡地段，事故多发地段，行人密集地段设置警示灯，液晶显示牌，地段前面50 m设置信标或感应环，当车辆压到信标或感应环时，通知警示灯闪烁，显示牌提示行人“车辆靠近，行人迅速离开”。

地段前面设置信标或感应环，可以参照道口信号子系统的接近区段的长度来进行计算。

设备优选

信标还包括无源电子标签。

轨旁控制箱还包括控制主机，接线端，隔离变压器，IFC卡，信号解码器。

智能天线还包括天线，GPS网络，路由器，软件和显示频。

路面上包含信息显示屏及警示灯闪烁。

4.3 紧急状态保障系统

紧急状态保障系统［2］是在恶劣天气状态下，司机视力可见度小于10 m，则启动紧急保障系统(平时处于休眠状态)。每隔300 m设置一组红外线发射接受设备，通过线缆和轨旁控制箱相连，并通过智能天线和车载控制面板相连，发射两种信号:“占用—清空”，对司机只起提醒作用。

4.4 技术路线

有轨电车保障系统，包括信标、信标读写器、第一无线通信模块、路由器、中心服务器、红外发射器、红外接收器和第二无线通信模块。

4.4.1 路线简介

信标有若干个，信标设置在轨道旁。信标读写器设置在电车前部下方，与第一无线通信模块;路由器和中心服务器设置在控制中心，中心服务器与路由器连接;红外发射器设置在电车头部;红外接收器设置在轨道旁，与第二无线通信模块连接。第一无线通信模块、第二无线通信模块和路由器都连接到无线网络。

信标每隔一段距离设置在轨道旁，每个无源信标中存储有自身设置位置的信息。信标读写器可以读取5～20 m距离内的无源信标中存储的信息。电车开动时，信标读写器不断刷新读取到的信息，并将读取到的信息依次通过第一无线通信模块、无线网络和路由器发送到中心服务器，控制中心的工作人员可以在中心服务器上看到电车所处的位置，当电车靠近十字路口、平岔道口或人流密集区时，控制中心的工作人员可以根据实际情况对电车司机进行提醒。

红外接收器每隔一段距离设置在轨道旁。红外发射器发出的红外线被红外接收器接收。红外接收器接收到红外线以后，连同自身位置信息一起通过第二无线通信模块发送到无线网络，被第一无线模块和路由器接收。同时第二无线接收模块还通过第一无线通信模块发出的信标读写器读取到的信息来判断是否应该接收到红外线。

4.4.2 技术处理

如果有人在红外探测范围内进入轨道间，则红外线会被隔断一段时间。红外接收器发现应当接收到红外线的期间内持续一定时间没有接收到红外线则判定有人侵入限界，然后将报警信息通过第二无线通信模块发送到无线网络。第一无线通信模块接收到报警信息以后通过电车上安装的显示屏、扬声器等设备向电车司机通报。同时控制中心的工作人员可以从中心服务器上得知是否有人侵入限界，在需要的情况下提醒司机注意驾驶安全。红外发射器发出的红外线传输距离为300 m以上，有轨电车在70 km/h(接近路口或者人流密集区会远小于这个速度)的速度下刹车需要180 m左右(据电车接近长度计算公式)，足够司机作出适当的控制操作。

轨道通过平叉道口或人流密集区等需要中间监控的位置都设置有红外收发器，负责检测是否有人进入轨道间。当电车靠近红外传感器检测区域时(通过第一无线通信模块发出的信号判断是否靠近)，红外传感器开始工作，通过第二无线通信模块发送检测结果到无线网络，被第一无线通信模块和路由器所接收，帮助电车司机和控制中心工作人员进行控制管理。

4.4.3 技术效应

信标为RFID芯片，信标读取器为RFID读卡器。

第一无线通信模块和第二无线通信模块都包括GPRS单元和WIFI单元。GPRS单元用于同路由器的连接，WIFI单元用于第一无线通信模块和第二无线通信模块之间的连接。

城市有轨电车保障系统还包括若干个感应环，感应环设置在轨道间的地面上且靠近安装有红外传感器的区域，感应环与红外传感器连接。电车靠近红外传感器的监控区域时，感应环产生感应信号并发送给红外传感器，红外传感器将检测结果通过第二无线通信模块进行发送。通过感应环可以更为精确地确定电车的位置。

城市有轨电车保障系统还包括轨旁控制箱，红外接收器都通过轨旁控制箱与第二无线通信模块连接，轨旁控制箱还与路口的红绿灯控制箱连接。轨旁控制箱对各方信号进行处理并对连接的各模块进行控制，在必要时还可以控制红绿灯，对交通进行控制调节。

4.4.4 逻辑架构

第一层面:能见度检测:低于15 m，则全线激活启动;高于15 m，则部分激活启动(这里的部分指上下坡，拐弯处，路口和岔口)。全线激活失败，则控制中心出现警告信息，驾驶室操作界面闪现红灯;部分激活失败，自动进入第三层面。

第二层面:系统设备是否全部正常营运:如果是，则控制中心和驾驶室操作界面一切正常，如果不是，自动进入第三层面。

第三层面:系统设备部分故障，分下列情况:

(1)信标或感应环出现故障，其它正常(故障检测通过故障检测仪，是否有感应)。通过线缆通知控制器，控制器通过智能天线通知驾驶室和控制中心。这种情况下，驾驶员必须立即紧急减速至15 km/h以下。

(2)红外检测发射仪出现故障，其他正常(故障检测通过红外发射接收仪，是否发射及是否被接受)。通过线缆通知控制器，控制器通过智能天线通知驾驶室和控制中心。这种情况下，驾驶员必须根据目测情况自行决定是否采取减速手段或保持原速度．

(3)路口或岔口警示设备出现故障(故障检测通过功能传感仪，是否工作)。通过线缆通知控制器，控制器通过智能天线通知驾驶室和控制中心。这种情况下，驾驶员必须立即紧急减速至15 km/h以下。

(4)如果上述任两种或以上故障叠加发生，则驾驶员必须紧急减速至15 km/h以下。

第四层面:故障排除，功能复位后，通过故障检测仪通知控制器，控制器通过智能天线通知驾驶室和控制中心，则回到第一层面。

5 应用前景

安全行驶系统明确知道是否有人正穿越轨道和十字路口的行人占道情况，结合全程行车监控系统，控制中心或调度中心人员可以及时通知驾驶员调整驾驶模式，而驾驶员根据前方传来的提醒信号和调度的提醒，作出正确的判断。特别在十字路口(平岔道口)可以真正实现轨道先行，部分先行和常规信号三种模式。

本方案带来的有益效果是，可以通过全程监控系统确定车辆每时每刻的具体位置，可以通过安全行车系统确定车辆前方是否存在安全隐患，极大方便了调度和监控人员对即时情况的了解和指令下达。同时司机只收到前方安全隐患的提醒信号和调度/控制中心的提醒指令，可以作出自己的判断。本系统并不设置自动刹车等自动驾驶功能，以区别有轨电车和地铁的不同，最大限度保留原汁原味的有轨电车特点——驾驶员目测驾驶。

目前全国已规划的有轨电车建设里程在2 500 km左右。根据已建成和正在建设的项目来看，专用路权和混行路权各占一半，全国约有1 250 km需要本系统或类似的系统来保驾护航。由此带来广阔的应用前景。

［1］沈海峰．城市有轨电车安全保障系统:中国，CN 203126891U［P］．2013 －08 －14．

［2］GB10494—1989，铁路区间道口信号设备技术条件［S］．