现代有轨电车辅助驾驶系统应用研究

刘家栋，杨 颖，高 锋，孙 瑶

（1. 中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412005；2. 墨西哥铁路工程技术有限责任公司，墨西哥墨西哥城）

截至2021年6月底，中国内地包括北京、广州、沈阳、武汉、深圳等20个城市的现代有轨电车已投入运营，共计36条线路，总运营里程480.842 km[1]。但现代有轨电车驾驶模式多采用目视人工驾驶，自动化程度较低，其运营安全受司机精神状态及外界因素影响较大[2]。据统计，天津现代有轨电车运营安全事故中，司机责任事故占比34.6%，成为引发安全事故的第一大因素[3]。为此开发一种适用于现代有轨电车的安全辅助驾驶系统，辅助司机进行驾驶，可减少因司机主观因素造成的交通事故，进而提高现代有轨电车的运营安全性。

1 现代有轨电车运营特点

1.1 信号优先

依据现代有轨电车与社会车辆行驶时车道占用关系，现代有轨电车的路权形式可分为独立路权、半独立路权和混合路权[4]。独立路权是指现代有轨电车与社会车辆线路完全隔离；半独立路权指现代有轨电车与社会车辆线路之间用隔离栅、水泥凸台等物理设施完全隔离，但在交叉路口存在混行；混和路权是指两者线路之间以道路交通标线形式进行隔离，轨行区和交叉路口均存在混行情况[5-6]。

我国现代有轨电车线路多数依托既有道路进行改造建设，已运营的线路90%以上采用半独立路权。由于和社会车辆在道路交叉口存在混行，为保证现代有轨电车的行车安全及系统的准点率，多采用现代有轨电车路口信号优先的方式。T/CAMET 07004-2018《现代有轨电车信号系统通用技术条件》中也建议采用有轨电车信号优先的原则[7]。如沈阳浑南、苏州高新区、淮安等地采用绝对优先权限，即通过现代有轨电车内置道路信号灯控制系统，当车辆距离路口一定距离时，车内控制系统对路口的智能信号灯发出控制指令，现代有轨电车通行方向上的红灯就会变为绿灯，保证了现代有轨电车优先通行。武汉光谷、广州黄埔等线路部分路口采用相对优先权，即根据平交路口的交通状况决定现代有轨电车通行的优先等级。

1.2 人工驾驶

地铁车辆一般采用列车自动驾驶系统（ATO）驾驶模式，既可以减轻作业人员劳动强度，又提高了行车的安全性。但现代有轨电车交通系统因设计理念、规划布局、成本造价等因素的制约，信号控制系统自动化、智能化程度相对较低，无法采用轨道交通信号系统的闭塞控制，多采用目视人工驾驶。2019年11月，中国城市轨道交通协会发布的团体标准《现代有轨电车司机辅助功能规范》征求意见稿中要求，现代有轨电车可实现司机疲劳驾驶、不规范驾驶等行为的自动监视及报警功能，及基于摄像头、雷达等多传感器的轨行区障碍物探测报警功能，并且可实现自动驾驶功能，从标准规范层面推动现代有轨电车辅助驾驶功能的发展[8]。

2 辅助驾驶系统发展及功能配置

辅助驾驶系统主要目的是提高车辆行驶的安全性，减少安全事故，通过安装在车辆上的传感器及监控设备监视司机状态、车辆及道路状况等信息，并为司机提供预警信号，可在一定的条件下对车辆实施控制。事实上，司机辅助驾驶系统的最终目的是可以实现现代有轨电车的自动驾驶。

2.1 欧洲辅助驾驶系统发展

德国运输公司协会（VDV）在其2019年8月份的立场文件《Operation of Autonomous Tramways》中指出自 2013年以来，汽车领域的传感器首次安装在现代有轨电车上用于检测轨道上的障碍物，自从这项开创性测试以来，现代有轨电车的辅助系统进入快速发展时期[9]。

2015年7月，庞巴迪和奥地利技术学院（AIT）以及法兰克福有轨电车运营公司（VGF）合作开发的司机辅助驾驶系统（DAS）获得了德国客运服务的认证。2015年8月，VGF将该系统装在了已运行的S型有轨电车上[10]。西门子在2018年InnoTrans上展示的司机辅助驾驶系统，已经具备有司机值守的自动驾驶功能；同样泰雷兹也和德国卡尔斯鲁厄市的有轨电车运营商联合开发辅助驾驶系统，在车场调度运用成功后，将用于正线运营[11]；其他的有轨电车制造商Alstom，CAF，Newag等均在开发自主的辅助驾驶系统。当前欧洲正在实现现代有轨电车司机辅助驾驶向自动驾驶升级。

2.2 国内辅助驾驶系统发展

辅助驾驶系统在城市公共交通和干线铁路上已经成熟运用。如北京公交集团为进一步增强安全运营保障水平，2019年起将辅助驾驶系统纳入新车采购的标准配置，主要功能包括司机疲劳探测、车辆偏离预警与保持、车辆周围障碍物检测、车辆运动控制与通讯等。同样干线机车的安全防护系统（6A系统）中的自动视频监控及记录子系统（AVDR）的视频监控设备，可以对司机在值乘当中标准化作业执行不到位、精力不集中、瞌睡、间断瞭望等违章行为通过网络或电话形式及时给予提醒纠偏，避免列车发生冒进信号、冲动冲撞，甚至撞人等事故[12]。

现代有轨电车的运行环境相对于公共汽车而言，运行轨迹固定，运行环境更加简单，笔者认为现代有轨电车的辅助驾驶系统可以借鉴公共汽车的辅助驾驶系统。国内现代有轨电车未批量装备辅助驾驶系统，直接从人工目视驾驶跨越到自动驾驶。如2020年底具有自动驾驶功能的淮安现代有轨电车在正线试验段运行并通过专家评审。此外，国内唯一采用独立路权的佛山南海新交通试验段的车辆装备了列车自动控制系统（ATC），基本可以实现现代有轨电车的自动驾驶[13]。

采用独立路权的现代有轨电车线路完全可以参照地铁的运营模式，采用ATC，甚至是ATO的模式运行。但是国内绝大部分现代有轨电车线路为半独立路权，相对于自动驾驶，采用司机辅助驾驶系统是经济合算的运营模式。

2.3 辅助驾驶系统功能配置

通过对现代有轨电车运行环境及驾驶模式调研，结合既有公共交通辅助驾驶系统的功能应用，现代有轨电车辅助驾驶系统的基础构架包括数据感知层、系统分析层和地面应用层。通过车载数据感知层采集实时视频数据，系统分析层进行分析整合后，对异常情况进行声光及振动警报，同时司机室人机界面（HMI）直观显示警示信息，提醒司机处理，并将现场的视频、图片及报警信息等证据回传到运营控制中心（OCC）。在地面应用层对列车前方异物信息、司机驾驶行为和行车报警信息进行分类集中管理。

辅助驾驶系统主要车载设备包括行为识别传感器、双目视觉传感器、障碍物探测装置和车载控制主机等，其拓扑结构如图1所示。

行为识别传感器安装在司机室操作台上对着司机，让司机面部处于图像正中间，采用红外高清摄像机，可在司机佩戴帽子、眼镜、墨镜情况下采集司机闭眼、打哈欠等视频画面。手势识别传感器安装在司机右后方墙壁上，离地高度150～160 cm，采用红外高清摄像机，用于识别司机在驾车行驶过程中的各种手势动作。

双目视觉传感器模拟人类视觉原理，使用计算机被动感知距离的方法，从2个或者多个点观察物体，获取在不同视角下的图像，根据图像之间像素的匹配关系，通过三角测量原理计算出像素之间的偏移来获取物体的三维信息，从而实现列车运行前方三维物体识别。障碍物探测装置安装在司机室外部，用于感知列车前进方向障碍物情况，防止主动碰撞的发生。

行人保护装置安装在车辆底部，用于阻止行人或较大异物从车辆两侧滚入车底，造成二次伤害及引起车辆脱轨事故的发生。

3 辅助驾驶系统的功能应用

现代有轨电车的辅助驾驶系统主要包含司机身份识别、司机状态监测、操作手势语监测、主动防撞及行人防护等功能，其中主动防撞和操作手语监测为核心功能。

3.1 司机身份识别

现代有轨电车传统司机身份识别方式是通过纸质或图表文件进行录入对比，不可避免会受到司机换班、调休等因素影响，而辅助驾驶系统则可根据每个车次号的值班安排自动识别。

司机上车后，安装在操作台的行为识别传感器会自动识别司机身份，如图2所示。系统识别人员信息后，会将其与已知数据库图像集中的人脸图像进行比较分析，自动判别身份是否合法，如识别到非许可的人员在驾驶位时，将识别信息和驾驶操作监控一起回传到OCC，进行报警及数据备份；如为合法司机，系统根据识别结果生成司机基本信息，并作为司机在岗时间起点，同时系统将司机离开座位作为司机离岗时间终点，计算并存储司机的在岗时间，可作为司机出勤时间考核管理的主要依据。

图2 身份识别效果示意图

3.2 司机状态监测

司机室激活后系统立即启动司机状态监测，主要通过行为识别传感器进行司机面部定位与跟踪、嘴唇与眼睛定位、嘴唇与眼睛特征向量提取以及疲劳状态识别。司机疲劳行为包含但不限于以下行为：①闭眼驾驶：眼睛闭合，或眼睛缓慢闭合过程；②打哈欠：疲劳时嘴部慢慢张大过程；③瞌睡点头：头部点头由慢至快的过程等。疲劳特征判定依据为系统大量学习疲劳视频后根据司机面部特征的综合判断，当司机疲劳特征达到所学习生理疲劳相似度80%以上时，均判定为疲劳状态。

司机异常行为包含以下行为：①抽烟及接打电话；②视野偏离：即司机在行车过程中长时间视线不在轨道前方，存在低头写字、玩手机等情况；③面部遮挡：即在行车过程中无法看到司机眼部或嘴部。

辅助驾驶系统司机异常行为监测效果如图3所示，当系统监测到司机疲劳驾驶或者出现异常行为，会立即通过人机交互单元进行声光警示或者通过司机穿戴设备进行动作警示，提醒司机正常驾驶，避免因驾驶过程中非规范行为带来安全事故。

图3 异常行为监测效果示意图

3.3 操作手势语监测

现代有轨电车司机在正线行车途中，途径站台停车、发车、信号机进路标识、人行过轨及平交路口时需执行标准作业手势语，以保障列车行车安全。系统通过手势识别传感器对通过上述场景时司机操作手势进行有效识别，并对比已预植在系统中的标准操作手势语图像数据。系统发现司机手势语执行异常时通过人机交互单元进行语言警示，并将警示信息及视频数据发送到 OCC。

3.4 主动防撞

对于距离的测量有多种技术可以实现，比较常用的为摄像视频成像测距和毫米波雷达测距。相比于摄像头视频成像，毫米波雷达对前方障碍物的测距测速精度较高，穿透力强，不易受天气环境的影响，但原始信号中包含的大量噪声杂波信号导致其目标误判率和目标跟踪丢失率较高，也无法对目标进行正确的分类。相比于毫米雷达传感器，摄像头视频成像通过先进的图像处理技术可获得对障碍物信息完整的观测，包括对障碍物的类型、大小和位置做出相对准确的判断，但其极易受天气、环境、光照条件的影响[5]。

为保证障碍物探测的准确性，建议采用决策级信息融合技术，如图4所示。毫米波雷达和摄像视频成像传感器在分别对自己原始数据进行处理后获得决策目标信息，融合中心对这些决策信息融合分析，如确定障碍物存在，将在HMI上标定异物并发出预警信号提醒司机，以保障车辆行车安全。

图4 信息融合分析

3.5 行人保护

行人保护主要防止跌倒于轨道表面行人或者较大物体滚入车底，避免其遭受车轮二次碾压及引起车辆脱轨，对路面行人及行车安全提供有效的保护，避免重大伤亡事故发生。在车辆底架两侧分别安装感应开关和保护装置，一旦有行人或者较大物体侵入车底，感应开关感知异物侵入并立即启动保护装置，以及在HMI上向司机预警。如感应开关感知异物侵入车辆底部而保护装置没有动作，司机可在司机室启动保护装置，同样，当危险解除后司机可在司机室手动复位保护装置。

3.6 车辆设备状态监测

车载控制主机连接TCMS系统，实时采集牵引系统、制动系统等关键系统运行事件和故障数据，一旦关键系统出现故障后及时对司机进行提醒警示，并上传OCC，由地面工作人员指导司机进行简单故障排除操作，用以保障车辆行车及乘客安全。

4 结语

辅助驾驶系统通过对司机行车全过程监测及对路面环境监测，使列车运行实现了由单纯的“人控”转变为“机控”，有效减少司机主观因素产生的交通事故，更好地保护司机和道路环境中行人的安全,提升了运行安全性指标和运营水平。

目前辅助驾驶系统仍处于推广阶段，广州海珠现代有轨电车项目于2017年进行装车试用并取得不错的效果，降低了司机劳动强度，提高车辆运行效率等[15]，但也存在误报及司机状态监测不精准等问题。辅助驾驶系统还处于发展阶段，其稳定性、障碍物识别能力等仍有较大优化改进空间[16-20]。近年来国内新招标的嘉兴、丽江、黄石等现代有轨电车项目均明确要求配置辅助驾驶系统，笔者认为将来现代有轨电车的辅助驾驶系统将成为必不可少的辅助驾驶工具。