城市轨道交通工程车安全控制及运行监测系统运用研究

王成峰，卞荣俊

城市轨道交通工程车（以下简称“城轨工程车”）,主要承担城市轨道交通的车辆段（停车场）内调车、事故救援、地铁施工、线路维护和检测作业等任务,具有使用频率高,作业区域广,作业涉及部门多,正线作业时段多在夜间等特点［1］。目前,国内的城轨工程车均未安装行车安全防护设备,主要依靠乘务员经验、目视信号进行车辆运行操控；且执行正线的施工作业、线路维护和检测作业等任务时,多集中在每日0：00以后,人员精神状态对行车安全易产生严重影响。同时,随着土地资源日渐紧张,多数地铁公司采用在车辆段上加盖物业的方式（如青岛地铁2号线辽阳东路车辆段）,造成车辆段内光线暗、弯道多、立柱密集等,司机视野受限,同样影响城轨工程车的调车作业安全。因此,如何加强对工程车辆的运用和乘务人员的管理是目前亟待解决的问题。

1 城轨工程车安全控制及运行监测系统

1.1 研发背景

随着列车运行记录监控装置（LKJ）在铁路列车上的成功推广应用,其记录和分析功能已经成为确保行车安全的必要手段［2］。基于LKJ2000监控装置平台,结合城轨工程车的实际作业需求,青岛地铁集团有限公司和河南思维自动化有限公司联合开发,研制出适合工程车运用管理的新型一体化“城市轨道交通工程车安全控制及运行监测系统”（以下简称“监测系统”）,使管理人员能够全面分析和监督驾驶员的操控过程,提高工程车的安全管理水平。

1.2 系统组成

监测系统主要由车载设备、地面设备和应用软件等组成。车载设备包括运行监控设备、综合视频监控设备和车载无线通信设备［3-4］。其中,运行监控设备包括运行监控主机、屏幕显示器（DMI）、压力传感器、速度传感器、常用制动装置、定位查询主机和查询天线［5］等；综合视频监控设备包括视频主机和音视频采集设备（数字摄像机、音频采集装置等）；无线通信设备包括无线路由器、4G通信模块和接收天线等。地面设备包括地面信标、地面服务器、查询分析终端、移动终端及运行监控装置专用管理设备（如IC卡、读卡器等）。应用软件包括服务器处理软件、运行监控数据分析软件、视频分析软件和移动终端软件。监测系统组成见图1。

图1 城市轨道交通工程车安全控制及运行监测系统组成

1.3 工作原理

监测系统主要是采用无线Wi-Fi/4G公网信号,以及数传电台的组网方案,将采集的计算机联锁监控机数据（各线路上的信号机状态信息、通信注册信息等）、乘务员操作情况、城轨工程车及设备的故障情况等,传输给该系统的地面服务器。一方面,地面服务器接收到计算机联锁数据后,结合工程车所在位置,实时将前方地面信号机的编号和状态发送给车载运行监控系统,由车载运行监控系统实时更新工程车的限速值,并及时发出停车指令,避免工程车作业过程中出现冒进关闭信号机、超速行驶、挤道岔等问题［6］；另一方面,实现全程运行数据的处理分析和运行状态的实时监控,利用无线Wi-Fi/4G公网进行推送,使管理者及时掌握安全相关信息,不断提高工程车的修、管、用水平。

1.4 主要功能

1）工程车运行安全控制子系统。可以通过采集计算机联锁监控机的数据,结合工程车所在位置,实时计算生成连续式距离-速度控制曲线,在发生车辆超速、试图越过关闭的信号机等情况时,输出制动指令,实现城轨工程车安全防护［7］。同时,该子系统具备工程车运行线路数据（包括公里标、信号机、站名、曲线、坡道）显示、防冒出关闭的信号机、防超速、尽头线防护、调车控车、封锁作业控制、数据和距离误差修正、工程车定位,以及运行过程数据记录等功能。

2）工程车运行过程综合视频监测子系统。对司机操作过程进行全程录音,对司机室、前方线路、机械间、连挂车钩等进行视频监控；在线智能识别司机盹睡及非正常精神状态,一旦发现异常后及时进行报警［8］；可推送消息及图片至管理人员手机终端。该子系统可累计记录包括语音录音、司机室视频、盹睡视频、机械间视频、线路前方视频等信息长达15天,以此作为事后分析依据。

3）监控信息实时传输子系统。可以实现车地通信,将安全控制子系统的运行数据及报警信息、综合视频监控子系统的报警信息、图片及点播的视频流等,通过无线收发接口设备传输给服务器,与服务器实现双向信息交互；同时,可接收地面信号状态信息。

4）车辆段调车监控地面子系统。可以实现调车作业防错办监督预警及车地联控发车控制、图形化调车作业计划编辑及管理功能。采用基于400 MHz数字电台（或可靠性更高的物联网技术）,组建车辆段车地通信网络,实现调车作业单信息、调车控制命令信息等安全控制信息的传输,地面信标运用状态自动检测记录、图形化显示段场图等功能［9］,以及调车作业一度停车标等关键点控制。车辆段调车监控地面子系统功能见图2。

图2 车辆段调车监控地面子系统功能

5）应用分析子系统。主要用于实现对全程运行数据的处理分析及运行状态的实时监控,及时掌握运行中存在的安全隐患。其主要功能模块有：①全程运行记录数据的分析和回放；②乘务员通话记录回放；③视频回放；④视频在线点播及权限管理；⑤运行状态监控及报警；⑥运行状态报警信息实时推送,通过手机及时提醒相关值班、调度、管理人员；⑦运行数据及视频数据存储管理等。

2 系统创新点

该监测系统很好地利用了LKJ2000运行监控系统的扩展功能,在实现LKJ2000运行监控系统基本的作业四防功能基础上,结合青岛地铁实际特点,将乘务员视频监控、盹睡报警、轴温检测、工程车关键设备运行状态监测等与运行监测系统集成,并通过无线网络实现运行监控系统与地面服务器的实时通信。该系统的关键创新点体现如下。

2.1 应用创新

1）人工智能应用创新。采用图像智能识别技术,自动捕获乘务员面部特征,对乘务员盹睡等异常精神状态进行识别及报警。

2）大数据分析应用创新。通过对运行监控数据和视频监控数据进行大数据分析,查找车辆在运行中的安全隐患,规范乘务员标准化操作能力。

3）移动互联网应用创新。采用移动互联网技术,通过微信将车辆运行状态信息实时推送到管理人员手机终端,实现管理人员远程电子添乘。

4）计算机联锁信号分析和应用创新。在信号系统供应商开放计算机联锁信号的前提下,通过计算机联锁监控机的隔离串口通信模块,将计算机联锁监控数据传输给监测子系统的地面服务器,由地面服务器结合工程车所在位置,实时将前方地面信号机的编号和状态发送给车载运行监控系统,实时更新工程车的限速值,并及时发出停车指令,避免城轨工程车发生冒进关闭信号机、超速行驶、挤道岔等问题。

2.2 技术创新

1）通过采集计算机联锁监控机的数据,结合工程车所在位置,实时计算生成连续式距离-速度控制曲线,遇异常情况输出制动指令,实现城轨工程车安全防护。

2）采用无线射频技术读取信标信息,结合监控系统预存储线路数据,实现工程车精确定位。

3）采用视频压缩技术,使视频传输更高效、更清晰、更流畅。

4）采用4G无线通信技术,实现图片及视频数据和车辆实时监测信息的传输。

5）采用RSA数据加密技术,提高了信息传输的完整性和安全性。

3 应用效果

目前,城市轨道交通工程车安全控制及运行监测系统已在青岛地铁3号线上完成装车使用,实现了超速防护、信号冒进防护、车辆溜逸防护、尽头线防护、正线封锁作业控制等功能［10］。通过近3年的应用,该系统的各项功能稳定,达到了设计要求；实现了乘务员由接到作业任务到完成的全过程信息记录,为乘务员的整备、操作、呼唤、应答等作业管理标准化提供了技术支持,节约了人员管理和时间成本。目前该技术已在上海地铁、深圳地铁等进行了推广应用。

4 结论

城市轨道交通工程车安全控制及运行监测系统的开发与应用,填补了国内城市轨道交通行业工程车安全防护设备的缺失,依据“科技保安全、技术强管理”的先进理念,开创了智能化、自动化的城轨工程车运用管理新模式,在国内轨道交通行业内具有较高的推广应用价值。今后还需基于5G、人工智能、无人驾驶等前沿科技,结合城市轨道交通工程车的运用特点,进一步完善系统功能,使工程车管理完全实现信息化、网络化、自动化和智能化。