全自动驾驶列车安全防护系统的应用与研究

孙瑶 毛如香 李梁 张艳萍 邓虹辉

（中车株洲电力机车有限公司产品研发中心 湖南株洲 412001）

全自动驾驶列车是城市轨道交通现代化建设的趋势，近些年在国内轨道交通领域深受青睐，例如，北京、深圳、广州、上海、宁波、南宁等城市在新建线路时，大多选择采用全自动驾驶设计。在一些轨道交通发展成熟的城市，也正在计划或已经将既有有人驾驶的线路改造成全自动驾驶线路。截至2021年底，国内已规划及在建运营的全自动线路共计85 条，线网规模达2500km以上，其中，已开通运营的线路有30条，运营里程为728.46km。

全自动驾驶列车能够全面提高轨道交通系统的安全与效率，实现线路节能高效运行，是目前我国城市轨道交通建设的主流选择制式。全自动驾驶列车在运行控制、线路监控、乘客监控、安全监控及应急管理等方面均全权交由系统来自动执行［1］，没有司机和值守人员在车上实时监测车辆运营状态、处理车辆故障，因此，需要实时掌握车辆关键系统状态及列车运行状况，以便在遇到紧急或异常情况时能够及时将信息上传至地面控制中心（OCC）作出反应。标准IEC 62267-2009［2］《铁路应用设施—都市自动化有轨运输—安全性要求》中明确指出，在DTO以及UTO模式下，由于列车没有操作人员，应采取相关措施以降低列车与导轨上障碍物、通道上人员碰撞的风险。该标准的最新版IEC/TR 62267-2011［3］同样也对列车上没有乘务人员时可能引起的安全问题制定了处理措施。因此，全自动驾驶列车上需配置列车安全防护系统，能够及时避免运行事故，为列车安全运行提供有效手段和技术保障。

1 列车安全防护系统

列车安全防护系统种类繁多、功能复杂，例如，安装障碍物探测和脱轨检测系统来应对轨道风险；安装防撞系统，通过检测车对车或者车对地的距离，防止发生碰撞事故；安装弓网检测系统，通过对受电弓形态异常、接触网几何参数异常、弓网接触异常等进行在线动态实时监测，确保列车运营安全。

1.1 弓网监测系统

常规有人驾驶的城市轨道交通列车极少加装弓网检测设备。而对于全自动运行列车，由于车上无司机和值守人员，故需要对列车运行时的弓网状态进行全面监视和检测，一旦弓网出现异常情况，检测系统能实时报警，并及时将相关信息上传到地面OCC（运营控制中心）。同时，弓网检测系统还能对接触线的横向偏移量及导高变化量进行检测，从大数据层面分析线路趋势，为线路整体施工水平和质量提供评价依据，也为线网的周期性维护维修提供建议和数据支持。

弓网检测系统使用紫外光电传感技术、红外热成像技术、图像智能识别技术、激光三角测量技术、车底补偿技术及牵引电流实时监测技术等前沿技术，采用非接触式的检测方式，可实现对弓网动态在线实时监测［4］。表1 为弓网检测系统的各项功能，可根据具体线路需求和车辆编队数量进行功能选配。

表1 弓网检测系统功能配置

车载弓网检测系统包括车顶采集部分、车内处理部分、车底补偿定位等部分，同时，地面还配置有数据终端对车辆实时监测的数据进行分析存储。如图1所示为车载弓网检测系统结构。

图1 车载弓网检测系统结构图

车顶采集单元（如图2 所示）由高清弓网视频成像、受电弓检测模块、弓网燃弧检测模块、弓网应力检测模块、弓网温度检测模块、接触网几何参数检测模块等组成，可以将采集到的目标信息进行预处理，并将预处理结果通过以太网传输至车内处理单元。车内处理单元是整个系统的核心采集处理部分，主要用于对车顶采集单元收集到的信号进行多重调制滤波、分析计算，并将各处理模块与综合定位模块的信息数据进行实时融合，最后通过车地传输将信息发送至地面服务器。

图2 车顶采集单元

车底补偿单元由安装在列车左右两端的振动补偿装置构成。振动补偿装置采用结构光照射钢轨，面阵相机拍摄钢轨截面成像，分析车体相对于轨道的运动状态，进而补偿因车体振动导致的测量误差。

地面数据管理软件搭载运行环境为地面端服务器，实时接收车辆传输的报警数据，进行数据展示和统计。

1.2 脱轨检测系统

全自动驾驶列车必须配置脱轨检测系统，该系统与列车紧急制动环路串联，在系统检测到列车脱轨时，将自动断开紧急回路触发列车紧急制动。

列车脱轨并不是瞬时发生的，而是一段时间内一系列累积作用的动态过程。列车脱轨系数、轮重减载率、轮轨相对位移等参数在一定程度上都可以反映脱轨的趋势。当轮对相对于钢轨的位移到达一定程度时，将产生脱轨，列车脱轨时，轮对会撞击到轨道扣件或轨枕，并产生一系列有规律的振动及冲击信号。脱轨检测系统可通过分析轮轨相对位移的偏移量、车辆振动冲击信息的特征及计算脱轨系数来判断列车轮对是否发生脱轨。

目前，行业内常用的脱轨检测系统根据其检测原理，主要有接触式脱轨检测装置、非接触式脱轨检测装置、振动式脱轨检测装置及激光开关式防脱轨装置几种。

接触式脱轨检测装置主要由脱轨检测梁（梁上安装传感器及附件）、前置处理器和脱轨检测主机3部分组成。脱轨检测梁安装在车辆转向架上，当车辆发生脱轨时，检测梁下降与铁轨碰撞，梁内的传感器检测到与轨道接近从而触发脱轨报警。接触式脱轨检测传感器的碰撞检测梁重量较大，车辆运行时产生的剧烈振动可能导致检测梁断裂或脱落，而检测梁的位置由于限界原因不能设置与轨道过于接近，但若位置过高的话，又会对其检测的准确性有一定影响。

非接触式脱轨检测由脱轨检测主机、前置单元和脱轨检测探测器组成。为保证可以同时监测到前后两个轮对脱轨状况，脱轨检测探测器应布置在转向架的对角轴箱体位置，探测器内部配备感应式接近传感器，对列车运行下前方铁轨进行实时监测，列车一旦出现脱轨，探测器便将脱轨信号送给车上脱轨检测前置单元［5］。感应式传感器虽准确度高，但探测高度有限，其安装位置须在转向架簧下，故需承受强烈的轮轨冲击和振动考验。

振动式脱轨检测装置配置在列车的每根轴端，系统对同一条轴两端传感器信号同步连续采样的流式数据，采用步进式进行一次脱轨诊断，当左右轮对同时检测到连续3个强冲击的间隔与轨枕间距对应的采样点相符，便判断轮对脱轨。振动式脱轨检测系统一般与车辆走行部故障诊断系统集成在一起，可以共用走行部故障诊断系统的复合传感器，并通过复合传感器测量轮轴横向和垂向加速度信号，以此计算列车的脱轨系数，并据此判断车辆是否有脱轨趋势。与前两种脱轨检测装置相比，振动式脱轨检测系统结构更为简单、维护性更好，且基本无需增加额外设备，性价比高。

激光开关式防脱轨检测装置是行业内新兴的一种脱轨检测装置，主要由控制及分析主机、采集盒、激光开关式传感器等组成［6］。激光开关式传感器由激光发射器和激光接收器两部分组成，分别位于钢轨两外侧。传感器采用对射方式，发射器发射激光束，接收器负责接收。车辆正常运行时，发射器和接收器中间畅通无异物阻挡，二者间能够正常对射接收激光束。当轮对发生脱轨时，轨道成为阻隔打断了激光束，发射器发射的激光无法被正常接收，系统检测到轮对脱轨（如图3所示）。

图3 轮对脱轨示意图

表2所列为几种脱轨检测装置的特点对比。

表2 脱轨检测装置对比

1.3 走行部故障诊断系统

走行部是车辆的重要组成部分，其运行安全也是城铁车辆的重中之重，严重突发性的走行部故障可能引起脱轨等极端的恶性事故。因此，走行部的运行状态和安全直接关系到车辆的运行状态和安全［7］。走行部故障诊断系统能够对车轮、轴承、齿轮等关键部件的状态进行监测，对走行部运行状态予以科学评估，对走行部故障进行早期识别和预警。

系统通过在列车轮对轴箱系统设置复合传感器，实现对轮对轴箱系统的温度、振动、冲击信息等多个物理量的检测、处理，并通过基于广义共振与共振解调的故障诊断技术，实现列车走行部的状态检测、安全保障和主动运维决策等功能。走行部故障诊断系统原理图如图4所示。

图4 走行部故障诊断系统原理图

走行部故障诊断系统由走行部监测主机/从机、复合传感器、前置处理器等组成，复合传感器接入前置处理器，再接入主机/从机。

复合传感器安装在前后转向架的轴箱处及齿轮箱小齿轮传动端和电机非传动端，获取轮对轴箱系统的振动、冲击、温度3种物理量。前置处理器实现所辖测点的复合传感器网络管理、完成信号的预处理或数据采集，并与车辆主机/从机进行交互通信。

走行部监测主机/从机是实现本车辆前置处理器管理、信号采集、数据存储、诊断分析并与实现车辆间交互通信的装置。走行部监测主机设置在列车的首尾两节车上，中间车配置从机，从机通过列车网络将数据发送给头车走行部监测主机后，由主机负责对全列车信息进行综合诊断，输出列车级诊断结果。

1.4 障碍物检测

障碍物探测系统的主要功能是列车运行过程中与轨道上的异物发生碰撞或即将碰撞时自动触发列车的紧急制动功能，分为接触式障碍物探测和非接触式障碍物探测。

（1）接触式障碍物检测装置用于实时监视车辆运行状态、检测车辆碰撞障碍物能量，当列车运行过程碰撞障碍物能量超过阈值时，产生报警信号，此时，列车自动断开制动安全回路，产生紧急制动，同时，该信号经由列车控制系统上传至OCC。

系统由障碍物检测主机、障碍物检测电器盒、障碍物检测梁及配套电缆组成。障碍物检测梁（如图5 所示）为系统的传感检测执行器件，安装在车辆转向架上，当车辆碰撞到障碍物时，检测横梁带动弹簧板向后移动，传感器检测弹簧板位移量，将位移信号发生给障碍物检测电器盒。障碍物检测电器盒安装在车体下方，主要对障碍物检测梁传感器检测到的位移信号进行收集，并分析识别障碍物能量是否超过报警阈值，一旦检测到风险即刻将报警信息传给主机。障碍物检测主机安装于车内，与列车紧急制动环路串联。主机内部设置网络通信模块，实现与车辆网络通信，传递状态和故障信息给车辆进行声光报警提示。

图5 障碍物检测梁

（2）非接触式障碍物检测系统结合雷达和视觉传感器手段，通过智能算法处理和深度学习智能检测列车前方障碍物，实现对前方障碍物进行高可靠感知实时检测，并将信息实时反馈给列车和OCC，通过判断前方障碍物状态采取措施，为列车安全驾驶提供预警及报警。

非接触式障碍物检测系统包含控制主机、雷达传感器、视觉传感器等设备。

目前，成熟运用的雷达传感器主要有两种，即毫米波雷达和激光雷达。毫米波在测速、测距方面具有天然优势，具备检测精度高、回波强度准确等技术特点，且不受环境背景光和雨雪雾霾天气的干扰，但在横向目标、消除多径反射干扰方面还有待加强。激光雷达相对来说对近距离的障碍物分辨率更高，并且具有抗有源干扰能力强、体积重量小更加轻便等优点，但探测距离有限，对于颜色、图案识别能力很弱，且价格昂贵。表3所示为两者特点的对比。

表3 毫米波雷达与激光雷达特点

视觉传感器主要用于轨道区域识别和列车识别。系统通过视觉传感器采集列车轨行区的画面影像发送给主机，主机通过深度学习的人工智能算法，自动分析、自动甄别障碍物入侵限界的异常事件。轨道上的障碍物是列车行进过程中随机出现的，其形状特征无法预测，在检测窗口内，高于轨道平面的物体定义为列车行进前方的障碍物，若障碍物尺寸超限或侵入列车限界，则自动触发声光警示并将检测结果上报OCC。视觉传感器弥补了雷达传感器无法识别交通标志的缺点，而且对物体识别率更高。非接触式障碍物探测如图6所示。

图6 非接触式障碍物探测

1.5 列车防撞系统

列车防撞系统主要采用二次雷达技术对前方列车、端墙（或尽头）进行实时探测与测距。当系统检测到前方有车—车或车—地碰撞等重大安全危险隐患时，将提前预警，为列车运营提供辅助安全保障。

系统采用雷达通信应答技术与前车或端墙雷达设备实时通信，实现对前车或端墙距离的检测。

车—车之间的防撞（见图7）主要通过前后列车之间的查询—应答式测距机制来实现。后车向前车发送查询射频信号，前车接收后经信号处理与识别，若符合预设通信协议，则向后车发送应答信号；后车在接收应答信号后，根据查询—应答时间差计算追踪距离，可以在终端浏览显示。若追踪距离小于预警阈值，则发出声光报警。

图7 车-车防撞检测

车—地防撞系统主要应用于车辆在段内或库内作业时的安全防护。在列车上安装端墙防撞报警器，地面则固定应答设备，在存车线、洗车线、试车线等地面轨道终点的前方轨枕上安装地面防护信标。通过无线通信测距，实时监控车辆端墙和股道终点的距离，在低于下限时发出告警，有效防止端墙撞击。车辆端墙防撞系统适用于车辆段车库、试车线、洗车线和牵出线等，也可适用于车站存车线（见图8）。

图8 端墙防撞

2 列车安全防护系统技术特点

全自动驾驶列车安全防护系统功能全面、应用范围广，各项前沿技术的应用使其具有检测准确性高、时效性好、独立性强等优点，有力地保障了车辆运行安全。

2.1 多技术融合，检测准确性高

列车安全防护系统通过多项前沿技术融合的手段保证检测的准确可靠。例如，非接触式障碍物检测系统通过AI视觉技术和雷达技术的融合，使用多种不同的探测体制，避免单一技术体制失效可能带来的漏报警风险，充分提高了系统的安全性；弓网检测系统利用检测定位技术和振动补偿技术，可以对异常位置进行准确定位。

2.2 智能分级诊断，检测效率高

列车安全防护系统可通过各检测系统自身软件，及时对相关检测异常点进行综合质量评定、故障诊断以及指导维护。检测系统的智能缺陷识别功能能够根据当前检测的故障进行报警分级。例如，轻微故障系统将不作出反应，只是进行存储和记录；而可能影响到车辆安全运营的严重故障将通过以太网传递给TCMS系统，再由TCMS 系统将故障信息实时上传至OCC 作出反应，检测效率更高。

2.3 系统独立性强

现有的全自动驾驶列车主要依赖信号系统通过车—地—车的交互保证安全［8］，而列车安全防护系统采用自主独立的设计理念，不依赖信号控制系统信息，具备在信号控制系统故障的情况下保持独立探测、预警及防护的能力。这对于全程由信号系统控车的全自动驾驶列车来说，可以大幅降低其在信号系统突发故障下的运行风险。

2.4 配置灵活性强

列车安全防护系统的类别较多，各检测系统的功能也丰富多样，目前，多数检测系统已经模块化设计，客户可以根据工程预算及线路条件等进行个性化配置。无论是代表当前轨交发展方向的前沿技术产品，或是已经有较多应用业绩的成熟产品，均可以灵活选择。

3 列车安全防护系统发展方向

列车安全防护系统的应用对车辆运行状态、车辆关键系统及部件进行了实时高效的检测，但同时也带来了相关的问题。除增加整车购置成本以外，列车安全防护系统的应用对于车辆总体技术指标及可靠性都提出了更多挑战。

作为车辆的子系统，各类防护系统的可靠性指标与车辆整体可靠性密切相关。鉴于各类安全防护系统主要的设备组成，不外乎有数据采集、数据处理及地面分析等几大部分组成，因此，在进行整车安全防护系统的设计时，可充分利用各系统的共性技术，对系统进行集成研究，这也是合理降低车辆成本，减小车辆重量、优化设备布置空间以及提升车辆可靠性的关键。

以非接触式障碍物探测和端墙防撞系统为例，二者均有利用到二次雷达技术进行功能实现，因此，可以将二者的车内主机高度集成，集成后的车载控制主机由电源模块、雷达模块、分析模块、通讯模块、交换机模块、RFID模块及控制模块等构成。采用全插拔模块化无线缆设计，可根据需要便捷增减模块，大量的输入输出接口设计具有很强的灵活性，便于系统的安装与维护。除主机集成外，二者还可以共用视觉传感器、车载雷达天线和显示器等。集成后的系统优化了关键设备的重复配置，降低了设备故障率，减少了维护成本，提升了车辆可靠性，无论是在设备安装空间方面，还是在整车重量控制方面，抑或是车辆购置成本方面，都更加有优势。

4 结语

国内城市轨道交通正处在快速发展时期，随着各大城市运营线路的不断增长，轨道交通车辆的运营效率和安全要求也在不断提升。列车安全防护系统的应用，是全自动驾驶列车发展的必然要求，也是城市轨道交通提升安全性和可靠性的必然趋势。列车安全防护系统将向着高度自动化、智能化、集成化、模块化的方向发展，为未来真正实现城市轨道交通无人驾驶、无人监管的智能列车自动化运营网络提供支撑。