地鐵工程車主要用于城市軌道交通車輛段場調(diào)車作業(yè)、線路施工和養(yǎng)護(hù)、正線突發(fā)事故救援等工作。目前，地鐵工程車未安裝行車監(jiān)控防護(hù)設(shè)備，作業(yè)時(shí)主要依靠乘務(wù)員經(jīng)驗(yàn)、目視信號等操控車輛。由于地鐵段場內(nèi)股道和道岔較多、平行作業(yè)場景復(fù)雜、調(diào)車作業(yè)內(nèi)容繁多，極易發(fā)生冒進(jìn)信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等安全事故。隨著上海地鐵線路不斷延伸，工程車作業(yè)量不斷增加，通過智能技防設(shè)備提高地鐵工程車監(jiān)控防護(hù)能力，通過信息化手段提高工程車作業(yè)和維護(hù)管理能力的需求越來越迫切。從 2018 年開始，上海地鐵開展地鐵工程車智能安全監(jiān)控技術(shù)研究，設(shè)計(jì)完成了適用于地鐵工程車的智能安全監(jiān)控 (intelligent safety monitoring， ISM) 系統(tǒng)，并對系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　1 系統(tǒng)需求

　　通過梳理地鐵工程車作業(yè)場景，確定 ISM 系統(tǒng)需求如下。(1) 解決司機(jī)在霧天、雨天、強(qiáng)光等瞭望條件惡劣情況下，識別地面信號困難，工程車在運(yùn)行過程中因人為因素造成的冒進(jìn)信號、超速運(yùn)行、擠岔，以及在正線作業(yè)過程中出現(xiàn)的非法越出規(guī)定作業(yè)區(qū)域等安全問題。(2) 解決作業(yè)單人工傳送、工程車司機(jī)因不熟悉站場環(huán)境導(dǎo)致的作業(yè)效率低下問題。(3) 解決工程車在運(yùn)行作業(yè)過程中因無運(yùn)行狀態(tài)和音視頻信息記錄，事故原因分析困難、責(zé)任不清，工程車作業(yè)管理制度和崗位作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行缺乏有效監(jiān)督手段的問題。根據(jù)以上需求，ISM 系統(tǒng)采用運(yùn)行防護(hù)、視頻監(jiān)視和視頻智能分析技術(shù)，建立各平臺之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)與異常情況的自動識別、報(bào)警與防護(hù)。并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化現(xiàn)行管理制度與規(guī)定，在確保段場行車與人員安全的前提下，提高地鐵段場作業(yè)效率和資源利用率。

　　2 系統(tǒng)組成和工作原理

　　2.1 系統(tǒng)組成 ISM 系統(tǒng)對工程車位置、速度等運(yùn)行狀態(tài)和司機(jī)身份、離崗、疲勞等駕駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合工程車規(guī)定作業(yè)區(qū)域、規(guī)定限速、線路信號等條件，通過智能化算法，實(shí)時(shí)進(jìn)行安全防護(hù)控制計(jì)算，輸出制動控制指令，確保工程車作業(yè)安全。系統(tǒng)功能需多個(gè)設(shè)備協(xié)同實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備功能，將系統(tǒng)劃分為運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)和車地?zé)o線通信子系統(tǒng)等 4 部分。ISM 系統(tǒng)各子系統(tǒng)主要功能和關(guān)系如圖 1 所示。

　　(1) 運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)是 ISM 系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。運(yùn)行防護(hù)裝置是核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)控制計(jì)算和制動控制等核心功能。安全防護(hù)控制計(jì)算的部分重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要通過 ISM 系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)獲取。運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工程車制動管壓力和速度信號監(jiān)測、工程車運(yùn)行狀態(tài)顯示和記錄、車載運(yùn)行防護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視、報(bào)警提示等功能。由運(yùn)行防護(hù)裝置、運(yùn)行監(jiān)控顯示屏、速度傳感器、壓力傳感器、制動機(jī)構(gòu)接口、工況手柄接口、地面服務(wù)器集群和用戶終端等組成。

　　(2) 視頻子系統(tǒng)是 ISM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車鉤、前端路況、司機(jī)室等行車情況監(jiān)視和司機(jī)狀態(tài)檢測的設(shè)備。該子系統(tǒng)采用智能分析技術(shù)對司機(jī)疲勞、離崗等違規(guī)事件和司機(jī)身份進(jìn)行識別。由視頻分析儀、視頻錄像機(jī)、視頻顯示屏、攝像機(jī)、3 層交換機(jī)和流媒體服務(wù)器等組成。

　　2.2 系統(tǒng)工作原理 ISM 系統(tǒng)是輔助司機(jī)實(shí)現(xiàn)工程車監(jiān)控防護(hù)的重要裝置，對冒進(jìn)信號、超速運(yùn)行、司機(jī)疲勞和離崗等危險(xiǎn)和違章行為進(jìn)行自動識別、報(bào)警與安全防護(hù)。除需要系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備相互配合外，ISM 系統(tǒng)還需和外部設(shè)備平臺對接方能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。ISM 系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程及外部接口關(guān)系如圖 3 所示。 ISM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要從外部信號系統(tǒng)、施工管理平臺和工況手柄接口，分別獲取線路信號、作業(yè)單信息和向前/向后信息，作為運(yùn)行防護(hù)計(jì)算的限制條件。通過外部制動機(jī)構(gòu)接口，執(zhí)行運(yùn)行防護(hù)控制命令。

　　(1) 車地?zé)o線通信子系統(tǒng)是車地信息交互的通道，采用 Wi-Fi/4G 雙冗余車地通信。Wi-Fi 使用上海地鐵既有移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) (MMIS)，在工程車上加裝 MMIS 天線，軌旁基站采用既有 MMIS 基站。ISM 系統(tǒng)兼容 4G 模塊，采用 4G 專用隧道技術(shù)作為冗余傳輸通道，增強(qiáng) ISM 系統(tǒng)適用性。

　　(2) 定位子系統(tǒng)車載 RFID 閱讀器和天線讀取地面 RFID 標(biāo)簽內(nèi)預(yù)先寫入的位置信息參數(shù)，完成工程車固定點(diǎn)定位，并將固定點(diǎn)位置信息發(fā)送給運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)的運(yùn)行防護(hù)裝置。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　ISM 系統(tǒng)除運(yùn)行防護(hù)裝置外，大多采用既有成熟應(yīng)用的設(shè)備和接口。運(yùn)行防護(hù)裝置負(fù)責(zé)工程車運(yùn)行防護(hù)計(jì)算和制動控制，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。

　　3.1 運(yùn)行防護(hù)裝置算法為保證 ISM 系統(tǒng)的可靠性和安全性，運(yùn)行防護(hù)裝置采用鐵路干線機(jī)車廣泛應(yīng)用的列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置 (LKJ) 核心防護(hù)控制算法。LKJ 可以協(xié)助駕駛?cè)藛T，預(yù)防鐵路干線機(jī)車正線運(yùn)行“二冒一超”事故的發(fā)生，其算法滿足工程車核心防護(hù)需求[1]。因此，以 LKJ 為基礎(chǔ)，根據(jù)地鐵工程車特性和需求，研制開發(fā) ISM 系統(tǒng)運(yùn)行防護(hù)裝置。

　　3.2 運(yùn)行防護(hù)裝置功能和結(jié)構(gòu)鐵路干線機(jī)車 LKJ 與 ISM 系統(tǒng)運(yùn)行防護(hù)裝置對比見表 1。

　　LKJ 在鐵路干線中僅負(fù)責(zé)正線安全防護(hù)控制計(jì)算。在只安裝 LKJ 的情況下，鐵路干線機(jī)車在段場調(diào)車作業(yè)的安全卡控，主要依靠調(diào)車員與乘務(wù)員瞭望辨認(rèn)地面信號開展防護(hù)。另設(shè) STP 系統(tǒng)與 LKJ 配合，才能實(shí)現(xiàn)鐵路干線段場內(nèi)調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)[2]。STP 車載設(shè)備接收段場信號開放條件、控制距離等命令，運(yùn)算出相應(yīng)的控制指令，通過 LKJ 控制機(jī)車速度及停車距離[3-4]。鐵路干線機(jī)車 LKJ 的車地?zé)o線通信也通過 STP 數(shù)字電臺模塊實(shí)現(xiàn)。

　　4 工作模式

　　4.1 正常模式在正常工作模式下，車載運(yùn)行防護(hù)裝置通過車地?zé)o線通信接收從信號系統(tǒng)獲取的地面信號信息，根據(jù)線路實(shí)際信號狀態(tài)和進(jìn)路開放情況進(jìn)行安全防護(hù)控制計(jì)算，實(shí)現(xiàn)工程車“二冒一超”安全防護(hù)。

　　4.2 降級模式信號或作業(yè)單等信息因系統(tǒng)故障無法上車時(shí)，車載運(yùn)行防護(hù)裝置進(jìn)行運(yùn)行防護(hù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，運(yùn)行防護(hù)功能無法發(fā)揮。為了使系統(tǒng)更具實(shí)用性，防護(hù)功能更可靠，ISM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在出現(xiàn)以下故障時(shí)的降級方案。

　　5 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　(1) 高度集成。在結(jié)構(gòu)上，ISM 系統(tǒng)車載設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜形式，集成 3 層交換機(jī)、運(yùn)行防護(hù)裝置、視頻錄像機(jī)和視頻分析儀等設(shè)備，形成高度集成，并能根據(jù)不同客戶需求自由配置車載系統(tǒng)。在功能上，1 臺 ISM 系統(tǒng)運(yùn)行防護(hù)裝置設(shè)備便集成了干線鐵路 LKJ 正線防護(hù)功能、STP 段場防護(hù)功能和無線通信功能。運(yùn)行防護(hù)裝置和視頻分析系統(tǒng)形成聯(lián)動，視頻子系統(tǒng)將識別的司機(jī)駕駛狀態(tài)和身份信息發(fā)送給運(yùn)行防護(hù)裝置，經(jīng)計(jì)算處理后，在運(yùn)行監(jiān)控顯示屏上報(bào)警提示，減少司機(jī)人為疏忽造成的事故，防止非規(guī)定駕駛?cè)藛T動車。ISM 系統(tǒng)地面僅采用 1 套集成設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對上海地鐵全網(wǎng)工程車的智能安全監(jiān)控。

　　(2) 資源利用率高。車地?zé)o線通信子系統(tǒng)復(fù)用上海地鐵既有專用 MMIS 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，充分利用既有資源;定位子系統(tǒng) RFID 標(biāo)簽全部新增鋪設(shè)，設(shè)計(jì)標(biāo)簽布置位置時(shí)同時(shí)考慮地鐵網(wǎng)絡(luò)其他業(yè)務(wù)的定位需求，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一定位。

　　(3) 可靠性高。ISM 系統(tǒng)運(yùn)行防護(hù)裝置安全防護(hù)控制算法沿用鐵路干線成熟應(yīng)用的 LKJ 核心算法，考慮了車地通信和信號接口等故障后的降級工作模式。

　　6 系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用

　　6.1 試點(diǎn)搭建上海地鐵 ISM 系統(tǒng)試點(diǎn)按照系統(tǒng)組成布置設(shè)備。試驗(yàn)過程中為了不影響地鐵正線列車載客運(yùn)營，試點(diǎn)線路范圍僅限于川楊河基地。在試驗(yàn)過程中，將基地部分段場線路定義為正線線路，完成段場和正線的系統(tǒng)功能驗(yàn)證。

　　(1) 127 號和 138 號工程車上各安裝 1 套 ISM 系統(tǒng)車載設(shè)備。

　　(2) 在 13 號線川楊河基地試點(diǎn)線路上可能調(diào)頭的位置，在信號機(jī)前設(shè)置 RFID 標(biāo)簽。線路包含整體道床和碎石道床。線路上安裝的 RFID 標(biāo)簽如圖 5 所示。

　　6.2 運(yùn)行效果(1) 在線路信號上車顯示試驗(yàn)中，運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)地面服務(wù)器集群從信號系統(tǒng)獲取信號信息，通過無線通信子系統(tǒng)發(fā)送給車載運(yùn)行防護(hù)裝置。運(yùn)行防護(hù)裝置轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)信號狀態(tài)，通過運(yùn)行監(jiān)控顯示屏顯示。經(jīng)驗(yàn)證，屏幕上顯示的信號信息與線路實(shí)際信號狀態(tài)一致。在偶遇的雨天應(yīng)用場景中，司機(jī)識別地面信號困難，通過查看運(yùn)行監(jiān)控顯示屏上顯示的信號狀態(tài)，解決了地面信號瞭望困難的問題。

　　(2) 在作業(yè)單上車顯示試驗(yàn)中，運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)服務(wù)器集群從施工管理平臺或 DCC 備用作業(yè)編制終端收取作業(yè)單。作業(yè)單通過無線通信傳輸通道，發(fā)送給運(yùn)行防護(hù)裝置，然后轉(zhuǎn)發(fā)到運(yùn)行監(jiān)控顯示屏顯示和確認(rèn)。運(yùn)行監(jiān)控車載顯示屏顯示的作業(yè)單如圖 6 所示。

　　7 結(jié)語

　　ISM 系統(tǒng)于 2020 年 7 月在上海地鐵 127 號和 138 號工程車上完成試驗(yàn)驗(yàn)證。核心設(shè)備采用既有廣泛運(yùn)用的成熟設(shè)備和技術(shù)，結(jié)合地鐵工程車實(shí)際運(yùn)用需求，進(jìn)行集成和創(chuàng)新。由于利用部分上海地鐵現(xiàn)有資源，避免了資源浪費(fèi)，提高了資源利用率。在試點(diǎn)應(yīng)用中，通過集裝 ISM 系統(tǒng)技防設(shè)備，工程車監(jiān)控防護(hù)能力、作業(yè)和維護(hù)管理能力得到提高，為 ISM 系統(tǒng)在上海地鐵工程車的工程化應(yīng)用和推廣打下基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　《地鐵工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用》來源：《鐵道技術(shù)監(jiān)督》，作者：解 熙，金碧筠