城轨车辆障碍物检测装置分析

徐首章

随着我国轨道交通事业迅速发展，轨道列车障碍物检测方法近年来也成为研究热点。尤其是地铁无人驾驶技术的快速发展，更加促进许多新技术在障碍物检测系统上的应用。本文针对目前主流应用的障碍物检测装置进行介绍，对障碍物检测系统的特征、方式、技术参数等做详细分析。

城轨车辆障碍物检测无人驾驶

引言

2011年上海地铁10号线列车运营过程中由于信号系统故障，列车切除ATP通过人工驾驶，采用电话闭塞方式列车限速运行。期间14:51分列车豫园至老西门下行区间以35Km/h的速度发生追尾，事故造成271人受伤。不仅如此，国内地铁车辆与车辆段库门碰撞事故、与线路终点止挡碰撞事故及轨道上障碍物的碰撞事故也屡见不鲜。人工驾驶容易受到工作状态、危险识别能力、个人经验等主观因素的影响，同时弯道、坡道、照明等线路环境也会对人工驾驶造成一定影响，从而引起安全风险。因此城轨车辆的障碍物检测装置成为当务之急。

在无人驾驶方面，根据自动运行城市轨道交通（AUGT）标准IEC62267的第8.5.5章节车载障碍物检测装置的规定，障碍物检测装置最迟在列车前方障碍物与该装置接触时进行探测，如发现障碍物，列车应立即施加紧急制动。同时标准中要求，发现障碍物时，应向OCC（中央控制中心）报告信息，并且只有在危险条件得到解决后才能恢复运行。目前国内外轨道车辆的障碍物检测装置主要分为接触式和非接触式两大类。

1、国内现状分析

国内首条自主研发的全自动运行地铁线路北京燕房线采用的是接触式障碍物与脱轨检测装置，通过安装于列车转向架位置的检测装置，检测轨道附近障碍物，并将威胁程度不大的障碍物清出轨道，对于威胁程度较大的障碍物，通过碰撞来触发紧急制动信号，从而保障行车安全。国内某些科技公司自主开发的接触式障碍物与脱轨检测装置，检测装置同样安装于转向架前方，当轨道上的障碍物撞击到检测横梁或列车脱轨钢轨撞击到检测横梁时，会使检测弹簧发生大的变形从而触发行程开关动作，串联到列车紧急制动回路里的行程开关使列车产生紧急制动停车，同时通过不同的行程开关的动作向列车TCMS上报事件（是障碍物还是脱轨）信息，此种方式将障碍物检测与脱轨检测集成控制，提高车辆的安全性能。

非接触式障碍物检测装置最早应用于与城市交通线路混跑的有轨电车，主要通过雷达及视频成像等技术对前方固定范围内的障碍物进行分析、处理，起到辅助司机驾驶的功能，在车辆存在冲撞风险时施加相应的安全保护措施，从而避免对人员和车辆造成伤害。由于其能够探测的距离较远，可在车辆接触到障碍物之前提前发出预警信号，因此该种方式是未来障碍物检测装置的一种趋势，但是由于该种方式为非接触直接判断障碍物，因此对设备的稳定性和安全性提出了更高的要求，目前也是各障碍物检测厂家的技术突破方向。

2、接触式障碍物检测装置

接触式的障碍物检测装置主要由检测横梁、检测板弹簧、限位轴、行程开关和接线盒等组成，障碍物检测装置安装在头车转向架构架正前方。目前多数厂家的障碍物检测装置都集成脱轨检测功能，当轨道上的障碍物撞击到检测横梁或列车脱轨钢轨撞击到检测横梁时，会使检测弹簧发生大的变形从而触发行程开关动作，串联到列车紧急制动回路里的行程开关使列车产生紧急制动停车，同时，通过不同的行程开关的动作向列车TCMS上报事件信息，即车辆出现障碍物检测还是脱轨。

为保证障碍物检测装置的稳定性，新型的障碍物检测装置将板弹簧用一个固定点（用螺栓固定）和多个限位点（用转轴限制位移或其他方式）来约束它的位移，使检测横梁在列车运行中不发生相对于转向架构架的自身振动，这样消除了误动作报警的可能，大大的提高了装置的稳定性，克服了传统的障碍物检测装置的悬臂梁弹簧带来的自身振动大、容易误动作报警的缺点，同时，由于新型障碍物检测装置消除了传统障碍物检测装置检测横梁相对于构架的侧滚和摇头振动，降低了检测梁吊座根部的振动弯矩与扭矩，也大大提高了吊座的疲劳强度。

障碍物检测装置集成的脱轨检测功能即在横梁两端增加两个电阻传感器，通过主机实时检测电阻传感器的阻值。当出现脱轨情况时，铁轨与电阻传感器接触，导致电阻传感器的阻值发生变化，通过车辆TCMS或者脱轨检测主机施加紧急制动并且上报事件。

3、非接触式障碍物检测装置

随着国内城市轨道交通行业的高速发展，接触式障碍物检测装置由于其装置本身的局限性，无法实现更高要求的障碍物检测目的，因此非接触式障碍物检测装置应运而生。国内非接触式障碍物检测装置主要采用二次雷达通信、一次雷达和图像视觉感知等技术，通过不同技术的融合实现列车防撞和障碍物检测的目的。

3.1二次雷达应用

二次雷达技术源于航天领域，能够克服外界复杂电磁环境影响，对正线和试车线上列车的速度与距离进行探测和预警，具有探测范围广、可靠性高以及全天候工作的特点。其主要用于车辆与车辆之间的通讯来实现精确测量车辆的位置距离以及实时速度的功能，为列车运行提供辅助安全保障。二次雷达技术目前已广泛应用于车辆与车辆间的防撞。

该方案采用查询-应答机制。即后车车载雷达实时向前车发送问讯信号，当前车雷达收到问讯信号后，经过信号鉴别和数据校核若符合预定通信协议，则向后车雷达发送应答信号；列车雷达设备对应答信号并进行解码；列车通过计算发送问讯信号至收到测距应答信号的时间差Δt，通过L=v*Δt/2估算车距与车速（其中v为光速，Δt为射频信号的传输时间)。列车雷达单元根据预设列车参数实时评估列车的紧急制动距离，通过显示单元实时显示前后车距离，若发现存在碰撞风险则提前发出声光示警。

3.2一次雷达应用

一次雷达技术包含激光雷达和毫米波雷达等，并且该技术已经在汽车和有轨电车领域有广泛的应用。激光雷达作为视觉感知补充手段，其受环境光源影响小，但现有激光雷达作用距离近，一般150-200米；角分辨率低，一般不低于0.1度。难以满足轨道交通远距离、小目标障碍物的探测需求；毫米波雷达作为激光雷达替代方案，受雨雾天气影响小。目前成熟的77GHz毫米波雷达探测距离可超过200米。但其角度分辨率比激光雷达更低，且其在封闭空间内的多径效应极大增加了虚警率。其缺点为发射的电磁波容易对轨道附近的近频电子设备产生干扰。

3.3图像视觉感知应用

图像视觉感知系统主要是采用工业相机，采用AI视觉及深度学习的方式，实时探测和直观显示视觉范围内前方列车画面。采用深度神经网络算法，智能实时检测限界内列车，其中流程包括智能实时识别出铁轨，障碍物特征提取，边框回归，分类器分类等。系统将检测到的前方画面显示在车载显示屏上，并且对距离小于安全阈值内的障碍物向司机提供声光报警。

系统一般配置长短焦两种不同焦距的防抖镜头，部分高配摄像头长焦镜头配备随动云台，根据短焦镜头检测的铁道线位置进行远距离随动跟踪，这样更加提高检测结果的准确性。

视觉感知具有分辨率高、细节感知能力强的优点，但受环境影响大，随着人工智能技术发展，视觉感知逐渐成为主要检测手段。现有的视觉感知系统采用全景深大范围探测方式，作用距离有限，只能拍摄到车辆运行方向可视区域内的画面，同时受外界光源影响较大，因此视觉感知系统在技术上还有很大的发展前景。

4、结语

由于国内轨道交通事业的高速发展，目前国内多个城市已经开通无人驾驶轨道交通线路，并且随着科技的进步，无人驾驶技术更加完善，处于建设或者规划阶段的无人驾驶线路也逐渐增多。参照标准IEC62267，无人驾驶车辆必须具备障碍物检测功能。由于障碍物检测系统技术特点的多样性，越来越多的城轨项目采用多种技术复合的障碍物检测装置。相信随着新线路的不断开通、各个主机厂的统型和轨道车辆标准的不断完善，障碍物检测系统会拥有更加完善的系统方案。

参考文献

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