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、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)控防護設(shè)備，作業(yè)時主要依靠乘務(wù)員經(jīng)驗、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)控防護能力，通過信息化手段提高工程車作業(yè)和維護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)功能進行了驗證。

　　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) 解決司機在霧天、雨天、強光等瞭望條件惡劣情況下，識別地面信號困難，工程車在運行過程中因人為因素造成的冒進信號、超速運行、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) 解決工程車在運行作業(yè)過程中因無運行狀態(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)采用運行防護、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，實現(xiàn)危險與異常情況的自動識別、報警與防護。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、速度等運行狀態(tài)和司機身份、離崗、疲勞等駕駛狀態(tài)進行實時監(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，實時進行安全防護控制計算，輸出制動控制指令，確保工程車作業(yè)安全。系統(tǒng)功能需多個設(shè)備協(xié)同實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備功能，將系統(tǒng)劃分為運行監(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) 運行監(jiān)控子系統(tǒng)是 ISM 系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。運行防護裝置是核心設(shè)備，實現(xiàn)安全防護控制計算和制動控制等核心功能。安全防護控制計算的部分重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要通過 ISM 系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)獲取。運行監(jiān)控子系統(tǒng)可實現(xiàn)工程車制動管壓力和速度信號監(jiān)測、工程車運行狀態(tài)顯示和記錄、車載運行防護數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視、報警提示等功能。由運行防護裝置、運行監(jiān)控顯示屏、速度傳感器、壓力傳感器、制動機構(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)實現(xiàn)車鉤、前端路況、司機室等行車情況監(jiān)視和司機狀態(tài)檢測的設(shè)備。該子系統(tǒng)采用智能分析技術(shù)對司機疲勞、離崗等違規(guī)事件和司機身份進行識別。由視頻分析儀、視頻錄像機、視頻顯示屏、攝像機、3 層交換機和流媒體服務(wù)器等組成。

　　2.2 系統(tǒng)工作原理 ISM 系統(tǒng)是輔助司機實現(xiàn)工程車監(jiān)控防護的重要裝置，對冒進信號、超速運行、司機疲勞和離崗等危險和違章行為進行自動識別、報警與安全防護。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，作為運行防護計算的限制條件。通過外部制動機構(gòu)接口，執(zhí)行運行防護控制命令。

　　(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 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)，完成工程車固定點定位，并將固定點位置信息發(fā)送給運行監(jiān)控子系統(tǒng)的運行防護裝置。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計

　　ISM 系統(tǒng)除運行防護裝置外，大多采用既有成熟應(yīng)用的設(shè)備和接口。運行防護裝置負(fù)責(zé)工程車運行防護計算和制動控制，是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心。

　　3.1 運行防護裝置算法為保證 ISM 系統(tǒng)的可靠性和安全性，運行防護裝置采用鐵路干線機車廣泛應(yīng)用的列車運行監(jiān)控記錄裝置 (LKJ) 核心防護控制算法。LKJ 可以協(xié)助駕駛?cè)藛T，預(yù)防鐵路干線機車正線運行“二冒一超”事故的發(fā)生，其算法滿足工程車核心防護需求[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)運行防護裝置。

　　3.2 運行防護裝置功能和結(jié)構(gòu)鐵路干線機車 LKJ 與 ISM 系統(tǒng)運行防護裝置對比見表 1。

　　LKJ 在鐵路干線中僅負(fù)責(zé)正線安全防護控制計算。在只安裝 LKJ 的情況下，鐵路干線機車在段場調(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。另設(shè) STP 系統(tǒng)與 LKJ 配合，才能實現(xiàn)鐵路干線段場內(nèi)調(diào)車作業(yè)的安全防護[2]。STP 車載設(shè)備接收段場信號開放條件、控制距離等命令，運算出相應(yīng)的控制指令，通過 LKJ 控制機車速度及停車距離[3-4]。鐵路干線機車 LKJ 的車地?zé)o線通信也通過 STP 數(shù)字電臺模塊實現(xiàn)。

　　4 工作模式

　　4.1 正常模式在正常工作模式下，車載運行防護裝置通過車地?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)線路實際信號狀態(tài)和進路開放情況進行安全防護控制計算，實現(xiàn)工程車“二冒一超”安全防護。

　　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，車載運行防護裝置進行運行防護計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，運行防護功能無法發(fā)揮。為了使系統(tǒng)更具實用性，防護功能更可靠，ISM 系統(tǒng)設(shè)計了在出現(xiàn)以下故障時的降級方案。

　　5 系統(tǒng)特點

　　(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)機柜形式，集成 3 層交換機、運行防護裝置、視頻錄像機和視頻分析儀等設(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)運行防護裝置設(shè)備便集成了干線鐵路 LKJ 正線防護功能、STP 段場防護功能和無線通信功能。運行防護裝置和視頻分析系統(tǒng)形成聯(lián)動，視頻子系統(tǒng)將識別的司機駕駛狀態(tài)和身份信息發(fā)送給運行防護裝置，經(jīng)計算處理后，在運行監(jiān)控顯示屏上報警提示，減少司機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)計標(biāo)簽布置位置時同時考慮地鐵網(wǎng)絡(luò)其他業(yè)務(wù)的定位需求，實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一定位。

　　(3) 可靠性高。ISM 系統(tǒng)運行防護裝置安全防護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)試點應(yīng)用

　　6.1 試點搭建上海地鐵 ISM 系統(tǒng)試點按照系統(tǒng)組成布置設(shè)備。試驗過程中為了不影響地鐵正線列車載客運營，試點線路范圍僅限于川楊河基地。在試驗過程中，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線路上可能調(diào)頭的位置，在信號機前設(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 運行效果(1) 在線路信號上車顯示試驗中，運行監(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)送給車載運行防護裝置。運行防護裝置轉(zhuǎn)發(fā)實時信號狀態(tài)，通過運行監(jiān)控顯示屏顯示。經(jīng)驗證，屏幕上顯示的信號信息與線路實際信號狀態(tài)一致。在偶遇的雨天應(yīng)用場景中，司機識別地面信號困難，通過查看運行監(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)單上車顯示試驗中，運行監(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)送給運行防護裝置，然后轉(zhuǎn)發(fā)到運行監(jiān)控顯示屏顯示和確認(rèn)。運行監(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驗證。核心設(shè)備采用既有廣泛運用的成熟設(shè)備和技術(shù)，結(jié)合地鐵工程車實際運用需求，進行集成和創(chuàng)新。由于利用部分上海地鐵現(xiàn)有資源，避免了資源浪費，提高了資源利用率。在試點應(yīng)用中，通過集裝 ISM 系統(tǒng)技防設(shè)備，工程車監(jiān)控防護能力、作業(yè)和維護管理能力得到提高，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

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