基于激光技术的车辆基地列车动车预警系统设计_沈豪.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-03-21 修回日期:2022-05-27 作者简介:沈豪，男，高级工程师，从事城轨交通运营安全管理研究， 引用格式:沈豪.基于激光技术的车辆基地列车动车预警系统设计J.都市快轨交通，2023，36(3)：48-53.SHEN Hao.Using laser technology to design a train early warning system in depotJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):48-53.48 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 快轨论坛doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.008 基于激光技术的车辆基地列车动车预警系统设计 沈 豪（申通庞巴迪(上海)轨道交通车辆维修有限公司，上海 201206）摘 要:在既有以人控为主的管理机制下，由于地铁车辆基地内检修库、运用库为半开放式区域，人员进出和列车出入库较为频繁，故存在人车冲突的安全隐患。通过对车辆基地检修库、运用库的股道列位设置以及列车运用场景进行分析，提出一种基于激光的车辆基地列车动车预警系统设计方案。该系统以激光测距技术为基础，测量出列车运动过程中的不同距离信息，通过计算机技术的逻辑处理后，分析出列车的不同运动情形，实现列车动车的自动预警。目前已在上海地铁 12 号线金桥车辆基地试点应用，试点结果表明，该设计方案合理可行，一定程度上降低了作业人员人车冲突的安全风险。关键词:轨道交通；激光；车辆基地；距离；预警 中图分类号:U282.2 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0048-06 Using Laser Technology to Design a Train Early Warning System in Depot SHEN Hao(Shentong Bombardier(Shanghai)Rail Transit Vehicles Maintenance Co.,Ltd.,Shanghai 201206)Abstract:In the current human-controlled management mechanisms,metro depot warehouses for maintenance and operation present potential safety hazards due to personneltrain conflicts,as these semi-open areas frequently experience personnel and train movement.This study proposes a laser-based train early warning system design by analyzing the track position settings of maintenance and operation warehouses and train operation scenarios in depots.The system employs laser ranging technology to measure varying distances during train movement.After processing the data using computer technology,the system analyzes different train movement conditions and enables automatic train movement warnings.The system has been piloted and implemented at the Jinqiao Depot of Shanghai Metro Line 12.The pilot study results indicate that the proposed design scheme is reasonable and feasible,significantly reducing the safety risks associated with personneltrain conflicts.Keywords:rail transit;laser;depot;distance;early warning 地铁车辆基地是城市轨道交通系统中对车辆进行运营管理、停放及维修保养的场所，主要涵盖运营或救援需要的收车、发车、调车、车辆检修、设备设施维修等作业内容1。其中，收车、发车、调车等作业涉及检修库、运用库的列车运用和停放，在作业高峰时，存在频繁的列车出入库操作；车辆检修、设备设施维修等施工作业则主要在检修库、运用库内完成，涉及大量的人员进出活动。虽然通常情况下施工股道不可进行动车作业，但因正常作业需求，施工人员可通过平交道口在库内往返，故存在与其他股道人基于激光技术的车辆基地列车动车预警系统设计 49URBAN RAPID RAIL TRANSIT车冲突风险。此外，一些巡检人员、随车人员等因工作需要在库内行走，因不了解列车动车情况，也存在人车冲突风险2-3。针对车辆基地的安全风险，申通庞巴迪(上海)轨道交通车辆维修有限公司在国内外率先开展地铁车辆基地现场作业安全管理系统的研发，其中列车动车预警系统作为一项子系统，用于检测列车的动车情况，通过声光报警的方式给库内施工人员提供安全预警提示，可大大降低人车冲突的安全风险。1 车辆基地概况 地铁车辆基地作为地铁列车的停放场所，通常设有检修库和运用库4。检修库主要用于列车的检修作业，由于定修、架修等检修任务耗时较长，若采用单股道多列位的设置方式，在库内里侧的列车检修完成后，由于库内外侧的列车检修未完成，导致完成检修的列车不可立即投入运营，因此通常检修库采用单股道单列位设置方式。运用库主要用于列车的收发及停放，既能提高运用库停放列车的能力，又不降低列车发车效率，通常采用单股道双列位设置方式。对于单股道单列位，由于只可停放 1 列车，故存在 2 种列车运用场景(见图 1)：股道收车；股道发车。其中转轨调车作业在列车出入库操作上可包含于股道收车和发车的运用场景中5-6。图 1 单股道单列位列车运用场景 Figure 1 Train application scenarios of single track and single position 对于单股道双列位，可分为 A 列位、B 列位。由于 A 列位和 B 列位都可停放列车，所以存在 6 种列车运用场景：A 列位收车；A 列位发车；B 列位收车；B 列位发车；A 至 B 调车；B 至 A 调车，如图 2 所示，其中箭头方向表示列车运行方向。2 系统硬件结构 列车动车预警系统由现场监测设备、现场预警设备、数据处理设备 3 类组成。其中，现场监测设备是各种列车运用场景的基础数据采集设备；现场预警设备为列车动车时提供预警信息；数据处理设备作为核心逻辑处理设备，处理采集的基础数据信息，并分析处理后自动触发或停止现场预警设备。图 2 单股道双列位列车运用场景 Figure 2 Train application scenarios of single track and double position 现场监测设备由安装在股道旁的激光测距传感器构成7-8，技术指标应满足测量距离50 m，数据测量传输频率为 2 Hz，测量稳定性满足漂移10 cm，工作要求为 24 h 不间断。激光测距传感器安装位置由其功能需求而定。由于单列位的股道需要利用激光测量列车入库和出库过程，分别用于触发列车入库预警和停止列车出库预警，因此需要在股道库外安装激光传感器，同时需要利用激光测量列车在股道停稳以及列车发车动车过程，分别用于停止列车入库预警和触发列车出库预警，因此需要在股道端尾安装激光测距传感器。对于双列位的股道，A 列位的安装需求与单列位的股道同理，需要在库外和 A 列位端尾安装激光测距传感器，其中 A 列位端尾的激光测距传感器可作为B列位入库的监测设备，不需要再单独安装入库监测设备，但需要激光测量B列位的列车停稳过程和向库外运动的动车过程，因此在 B 列位端尾还需要安装激光测距传感器。本系统为保证系统的可靠性，避免单个设备故障而影响系统使用，在每个安装点位安装了 2 个激光测距传感器，一主一备，设备布置如图 3 所示。图 3 激光测距传感器设置示意 Figure 3 Schematic of installation and setup of laser ranging sensor 现场预警设备由安装在股道旁的声光报警器构成。由于地铁车辆多数采用 A 型车(约 22.8 m/辆)和 B都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 50 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 型车9(约 19 m/辆)，在采用 6 编组的情况下，通常单列位就超过 120 m，因此列位长度较长。为更有效地为库内人员提供预警信息，需要在每个列位的端头和端尾都安装一个声光报警器。数据处理设备由数据库服务器、应用服务器、网络交换机及网线等组成。其中，数据库服务器是系统的数据存储设备；应用服务器运行逻辑处理软件，分析列车动车过程，并根据逻辑关系控制各股道的声光报警器；网络交换机及网线则用于搭建系统局域网，提供各设备的数据传输通道。系统硬件结构最小单元如图 4 所示。图 4 系统硬件结构 Figure 4 System hardware structure 3 系统软件架构设计 列车动车预警系统作为一个自动控制系统，其目的是实现实时监测各种列车的运用场景，识别分析后自动触发或停止列车动车预警，属于无人控制系统，其功能的实现完全由应用服务器的逻辑控制软件完成。逻辑控制软件由 3 部分组成，分别为数据接口模块、逻辑处理模块、日志管理模块。数据接口模块完成与激光测距传感器和声光报警器的数据传输，其中与激光测距传感器的接口主要是实时获取各个激光传感器的测量距离信息和解析处理，并监控接口连接状态是否正常；与声光报警器的接口主要是控制声光报警器的启用和关闭，并监控接口连接状态是否正常。逻辑处理模块主要根据实时测量的距离信息识别出距离指标和距离变化趋势，采用设置的状态机10的各种状态来表示列车动车情况，并根据状态变化触发或关闭声光报警器。4 算法逻辑设计 4.1 算法的基本原则 本系统关于列车运行状态的判定是通过实时分析激光测量的距离信息，以及激光传感器的安装位置，并结合列车运用场景综合分析得出的。本系统算法逻辑的基本原则有以下 6 点。1)测量数据获取原则。为提高系统的可靠性，系统在同一位置设置了 2 个激光传感器，因此采用主热备的方式进行数据处理，即优先采用主激光传感器数据，当识别到主激光传感器故障时，采用备用激光传感器数据。2)列车运动时，激光测距基本变化原则。因激光传感器安装在股道侧方，列车经过激光传感器时的距离变化不是简单的由远及近，而是如图 5 所示。其中，图 5(a)表示无列车时，激光打向远处遮挡物或无穷远；图 5(b)表示列车驶来，刚刚截断激光，此时激光距离是一个突变，激光打向列车车头最左侧，此位置是激光测距有车时的最远距离；图 5(c)表示列车继续驶入，此时激光已经打向了列车车头最右侧，此位置是激光测距的最近距离；图 5(d)表示列车再继续驶入，激光打向列车右侧车体，由于车体不平整，因此激光测距是在时远时近地波动。图 5 激光测距基本变化 Figure 5 Basic changes of laser ranging 3)股道无车判定原则。当激光传感器前方无车时，激光会打向前方的遮挡物或无穷远，此时测量结果是一个最大值或超量程值，因此当测量结果大于基于激光技术的车辆基地列车动车预警系统设计 51URBAN RAPID RAIL TRANSIT(最大值余量)或超量程时，判定股道无车。4)股道列车停稳判定原则。当列车停稳后，激光打向列车车头中间，激光测量的距离在一个定值附近波动(由设备测量漂移造成)。此外，当驾驶室车门在司机登车台附近时，此处为列车的停稳位置，因此当测量距离持续在一个定值附近波动，且这个定值在列车驾驶室车门完全对准司机登车台的标准值附近时，判定股道列车停稳，并记录列车停稳距离 S_stop。5)列车停稳后动车判定原则。在实际运用场景中，不能简单地因为测量距离发生变化就判定停稳的列车要动车，从而触发预警，所以需要设定一个阈值，只有变化量大于该阈值，才判定列车停稳后动车。这样做的作用有二：其一，避免因设备测量漂移导致误预警；其二，司机在发车前需要在车头、车尾两端司机室测试列车牵引是否正常，会进行极短距离(约 0.5 m)的点动测试，点动测试并不是正式动车，因此也需要避免误预警，因此阈值需大于点动距离。6)列车位置表示原则。激光测量的距离是实时变化信息，不可用某个距离表示列车状态，且列车状态是根据距离信息的变化而变化的，因此要采用状态机的方式来管理列车状态，完整分析列车状态变化路径。此方式的优点：可利用股道无车和股道列车停稳两种绝对状态作为判定依据，使得系统可恢复到一种绝对正确状态，不会因某次错误导致系统异常。基于上述原则，系统分析列车在单列位股道及双列位股道的运用场景，给出以下逻辑处理方案。4.2 单列位股道算法逻辑 对于单列位股道，状态机的状态分为：无车；列车入库停稳；列车入库中；列车出库中；列车出库完成。根据前述分析，单列位股道只包含股道收车和股道发车两种运用场景。4.2.1 股道收车算法逻辑 股道收车时，由库门的激光测距传感器的距离信息来识别列车运动状态，距离变化趋势为：超量程或最大测量距离S_range突变为列车头最远距离S_tmax逐渐缩小距离为列车头最近距离S_tmin激光扫描列车车身不断波动距离 S_tbody列车驶入完成，突变为超量程或最大测量距离 S_range，如图 6 所示。当测量距离为 S_range 时，判定库外激光传感器的状态为无车；当测量距离由 S_range 突变为S_tmax 时，判定库外激光传感器的状态由无车转变为列车入库中，此时触发该股道收车预警；当测量距离在 S_tmax、S_tmin、S_tbody 区间内时，突变为S_tmax，判定库外激光传感器的状态为无车。此时列车已经驶入库内，开始由库内激光测距传感器的距离信息来识别列车运动状态，距离变化趋势为：超量程或最大测量距离 S_range突变为列车头最远距离S_tmax列车不断驶入后停稳，距离逐渐缩小至停稳距离 S_stop，如图 7 所示。图 6 股道收车库外激光测量距离变化 Figure 6 Change in laser measurement distance outside the warehouse when the train is receiving on the track 图 7 股道收车库内激光测量距离变化 Figure 7 Change in laser measurement distance inside the warehouse when the train is receiving on the track 当测量距离为 S_range 时，判定库内激光传感器的状态为无车；当测量距离由 S_range 突变到 S_tmax时，判定库内激光传感器的状态由无车转变为列车入库中；当持续测量到距离信息为 S_stop 一定时间后，判定库内激光传感器的状态为列车入库停稳，此时关闭该股道的收车预警。4.2.2 股道发车算法逻辑 股道发车时，首先由库内激光传感器的距离信息来识别列车运动状态，参考图 7 可知，距离变化趋势为：停稳距离 S_stop列车出库，逐渐增大至列车头最远距离 S_tmax列车驶离测量范围，突变为 S_range。当测量距离由 S_stop 逐渐增大到 S_stop+S 时，其中S 为变化阈值(用于避免因测量漂移或点动测试导致误判列车动车状态)，判定库内激光传感器的状态由列车入库停稳转变为列车出库中，此时触发列车发车预警；当测量距离逐渐增大至 S_range 时，判定库内激光传感器的状态为无车，此时列车已出库，开始都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 52 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 由库外激光传感器来识别列车运动状态。同理，参考图 6 可知，发车时库外激光传感器的距离变化趋势为：超量程或最大测量距离 S_range突变为激光扫描列车车身不断波动距离 S_tbody列车头最近距离 S_tmin逐渐增大距离为列车最远距离S_tmax列车驶离，突变为超量程或最大测量距离S_range。当测量距离为由 S_range 突变为 S_tbody 时，判定库外激光传感器的状态由无车转变为列车出库中；当测量距离由 S_tmax 突变为 S_range 时，说明列车出库完成，判定库外激光传感器的状态由列车出库中转变为列车出库完成，此时关闭列车出库预警，再由列车出库完成转变为无车。4.3 双列位股道算法逻辑 对于双列位股道，状态机的状态分为：无车；列车入库 A 停稳；列车入库 A 中；列车出库 A中；列车出库 A 完成；列车入库 B 停稳；列车入库 B 中；列车出库 B 中；B 至 A 调车停稳。根据前述分析，双列位股道包含 6 种列车运用场景，其中 A 列位收车、B 列位收车与单列位股道收车处理方法类似，A 列位发车、B 列位发车与单列位股道发车处理方法类似，在此不再赘述。下面分析 A 至B 调车、B 至 A 调车两种运用场景。4.3.1 股道 A 至 B 调车算法逻辑 双列位股道 A 至 B 调车时，首先由 A 列位激光传感器的距离信息来识别列车运动状态，距离变化趋势为：列车停稳距离 S_stop逐渐缩小距离至列车头最近距离 S_tmin激光扫描列车车身不断波动距离S_tbody驶入完成，突变或超量程或最大测量距离S_range，如图 8 所示。图 8 A 至 B 调车 A 列位激光测量距离变化 Figure 8 Change in A-position laser measurement distance when shunting train from A to B 当测量距离在 S_stop 附近波动时，A 列位激光传感器的状态为列车入库 A 停稳或列车 B 调 A 停稳；当测量距离小于 S_stop-S 时，判定 A 列位激光传感器的状态变为列车入库 B 中，此时触发 A、B列位调车预警；此后列车车身在 S_tbody 附近波动，状态不变，当测量距离由 S_tbody 突变为 S_range 时，判定 A 列位激光传感器的状态为无车。此时，列车已经驶入 B 列位，关闭 A 列位的调车预警，开始由 B列位激光测距传感器的距离信息来识别列车运动状态，距离变化趋势为：超量程或最大测量距离 S_range突变为列车头最远距离 S_tmax列车不断驶入后停稳，距离逐渐缩小至 S_stop，如图 9 所示。图 9 A 至 B 调车 B 列位激光测量距离变化 Figure 9 Change in B-position laser measurement distance when shunting train from A to B 当测量距离为 S_range 时，判定 B 列位激光传感器状态为无车；当测量距离由S_range 突变到S_tmax时，判定 B 列位激光传感器的状态由无车转变为列车入库 B 中；当持续测量到距离信息为 S_stop 一定时间后，判定 B 列位激光传感器的状态为列车入库B 停稳，此时关闭 B 列位的调车预警。4.3.2 股道 B 至 A 调车算法逻辑 双列位股道 B 至 A 调车时，首先由 B 列位激光传感器的距离信息来识别列车运动状态，参考图 9 可知，距离变化趋势为：停稳距离 S_stop列车驶离 B列位，逐渐增大至 S_tmax列车驶离测量范围突变为 S_range。当测量距离由 S_stop 逐渐增大到S_stop+S 时，判定 B 列位激光传感器的状态由列车入库 B 停稳转变为列车出库 B 中，此时触发 A、B 列位调车预警；当测量距离逐渐增大至 S_range 时，判定库内激光传感器的状态为无车，此时列车已驶入 A 列位，开始由 A 列位激光传感器来识别列车运动状态。同理，参考图 8 可知，B 至 A 调车时，A 列位激光传感器的距离变化趋势为：超量程或最大测量距离S_range突变为激光扫描列车车身不断波动距离S_tbody列车头最近距离 S_tmin逐渐增大距离至列车停稳距离 S_stop。当测量距离由 S_range 突变为S_tbody 时，判定 A 列位激光传感器的状态由无车变为列车出库B中；当持续测量到距离信息为S_stop一定时间后，判定 A 列位激光传感器的状态变为B至 A 调车停稳，此时关闭 A、B 列位调车预警。基于激光技术的车辆基地列车动车预警系统设计 53URBAN RAPID RAIL TRANSIT5 系统现场设备安装及应用 文中所述系统已于 2021 年 6 月安装调试完毕，于2021 年11 月在上海地铁12 号线金桥车辆基地试点应用，通过现场核查及日志记录显示，系统运行状态良好。现根据施工调试过程提出以下现场部署建议。数据库服务器、应用服务器与核心交换机安装在机柜内，位于设备机房内；核心交换机与室外二层交换机采用光纤传输，二层交换机与室外报警器和激光传感器采用网线连接，二层交换机安装在室外防水箱内，语音报警器安装在股道端头和端尾的立柱或栏杆上；激光报警器因光沿直线传播性质，需安装在支架或股道平台墙上，不可侵入车辆限界但要尽量靠近车辆限界，使得列车移动时激光可在足够的距离内测量与车头的距离，从而进行列车运动状态的判定，同时射出的光线尽量水平，高于车窗玻璃，若安装在支架上，支架要有足够的稳定性，避免因列车动车振动激光传感器，影响测量的精确性，图 10 为现场激光传感器安装实物图。图 10 激光传感器安装实物 Figure 10 Physical drawing of laser sensor installation 6 结语 目前，轨道交通正逐步向智能化、自动化方向发展，本文提出基于激光的车辆基地列车动车预警系统可以实现地铁列车动车声光预警自动化，有效降低车辆基地的安全风险，保障施工作业人员的安全，可适用于非全自动化车辆基地的人员安全防护系统项目建设，为车辆基地的安全防护系统设计提供参考。参考文献 1 汪峥,王孔明,范琪,等.地铁车辆基地综合自动化管理系统设计J.城市轨道交通研究,2020,23(10):166-170.WANG Zheng,WANG Kongming,FAN Qi,et al.Design of integrated automation management system for metro vehicle depotJ.Urban mass transit,2020,23(10):166-170.2 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