列车驾驶智能安全辅助系统

系统概述：

驾驶安全辅助系统创新地将激光雷达、前视摄像机和毫米波雷达的距离、角度、图像等信息融合，依托车载探测主机强大的深度学习算法，精准检测轨行区障碍物、辨识前方信号机显示和道岔位置，填补轨行区障碍物自动检测、提前预警的安全空白。同时，本系统利用顶视摄像机、面部摄像机和蓝牙手环进行智能化的司乘人员监管，实现司机身份验证、精神状态监测、着装规范和行为规范监测等功能。

本系统具备深度学习的功能，随着调试和运营的数据样本不断积累，系统分析识别准确率可以不断提升。

本系统可获得功能安全完整性 SIL2级安全认证。

系统功能：

（1）司机身份确认

当司机坐在驾驶座位上的时候，系统面部摄像机拍摄到司机脸部，自动在授权数据库里检索，如果是授权的合法用户，则提示司机的编号、交路工单等信息，允许司机进行操作；否则拒绝执行。

（2）司机操作动作规范性分析 

通过司机脸部、姿态的图像和蓝牙手环采集的心率，自动检测频繁瞌睡、打哈欠等疲劳状态，或者行驶过程中打电话、抽烟等不规范动作，或者道岔、信号机前方未做确认手势及手势不标准等。针对不规范的行为动作及时发出声光警告，视情传输至调度管理中心。

（3）信号机和道岔的状态自动识别

通过摄像机图像分析，自动检测前方信号机的灯光显示颜色，以及道岔的定反位置，语音播报给司机，同时在监控屏复示显示，防止司机冒进信号或道岔位置异常时挤岔。

（4）轨道障碍物检测

通过激光雷达、摄像机和毫米波雷达的信息融合，运用人工智能算法自动检测轨道走行区的障碍物如行人、机动车、自行车、行李箱、轮椅等，并对驾驶员发出提前预警。

（5）行车数据黑匣子

将行车过程中的前照视频、驾驶室影像和声音实时记录存储，供检查司机驾驶规范性分析、事故分析等。

（6）MVB/TRDP通信扩展

提供MVB或TRDP通信接口，用于连接车辆TIMS系统或PIS系统。当连接TIMS系统的时候，可以通过TIMS触发列车制动。

组成原理：

图1 系统拓扑图

系统由车载主机、激光雷达、各种摄像机、毫米波雷达和蓝牙手环组成。雷达等各种传感采集设备安装在两节端车TC1和TC2，两节端车的传感采集设备配置完全相同。车载主机仅设1台，全车共用，可安装在控制机柜内部，也可以安装在其中一节端车。传感采集设备和车载主机之间通过CAN、以太网、蓝牙等连接。

车载主机通过MVB、TRDP等通信接口连接车辆控制系统TIMS，也可以连接至车载信号设备。为了在紧急情况下触发列车制动，除了MVB、TRDP发送制动命令以外，还可以通过硬线串入列车紧急制动回路，实现更高的可靠性。

设备配置表

（1）检测原理

系统通过激光雷达、前照摄像机和毫米波雷达采集轨行区的信息，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，并及时发出告警。为了应对昼夜照度变化、各种气象条件、路灯散射、社会车辆灯光照射等多变环境因素的挑战，系统以激光雷达作为主传感器，因为其抗干扰能力和可靠性都相对更高，前视摄像机的影像信息和毫米波雷达的反射信息作为辅助信息，上述信息融合提取障碍物的形态特征、大小和距离，视情发出预警。

系统通过驾驶员的影像特征和心率数据，判断驾驶员的行为姿态是否规范，以及健康状态是否异常。

为了集约化设计，本系统无显示屏，实时视频和告警报文经过MVB、以太网等通信接口发送给有轨电车TIMS或PIS系统的监控屏显示。当然，在条件允许的情况下，也可配备单独的监控屏。

（2）车载主机

列车安装1台障碍物检测处理车载主机（ODAU），采用19英寸3U机箱，模块化插卡设计。ODAU包括电源模块、MVB/TRDP模块、IO模块、雷达接口模块、交换机模块、数据智能处理模块等。车载主机采用DC110V供电，电参数符合EN50155标准。

图2  车载主机

（3）激光雷达

激光雷达采用高性能固态激光器设计，拥有高垂直角分辨率，能生成高密度点云。得益于先进的设计，激光雷达能有效地抗环境光干扰并在恶劣天气条件下稳定工作。激光发射能量符合CLASS 1级要求，人眼安全。针对10%反射率的目标，探测距离超过150m。为了尽可能提供有效的检测覆盖区域，雷达的激光束设计成中间密集、上下稀疏，在目前轨道区域集中了大量的激光线束，具有较高的精度。由于采用固态激光设计，MTBF超过5万小时。激光雷达通过快速以太网和车载主机连接。

图3  激光雷达

（4）摄像机

前照摄像机安装在有轨电车两端的司机室，用于探测线路前方障碍物，有轨电车的两端司机室各装1台。前视摄像机具有低亮度增强、雾霾增强、噪点去除、红外补光等影像增强功能。

面部摄像机安装在司机室操作台，用于驾驶员姿势行为状态采集，其安装位置应能清晰拍摄到驾驶员的脸部表情和上半身行为动作。司机室还配备蓝牙手环，实现驾驶员的心率数据采集。面部摄像机具有蓝牙接收模块，用于接收蓝牙手环的数据，并和面部数据共同经以太网传输给车载主机。

上述摄像机均内嵌人工智能数据预处理算法，用于减少车载主机的处理负载，实现主机的轻量化。

图4  面部摄像机

（5）毫米波雷达

毫米波雷达工作在77GHz频段，根据FMCW频率调制连续波技术，计算出目标的距离。毫米波雷达能够在一个测量周期内独立测量物体的距离和速度，并根据行驶速度确定可能的碰撞风险。结构坚固，体积小型化，满足有轨电车对设备体积的严格要求。由于采用77GHz频段，距离的分辨率更好。

图5  毫米波雷达

系统特点：

（1）采用激光雷达、视频和毫米波雷达融合，障碍物检测的准确性和可靠性大大提高；

（2）障碍物探测采用深度学习算法，能有效消除隧道或高架复杂环境的影响，同时根据需要进行障碍物类型的不断升级，越用越准确；

（3）可实现司机身份验证、精神状态监测、着装规范和行为规范监测等功能，检测和规范司机的行车作业；

（4）报警信息通过列车网络传输至TCMS，可将报警信息传输至OCC，对严重故障实施调度控制，保障列车运营安全；

（5）设有维护以太网接口，用于下载列车数据和集中维护，并实现地面服务器分析数据。

工程业绩：

珠海有轨电车