地铁工程车主要用于城市轨道交通车辆段场调车作业、线路施工和养护、正线突发事故救援等工作。目前，地铁工程车未安装行车监控防护设备，作业时主要依靠乘务员经验、目视信号等操控车辆。由于地铁段场内股道和道岔较多、平行作业场景复杂、调车作业内容繁多，极易发生冒进信号、异物侵限、挤岔脱轨、冲撞车挡、列车冲突等安全事故。随着上海地铁线路不断延伸，工程车作业量不断增加，通过智能技防设备提高地铁工程车监控防护能力，通过信息化手段提高工程车作业和维护管理能力的需求越来越迫切。从 2018 年开始，上海地铁开展地铁工程车智能安全监控技术研究，设计完成了适用于地铁工程车的智能安全监控 (intelligent safety monitoring， ISM) 系统，并对系统功能进行了验证。
1 系统需求
通过梳理地铁工程车作业场景，确定 ISM 系统需求如下。(1) 解决司机在雾天、雨天、强光等瞭望条件恶劣情况下，识别地面信号困难，工程车在运行过程中因人为因素造成的冒进信号、超速运行、挤岔，以及在正线作业过程中出现的非法越出规定作业区域等安全问题。(2) 解决作业单人工传送、工程车司机因不熟悉站场环境导致的作业效率低下问题。(3) 解决工程车在运行作业过程中因无运行状态和音视频信息记录，事故原因分析困难、责任不清，工程车作业管理制度和岗位作业标准执行缺乏有效监督手段的问题。根据以上需求，ISM 系统采用运行防护、视频监视和视频智能分析技术，建立各平台之间的信息交互，实现危险与异常情况的自动识别、报警与防护。并在此基础上优化现行管理制度与规定，在确保段场行车与人员安全的前提下，提高地铁段场作业效率和资源利用率。
2 系统组成和工作原理
2.1 系统组成 ISM 系统对工程车位置、速度等运行状态和司机身份、离岗、疲劳等驾驶状态进行实时监测，结合工程车规定作业区域、规定限速、线路信号等条件，通过智能化算法，实时进行安全防护控制计算，输出制动控制指令，确保工程车作业安全。系统功能需多个设备协同实现。根据系统设备功能，将系统划分为运行监控子系统、视频子系统、定位子系统和车地无线通信子系统等 4 部分。ISM 系统各子系统主要功能和关系如图 1 所示。
(1) 运行监控子系统是 ISM 系统的核心子系统。运行防护装置是核心设备，实现安全防护控制计算和制动控制等核心功能。安全防护控制计算的部分重要基础数据需要通过 ISM 系统的其他子系统获取。运行监控子系统可实现工程车制动管压力和速度信号监测、工程车运行状态显示和记录、车载运行防护数据远程监视、报警提示等功能。由运行防护装置、运行监控显示屏、速度传感器、压力传感器、制动机构接口、工况手柄接口、地面服务器集群和用户终端等组成。
(2) 视频子系统是 ISM 系统实现车钩、前端路况、司机室等行车情况监视和司机状态检测的设备。该子系统采用智能分析技术对司机疲劳、离岗等违规事件和司机身份进行识别。由视频分析仪、视频录像机、视频显示屏、摄像机、3 层交换机和流媒体服务器等组成。
2.2 系统工作原理 ISM 系统是辅助司机实现工程车监控防护的重要装置，对冒进信号、超速运行、司机疲劳和离岗等危险和违章行为进行自动识别、报警与安全防护。除需要系统内部设备相互配合外，ISM 系统还需和外部设备平台对接方能实现系统功能。ISM 系统业务数据流程及外部接口关系如图 3 所示。 ISM 系统结构较为复杂，需要从外部信号系统、施工管理平台和工况手柄接口，分别获取线路信号、作业单信息和向前/向后信息，作为运行防护计算的限制条件。通过外部制动机构接口，执行运行防护控制命令。
(1) 车地无线通信子系统是车地信息交互的通道，采用 Wi-Fi/4G 双冗余车地通信。Wi-Fi 使用上海地铁既有移动互联网系统 (MMIS)，在工程车上加装 MMIS 天线，轨旁基站采用既有 MMIS 基站。ISM 系统兼容 4G 模块，采用 4G 专用隧道技术作为冗余传输通道，增强 ISM 系统适用性。
(2) 定位子系统车载 RFID 阅读器和天线读取地面 RFID 标签内预先写入的位置信息参数，完成工程车固定点定位，并将固定点位置信息发送给运行监控子系统的运行防护装置。
3 系统设计
ISM 系统除运行防护装置外，大多采用既有成熟应用的设备和接口。运行防护装置负责工程车运行防护计算和制动控制，是整个系统设计的核心。
3.1 运行防护装置算法为保证 ISM 系统的可靠性和安全性，运行防护装置采用铁路干线机车广泛应用的列车运行监控记录装置 (LKJ) 核心防护控制算法。LKJ 可以协助驾驶人员，预防铁路干线机车正线运行“二冒一超”事故的发生，其算法满足工程车核心防护需求[1]。因此，以 LKJ 为基础，根据地铁工程车特性和需求，研制开发 ISM 系统运行防护装置。
3.2 运行防护装置功能和结构铁路干线机车 LKJ 与 ISM 系统运行防护装置对比见表 1。
LKJ 在铁路干线中仅负责正线安全防护控制计算。在只安装 LKJ 的情况下，铁路干线机车在段场调车作业的安全卡控，主要依靠调车员与乘务员瞭望辨认地面信号开展防护。另设 STP 系统与 LKJ 配合，才能实现铁路干线段场内调车作业的安全防护[2]。STP 车载设备接收段场信号开放条件、控制距离等命令，运算出相应的控制指令，通过 LKJ 控制机车速度及停车距离[3-4]。铁路干线机车 LKJ 的车地无线通信也通过 STP 数字电台模块实现。
4 工作模式
4.1 正常模式在正常工作模式下，车载运行防护装置通过车地无线通信接收从信号系统获取的地面信号信息，根据线路实际信号状态和进路开放情况进行安全防护控制计算，实现工程车“二冒一超”安全防护。
4.2 降级模式信号或作业单等信息因系统故障无法上车时，车载运行防护装置进行运行防护计算的基础数据缺失，运行防护功能无法发挥。为了使系统更具实用性，防护功能更可靠，ISM 系统设计了在出现以下故障时的降级方案。
5 系统特点
(1) 高度集成。在结构上，ISM 系统车载设备采用标准机柜形式，集成 3 层交换机、运行防护装置、视频录像机和视频分析仪等设备，形成高度集成，并能根据不同客户需求自由配置车载系统。在功能上，1 台 ISM 系统运行防护装置设备便集成了干线铁路 LKJ 正线防护功能、STP 段场防护功能和无线通信功能。运行防护装置和视频分析系统形成联动，视频子系统将识别的司机驾驶状态和身份信息发送给运行防护装置，经计算处理后，在运行监控显示屏上报警提示，减少司机人为疏忽造成的事故，防止非规定驾驶人员动车。ISM 系统地面仅采用 1 套集成设备，实现对上海地铁全网工程车的智能安全监控。
(2) 资源利用率高。车地无线通信子系统复用上海地铁既有专用 MMIS 系统无线网络，充分利用既有资源;定位子系统 RFID 标签全部新增铺设，设计标签布置位置时同时考虑地铁网络其他业务的定位需求，实现全网统一定位。
(3) 可靠性高。ISM 系统运行防护装置安全防护控制算法沿用铁路干线成熟应用的 LKJ 核心算法，考虑了车地通信和信号接口等故障后的降级工作模式。
6 系统试点应用
6.1 试点搭建上海地铁 ISM 系统试点按照系统组成布置设备。试验过程中为了不影响地铁正线列车载客运营，试点线路范围仅限于川杨河基地。在试验过程中，将基地部分段场线路定义为正线线路，完成段场和正线的系统功能验证。
(1) 127 号和 138 号工程车上各安装 1 套 ISM 系统车载设备。
(2) 在 13 号线川杨河基地试点线路上可能调头的位置，在信号机前设置 RFID 标签。线路包含整体道床和碎石道床。线路上安装的 RFID 标签如图 5 所示。
6.2 运行效果(1) 在线路信号上车显示试验中，运行监控子系统地面服务器集群从信号系统获取信号信息，通过无线通信子系统发送给车载运行防护装置。运行防护装置转发实时信号状态，通过运行监控显示屏显示。经验证，屏幕上显示的信号信息与线路实际信号状态一致。在偶遇的雨天应用场景中，司机识别地面信号困难，通过查看运行监控显示屏上显示的信号状态，解决了地面信号瞭望困难的问题。
(2) 在作业单上车显示试验中，运行监控子系统服务器集群从施工管理平台或 DCC 备用作业编制终端收取作业单。作业单通过无线通信传输通道，发送给运行防护装置，然后转发到运行监控显示屏显示和确认。运行监控车载显示屏显示的作业单如图 6 所示。
7 结语
ISM 系统于 2020 年 7 月在上海地铁 127 号和 138 号工程车上完成试验验证。核心设备采用既有广泛运用的成熟设备和技术，结合地铁工程车实际运用需求，进行集成和创新。由于利用部分上海地铁现有资源，避免了资源浪费，提高了资源利用率。在试点应用中，通过集装 ISM 系统技防设备，工程车监控防护能力、作业和维护管理能力得到提高，为 ISM 系统在上海地铁工程车的工程化应用和推广打下基础。
参考文献
[1] 梁红梅.LKJ2000 型列车运行监控记录装置的发展及应用[J].科技创业月刊，2012(6)：176-178.
[2] 雍松坪.无线调车机车信号和监控系统简介 [J].价值工程, 2018(27)：242-243.
[3] 陈晓君.无线调车机车信号和监控系统应用研究 [J].数字技术与应用，2015(4)：22.
《地铁工程车智能安全监控系统设计及应用》来源：《铁道技术监督》，作者：解 熙，金碧筠
