中交第二航务工程局工程装备分公司 湖北 武汉 430000
摘要：随着国内地铁建设的大规模开展，盾构施工工法由于具备安全、快捷、适应性广等特点而在地铁区间施工中被广泛使用。盾构法施工过程中材料运输和渣土外运依靠电瓶机车完成，但目前的国内电瓶机车生产厂家众多，产品也是大同小异，控制部分较简单，控制技术水平低，安全系数不高，安全事故频发。本次研究电机车辅助驾驶技术采用智能控制器控制机车运行，在隧道行驶过程中经过不同路段时自动变换运行速度，避免爬坡段力矩不足，变频器跳电，电机车溜车等现象发生，并采用新技术新工艺实现电机车特殊路段自动限速、并具有人员定岗定责、机车运行数据和视频实时监控、里程检测、防止司机疲劳驾驶等功能，提高了电机车安全系数。
关键词：电机车；自动限速；地铁隧道；实时监控
1 引言
电机车辅助驾驶技术依托中交二航局工程装备分公司成都轨道交通17号线一期工程TJ05A标项目部1号风井～2号风井区间研发。地铁隧道总长度1867.5m，根据隧道工况和行程路线输入电机车的自动运行指令，电机车可在井口附件、道岔附件、转弯段、上下坡段等自动限速，并可以智能判断电机车故障并显示；隧道设基站，实现无线局域通信，可将信号传到地面监控电脑。地面调度室可监控电机车在隧道的位置、电机车运行状态等远程监控；电机车可以根据情况智能开灯、鸣喇叭、打开警示灯等。
2 辅助驾驶技术功能
2.1 技术要求
上位机采用工控机由组态软件实现远程管理，下位机采用PLC和触摸屏，由PLC控制变频器运行，拖动电机车走行，各种传感器通过AD模块接入PLC，判断电机车运行状态，通过逻辑判断控制电机车运行速度和刹车系统。触摸屏采用昆仑通态触摸屏实现操作人员的人机界面交互。电机车是在轨道上运行，方便实现电机车的辅助驾驶甚至于自动驾驶，根据项目的施工情况，从上位机设置输入本隧道的工况信息和电机车运行档位，使电机车在隧道内按照工况自动限速运行；在隧道的不同位置设置感应传感器，电机车感应到该位置时根据控制器综合判断自动发出限度指令； 机车进入隧道和开出隧道起始位和终止位是相反的，进隧道按照行驶里程由小到大变化，出隧道按照行驶里程由大到小变化；重载运行时不能使用6档（通过电流判断重载和空载），重载时电机车不能进入隧道（进入隧道电机车不能后退运行），根据运行电流判断，智能控制器自动控制；为了增加安全系数，在电机车上安装水平检测仪，对电机车在坡段较大区段的行驶档位进行限制，限制档位由上位机进行设置；电机车在进入辅助驾驶模式后，起步、变速和停车必须自动鸣喇叭两次。在隧道内行驶，每走行100m自动鸣喇叭一次；电机车能够根据情况自动开灯、鸣气动喇叭、打开行驶警示灯等；智能完成运行限速功能，还需要有智能判断故障的能力和应急处理的能力，因此电机车智能辅助驾驶系统还包含辅助驾驶系统、人工驾驶系统和远程监控系统，检测、控制和制动相互配合、相互制约；按照档位设定制动距离参数，当制动指令发出后，计算制动距离，并对照设定参数和工况需要选择对应措施等。
2.2速度（档位）要求
辅助驾驶对电机车速度（档位）要求：下坡时坡度大于2%时，不能超过三挡；转弯半径小于800m时不能超过三挡；隧道最低点轨道漫水时速度不能超过3档；重载运行时不能使用6档；重车开出隧道时在坡度最大处不能停车；经过道岔时不能超过2档；机车尾部距离进入台车100m以内，不能超过3档，距离台车50m不能超过2档，进入台车时不能超过1档；开出台车时，只能使用使用一档，档尾部开出台车时使用可使用二挡，尾部开出台车100m后可依次加档。
2.3 地面远程监控系统要求
隧道无线基站设置必须保证数据和视频无缝对接，本次设计必须按照最高配置设计，完美实现电机车的辅助驾驶，技术含量要求高、可靠性要求好，根据不同工况可以设置运行参数，适用范围广。地面监控系统要求：电机车能将工况模式、运行状态、动作指令、速度、行驶里程、制动距离、视频画面、电机关键数据等运行信号反馈到地面值班室，地面需要2秒送一个脉冲信号到电瓶车，当电瓶车检测不到地面信号应立即自动停车；能自动判断电机车自身运行的故障，并将信号自动传导地面监控室，实现全面管控。
3 辅助驾驶系统设计
根据我们技术要求设计辅助驾驶系统，包括主控系统控制电路图和辅助驾驶控制电路图。电机车辅助驾驶系统由辅助智能限速、防疲劳驾驶以及人员定岗系统组成，其中包含防疲劳驾驶功能、标签减速功能、坡度检测功能、里程检测功能、人员定岗功能以及视频监控系统。
3.1 防疲劳驾驶技术
在事故真正发生前司机一般不会意识到自己在疲劳驾驶。疲劳驾驶系统一个最重要的功能就是让司机知道他们正在疲劳驾驶并提高他们的警惕水平，一旦系统检测到司机正在疲劳驾驶，它根据PERCLOS（眼镜闭合比）分析立即发出报警信号，发出 3 次信号后（3 次信号时间约 10S），如司机没有按下报警解除按钮时，PLC 检测到信号后，机车将会自动在第一预定时间达到时，首先进行电机减速，在第二预定时间达到时，再进行零速制动和紧急制动等操作。
3.2智能减速系统
根据项目工况需求，布置好限速标签，项目管理人员可以在上位机上设置标签档位限定值。PLC与触摸屏通过以太网通讯，读取屏幕上设定的参数值。PLC通过RS232与RFID读写器通讯读取标签号，通过程序运算，将最终限定挡位值发送给机车控制板，电机车以最佳速度运行，保障行车安全。
3.3 坡度检测系统
坡度检测系统保证机车在特殊路段安全行驶，设备管理人员通过上位机对水平传感器进行标定，并设置上下坡限速值，水平传感器可以检测到机车上下坡角度值，PLC 读取水平传感器数值，根据这个角度自动限制机车的挡位，可以实现上下坡自动检测功能，如果上下坡段与标签段重合，坡度限速优先级高与限速标签级别。
3.4 里程检测系统
在走行电机的尾端安装一个增量型编码器，编码器的A、B信号接入PLC的双通道正交计数器输入口，由于走行电机和机车走行轮是通过减速机连接，从而通过减速比和车轮直径，可以计算出机车走行距离。为设备定期维护等提供准确的数据支持。
3.5 人员定岗系统
人员定岗采用人脸识别系统实现，项目管理人员录入操作人员信息，只有被录入人员通过人脸识别后，PLC 接收到该信号才能启动工作，未被录入人员无法操控机车。项目管理人员可以通过 U 盘导出卡点记录，实现定岗定责。
3.6 数据采集系统
采用三菱PLC模数接口做为系统中各传感器采集器件，对所有传感器和限速标签信息采集，通过逻辑判断输出控制信号，该PLC接口类型多，对接上位机方便，可满足我们使用要求。数据采集系统采用PLC采集操作指令、里程信号、水平信号、RFID 位置信号等。
3.7视频监控系统
视频监控系统在机车前端布置一个摄像头，司机室内部布置一个摄像头，机车尾部布置一个摄像头，尾部摄像头通过无线基站与司机室无线接入终端连接，电机车在运行时可看到机车周围控制，保障行车安全。后侧（尾部）摄像头距离操作室有100m左右，采用无线通讯方式电缆布线工艺简单、稳定性高。
4 远程监控系统组网设计
电机车远程监控系统，主要对电机车设备进行施工远程监控管理，特别针对在隧道这种恶劣环境下保证设备安全施工、预防事故发生的目标而研发。电机车的电气控制系统采集电机车的实时状态、设备位置等信息，通过无线数据传输系统传送到地面的项目部级监控中心，为调度室提供电机车的数据监控，并能在项目部通过硬盘录像机和配套的监控显示器上实现视频监控和回放，使得用户在项目部监控室就能对隧道内所有的电机车运行状态进行监控，了解设备的运行状态。同时，监控系统也会对设备运行过程中产生的各类预警和报警信息进行提醒和记录，辅助技术人员第一时间进行报警处理。
监控系统由视频监控子系统和数据监控子系统组成。两个子系统在逻辑构成上相对独立，既避免由于某个子系统出现故障而影响其他子系统的正常运行，当视频子系统因视频监控设备出现问题时，数据监控子系统仍可正常获取现场施工的实时状态数据，保证对设备状态的有效监控。
监控系统设计分为前端（电机车）数据采集系统设计、隧道无线网络设计、项目部监控站设计三大部分。
4.1 数据采集系统设计
电机车辅助驾驶控制系统的数据采集是通过PLC将各类传感器、防疲劳系统、变频器数据等已采集的数据并进行了汇总，在电机车的触摸屏上进行显示；远程监控系统通过隧道内的无线网络，可直接采集电机车的实时数据，在项目部监控系统中进行分析、存储，并进行展示。远程监控系统只需在电机车上加装无线通讯设备即可，无需加装其他传感器。
4.2 隧道内无线网络
隧道内的组网采用多个无线基站进行无线网络覆盖，电机车采用车载一体化无线网桥接入无线网络，进行数据和视频回传，该隧道全长两公里，规划采用5个基站进行隧道全覆盖，设备覆盖角度25°，按照330米一个基站进行覆盖，各个无线基站之间采用光纤进行连接，每一个单独的基站通过网线连接至光纤收发器，再由光纤收发器通过一根单独的光纤到洞口的光纤交换机，再由洞口的光纤交换机采用光纤回传的方式至项目部监控中心，通过光纤收发器连接至监控工作站，实现对电机车数据和视频的回传。尽管该隧道存在多基站覆盖，但是由于所有的基站都直接通过光纤连接到隧道口的光交换机上，因此不论电机车处于哪一级基站的覆盖范围内，能保证数据传输的实时性。
4.3 机车远程监控系统设计
电机车项目部监控系统，通过现场无线局域网采集电机车工作状态数据和实时视频，并在监控屏幕上进行多形式展示，各台电机车的实时参数经过整理后可在监控站本地服务器上存储。
（1）系统的主要功能
基础功能：设备总览、线路图位置展示、实时数据监控、报警预警、报警记录查询、历史数据查询、实时视频监控、历史视频查询。
功能介绍：主要对电机车设备进行施工远程监管。电机车的电气控制系统采集电机车的实时状态、设备位置等信息，通过无线数据传输系统传送到地面的项目部级监控中心，为用户提供电机车的数据监控，并能在项目部实现视频监控和回放。监控系统能以线路图（电机车位置）、数字、指示灯、图形图表等实时呈现电机车设备施工的作业情况。监控系统使用智能的设备模型和算法对设备的各种信息数据进行分析给出实时的故障报警，存储实时采集的电机车状态参数信息。可根据需要对历史数据进行检索查询及回放。
（2）设备总览
为保障系统的安全性，本系统运行时需要用特定的账号密码登录系统。首页默认为设备总览界面。根据电机车所处区段不同，以图标的形式在主工作区显示各个电机车的重要信息，图标上包含的信息有：电机车运行方向、电机车速度、电机车所处路段、电机车加速/减速状态、与前车/盾构之间的距离、与后车/井口之间的距离。同时，图标的不同颜色代表电机车的状态，具体信息如下，点击某台设备图标，进入单台设备的安全监控。
（3）线路图位置显示
在菜单栏点击“线路图”按钮，进入线路图界面，电机车电控系统将电机车的所处位置（通过编码器+RFID定位）信息传回项目部监控站。在项目部级监控显示范围内，在类似地铁线路图的电子地图上，以图标显示电机车所在标段位置，并用点状图标表示RFID卡片所处的位置。如果一个项目部同时有多个线路在施工，则可以在界面上点击不同的线路进行切换。
地图上根据不同颜色的图标表示设备的状态信息，同时用闪烁的箭头表示设备运行方向。在地图界面上的空白区域，显示各个设备的简要参数。其中包括：前后水平度、控制板通讯状态、变频器通讯状态、钥匙打火开关、前电池电压、后电池电压、前车距离/盾构距离，后车距离/风井口距离，速度，当前标签值。点击某个图标则进入该机车的数据监控画面。
（4）设备监控
设备监控展示单台设备所有的详细参数，根据数据类型的不同，采用文本框或者指示灯的方式进行展示。展示的数据包括：整机行程、辅助驾驶选择（开关）、疲劳驾驶（开关）、无人驾驶（开关）、左顾右盼（开关）、前后水平度、辅助驾驶档位；控制板（电气柜）通讯状态、变频器通讯状态、采集板（电气柜）通讯状态、钥匙开关状态（打火状态，可以记录时间）、变频器（频率、电压、电流、速度、母线电压）、前电池电压、中电池电压、后电池电压、主变频器故障、主令开关TS1-TS7（1前进、7后退、23456档位）、BP1正转、BP2反转、变频器（多段速1、多段速2、多段速3）、当前标签值（标识线路段）、走行档位实际值。
（5）历史数据查询
电机车远程监控系统，在实时采集远端设备上的各类监测数据外，同时可对所有数据进行历史记录功能，并可通过历史曲线的方式进行回放。
系统对于数据记录的策略提供了定时记录和变化记录两种方式，对于长时间不会变动的数据只需要进行变化记录，而对于无需太过频繁关注的数据，用户可进行定时记录，由于这两种记录方式的提供，大大降低了系统对于数据存储的要求，保证数据完整性和准确性的同时，节省了大量数据存储空间。
（6）报警预警
在任何界面，点击下方的报警框，进入报警统计页面。报警统计的信息包括：疲劳驾驶报警、左顾右盼报警、水平度报警，模块通讯故障报警。预警信息包括：防碰撞预警（如果同一线路上有多辆电机车），超速报警（某一线路段用时少于最高档位需要的时间）。本系统提供对所有报警和指令信息的历史数据查询功能。
4.4 视频监控系统设计
视频监控系统，提供对远端施工设备上的各种视频设备进行视频采集、回传、实时视频显示、视频录像及回放等功能。电机车上的关键位置已安装了网络高清摄像头和固定的车载硬盘录像机（以下简称NVR），并通过隧道内的无线网络，实时上传视频图像至项目部级的网络硬盘录像机中进行实时预览和存储，并在视频专用的显示器上进行显示。
5 结束语
本次研发实现电机车智能辅助驾驶技术是国内首创，并实现了远程监控，推进了工程机械设备的智能化和自动化进程。电机机车辅助驾驶技术研发成功，进一步提高公司的技术研发能力和技术力量。辅助驾驶电机车中心控制器采用（PLC）逻辑控制器，采用工业控制机为人机界面，隧道设置无线局域网通信，信号更换基站的过程中数据更新速度和反应时间的配合实现了无缝对接，里程计算的准确性等问题都已经解决随着科技的发展，工程机械智能化和自动化的需要，迫切要求设备的技术含量高，可靠性好，减少操作人员甚至不需要操作人员，适用范围广。
参考文献
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[4].刘力.组态软件在PLC实验系统中的应用[J].实验室研究与探索，2014
论文作者:王继周
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第03期
论文发表时间:2019/5/27
标签：电机论文; 隧道论文; 机车论文; 监控系统论文; 数据论文; 设备论文; 基站论文; 《工程管理前沿》2019年第03期论文;