楊 絢，陳德旺，陳 榮

(北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044)

高速鐵路的可持續(xù)發(fā)展已為世界各國所公認(rèn)。在全世界范圍內(nèi)，高速鐵路都正處于發(fā)展階段。根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整方案》，直到2020年我國高速客運(yùn)專線建設(shè)將達(dá)到1.6萬km以上。

在高速鐵路迅猛發(fā)展的今天，對高速鐵路的安全研究顯得尤為重要。在中國，2010年7月23日，北京南至福州D301次列車與杭州至福州南D3115次列車發(fā)生追尾事故，嚴(yán)重地危害了人民群眾生命安全。顯然，進(jìn)一步加強(qiáng)鐵路安全工作，促進(jìn)高速鐵路安全發(fā)展具有重要意義。

為了進(jìn)一步做好高速鐵路的安全工作，本文結(jié)合在汽車領(lǐng)域中主動安全的思想，提出對高速鐵路的主動安全控制，其特點(diǎn)是發(fā)生意外之前對其做出控制，即預(yù)防事故發(fā)生所采取的積極安全對策[1]。

隨著列車速度的提高，在高速鐵路中對主動安全方法的研究顯得更加重要。做好高速鐵路主動安全控制的研究，對建設(shè)和諧鐵路有著重要的社會和經(jīng)濟(jì)意義。

1 高速列車的安全控制現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)高速鐵路安全控制

在既有線上進(jìn)行提速。為確保列車運(yùn)行安全和提高運(yùn)輸效率，對高速鐵路裝備了一系列先進(jìn)的、技術(shù)成熟的、安全性能可靠的列控系統(tǒng)。我國300 km/h及以上高速客運(yùn)專線，使用CTCS-3級列控系統(tǒng)作為全路統(tǒng)一技術(shù)平臺，并兼容CTCS-2級列控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動車組的上行及下行線的運(yùn)行。作為中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，CTCS-3級列控系統(tǒng)主要面向提速干線、高速新線和特殊線路。CTCS-3級列控系統(tǒng)采用GSM-R（Global Mobile System for Railways），進(jìn)一步解決了超速防護(hù)信息可靠高速率傳輸?shù)膯栴}[2]。

（1）CTCS-3級列控系統(tǒng)通過由車載設(shè)備接收RBC（無線閉塞中心，Radio Bock Center）傳送的運(yùn)行許可（Movement Authority，MA）、臨時限速信息等，并由車載設(shè)備向RBC(Radio Block Center)傳送列車運(yùn)行位置報(bào)告信息等，進(jìn)一步確保列車安全運(yùn)行；

（2）通過無線閉塞中心RBC來監(jiān)督列車完整性，跟蹤管轄范圍內(nèi)各車行駛位置，根據(jù)給每一列車單獨(dú)設(shè)立的基礎(chǔ)信號系統(tǒng)來確定運(yùn)行許可，確定列車許可范圍內(nèi)軌道區(qū)段空閑；

（3）CTCS-3級列控系統(tǒng)還通過列控中心采集區(qū)間軌道電路信息，并發(fā)送給RBC，以進(jìn)一步確保不發(fā)生列車追尾等問題；

（4）通過車站聯(lián)鎖設(shè)備，向調(diào)度中心CTC（Centralized Traffic Control）分機(jī)發(fā)送站場設(shè)備實(shí)時狀態(tài)，以確保正確的行車調(diào)度。

據(jù)我國的具體情況，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)為滿足不同速度列車混合運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行方式，提出采用區(qū)間不設(shè)地面通過信號機(jī)，自律分布式、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。系統(tǒng)分地面和車載設(shè)備2大部分，地面設(shè)備產(chǎn)生列車控制所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，傳送給列車經(jīng)車載設(shè)備處理，產(chǎn)生列車速度控制曲線，監(jiān)督或控制列車安全運(yùn)行[3~4]。我國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)還采用了列車運(yùn)行自動控制系統(tǒng)，車載設(shè)備根據(jù)從接收的速度信息生成限制速度、目標(biāo)速度、司機(jī)根據(jù)車載設(shè)備顯示出的限制速度和目標(biāo)速度來駕駛。當(dāng)列車的運(yùn)行速度大于限制速度時，車載設(shè)備就自動執(zhí)行制動，使列車減速或停車，進(jìn)一步確保列車行車安全[5]。

1.2 國外高速鐵路安全控制

早在1983年，為保證列車安全運(yùn)行，北美鐵路部門希望首先消除信號盲區(qū)，并從節(jié)省成本的角度考慮，希望不用地面信號設(shè)備，而通過無線方式實(shí)現(xiàn)列車的控制，之后，美國鐵道協(xié)會AAR及加拿大鐵道協(xié)會RAC一同提出了先進(jìn)列車控制系統(tǒng)（Advanced Train Control System,ATCS）。其主要思想是要通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信手段和先進(jìn)的微處理器，獲取列車位置信息、列車速度信息的前提下，對列車進(jìn)行閉環(huán)控制[6]。其通過對整個系統(tǒng)提供可靠的檢查與平衡手段，利用車地間雙向信息通道實(shí)現(xiàn)對列車的閉環(huán)控制，大大降低人為錯誤的影響，實(shí)現(xiàn)列車安全行車的目的。

20世紀(jì)80-90年代，為保證列車安全運(yùn)行，發(fā)達(dá)國家紛紛發(fā)展了具有本國特色的安全列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，其中具有前瞻性的主要包括了歐洲ETCS（European Train Control System）、日本的ATC（Automatic Train Control）系統(tǒng)、法國的U/T系統(tǒng)、德國的LZB等。高速鐵路在亞洲和歐洲都得到了快速發(fā)展。

另外，為適應(yīng)高速鐵路的發(fā)展，各國都在積極研制最新無線通信的鐵路信號系統(tǒng)（Transmission Based Signalling, TBS），在以往的CTC調(diào)度集中系統(tǒng)中，CTC根據(jù)列控中心告知區(qū)段閉塞分區(qū)狀態(tài)，再通過車站到發(fā)線占用情況，大致計(jì)算出列車的運(yùn)行情況，給列車排列進(jìn)路。在TBS中主控中心，各運(yùn)行列車的位置、速度、沿線信號設(shè)備狀態(tài)可被明確知道，可通過無線通信直接給列車發(fā)送控制命令，時刻監(jiān)控列車的運(yùn)行狀態(tài)，控制列車的運(yùn)行速度，確保列車安全地以最小時間間隔運(yùn)行，保證高速的同時指揮列車安全運(yùn)行。

2 主動安全在高速鐵路中的應(yīng)用

2.1 主動安全控制的發(fā)展現(xiàn)狀

主動安全的概念在高速列車甚至整個鐵路領(lǐng)域都還沒有被明確地提出，主動安全控制系統(tǒng)的建模與鑒定方法在高速鐵路研究中也都是新的課題。主動安全，其核心內(nèi)容是指在車輛高速行駛狀態(tài)下操縱穩(wěn)定性、制動穩(wěn)定性、適應(yīng)環(huán)境狀況和天氣變化等動態(tài)未知變化等的能力。

主動安全系統(tǒng)是指如何防止和避免事故發(fā)生的系統(tǒng)和裝置。當(dāng)前在汽車安全系統(tǒng)中使用較多。包括ABS（防抱死系統(tǒng)，Anti-locked Braking System）、ASR（驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)，Acceleration Slip Regulation）系統(tǒng)、汽車主動安全系統(tǒng)、EPS（電動助力轉(zhuǎn)向，Electric Power Steering）系統(tǒng)、AFS（主動前輪轉(zhuǎn)向，Active Front Steering）系統(tǒng)、SBW（Steer-by-Wire）線控轉(zhuǎn)向技術(shù)等[7~8]。目前日本學(xué)者提出汽車整車主動控制的各種組合方式，結(jié)合4輪轉(zhuǎn)向控制4WS、主動懸架、TCS（Traction Control System）和ABS的汽車復(fù)合控制。其中汽車制動防抱系統(tǒng)和汽車驅(qū)動力控制是控制汽車行駛過程中的縱向力。隨著汽車行駛速度的提高，也為了解決汽車在通過突變附著系數(shù)路面保持穩(wěn)定駕駛的能力，人們對汽車行駛過程中的控制提出了組合控制的要求[9]。

另外，國內(nèi)外也有相關(guān)學(xué)者對城市道路交通主動安全控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，其主要是通過運(yùn)用先進(jìn)的信息采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)、智能化信息處理技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)改變現(xiàn)有被動的交通安全管理模式[10]，實(shí)現(xiàn)交通事故事前的主動防御功能，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)間的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)對道路交通安全的主動控制功能，有效地避免交通事故的發(fā)生，提高城市道路交通安全管理水平。

主動安全還包括減輕人體疲勞等。在這方面有相關(guān)文獻(xiàn)提出將駕駛員主動安全性的辯識分成熟練、疲勞程度兩個獨(dú)立的部分進(jìn)行評價，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上抽取與駕駛員熟練、疲勞程度相關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)，按照統(tǒng)計(jì)結(jié)果劃分成模糊子集。通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對駕駛員的熟練、疲勞程度和綜合的主動安全性進(jìn)行辯識和分析，定量地分析駕駛員的主動安全性因素[11]。

2.2 主動安全在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用

由上述列車運(yùn)行中的事故案例和主動安全在汽車領(lǐng)域的成功應(yīng)用可以看出，在快速發(fā)展高速鐵路時代，研究主動安全在高速鐵路的應(yīng)用非常重要。僅僅依靠提高高速鐵路的被動安全性，不能高效地提高高速鐵路的可靠性。研究與被動安全相結(jié)合的主動安全方法顯得尤為重要。

針對列車運(yùn)行的各種環(huán)境因素，強(qiáng)風(fēng)、地震，雨、雪、雷電、事故現(xiàn)場、施工現(xiàn)場等，都會對列車運(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)成一定影響。以地震處置系統(tǒng)為例，雖然地震是發(fā)生概率較小，卻是危害性很大的一種自然災(zāi)害。對鐵路運(yùn)輸而言，在過去列車低速運(yùn)行的情況下，地震的危害性還不是特別突出，但當(dāng)列車運(yùn)行速度超過200 km/h以上，哪怕是較小震級別的地震，對路基、軌道、橋梁等的沖擊都可能導(dǎo)致危害旅客生命安全的重大事故[12]。通過對各種報(bào)警方式進(jìn)行比選研究，實(shí)現(xiàn)對地震的緊急處置，做到對地震情況下故障的主動預(yù)測，提前做的防范。

另外，在強(qiáng)風(fēng)作用下，列車的空氣動力學(xué)模型也產(chǎn)生相應(yīng)的改變，尤其在側(cè)風(fēng)的作用下，列車傾覆及脫軌的風(fēng)險性增加，因此對其各種環(huán)境中的動力學(xué)模型研究都是必不可少的。在相關(guān)文獻(xiàn)中提出了模擬模型，并計(jì)算列車各方向的壓力，因此，列車實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)力影響也是亟待列入的主動安全研究中的重要課題[13]。

主動安全還強(qiáng)調(diào)對異常線路條件下的安全研究。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)首次在我國鐵路應(yīng)用，在實(shí)際的設(shè)計(jì)、施工中會遇到很多特殊的情況，需要根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，不斷進(jìn)行完善，合理有效地解決，采取主動安全控制。例如對既有線改造中的遇到的特殊站場，應(yīng)根據(jù)不同情形使用不用的列控方案，提出優(yōu)化方案，在確保提速順利的基礎(chǔ)上保證其安全。

目前高速鐵路大多采用車地?zé)o線通道實(shí)現(xiàn)信息的交互，車載設(shè)備通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)給無線閉塞中心傳送列車位置報(bào)告，無線閉塞中心根據(jù)前車占用信息為當(dāng)前列車計(jì)算行車許可，再通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)給車載設(shè)備。其中，無線閉塞中心需要通過聯(lián)鎖設(shè)備和列控中心設(shè)備告知軌道占用情況，在這樣的集中控制下，無論軌道電路，聯(lián)鎖設(shè)備，列控中心或者無線閉塞中心發(fā)生故障，都會導(dǎo)致列車行車許可計(jì)算失敗。導(dǎo)致追尾碰撞的發(fā)生。針對當(dāng)前的車地信息交互，本文提出更為自主智能的車-車通信方式，前后車的通信不依賴于列控中心，聯(lián)鎖，無線閉塞中心，通過自主定位和車與車之間自主傳遞位置速度等信息的方式進(jìn)行，進(jìn)一步由車載設(shè)備自主計(jì)算行車許可，自主實(shí)現(xiàn)列車超速緊急預(yù)警的方式控制列車運(yùn)行。建立車與車的信息傳遞通道，除了報(bào)告位置速度等必須信息，還可以由前車主動發(fā)送追尾碰撞警告，緊急事件預(yù)警，道路信息通告等信息，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高速鐵路的自主智能控制。

針對以上案例，結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究，對列車運(yùn)行中的各種環(huán)境因素的影響是當(dāng)前高速鐵路研究中不可避免的問題。對這類異常問題的研究可以首先通過對高速列車運(yùn)行的各種環(huán)境因素（包括強(qiáng)風(fēng)、雨、雪、事故現(xiàn)場、施工現(xiàn)場等）進(jìn)行分類研究，建立動態(tài)環(huán)境變化下的列車動力學(xué)模型。然后總結(jié)高速列車設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)專家的經(jīng)驗(yàn)，提出適用于高速列車安全和控制的知識庫。最后通過分析高速列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法獲取高速列車運(yùn)行的規(guī)律。

對高速鐵路中的主動安全控制系統(tǒng)建模分析，是列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)和方法，進(jìn)一步通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)測性分析、主動防御等，最終達(dá)到高速列車的主動安全控制。

3 結(jié)束語

本文重點(diǎn)探討了通過主動安全控制，提高車輛高速行駛狀態(tài)下的操縱穩(wěn)定性、制動穩(wěn)定性，以及適應(yīng)環(huán)境狀況和天氣變化等動態(tài)未知變化能力。使高速鐵路在運(yùn)行中更好的做到防患于未然。另外，為減少高速鐵路中集中控制帶了的風(fēng)險，提出車-車通信方式，進(jìn)一步在確保列車零故障的前提下，順利實(shí)現(xiàn)提速。

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