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城市軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)方案研究

周巧蓮

（上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，201103，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

城市軌道交通正常情況下的列車運行安全由ATP（列車自動防護）系統(tǒng)保障，ATP失效情況下的降級運行尚缺乏設(shè)備層面的安全保障。從技術(shù)方案、電氣接口、系統(tǒng)定位、設(shè)備安裝等方面介紹了列車輔助防撞系統(tǒng)。基于無線射頻和聲波探測技術(shù)的輔助防撞系統(tǒng)，在列車頭、尾各設(shè)一套相同的設(shè)備，根據(jù)從列車接口電路獲得的車輛狀態(tài)信息，確定設(shè)備對應(yīng)頭尾端的不同工況和上、下行線路的不同模式，建立同一股道上后車前端和前車尾端的應(yīng)答機制，實現(xiàn)前后列車相對距離的實時探測，為司機提供危險車距報警信息。

城市軌道交通；列車運行控制；運行安全；輔助防撞系統(tǒng)

Author's address Technical Center of Shanghai Shentong Metro Group，201103，Shanghai，China

城市軌道交通列車作為密集人群的流動載體，其運行安全受到高度重視。正常情況下，列車運行安全由安全性極高的ATP（列車自動防護）系統(tǒng)予以保障。然而，由于城市軌道交通系統(tǒng)高度復(fù)雜，實際運營中信號、車輛故障時有發(fā)生，ATP的故障導(dǎo)向安全設(shè)計，在大多數(shù)故障情況下導(dǎo)致列車停車。為使故障對運營的影響降至最低，往往采取切除ATP的人工駕駛方式，此時運行安全主要依賴于對降級運行規(guī)章的嚴格執(zhí)行及駕駛員人工瞭望，缺乏設(shè)備層面的安全防護手段，存在風(fēng)險。事實上，近年來國內(nèi)外發(fā)生的列車撞車事故，大多數(shù)是在ATP切除運行時發(fā)生的。因此，研究一種獨立于信號系統(tǒng)、在ATP切除情況下起作用的列車運行輔助防撞系統(tǒng)勢在必行。

1 上海軌道交通ATP系統(tǒng)運用故障現(xiàn)狀

導(dǎo)致列車必須在ATP切除情況下才能運行的故障主要是信號故障和車輛故障。信號系統(tǒng)故障牽涉面廣，系統(tǒng)故障可能影響到全線所有車輛或某區(qū)段上運行的所有車輛。車輛故障和信號車載設(shè)備故障往往影響單列列車的ATP防護。據(jù)統(tǒng)計，2011年1～8月期間，上海軌道交通11條運營線路共發(fā)生ATP切除1387列次，平均每月發(fā)生184.9列次。其中，信號故障導(dǎo)致ATP切除次數(shù)占總次數(shù)的89.83%，車輛故障占總次數(shù)的6.42%。

信號系統(tǒng)故障導(dǎo)致區(qū)段或全線ATP防護失效，往往需要人工辦理進路，通過控制防護區(qū)間及列車限速保障運行安全。單列列車ATP切除主要通過限制人工駕駛速度保障運行安全。上海已建成投運的軌道交通線路中，線路條件并不理想，存在不少小半徑曲線的彎道（11條已投運線路中半徑R≤400 m的小半徑曲線共計422個）；而司機瞭望的可視距離受彎道限制，彎道曲線半徑越小，司機的可視距離越短?？紤]到駕駛員需要一定的響應(yīng)時間及列車速度必須控制在30 km/h以下，ATP切除后線路運營效率受到極大的限制。

2 列車輔助防撞技術(shù)方案

2.1 技術(shù)原理

受軌道交通線路形態(tài)如小半徑曲線彎道、隧道等限制，在其它領(lǐng)域（如航空、汽車等）成熟應(yīng)用的技術(shù)無法直接適用于軌道交通。例如，衛(wèi)星定位（Satellite-based Positioning）技術(shù)可以在地面高架區(qū)段上應(yīng)用，但無法適用于隧道區(qū)段，且定位精度也不足以區(qū)分列車上、下行股道；車載防撞雷達（Anti-Crash Radar）無法在小半徑曲線彎道、上下坡道等事故重點防范區(qū)段有效發(fā)揮作用。此外，基于圖像識別和機器視覺等分布式傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前還不成熟。

基于聲學(xué)和射頻探測技術(shù)，通過建立前、后車車載設(shè)備問訊應(yīng)答實時探測前后列車的相對距離的輔助防撞系統(tǒng)，能夠適應(yīng)軌道交通高架、隧道、小半徑曲線彎道等復(fù)雜的運行條件，有效解決非正常運行條件下（ATP切除）行車安全保障系統(tǒng)缺失的問題。其技術(shù)原理如圖1所示。前、后列車通過聲學(xué)和射頻信號的發(fā)送接收，建立應(yīng)答機制并實時計算前、后車距離。

圖1 列車輔助防撞系統(tǒng)技術(shù)原理示意圖

列車輔助防撞系統(tǒng)的主要工作步驟為：

（1）后車的信號發(fā)射裝置向前車發(fā)射問詢信號。

（2）前車信號接收裝置接收信號，進行數(shù)據(jù)解調(diào)，若符合預(yù)定通信協(xié)議，通過信號發(fā)射裝置向后車反向發(fā)射應(yīng)答信號；若數(shù)據(jù)不符合通信協(xié)議，則視為干擾，不進行響應(yīng)。

（3）后車信號接收裝置收到前車發(fā)射的應(yīng)答信號。

（4）后車的信號處理裝置通過分析前車應(yīng)答信號判斷前車位置、相對車速等車況。通過計算發(fā)送問詢信號至收到前車應(yīng)答信號的時間差Δt，確定前車位置；通過S=vΔt/2估算前、后車之間的相對距離（其中v為信號傳輸速度，Δt為信號傳輸時間）。

（5）后車司機室內(nèi)的人機界面顯示前車距離，并提供危險車距報警，提醒司機及時采取措施。

該輔助防撞系統(tǒng)采用應(yīng)答式工作方式，前車主動發(fā)射應(yīng)答信號，測距信號較強，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性好。通過抗干擾技術(shù)處理手段，解決系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境下的多徑干擾等問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。無線系統(tǒng)采用1.5 G頻段信號，避免與CBTC（基于無線通信的列車控制）制式的信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。聲系統(tǒng)采用6～8 k Hz的聲波，屬機械波，與電磁波彼此不干擾。

經(jīng)過前期列車運行環(huán)境調(diào)查及傳輸性能測試，無線波及聲波都能實現(xiàn)近距離測距功能，測量距離可達350 m以上，滿足ATP切除、限速60km/h運行的列車制動距離要求。無線波和聲波都可作為輔助防撞系統(tǒng)的信號源，距離計算公式中的信號傳輸速度（v）分別采用對應(yīng)的無線波傳播速度和聲波傳播速度。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

列車輔助防撞系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。列車頭、尾兩端各設(shè)一套獨立的設(shè)備，兩套設(shè)備完全相同。每套設(shè)備由車內(nèi)、車外設(shè)備組成。車外設(shè)備包括信號發(fā)送裝置、信號接收裝置、輔助傳感模塊等，主要用于信號的發(fā)送和接受。車內(nèi)設(shè)備包括系統(tǒng)主機、電源、系統(tǒng)車輛接口、示警終端、自檢和故障診斷模塊等，用于信號處理和示警信息的顯示。

2.3 系統(tǒng)功能

（1）實時測距：系統(tǒng)通過車輛接口判斷ATP處于故障切除狀態(tài)時，通過車載信號收發(fā)設(shè)備實時測量本車與前車之間的距離。對于列車輔助防撞系統(tǒng)來說，探測到不同的前、后車距離（D），應(yīng)采取不同的處置措施。其主要的閾值劃分為：

①當(dāng)D＞350 m時，即車距大于最高車速（80 km/h）時的緊急制動距離，列車輔助防撞系統(tǒng)應(yīng)提供最低級示警，提醒司機采取減速措施；

②當(dāng)200 m＜D≤350 m時，車距大于車速60 km/h時的緊急制動距離，列車輔助防撞系統(tǒng)提供中級示警，提示司機采取安全措施，實施制動；

圖2 列車輔助防撞系統(tǒng)構(gòu)架圖

③當(dāng)0＜D≤200 m時，即危險車距范圍，列車輔助防撞系統(tǒng)應(yīng)提供最高級示警，提示司機進行緊急制動，甚至系統(tǒng)直接發(fā)出列車緊急制動請求。

（2）危險車距評估及示警：系統(tǒng)通過實時測量到的前后列車距離，參照相應(yīng)的危險車距評估閾值，評估追尾風(fēng)險，向司機輸出不同的示警信息；車距危險時，向列車控制系統(tǒng)輸出緊急制動請求，可通過列車緊急制動回路使列車施加緊急制動。

（3）工作模式區(qū)分和識別：系統(tǒng)通過車輛接口識別當(dāng)前列車的上、下行模式，并根據(jù)不同模式發(fā)送不同編碼或頻段的測距信號，使上、下行列車能相互區(qū)分；同時考慮特殊線路形式（始發(fā)站、折返區(qū)段或存車線等），通過地面設(shè)備進行設(shè)定或校驗。

（4）頭尾端設(shè)備識別：處于列車運行方向頭端的設(shè)備為主動問訊設(shè)備，尾端設(shè)備為被動應(yīng)答設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)備通過車輛接口信號自動判別設(shè)備處于頭端還是尾端，從而使其工作狀態(tài)處于相應(yīng)的工況。

（5）系統(tǒng)自檢和故障診斷：系統(tǒng)可對收發(fā)裝置進行在線診斷，并對系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障信息、報警信息等進行記錄。

3 電氣接口

輔助防撞系統(tǒng)通過與車輛接口獲得必要的信息，提高系統(tǒng)的可用性。上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)既有列車400多列，系統(tǒng)方案要兼顧既有列車及新購置列車的應(yīng)用情況。其電氣接口方案如圖3所示。圖中，F(xiàn)為短路保護空氣開關(guān)；cab1為列車1位端司機室受控信號，1位端主控制鑰匙打開，cab1=1；cab2為列車2位端司機室受控信號，2位端主控制鑰匙打開，cab2=1；列車受控為列車受控信號，列車蓄電池開關(guān)打開，列車受控=1；ATP切除為受控司機室ATP切除信號，列車線信號，ATP切除=1；K1、K2為安全型緊急制動請求輸出繼電器，緊急制動有效，K1、K2斷電；應(yīng)答信號為緊急制動輸出驅(qū)動的緊急制動中間繼電器的應(yīng)答信號。

圖3 車輛與聲/無線系統(tǒng)接口示意圖

3.1 系統(tǒng)電源

系統(tǒng)采用DC 110 V電源，由列車蓄電池供電。為保證因故迫停區(qū)間的故障列車具備被動應(yīng)答功能，并可被后續(xù)列車探測到，系統(tǒng)電源直接取自車輛蓄電池輸出端，不受任何控制開關(guān)或電池輸出欠壓保護控制。只要電池電壓達到系統(tǒng)工作電壓，即能保證系統(tǒng)的正常應(yīng)答功能。同時，為保證系統(tǒng)短路故障不影響列車輔助供電功能，系統(tǒng)電源設(shè)空氣開關(guān)保護。

3.2 列車受控、司機室受控信號

為區(qū)分列車上、下行模式，排除非本股道列車的干擾，輔助防撞系統(tǒng)通過不同的工作模式（上行、下行、特殊）區(qū)分系統(tǒng)所在的列車是運行于上行線、下行線還是特殊區(qū)段（折返區(qū)段、存車線、庫內(nèi)等），并在不同的工作模式下采用不同編碼或頻率的信號。

列車出庫進入正線后，列車運行于上行線還是下行線與受控司機室之間有著一一對應(yīng)關(guān)系。因此，輔助防撞系統(tǒng)可根據(jù)主控制器鑰匙開關(guān)輸出信號確定工作模式。兩端司機室對應(yīng)的輔助防撞系統(tǒng)可根據(jù)相關(guān)信號判別自身是車頭設(shè)備還是車尾設(shè)備，從而決定其工作狀態(tài)。如設(shè)定1位端司機室作為前行方向司機室時列車處于上行，則列車兩端設(shè)備的工作模式判斷邏輯如表1和表2所示。

表1 1位端司機室設(shè)備工作模式

表2 2位端司機室設(shè)備工作模式

3.3 ATP切除信號接口

列車在ATP未切除時，運行安全由ATP系統(tǒng)保障。為防止輔助防撞系統(tǒng)在ATP未切除情況下對司機的不必要干擾，其報警輸出功能只有在ATP切除的情況下才能啟動。因此，輔助防撞系統(tǒng)需接入ATP切除信號接口以獲取ATP切除信息。列車兩端設(shè)備的工況判斷邏輯如表3和表4。

輔助防撞系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)ATP切除開關(guān)的狀態(tài)信號和受控司機室信號決定自身的工作工況。防撞系統(tǒng)設(shè)備電源由列車蓄電池供電，為永久負載。處于尾端的設(shè)備，無論ATP是否切除，均處于被動應(yīng)答狀態(tài)。而列車前端設(shè)備，無論ATP是否切除，均處于主動問詢狀態(tài)并完成測距功能，只是為了不對駕駛員產(chǎn)生干擾，報警輸出被系統(tǒng)自動禁止。

表3 1位端司機室設(shè)備工作工況與輸入信號關(guān)系

表4 2位端司機室設(shè)備工作工況與輸入信號關(guān)系

3.4 緊急制動請求輸出

輔助防撞系統(tǒng)在ATP切除情況下探測到危險車距時可輸出緊急制動請求，并通過列車緊急制動回路使列車緊急制動。緊急制動應(yīng)具備較高安全等級，應(yīng)采用安全型繼電器輸出，設(shè)計遵循故障導(dǎo)向安全原則（即繼電器失電，緊急制動有效）。同時，防撞系統(tǒng)緊急制動請求為2路安全型輸出信號，以備冗余，并對繼電器狀態(tài)進行監(jiān)控。

3.5 列車串行接口

該接口用于與列車控制網(wǎng)絡(luò)的通信，如時鐘同步信息、故障信息等，有利于故障及事故分析。輔助防撞系統(tǒng)在既有列車中應(yīng)用時，此功能實現(xiàn)較困難。

3.6 顯示接口

該接口用于與輔助防撞系統(tǒng)的報警終端通信，顯示自檢、故障等相關(guān)信息，并提供危險車距報警。

4 系統(tǒng)定位

軌道交通列車運行安全由ATP系統(tǒng)保障。本系統(tǒng)作為輔助安全保障系統(tǒng)，僅在ATP系統(tǒng)不可用的情況下做補充。防撞系統(tǒng)通過車輛接口獲得ATP是否切除的信號，控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，防止與ATP系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。另外，ATP切除以后，即使輔助防撞系統(tǒng)提供輔助安全保障，但終屬降級運行模式，列車的最高運行速度有必要做適當(dāng)?shù)南拗?，如由運營規(guī)則限定最高運行速度為60 km/h或50 km/h。通常情況下輔助防撞系統(tǒng)適用于以下三種情況：

（1）線路級ATP系統(tǒng)失效：ATP系統(tǒng)級故障，整條線路上所有列車ATP均不可用，列車通過ATP切除開關(guān)切除ATP，輔助防撞系統(tǒng)受ATP切除開關(guān)控制啟動，進入主動問詢、應(yīng)答、測距和報警模式。

（2）線路局部區(qū)域ATP失效：ATP局部區(qū)域故障，導(dǎo)致所有列車通過局部區(qū)段時ATP不可用，運行于故障區(qū)域的列車通過ATP切除開關(guān)切除ATP，輔助防撞系統(tǒng)受ATP切除開關(guān)控制啟動，進入主動問詢、應(yīng)答、測距和報警模式。

（3）單列車ATP失效：ATP車載設(shè)備故障，或某些車輛設(shè)備故障，導(dǎo)致單列車ATP切除，此時前車ATP正常使用，前車尾端設(shè)備處于被動應(yīng)答狀態(tài)，一旦其檢測到后車發(fā)送的問詢信號，即與后車前端建立應(yīng)答關(guān)系，后車根據(jù)前車尾端的應(yīng)答信號進行測距，并提供危險車距的報警。

5 設(shè)備安裝

聲輔助防撞系統(tǒng)和無線輔助防撞系統(tǒng)均包含收發(fā)設(shè)備、處理主機和顯示終端等三部分設(shè)備。無線系統(tǒng)的收發(fā)天線和處理主機設(shè)于司機室天花板內(nèi)，顯示終端設(shè)于駕駛臺左側(cè)的逃生門門柱上。聲防撞系統(tǒng)的聲波信號受玻璃影響較大，設(shè)于列車前端自動車鉤和防爬裝置的中間，且外形設(shè)計不應(yīng)影響車鉤的擺動角度，聲系統(tǒng)主機安裝于端車客室座位上方的天花板內(nèi)，顯示終端安裝位置與無線系統(tǒng)相同。圖4為顯示終端，圖5為聲系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備。

6 結(jié)語

在城市軌道交通單列車ATP失效、軌旁局部區(qū)段ATP失效、區(qū)域控制中心失效等情況所導(dǎo)致的ATP切除降級運行模式下，列車輔助防撞系統(tǒng)不依靠信號、通信等其他系統(tǒng)，獨立實現(xiàn)前、后列車追蹤預(yù)警甚至緊急制動施加，為無ATP防護的人工駕駛提供設(shè)備層面的輔助安全保障，提高了城市軌道交通非正常情況下運行的安全性，改善了運營服務(wù)質(zhì)量，提高了運營效率，避免或減輕了全路網(wǎng)大面積擁堵或癱瘓，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

圖4 顯示終端

圖5 聲系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備

［1］ 何曉薇.空中交通警戒與防撞系統(tǒng)的主要技術(shù)特點［J］.中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2001，12（3）：40.

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On the Plan of Train Auxiliary Anti-crash System for Urban Rail Transit

Zhou Qiaolian

Under normal circumstances，the safety of metro train operation is guaranteed by the automatic train protection system（ATP），but when ATP system becomes ineffective，the train operation under degraded mode will need the safety guarantee at equipment level.The auxiliary anti-crash system，based on radio-frequency and sound-wave detection technologies，consists of the same set of equipment on each end of a train.In accordance with the train status information obtained from the train interface circuit，each set of this equipment will determine the working condition of the corresponding train head/end，as well as the operation mode corresponding to the northbound/southbound track. In this way，the response mechanism between the end of the front train and the head of the back train on the same track is established.The relative distance between the front and the back trains can be measured on a real-time basis and alarms can be sent to the driver immediately upon reaching the dangerous train distance.

urban mass transit；train operating control；running safety；auxiliary anti-crash system

U 298.1

2013-08-06）