崔俊鋒

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

中國列車控制系統(tǒng)（CTCS）和歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）是當(dāng)今世界主流的列控技術(shù)體系。其中，CTCS-3/ETCS 2級列控系統(tǒng)以車地?zé)o線控制列車運行為特征，無論是運行速度還是運行間隔，代表著大鐵列車運行控制領(lǐng)域的領(lǐng)先水平。為了進一步提高鐵路運輸效率、降低建設(shè)和維護成本，中國和歐洲均開展了面向未來的下一代列控系統(tǒng)研究工作。ERTMS/ETCS系統(tǒng)需求規(guī)范subset026[1]中提到在ETCS 3級如圖 1所示“列車定位和列車完整性檢查由無線閉塞中心和列車共同完成（列車發(fā)送位置報告和列車完整性信息）”；中國《CTCS技術(shù)規(guī)范總則》[2]也提及了“CTCS4級由RBC和車載驗證系統(tǒng)共同完成列車定位和列車完整性檢查”。

圖1 ERTMS/ETCS 3級應(yīng)用Fig.1 ERTMS/ETCS 3 application

無論是減少軌旁設(shè)備從而降低成本，還是采用移動閉塞提高運行效率，下一代列控系統(tǒng)的列車完整性檢查功能從依賴地面設(shè)備實現(xiàn)[3]，轉(zhuǎn)變?yōu)榱熊囎灾鲗崿F(xiàn)是用戶需求和技術(shù)進步共同作用的結(jié)果。

本文描述了列車完整性檢查的原理和方案，并對列車自主完整性檢查在下一代列控系統(tǒng)中應(yīng)用進行研究。

2 列車完整性檢查定義及現(xiàn)有實現(xiàn)方法

2.1 列車完整性檢查定義

列車完整性，即是指列車在行車過程中列車車廂整體連接性的完整[4]。列車完整性檢查，即是指列車在運行期間對列車整體連接的完整性進行的檢查。列車在行駛過程中可能發(fā)生尾部一節(jié)或者多節(jié)車廂分離而遺留在線路上的情況，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，就會給后續(xù)車輛的運行帶來重大安全風(fēng)險。因此，安全有效的列車完整性檢查是列車運行控制的重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一，也是鐵路運輸安全保障的重要組成部分。

2.2 列車完整性檢查的現(xiàn)有方法

在傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)中，一般由地面設(shè)備通過軌道占用檢測的方法實現(xiàn)列車完整性檢查和防護。如果發(fā)生分離事故，由于遺留車輛占壓軌道，信號系統(tǒng)防止后續(xù)列車進入該閉塞分區(qū)從而避免碰撞的發(fā)生[5]。軌道占用檢查的方法有軌道電路和計軸兩種主流方式，隨著向下一代列控系統(tǒng)的演進，二者存在軌旁設(shè)備多、建設(shè)維護成本高等缺點，同時也不能滿足移動閉塞的要求。

目前使用的無線列尾裝置也可對列車的完整性進行檢測。當(dāng)列車分離，風(fēng)管斷開漏風(fēng)，泄露量超過規(guī)定值時，列尾裝置主機會及時向機車乘務(wù)員發(fā)出警示，提醒機車乘務(wù)員注意列車運行狀態(tài)[6]。列尾裝置屬于列車主動完整性檢查，但是存在著現(xiàn)有裝備不是故障安全設(shè)備、檢查手段單一等缺點。

3 下一代列控列車自主完整性檢查方案

在下一代列控系統(tǒng)中，列車完整性檢查功能實現(xiàn)應(yīng)符合以下原則。

1）由列車完整性裝置向車載主機報告列車完整性情況。

2）車載設(shè)備向無線閉塞中心發(fā)送列車位置報告（含完整性信息）。

3）列車位置報告包含的列車完整性信息達到SIL4級要求。

有的列車自身具備完整性監(jiān)測（TIMS）功能，從系統(tǒng)風(fēng)險分析的角度來看，如圖 2所示，當(dāng)列車自身完整性監(jiān)控功能（如有）和疊加的列車完整性檢查裝置同時失效的情況下，可能導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險的發(fā)生。這種情況列車自身具備的完整性檢查也可以作為車載設(shè)備的輸入之一。

圖2 列車完整性檢查失效Fig.2 Train integrity detection failed

由于所裝備的列車類型多種多樣，列車的車輛總線、電源供電和既有TIMS配置情況相差很大，列車自主完整性檢查的實現(xiàn)方式也應(yīng)該根據(jù)實際情況因地制宜。這里根據(jù)列車自身條件不同，大體分為兩類進行討論。

3.1 具有可靠有線貫通條件的列車

對于動車組或者旅客列車，車體存在貫通的電源電纜和通信電纜，可以利用既有有線網(wǎng)絡(luò)帶來的便利，疊加安全列尾裝置實現(xiàn)列車完整性檢查。動車組自身擁有TIMS功能，可以評估其安全失效概率，如能達到要求則不需要額外的列車完整性裝置，否則需要疊加獨立的列車完整性裝置共同完成。

如圖 3所示，在這個方案中，列首和列尾通過利用車體有線網(wǎng)絡(luò)連接，車載ATP設(shè)備從列首和TIMS（如有）采集列車完整性信息。設(shè)備上電后，通過駕駛室激活狀態(tài)或者配置數(shù)據(jù)明確主從關(guān)系，并通過有線通信進行首尾配對；在運行過程中，列首通過有線網(wǎng)絡(luò)接收列尾周期發(fā)送的心跳信號、風(fēng)壓信息和診斷信息，判斷列車的完整性并通過ATP接口周期性地報告給車載主機。

圖3 基于有線的列車完整性檢查方案Fig.3 Train integrity detection scheme based wire

3.2 不具有可靠有線貫通條件的列車

貨車基本不具備有線貫通條件，有些客車雖然具備有線連接但是不能提供通道給列車完整性檢查使用或者改造成本不菲，在這種情況下考慮使用基于無線的列車完整性檢查的方法，而根據(jù)完整性檢查的實現(xiàn)方法又可分為以下兩種方案。

3.2.1 基于首尾無線通信的列車完整性檢查方案

如圖 4所示，在這個方案中，列首和列尾通過無線進行連接，車載ATP設(shè)備從列首獲取列車完整性信息。設(shè)備上電后，列首和列尾通過配置數(shù)據(jù)獲取首尾配對信息、主從關(guān)系，然后建立首尾無線通信連接；在運行過程中，列首周期性采集列尾心跳信號、風(fēng)壓等信息，同時列首和列尾設(shè)備裝備GNSS、加速度等傳感器，對列車首尾的位置、速度和加速度信息進行測量，車載主機根據(jù)電子地圖和輸入的車長信息，綜合判斷列車完整性狀態(tài)，另外本方案可以實現(xiàn)列車自主的列車長度測量功能。

圖4 基于首尾無線通信的列車完整性檢查方案Fig.4 Train integrity detection scheme based on the front and rear wireless communication

3.2.2 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的列車完整性檢查方案

如圖 5所示，在這個方案中，機車和所有車輛均裝備傳感節(jié)點來實時檢測列車的運動狀態(tài)，車載通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集所有節(jié)點的傳感信息[7]。在啟動階段，由位于機車的節(jié)點發(fā)起初始化，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和拓撲發(fā)現(xiàn)；此后進入運行階段，由機車所在節(jié)點周期性發(fā)起數(shù)據(jù)請求，由前到后依次傳遞；節(jié)點收到請求后將攜帶傳感數(shù)據(jù)和身份標識的消息由后向前逐級傳遞到位于機車的節(jié)點，最終由車載設(shè)備綜合所有節(jié)點的運動一致性判斷列車的完整性。本方案不需要車載預(yù)先存儲電子地圖，但不具備列車自主測長功能。

圖5 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的列車完整性檢查方案Fig.5 Train integrity detection scheme based on wireless sensor networks

4 總結(jié)

下一代列控系統(tǒng)從提高鐵路運輸效率和降低成本的角度，都要求將列車完整性檢查功能由地面設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橛闪熊囎灾鲗崿F(xiàn)。本文以列車固有的通信條件為劃分依據(jù)，提出基于首尾有線連接、首尾無線連接和基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的列車自主完整性檢查方案，為后續(xù)下一代列控系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)提供了參考。