碰撞防护系统分析及铁路应用设计*

林俊亭，党建武，曹 岩，董德存

（1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院,甘肃 兰州 730070；2.同济大学 交通运输工程学院,上海 201804）

为了保障铁路运输安全，基于集中管理模式的控制系统被越来越多地应用在铁路运输安全领域。欧洲为了提高跨国运输效率，用统一的欧洲列车控制系统ETCS（European Train Control System）逐渐取代了各铁路公司多样的列车控制系统TCS（Train Control System）。虽然新系统和新技术的应用很大程度上降低了运输安全事故率，但国际铁路联盟实际统计表明，仅在欧洲平均每天仍会发生3起列车事故[1]。

在我国轮轨交通领域,中国列车控制系统CTCS(Chinese Train Control System)和自动列车控制ATC(Automatic Train Control)虽然能够最大程度地提高运行效率并保障运营安全,但都是通过轨旁和车载设备监控列车运行，采集列车运行状态信息传递给调度管理控制中心,并由控制中心向列车传达特殊的行车指令MA(Movement Authority）。当调度中心功能失调，车地通信不畅时，仍无法彻底避免列车碰撞事故。2011年，我国轨道交通领域发生了两起重大事故——“7.23”甬温线动车追尾事故和“9.27”上海地铁10号线列车追尾事故，碰撞防护技术在轨道交通领域的应用由此成为关注和研究热点。

碰撞防护系统 CAS（Collision Avoidance System）是防止交通工具发生碰撞的系统，其在海事、航空和公路交通领域都已经应用。但在轨道交通领域，德国航空航天中心 DLR(German Aerospace Center)从 2006年开始对于铁路碰撞防护系统进行研究[2,3]。

借鉴海事、航空和公路交通领域碰撞防护系统的思想，充分考虑我国铁路列车控制系统的分级特点，提出了可叠加在CTCS之上的安全叠加系统——列车碰撞防护系统CAS-T(Collision Avoidance System for Train)的概念,设计了系统架构并对比分析CAS-T的两种工作模式。

1 传统碰撞防护系统

CAS是实现交通工具间直接通信方式，通过交互各自位置和运行姿态信息，并能对可能发生的碰撞进行预警的系统。国内外的学者在海事、航空、公路交通领域分别针对舰艇、飞机和汽车防撞系统的相关算法和关键技术都开展了大量的研究工作,并取得了丰硕的研究成果。

1.1 舰艇防撞系统

海事交通领域的自动识别系统AIS(Automatic Identification System)以自组织时分多址为核心技术，传输包括船舶识别、船舶运动参数、船舶静态及与航行和安全相关信息，支持优于当前雷达性能的船舶监视和船船及船岸间短信息通信，为船舶避碰和航行提供辅助决策[4]。

AIS监视策略如图1所示[5]，AIS电台基于自身数据连接流量和其他电台的未来动向，决定自己占用的传输时隙。每个AIS电台的位置报告信息填入每分钟2250个时隙中的一个。为防止传输时隙重叠，AIS电台需持续地进行同步。

1.2 飞机防撞系统

广播式自动相关监视ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)主要实施空对空监视,一般情况下，只需机载电子设备(GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器)，不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能。装备了ADS-B的飞机可通过数据链广播其自身的精确位置和其他数据(如速度、高度及飞机是否转弯、爬升或下降等)。ADS-B接收机与空管系统、其他飞机的机载ADS-B结合起来，在空地都能提供精确、实时的冲突信息[6]。

ADS-B系统由多地面站和机载站构成,以网状、多点对多点方式完成数据双向通信。机载ADS-B通信设备广播来自机载信息处理单元收集到的导航信息，接收其他飞机和地面的广播信息后经过处理送给机舱综合信息显示器。机舱综合信息显示器根据收集到的其他飞机和地面的ADS-B信息、机载雷达信息、导航信息后给飞行员提供飞机周围的态势信息和其他附加信息 (如：冲突告警信息，避碰策略，气象信息)。ADS-B的监视策略如图2所示。

1.3 汽车防撞系统

公路交通领域的车载防撞系统为车车通信C2C(Car to Car)旨在通过多种信号采集系统发现危险情况，并发出警报,提醒驾驶员采取相应措施有效规避碰撞事故发生，最大限度地保障人、车安全。随着无线通信技术的成熟发展，通过车内(In-Vehicle)、车间 V2V(Vehicle to Vehicle)以及车路 V2I(Vehicle to Infrastructure)等通信机制，可以收集到更多与行车有关的信息，如车辆状态、交通环境信息等，并进一步将这些信息有效地整合，建立行人、车辆、道路一体的交通运输系统(车路协同系统)，从而提高交通运输系统的效率、安全性和可持续性成为世界智能交通领域的研究热点。车车通信协会 (C2C-CC)旨在建立一套车间及车路开放的自组网标准，系统结构如图 3所示[7]。

2 列车碰撞防护系统设计

为提高运输效率并保障运输安全，我国已经在铁路发展中分级建设中国列车控制系统。借鉴海事、航空和公路交通领域的碰撞防护系统,构建列车碰撞防护系统作为CTCS的安全叠加系统,可有效提高CTCS的安全性。

2.1 中国列车控制系统

CTCS是在借鉴ETCS的基础上，结合我国铁路现状和发展规划，以分级形式满足不同线路运输需求的列车控制系统。系统目的是适应中国既有信号装备现状，实现路网之间互联互通，满足最高速度160～350 km/h列车运行控制需求[8]。CTCS按功能划分为5级，应用等级对照表如表1所示。

表1 CTCS应用等级对照表

在CTCS五级分级中，CTCS-3和CTCS-4采用车地无线通信系统GSM-R,并且已经实现完善的冗余覆盖[9]，可有效保证列车安全间隔，但是都面临着过度依赖地面基础设施和调度中心的问题，司机的自主判断功能不足。鉴于2011年的两次列车追尾事故，可以想象：如果借助保证足够通信距离的车车通信，随行列车可以判断前行列车的运行状态，司机也可以判断是否存在碰撞风险，并可以根据实际情况采取有效的规避措施，将能显著提升列车运行安全性能。

作为CTCS的安全叠加系统，CAS-T可以在CTCS-0到CTCS-2级线路上直接作为车载通信设备满足基于车车通信的碰撞防护需要，而在CTCS-3和CTCS-4线路上可作为车地无线通信系统的安全叠加备用系统。

2.2 列车碰撞防护系统

给出CAS-T的基本定义如下：CAS-T是基于车车通信的列车碰撞防护系统，车载设备实时计算自身的位置和移动向量，并将其广播给一定区域内的其他列车，人机接口设备显示一定区域内列车位置信息，车载计算机综合自己位置信息和接收的其他列车位置信息监测碰撞发生的可能性，并给出报警信号和防碰策略建议。

CAS-T是完全基于车载设备的碰撞防护系统，不需要增加额外的地面基础设施。其基本原理借助列车定位信息和车车通信及碰撞防护算法,完成碰撞预警和防护。

要实现铁路碰撞防护的目的，系统应具备如下功能子系统：

(1)定位子系统，通过卫星定位、测速传感器、车载雷达和电涡流传感器等多种组合方式，精确获知列车在线路上的位置，此部分可与CTCS共享。

(2)车车通信子系统：在一定通信覆盖范围内采用半双工或双工模式接收并发送列车位置信息和相关运行姿态信息，诸如：运行速度、运行方向、占用轨道、车辆参数、制动性能等等。

(3)碰撞防护安全计算机CAS-VC(CAS Vital Computer)，综合自身位置与邻近列车位置并结合电子地图数据，计算并分析碰撞可能性，能根据碰撞级别给出告警提示和处置建议。

(4)电子地图数据库，为CAS-VC和定位子系统提供地图数据。

(5)人机交互子系统，完成列车数据的输入，碰撞可能发生时给出显示告警提示。

CTCS叠加CAS-T系统结构如图4所示。

2.3 系统工作模式分析

车车通信技术是CAS-T的核心技术。根据CAS-T车载通信单元所选用的通信制式和工作方式的差别，可将CAS-T系统分为半双工模式和双工模式两种。

(1)半双工模式

在此种工作模式下，需要司机去触发系统动作，系统分为正常和告警两种工作状态。

正常状态：列车处于正常运行工作状态时，无线通信单元处于接收状态，无发送数据。

告警状态：当列车处于故障停车或非正常行驶时，由列车司机按故障键后，无线单元周期性发送告警信息，一定范围内的列车接收到该告警信息后进行处理并发出相关告警提示信息（声、光），提示司机进行故障确认，进行减速行驶或停车操作，避免追尾事故的发生。

(2)双工模式

此种工作模式下，系统自动实时地收发列车位置和其他相关信息并进行碰撞可能性的判断。可以保证司机能获得最新的邻近列车的运行姿态，及时提醒司机采取相应动作，用以确保列车运行安全。

表2从5个方面对CAS-T的两种不同工作模式进行对比。在实际部署中，可根据线路运输繁忙程度、单线还是复线、成本预算以及对于实时性要求等多方面进行相应的选择。

表2 CAS-T两种工作模式对比

CAS-T作为CTCS的安全叠加系统，是一套独立运行的碰撞预警与安全防护系统。它不需要地面基础设施支持，造价成本低，完全基于车载设备和车车间通信，使得司机可以及时获取自身和周边列车最新运行信息，采取合理的措施并有效规避碰撞风险。

本文分析CAS-T的两种工作模式并从信息传输的实时性、通信方式、预警主动性等方面进行了对比。工作于半双工模式的CAS-T实现较简单,但是如果线路行车密度大，则应采用双工通信模式的CAS-T。设计了铁路碰撞防护系统结构图，还需从列车碰撞防护机理、车车通信具体实现技术、低成本高精度的列车定位技术等方面深入研究，构建完善的列车碰撞防护系统，保障我国铁路运输安全。

[1]STRANG T,HORSTE M M,Gu Xiaogang.A railway collision avoidance system exploiting ad-hoc inter-vehicle communications and Galileo[A].In:Proceedings,13thWorld Congress and Exhibition on Intelligent Transportation Systems and Services(ITS 2006)[C].London,UK,2006:1-8.

[2]CRISTINA R G,ANDREAS L,THOMAS S,et al.Comparison of Collision Avoidance System and Applicability to Rail Transport[A].In:7th International Conference on Intelligent Transport Systems Telecommunications[C].France:Sophia Antipolis,2007:521-526.

[3]ANDREAS L,CRISTINA R G,THOMAS S,et al.Measurement and Analysis of the Direct Train to Train Propagation Channel in the 70 cm UHF-Band[A].In:Communication Technologies for Vehicles Proceedings of the 3rd International Workshop on Communication Technologies for Vehicles(Nets4Cars 2011)[C].Springer,Heidelberg,2011:45-57.

[4]张选逵.基于 AIS的船舶避碰专家系统[D].上海：上海海事大学，2006.

[5]CENTER N.Automatic identification system overview[EB/OL].U.S.Department of Homeland Security,[2011-12-19].http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=AIS.

[6]Federal Aviation Administration.Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)[EB/OL].FAA,[2011-11-19].http://www.faa.gov/nextgen/portfolio/trans_support_progs/adsb/.

[7]COMMITTEE T.C2C-CC manifesto[EB/OL].C2C-CC,2007.[2011-11-20].http://www.car-to-car.org.

[8]刘兆健.中国列车控制系统的技术解析[J].城市轨道交通研究，2009(12)：83-86.

[9]林俊亭，李翠然，王晓明.GSM-R无线冗余覆盖及可靠性建模分析[J].兰州交通大学学报，2010，29(3)：119-122.

[10]曹岩，王学军.包兰线惠银段增建二线工程站间安全信息传输实施方案研究[J].铁道标准设计，2011（8）.