城市轨道交通列车辅助防撞系统的应用

2015-12-25潘亦欣

科技视界 2015年18期

潘亦欣沈拓邓奇

（1.上海轨道交通维护保障有限公司车辆分公司，中国上海 200444；2.同济大学交通运输工程学院，中国上海 201804；3.上海申通地铁集团技术中心，中国上海 201103)

0 引言

随着上海城市公共交通网络的大发展，尤其是轨道交通网络化运营的时代到来，给轨道交通网络的运营方申通地铁集团带来了较大的挑战。目前，上海地铁的客流由2012年的721.1 万增加到了901.8 万。随着运营公里数的增加与客流量的攀升，作为城市公共交通的骨干，同时面对新员工、新列车、新技术等问题，如何确保安全、快速、高效地运送乘客对于运营公司也是一个较大的挑战。

其中运营安全问题就显得尤为重要，特别是在当自动化行车设备：列车自动控制系统（ATC）出现故障的情况下的行车安全保障，如何避免类似2011年9月27日上海地铁10 号线发生列车追尾等事故就显得尤为必要。

本文以城市轨道交通辅助防撞系统以及其应用为例，进行详细论述。文中所提到的辅助防撞系统是依托申通地铁集团技术中心、维保有限公司车辆分公司及同济大学等单位共同努力下，自2011年至今研制进行研制的。2013年10月，第一代轨道交通列车辅助防撞系统在上海轨道交通7 号线07A01 型电动列车上进行装车试验。

1 列车辅助防撞系统的原理及特点

第一代列车辅助防撞系统采用无线射频技术，在列车行驶过程中，对运行方向实时测量本车与同一运行方向的前车之间的距离，在列车ATP（列车自动防护系统）关闭后，参照预先设定的车距阀值，评估列车与前车之间追尾的风险，为列车驾驶员提供相应级别的声、光警示，避免追尾碰撞事故的发生。该系统的应用在很大程度上避免列车发生追尾的可能，提高了地铁列车行驶的安全性，同时也为列车ATP（列车自动防护系统）关闭后，运行速度的提高，降低对运营线路的影响，起了至关重要的作用。本文将对第一代列车辅助防撞系统的原理、特点进行介绍，并对列车发生追尾、出轨等事故的原因进行分析，从而对列车辅助防撞系统的应用与改进提出建议[1]。

1.1 辅助防撞系统的原理

辅助防撞系统主要由系统主机、射频天线、示警终端以及列车控制系统各小型电器组成，分别安装于列车头尾两司机室内，在有电源供电情况下，车头、车尾的辅助防撞设备都处于工作状态。如图1 所示，在列车司机室处于受控情况下，安装于司机室的系统主机通过司机室上部的天线，不断实时向前方发送无线扩频信号，若前方有列车存在且该车车尾司机室处于未受控状态，该司机室的辅助防撞系统在收到后车发来的信号后会转发应答信号，后车收到前车的应答射频信号，依据电磁波传输延时时间T，按照车距D=V*△T/2 公式（V 为电磁波在空气中的传播速率），计算出两列列车之间的距离。

图1 列车辅助防撞系统测距原理

当列车ATP（列车自动防护系统）关闭后，辅助防撞系统计算出前、后两车相应的距离，会在司机室显示终端上显示出两列车的车距（图2），并根据不同的间距以不同的声、光提醒方式（详见表1），提醒司机进行列车的制动控制[2]。

图2 示警终端显示示意图

表1 声、光提醒方式

1.2 辅助防撞系统的特点

第一代列车辅助防撞系统原理简单、抗干扰能力强、测距准确、不同方向互不干扰，但是由于列车不同方向频段不同，也造成了对向运行的列车以及在道岔区域的列车无法实施相互探测，防撞保护功能。

1.2.1 辅助防撞系统优点

（1）抗干扰能力强

列车辅助防撞系统主要依靠扩频通信原理进行信息数据的收发工作，扩频通信传输信息所用信号的带宽远大于信息本身带宽，具有抗干扰能力强、抗多径干扰性好的特点，可以提高信号传输的抗干扰性。

（2）测距准确

列车辅助防撞系统测距耗时约10ms 左右，在1s 时间内可以进行多次测距数据计算，并对距离数据做统计分析，系统主机会选择信号最高的数据进行距离数值的输出，确保测量数据的准确性。

（3）不同方向，互不干扰

如图3 所示，在通信的过程中，系统采用了扩频通信原理，上行列车使用f1 频点通信，下行方向使用f2 频点，运行方向不同的列车采用不同频段，可以阻止不同方向运行列车之间的通信，消除了相邻股道对象列车之间的干扰。

图3 列车辅助防撞系统无线通讯原理

（4）曲线段探测距离长

采用无线扩频通信原理的列车辅助防撞系统无线探测信号有一定的衍射能力，后车的部分无线信号能够衍射到地表传播，通过弯道，到达前车并有效接收。前车的应答、回收信号，射频发射功率、天线散角和方向性特征等和后车完全相同。根据无线电波传输的可逆性，也能通过弯道被后车接收。2013年底，在上海轨道交通7 号线正线，进行了多次两车追踪试验、弯道追踪试验，在环境最为恶劣的隧道至高架弯道区段时的探测距离超过了400 米，充分验证了列车无线探测信号可以确保列车追踪的稳定性。

1.2.2 辅助防撞系统缺点

（1）硬件费用贵

每台列车辅防撞系统的主机都安装有通讯模块，通讯模块上的通讯芯片由于采用特殊频段，需要特别定制，所以硬件设备的费用较为昂贵，占防撞系统主机成本的50%，造成了每个司机室仅安装一个用于上行方向或下行方向的通讯芯片。若使用2.4GHz 公共频段的通信频率以代替特殊频段实现无线通讯，可以降低列车辅助防撞系统硬件定制的费用，但是可能发生与诸如轨旁设备、公共WiFi 设备等其他无线通信设备的通信干扰，影响辅助防撞系统设备的正常工作。

（2）上下行列车无法互相探测

为了避免相邻股道的对象列车影响，运行方向不同的列车采用不同频段，这样的设计虽然避免了不同方向运行列车之间的通信，但是若两列车在同一股道相向而行（如图4），就有发生碰撞的可能。若两列车在不同股道往同一股道同一方向运行（如图5），若A 车经过道岔向侧股运行，B 车直股运行时车尾未通过道岔，就可能发生两车碰擦事故。

图4 列车辅助防撞系统测距盲区1

图5 列车辅助防撞系统测距盲区2

2 列车追尾原因分析与预防

2014年5月，韩国首尔、美国纽约、中国北京先后发生了列车追尾、出轨等事故，如何避免事故发生。笔者参照全面质量管理中的人、机、料、法、环五个影响因素对列车发生事故的原因进行分析（图6）[3]。

人、机、料、法、环是全面质量管理理论中的五个影响产品质量的主要因素的简称。人，指制造产品的人员；机，指制造产品所用的设备；料，指制造产品所使用的原材料；法，指制造产品所使用的方法；环，指产品制造过程中所处的环境。

图6 列车撞车、出轨原因分析

人员，是社会生产的主体，地铁列车的操纵、控制都是由驾驶员来进行操控。驾驶员的经验以及心理、生理反映的不同，都会在列车的操控中对列车的安全运营产生不同的影响。有的驾驶员驾龄长，无论是对所驾驶列车的运行环境，还是车况性能都非常熟悉，即使没有ATC（列车自动控制系统）控制保护，他也知道驾驶到什么方位需要进行牵引加速，到了哪点需要制动减速慢行。另外，不同心理、生理状态的人员对发生紧急情况后的反映也不相同，所以说在列车驾驶过程中，人员的操作失误、判断偏差、经验不足或是故意为之，使得人成为列车安全有序运行的第一要素。

机器，是指生产中使用的设备、工具等辅助生产用具。列车驾驶过程中，列车的控制、制动、通信系统的工作状态正常与否，任何系统的小故障都会成为列车发生重大故障的导火线，影响着列车运行的安全。

料，指物料、半成品、配件。我们可以把其理解为列车辅助行车设备、轨旁信号设备、中央控制系统，若列车运行时，发生信号灯故障，应该显示红灯，却显示绿灯，或是该显示红灯时不显示，若前方有列车运营，就可能发生列车追尾的事故。

法顾名思义，法则。指生产过程中所需遵循的规章制度。在运营规则中，列车调度员、驾驶员按照列车运营规则排进路，列车驾驶员应按照列车的驾驶规定操控列车，做到相应的监控防护动作。

环，是指环境。地铁列车的运营收到了轨道环境以及天气因素的影响。当列车在地下隧道区间内运行，部分区间由于隧道结构影响，驾驶员视野不够开阔，无法发现临近列车；当列车行驶到地面或高架车站，同样会受到自然环境的影响，若遇到雨、雪、雷电、雾霾等恶劣天气，可能会影响列车的运行安全。

上述不同的因素，都可能影响列车安全运行，所以说对任何一个因素的处置操作不当，都可能使得事件升级发生事故[4]。

以上海地铁10 号线列车追尾等事故为例进行分析[5]：2011年9月27日14 时37 分，地铁10 号线1005 和1016 号列车在豫园站至老西门站下行区间百米标176 处发生一起追尾事故。事故直接原因是由于行车调度员在未准确定位故障区间内全部列车位置的情况下，违规发布电话闭塞命令；接车站值班员在未严格确认区间线路是否空闲的情况下，违规同意发车站的电话闭塞要求，导致1005 号列车与1016 号列车发生追尾碰撞。

事故发生时，系统以电话闭塞方式进行运营，14 时35 分，1005 号列车持路票从豫园站发车。14 时37 分，1005 号列车以54 公里/小时的速度行进到豫园站至老西门站区间弯道时，发现前方有列车（1016号）停留，随即采取制动措施，但由于惯性仍以35 公里/小时的速度与1016 号列车发生追尾碰撞。

从上分析，由于弯道导致列车司机目视距离减小，由于车速过高，最终导致追尾事故。若采用辅助防撞系统，系统可以提前对隧道弯道内停留的1016 号列车进行预警，提醒后车司机提前制动减速，从而避免事故的发生。