地铁列车辅助追踪预警系统设计方案

鞠丽丽，李军，梁汝军，王 君

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031；2.南车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，江苏南京 210031）

地铁列车辅助追踪预警系统设计方案

鞠丽丽1，李军1，梁汝军1，王 君2

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031；2.南车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，江苏南京 210031）

列车自动防护系统（ATP）为地铁列车正常运营提供了安全保障，当失去 ATP 防护时，列车运行存在极大的安全风险，因此，研究无 ATP防护下仍能保证列车安全行驶的方案具有重要意义。介绍基于上海 13 号线增购项目应用的地铁列车辅助追踪预警系统技术方案，从技术原理、系统构成、系统功能、技术特点 4 个方面分别阐述。

地铁列车；辅助追踪预警系统；系统构成；功能；技术特点

0 引言

地铁列车运行安全由列车自动防护（ATP）系统保障，ATP 失效情况下完全依靠司机保证行车安全，地铁列车辅助追踪预警系统可以给列车提供设备层面的安全保障，从而有效避免了列车在非正常状态下切除 ATP 后处于降级模式运行时由司机失误引起的安全事故。

1 列车辅助追踪预警系统技术原理

前、后列车通过无线射频信号的发送和接收建立查询-应答式测距机制。主要工作步骤如下。

（1）在 ATP 切除后，后车受控司机室（头端）的设备向前发送主动测距信号。

（2）前车未受控司机室（尾端）的设备收到主动测距信号后，经过信号鉴别和数据校核，若符合预定通信协议，则向后车发送被动应答信号。

（3）后车接收前车发射的被动应答信号，经过信号鉴别和数据校核，若符合预定通信协议，则进行距离解算。

（4）后车通过计算发送主动测距信号至收到前车测距应答信号的时间差 Δt，通过 L= v×Δt/2 估算车距（其中 v 为光速，v= 3×108m/s，Δt 为射频信号的传输时间，已对系统内延时进行处理，以保证系统精度）。

（5）后车显示终端实时显示前车距离，若发现存在碰撞风险，则提前发出声光示警，供列车司机参考。

系统工作原理见图1。

该系统与 ATP 切除开关信号联动，只有在列车 ATP切除情况下进行实时测距并提供报警，其主要启用逻辑如下。

图1 系统工作原理示意图

（1）对于停车库内列车，追踪预警设备处于“静默”状态，不发射也不接收任何信号。

（2）对于正线运行列车，无论 ATP 是否被切除，未受控司机室的追踪预警设备都处于“被动应答”状态，但只有在接收到正确的问询信号后，才发射应答信号。

（3）对于正线运行列车，若 ATP 未被切除，受控司机室的追踪预警设备处于“静默”状态，不发射也不接收任何信号。

（4）对于正线运行列车，若 ATP 被切除，受控司机室的追踪预警设备处于“主动测距”状态，持续发射问询信号，并监测应答信号，并根据实时测距结果输出相应的示警信息。

（5）系统状态具有手动状态设置功能，手动设置优先级最高。

正线运行列车设备启用逻辑见图2。

2 系统构成

列车辅助追踪预警系统包括 5 个部件：系统主机、显示终端、测距天线、射频识别（RFID）天线、RFID标签，该系统架构如图3 所示。

其中，在每列车头、车尾两端各设 1 套独立的设备，均包括系统主机、示警终端、测距天线、RFID 天线等；RFID 标签安装于出库段轨道正中，系统设备布置如图4 所示。

3 系统功能

在地铁列车处于 ATP 切除的降级运行模式下，列车辅助追踪预警系统能不依靠地铁现有的信号系统，独立实现同股道、同向运行的列车前后距离的实时测量，并在车距小于一定安全阈值时向司机提供追尾风险预警，为列车运行提供辅助安全保障。该系统主要包括以下功能。

3.1 实时测距

列车辅助追踪预警系统在 ATP 因各种故障切除时，通过车载设备，实时测量同一股道的前、后列车距离，预警距离范围 50 ～350 m，平直轨道探测距离不小于350 m，弯道半径不小于 400 m，坡度不大于 30‰ 情况下探测距离不小于 350 m。

3.2 危险车距评估

在 ATP 切除的降级运行模式下，列车辅助追踪预警系统实时测距，参照预先设定的车距阈值，评估追尾风险。当车距处于Ⅱ级阈值（350 m）～Ⅰ级阈值（250 m）之间时，判为Ⅱ级（警惕）。当前后车距＜Ⅰ级阈值（250 m）时，判为Ⅰ级（危险）。

3.3 预警显示

司机室装有显示终端，为司机提供各级别的声光组合报警。系统判定处于危险车距时，输出紧急制动施加请求（预留）。

图2 正线运行列车设备启用逻辑示意图

图3 列车辅助追踪预警系统构架图

图4 设备布置示意图

3.4 设备工作状态和设定确认

设备工作状态设定可通过自动和手动 2 种模式设置，当显示终端旋钮在自动档位，设备状态通过读取到地面标签自动设置；需要手动设置时，旋钮从自动档位打到相应的手动档位。手动设置的级别高于自动设置。手动状态转自动状态，设备状态必须通过人工确认是否正确。

3.5 不同行车方向测距信号区分

通过信号编码处理区分不同行车方向的测距信号。

3.6 “八”字线出入库自动识别

当列车通过“八”字线出库时，自动识别设置在轨道正中的地址标签，并将列车两端设备设定为相应的工作模式；这一功能也可通过人工设定来实现。如图5 所示，在东西出入库线上拟各布置 3 个标签，标签实际布置位置根据上海轨道交通 13 号线的实际线路图进行调整。

3.7 系统自检和故障诊断

可以实现对测距模块、主控板、RFID、存储器的自诊断，并在显示终端上显示故障信息。在平时自检过程结束后显示的故障（如有故障）包括：测距组件故障、RFID 读写模块故障、LED 灯故障、蜂鸣器故障。在正常工作状态下记录并在历史故障界面下显示的故障包括：系统通信异常中断故障、数据帧有效性错误故障、数据帧重复性错误故障、相关故障出现次数以及最近一次自检日期信息。

3.8 系统日志

记录测距、预警输出、确认操作、故障等事件数据和时间。

图5 “八”字线出入库标签布置示意图

4 系统技术特点

系统主要包含 2 个部分：二次雷达探测系统和 RFID标签读写系统，两系统基于自主软件系统进行控制调度。二次雷达探测系统采用无线电应答技术，将脉冲压缩高精度测距技术和组网技术无缝融合，实现对于合作目标实时探测。RFID 标签读写系统通过读到不同的标签判断列车的出入库、上下行、上下行端等信息，以便列车辅助追踪预警系统准确探测，如图6 所示。

图6 系统组成

各城市轨道交通列车运行环境复杂，有隧道、高架、急弯、上下坡等各种路况，不同曲线半径下的隧道环境和高架环境条件下电磁波的空间衰减和反射散射等情况都不相同，所以，对列车辅助追预警系统的工作波长、探测体制、抗干扰设计、信息处理设计以及系统组网设计充分优化。针对城市轨道交通预警系统的需求，该系统具有以下特点。

（1）接收机动态范围大、灵敏度高。

（2）具有无线电认知能力。

（3）RFID 自动识别列车运行方向。

（4）具有快速跟踪捕获和多目标处理能力。

（5）高速信号处理。

（6）优良的电磁兼容性。

（7）高可靠性及故障导向安全。

（8）抗干扰能力强。

4.1 二次雷达测距

列车辅助追踪预警系统测距采用二次雷达的探测方式，其发射的波长能被轻易接收，且雷达波为单程波，在系统灵敏度相同的情况下，同样的探测距离所需的发射功率更低，相同的发射功率可以探测的距离更远。

列车辅助追踪预警系统采用问询、应答一体化模式，可以自由地在主动测距与被动应答间切换，即车头、车尾两端设备可以通过司机室钥匙信号等自动切换为问询模式和应答模式。预警系统的发射链路和接收链路采用编码匹配接收，不仅能消除同频多径反射干扰，提高检测概率，同时也能够获取更丰富的目标信息。

图7 雷达信号在弯曲的隧道中发射链路和接收链路示意图

4.2 弯道测距

预警系统的天线发射雷达信号，在弯曲隧道或地面轨道背景物体条件下，该信号经过隧道空间的直达波、反射波、绕射波等多种传播方式，传输到前车的尾部，尾部雷达的天线接收到该信号后，经过信号处理识别为有效信号后，在固定延时后发送 1 个编码应答回波，应答信号经过同样的路径返回到主动测距雷达天线，雷达信号在弯曲的隧道中发射链路和接收链路示意图见图7。应答信号的接收链路通过频率、延时特征及编码滤波消除多径反射信号干扰及其他设备信号干扰，能够克服环境影响。由于应答延时时间及系统处理延时是已知的，主动测距雷达发射和接收信号间的时间间隔，再减去相关延时时间，就可计算出两列车间的距离。

由于采用二次雷达，雷达所需的发射功率不需太高，也不要求系统高灵敏度，在隧道传播时虽有衰减，探测距离仍能满足实际需求。

5 结束语

地铁列车辅助追踪预警系统设计方案目前已应用于上海轨道交通 13 号线增购项目，针对同轨道同向运行列车碰撞的潜在危险，提出了一种集二次雷达技术、通信技术为一体的多目标探测识别自主软件系统，满足预警需求，突破了在隧道、高架、地面等场合探测复杂目标的技术瓶颈，良好解决了隧道无线电衰落、电磁环境复杂以及要求低功耗等工程化应用难题。

［1］ 毕湘利，邓奇.ATP失效模式下的城市轨道交通列车运行安全保障措施研究［J］.城市轨道交通研究，2014，17（10）：1-4.

［2］ 周巧莲.城市轨道交通列车辅助防撞系统方案研究［J］.城市轨道交通研究，2014，17（1）：18-22.

［3］ 沈拓，潘亦欣，邓奇.基于列车测距的城市轨道交通非正常情况运输能力提升方法研究［J］.城市轨道交通研究，2015，18（8）：111-115.

责任编辑 冒一平

Design Scheme of Auxiliary Anti-Crash Early Warning System for Metro Trains

Ju Lili， Li Jun， Liang Rujun， et al.

Automatic train protection （ATP） system for normal operation of metro train provides safety.Without ATP， the train operation exists great safety risk.Therefore， the study of schemes of non ATP still ensuring safety of train operation will have an great importance.The paper introduces the technical schemes of metro train auxiliary anti-crash early warning system based on the application of Shanghai line 13 for new procurement project， and expounds the four aspects of the technical principle， system structure， system function and technical features.

metro train， auxiliary anti-crash early warning system， system structure， function， technical characteristics

U231.7 : U284.4

鞠丽丽（1985—），女，工程师

2016-03-18