列车完整性检查技术综述与应用展望

郭军强

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

由于列车车钩长期疲劳受力以及列车在行驶过程中的突然变速，可能会导致车钩断裂，使得列车出现尾部一节或多节车厢脱离列车整体。轨道上脱离的车厢若不能及时被发现，可能会成为其后列车的障碍物，直接危及行车安全[1]。为确保列车行驶过程中车厢的完整性，需要对列车的整体完整性进行检查。当发现车厢脱钩等故障时，及时发出报警信息，通知相关人员处理，确保安全畅通的轨道线路。

列车完整性检测技术是基于传统的列车运行控制系统发展起来的，首先使用的是基于轨道电路的列车完整性检测，通过检测轨道占用情况，来确定列车的完整性。随着电子技术的发展，逐渐发展起独立配套的安装在列车尾部的防护装置，独立实现完整性检查。本文对适用于车载的列车完整性检查方法和发展前景进行分析和探讨。

2 基本检测原理和方法

列车完整性的检测可以通过列车制动风管压力、列车首尾的运动状态，以及列车车长3 个方面进行检测，下面对3 种方法分别进行介绍。

2.1 列车制动风管压力检测方法

对于列车来说，空气制动系统是列车运行控制过程中不可或缺的部分，通过风压的方式实现列车的安全制动。各节车厢的空气压力制动系统通过空气制动总管连接在一起，总风管可贯穿列首至列尾，因此可以通过比较列首、列尾的风管或制动管压力实现列车完整性检查[2-3]。

基于制动风压的列车完整性检查装置主要由两部分组成：

1）安装在列车尾部的列尾装置；

2）安装在机车内部的列首装置。

若列车出现断钩、挤钩等现象导致列车完整性丢失，列车空气制动总管会跟随车厢而被拉断。总管被拉断后，各制动子系统都会出现压力泄漏的现象，当列尾装置检测到制动系统压力泄漏，且超过一定阈值时，即可判断为列车完整性缺失。

2.2 列车运动状态检测方法

加速度是列车的基本运动状态，可以采用列车的加速度完成列车完整性检测。

基于加速度计传感器的列车完整性检测原理是在列车车头、车尾各安装一套加速度计，通过无线通信技术将车头和车尾加速度计传感器的数据发送到列车运行信息检测平台，实时比对车头、车尾的加速度变化来完成列车完整性检测[4]。

由于列车是一个完整连接的整体，不论是转弯还是直行，车头车尾沿着列车行驶方向的线速度和加速度具有很强的相关性。因此，可以通过测量列车的加速度实现列车的完整性检查。

2.3 列车长度检测方法

卫星定位是一种使用卫星对物体进行空间定位的技术，测量列车车头车尾空间坐标并结合地图信息，即可得到列车的长度。常见的卫星定位系统包括GPS，北斗，GLONASS，GALILEO，其原理是通过综合分析已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，实现物体的空间定位。如图1 所示，考虑到时钟同步问题，卫星定位算法至少需要接收到4 个卫星的信号才能实现基本定位[5-6]。

图1 卫星定位示意图Fig.1 Schematic diagram of satellite positioning

正常行驶的列车车长是固定的，即车头至车尾的距离不变，当列车整体发生分离时，列车车头和车尾的距离必将变大，如图2、3 所示。

基于卫星定位列车车长检测的列车完整性检测方法原理为：列首装置和列尾装置上均安装卫星接收单元，实现列首和列尾的卫星定位，并通过无线网络将列尾的定位数据发送到列首装置，由列首装置综合处理列首和列尾的定位数据，计算出列首列尾的直线长度。若结合电子地图数据，则可精确获得列车的实际运行车长。将计算的列车实际车长与司机输入的列车车长数据进行比较，若车长超过一定阈值，即可判断列车完整性丢失，达到列车完整性检查的目的。

图2 正常运行状态下列车长度Fig.2 Train length under normal operation state

图3 分离状态下列车发生长度Fig.3 Train length under seperation state

3 检测方法分析

3.1 列车制动风管压力检测分析

基于列车制动风管压力的检测方法具有方便直接的特点，当列车发生完整性缺失时可以做到最直接的检测，但在以下情况下会出现检测功能失效的问题：

1）列车完整性已经丢失，但制动风管由于挤压等外部其他原因，风压并未大幅度下降；

2）由于人为或误操作等因素，某车厢的折角塞门误关闭，导致整个列车的风管压力并未贯通，当列车完整性丢失时，列尾的风管压力不会出现变化。

3.2 列车运动状态检测分析

基于加速度计的列车运行状态检测方法，通过检测列车的运动状态实现列车完整性检查，检测设备相对简单独立，不需要辅助条件，但有以下的局限性。

1）由于加速度计的敏感质量块受到重力影响，如图4 所示，当列车运行线路坡度非零时，重力的坡度分量a'会影响单轴加速度计测量的列车真实运行加速度，需要使用线路坡度进行抵消，这将会使单轴加速度计的使用具有一定的局限性。

图4 重力加速度在坡度上的分量Fig.4 Component of the acceleration of gravity on a slope

2）列车的车厢之间使用车钩进行连接，为了让车厢间有一个缓冲空间，防止制动时车厢间的直接碰撞，因此车钩之间具有一定的间隙，而这个间隙会导致各节车厢间运动状态的不一致，这给加速度检测方法带来了一定的困难。

3.3 列车长度检测分析

基于卫星定位的列车车长完整性检查系统具有原理简单，测量直接等特点，能够满足列车完整性检测的要求，但在实际的使用中存在以下问题[7]：

1）计算车长时，需要考虑轨道线路参数，若线路中存在坡道，弯道都会影响列车长度的测量，进而影响到列车完整性检查的报警门限；

2）对卫星信号依赖严重，当列车运行到峡谷、隧道等地区时，列车天线能接收到的卫星数目很少，甚至无法接收到任何卫星信号，这使得基于卫星的检测方法在峡谷、隧道等区域无法得以应用；

3）由于安装条件的限制，列尾只能安装在列车尾部靠下的位置，其卫星天线会受到尾部车厢的遮挡，只能接收到未被遮挡的半个天空的卫星信号，从而使得接收卫星数量不足，接收卫星空间结构欠佳等问题，这会造成卫星定位方法经常出现无法对列车尾部进行定位，或定位精度过低等问题[8]。

4 多传感器综合检测方法

经过上节的分析，风管压力检测、运动状态检测和车长检测方法均有各自的优势和局限性。因此，基于多传感技术的列车完整性检查方法势在必行。多传感技术能够克服单一传感技术的弊端和局限性，提高监测的实时性，安全性和可靠性[9]。

如图5 所示，多传感列车完整性检查系统可融合卫星定位、加速度和制动风管压力的数据，综合考虑卫星定位数据准确。加速度计实时动态和风管压力简单直接的特点，在空旷环境提高卫星定位信息的权重，有遮挡的地区使用加速度计和风管压力进行融合补偿，从而实现列车实时、可靠、安全的完整性检查功能。

图5 多传感列车完整性检测系统Fig.5 Multi-sensor train integrity detection system

5 展望

列车完整性检查系统是影响列车运行安全的关键环节之一，是保障铁路运输安全的重要部分。现代电子技术的快速发展，为列车完整性检查系统提供了有利条件。将先进的通信技术，定位技术及多传感器融合技术应用于列车完整性检测，不仅能够实现列车完整性状态的监测，还能够克服传统列车完整性检查装置的诸多弊端，提高系统的可靠性，实时性和安全性。基于多传感器的列车完整性检查系统可在完成列车完整性检查基本功能的前提下，做到安全的列尾检测，并接入列控系统实现列车运行防护，在满足铁路现代化安全运输生产需求的同时，提高现有铁路线路的运输效率，具有巨大的经济效益和社会效益。