地铁试车线加装列车安全预警系统的探索与实施

李凯明

深圳地铁运营集团有限公司 广东 深圳 518000

1 实施背景

近年以来，国内外地铁行业发生了多起列车冲出试车线、工程车追尾正线列车的事故，安全事件屡发不止，均造成了重大损失和恶劣的社会影响。随着地铁线路的开通及地铁列车大修的开展，试车线调试作业与日俱增，但我司现有工程车及非信号系统监控模式下地铁列车在试车线运行缺乏有效的行车安全防护设备，列车运行至试车线终点止档的距离需要人工目测，容易误判或漏判，导致列车制动距离不足而冲撞止档。综上，现阶段列车试车线作业安全防护主要依靠人控，缺乏机控手段，能够应用于防护地铁列车、工程车试车线调试作业的防撞系统成为迫切需求。

2 现有列车防护系统比较分析

现有列车防护系统主要有ATP、LKJ、GYK系统。车载ATP是CBTC信号系统的核心车载子系统，目前地铁电客车的常用的防护设备，在正线列车行驶中已是标配，但ATP设备的使用依托于地面无线闭塞中心，在地铁车辆段、停车场等工程车常用区域无法使用[1]，同时ATP设备本身及所依赖的信号系统成本高昂，无法完成在廉价的工程车辆上的部署；GYK系统以LKJ系统功能基本一致，均广泛应用于铁路工程车辆[2]，GYK系统具有机车信号板件，集成度较高，但因地铁车辆段各段场联锁系统与正线铁路联锁系统不同，无法获得联锁信息而无法完成站场调车作业安全防护，LKJ系统通过采集联锁系统信息可实现在段场内的调车作业防护及试车线防护[3]，但因GYK系统及LKJ系统复杂、设备部件杂乱且多样，无法在地铁电客车上实现批量安装。

3 试车线安全预警系统

试车线列车安全预警系统不仅适用于地铁电客车、工程车辆，且该系统涉及部件少、接口少，安装方便且携带便捷。

试车线列车安全预警系统整体构架如图1所示，其主要包括便携式车载安全预警机、试车线地面防护基站、监测采集终端、远程运维服务器和终端计算机等。

图1 试车线列车安全预警系统整体构架图

便携式车载安全预警机，主要实现测量位于试车线上的工程车或地铁列车与试车线尽头的距离和行驶速度的功能，其工作频率为3.1～4.8GHz，无线发射功率为0～20dBm。试车线地面防护基站和监测采集终端通过立杆，安装在试车线终点止挡外侧，试车线地面防护基站通过RS232与监测采集终端通信，并由监测采集终端将其工作状态等数据通过4G LTE上传至远程运维服务器，同时在远程运维服务器上部署了远程运维系统，以实现接收各个试车线地面防护基站工作状态等数据，并进行分析诊断和告警的功能。此外，在终端计算机上安装了远程运维系统应用软件和诊断维护软件，能够实时检索、打印试车线地面防护基站的工作日志和故障日志，且可通过USB接口对便携式车载安全预警机进行程序升级、日志读取、参数设置等。

3.1 车距监控

便携式车载安全预警机通过发射无线脉冲信号，搜索试车线地面防护基站，根据无线电波的传播飞行时间，计算二者的距离。测距原理的具体实现过程如下图2所示。测距原理采用基于3.1～4.8GHz频段（UWB频段）的TWR（双向测距）算法，图中DeviceA 和 DeviceB是两个UWB模块。测距首先由A发起，B收到之后再发回一个响应(Responds)，A再接收这个响应，完成一次测距。在A和B每一次发送数据和收到数据的时候，设备都将记录当前时间戳。这样，通过时间戳相减，就可以得到传输时间差：

图2 测距原理实现过程示意图

即可得到Tf飞行时间（TOF），通过Tf乘以光速即可得到距离：

3.2 车速监控及运行安全预警

便携式车载安全预警机根据与试车线地面防护基站的实时距离，计算其与防护基站的接近速度。再根据测量的实时距离和车速信息及时进行运行安全预警，具有语音播报和触控屏两种组合预警方式，即便发生单一故障（语音播报故障或者触控屏故障），也不影响预警的实现。

3.3 紧急控车

便携式车载安全预警机提供了一组控车接点，控车接点为单个继电器常闭触点输出接点，通过回采继电器接点状态，监控输出信号，以实现控车信号输出安全，控车接口原理示意图如图3所示。当工程车或地铁列车在试车线作业时，将连接在车载安全接口处的线缆连接至便携式车载安全预警机提供的控车接口，并通过便携式车载安全预警机触控屏上的“模式选择”按键，将模式选择为“试车线”，此时便携式车载安全预警机工作在“试车线”模式，可自动与试车线地面防护基站通信，并通过控车逻辑输出制动信号。

图3 控车接口原理示意图

控车逻辑采用双保险机制，即采用车速和距离“与”逻辑，具体逻辑如表1所示（注：-为任意车速）。

表1 控车逻辑表

3.4 数据记录

便携式车载安全预警机能够将车辆行驶过程中的相关信息按照时间排序自动记录，包括列车探测数据和司机按压确认按键的动作信息等，用于评估司机作业规范性。

3.5 维护接口

便携式车载安全预警机设计了USB维护接口，可以使用USB连接线连接诊断维护软件，从而进行运行日志和故障日志下载、配置告警距离等工作参数，升级设备程序等操作。

3.6 系统对现有信号系统和车辆造成的影响

3.6.1 系统车载采用独立供电，不会对其他系统的供电系统产生影响。

3.6.2 系统车载设备使用的无线电技术取得了国家相关部门的应用许可，已通过权威检测机构检测认证，不会对现有信号系统或使用人产生任何干扰。

3.6.3 系统地面设备网络连接使用的无线技术为公共无线网络系统，但远程运维服务器、终端计算机和试车线地面防护基站等未形成环形网络，不存在网络风暴等问题。

4 实施效果

深圳地铁累计投入运营10条线路，目前已完成全网试车线列车安全预警系统设备设施的安装，很快将投入使用。通过加装上述设施设备，实现列车在试车线调试作业时超速预警、防冲撞止档等，以确保车辆运行及人身安全，并能在设备故障时及时主动告警，及时进行维修，保证设备始终可用。试车线加装列车防撞系统，实现了工程车及非信号系统监控模式下地铁列车在试车线运行由“人控”转为“机控”，是实现科技保安全的一项重大举措。