高速鐵路列控系統主動安全控制的分析與思考

楊 絢，陳德旺，陳 榮

(北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044)

高速鐵路的可持續發展已為世界各國所公認。在全世界范圍內，高速鐵路都正處于發展階段。根據國務院批準的《中長期鐵路網規劃調整方案》，直到2020年我國高速客運專線建設將達到1.6萬km以上。

在高速鐵路迅猛發展的今天，對高速鐵路的安全研究顯得尤為重要。在中國，2010年7月23日，北京南至福州D301次列車與杭州至福州南D3115次列車發生追尾事故，嚴重地危害了人民群眾生命安全。顯然，進一步加強鐵路安全工作，促進高速鐵路安全發展具有重要意義。

為了進一步做好高速鐵路的安全工作，本文結合在汽車領域中主動安全的思想，提出對高速鐵路的主動安全控制，其特點是發生意外之前對其做出控制，即預防事故發生所采取的積極安全對策[1]。

隨著列車速度的提高，在高速鐵路中對主動安全方法的研究顯得更加重要。做好高速鐵路主動安全控制的研究，對建設和諧鐵路有著重要的社會和經濟意義。

1 高速列車的安全控制現狀

1.1 國內高速鐵路安全控制

在既有線上進行提速。為確保列車運行安全和提高運輸效率，對高速鐵路裝備了一系列先進的、技術成熟的、安全性能可靠的列控系統。我國300 km/h及以上高速客運專線，使用CTCS-3級列控系統作為全路統一技術平臺，并兼容CTCS-2級列控系統實現動車組的上行及下行線的運行。作為中國列車運行控制系統的重要組成部分，CTCS-3級列控系統主要面向提速干線、高速新線和特殊線路。CTCS-3級列控系統采用GSM-R（Global Mobile System for Railways），進一步解決了超速防護信息可靠高速率傳輸的問題[2]。

（1）CTCS-3級列控系統通過由車載設備接收RBC（無線閉塞中心，Radio Bock Center）傳送的運行許可（Movement Authority，MA）、臨時限速信息等，并由車載設備向RBC(Radio Block Center)傳送列車運行位置報告信息等，進一步確保列車安全運行；

（2）通過無線閉塞中心RBC來監督列車完整性，跟蹤管轄范圍內各車行駛位置，根據給每一列車單獨設立的基礎信號系統來確定運行許可，確定列車許可范圍內軌道區段空閑；

（3）CTCS-3級列控系統還通過列控中心采集區間軌道電路信息，并發送給RBC，以進一步確保不發生列車追尾等問題；

（4）通過車站聯鎖設備，向調度中心CTC（Centralized Traffic Control）分機發送站場設備實時狀態，以確保正確的行車調度。

據我國的具體情況，列車運行控制系統為滿足不同速度列車混合運輸的運行方式，提出采用區間不設地面通過信號機，自律分布式、模塊化的系統結構形式。系統分地面和車載設備2大部分，地面設備產生列車控制所需基礎數據，傳送給列車經車載設備處理，產生列車速度控制曲線，監督或控制列車安全運行[3~4]。我國列車運行控制系統還采用了列車運行自動控制系統，車載設備根據從接收的速度信息生成限制速度、目標速度、司機根據車載設備顯示出的限制速度和目標速度來駕駛。當列車的運行速度大于限制速度時，車載設備就自動執行制動，使列車減速或停車，進一步確保列車行車安全[5]。

1.2 國外高速鐵路安全控制

早在1983年，為保證列車安全運行，北美鐵路部門希望首先消除信號盲區，并從節省成本的角度考慮，希望不用地面信號設備，而通過無線方式實現列車的控制，之后，美國鐵道協會AAR及加拿大鐵道協會RAC一同提出了先進列車控制系統（Advanced Train Control System,ATCS）。其主要思想是要通過數字數據通信手段和先進的微處理器，獲取列車位置信息、列車速度信息的前提下，對列車進行閉環控制[6]。其通過對整個系統提供可靠的檢查與平衡手段，利用車地間雙向信息通道實現對列車的閉環控制，大大降低人為錯誤的影響，實現列車安全行車的目的。

20世紀80-90年代，為保證列車安全運行，發達國家紛紛發展了具有本國特色的安全列車運行控制系統，其中具有前瞻性的主要包括了歐洲ETCS（European Train Control System）、日本的ATC（Automatic Train Control）系統、法國的U/T系統、德國的LZB等。高速鐵路在亞洲和歐洲都得到了快速發展。

另外，為適應高速鐵路的發展，各國都在積極研制最新無線通信的鐵路信號系統（Transmission Based Signalling, TBS），在以往的CTC調度集中系統中，CTC根據列控中心告知區段閉塞分區狀態，再通過車站到發線占用情況，大致計算出列車的運行情況，給列車排列進路。在TBS中主控中心，各運行列車的位置、速度、沿線信號設備狀態可被明確知道，可通過無線通信直接給列車發送控制命令，時刻監控列車的運行狀態，控制列車的運行速度，確保列車安全地以最小時間間隔運行，保證高速的同時指揮列車安全運行。

2 主動安全在高速鐵路中的應用

2.1 主動安全控制的發展現狀

主動安全的概念在高速列車甚至整個鐵路領域都還沒有被明確地提出，主動安全控制系統的建模與鑒定方法在高速鐵路研究中也都是新的課題。主動安全，其核心內容是指在車輛高速行駛狀態下操縱穩定性、制動穩定性、適應環境狀況和天氣變化等動態未知變化等的能力。

主動安全系統是指如何防止和避免事故發生的系統和裝置。當前在汽車安全系統中使用較多。包括ABS（防抱死系統，Anti-locked Braking System）、ASR（驅動防滑轉，Acceleration Slip Regulation）系統、汽車主動安全系統、EPS（電動助力轉向，Electric Power Steering）系統、AFS（主動前輪轉向，Active Front Steering）系統、SBW（Steer-by-Wire）線控轉向技術等[7~8]。目前日本學者提出汽車整車主動控制的各種組合方式，結合4輪轉向控制4WS、主動懸架、TCS（Traction Control System）和ABS的汽車復合控制。其中汽車制動防抱系統和汽車驅動力控制是控制汽車行駛過程中的縱向力。隨著汽車行駛速度的提高，也為了解決汽車在通過突變附著系數路面保持穩定駕駛的能力，人們對汽車行駛過程中的控制提出了組合控制的要求[9]。

另外，國內外也有相關學者對城市道路交通主動安全控制系統進行研究，其主要是通過運用先進的信息采集技術、網絡信息傳輸技術、智能化信息處理技術和現代控制技術改變現有被動的交通安全管理模式[10]，實現交通事故事前的主動防御功能，采用先進的計算機技術和網絡傳輸技術實現各數據間的信息傳輸，實現該系統對道路交通安全的主動控制功能，有效地避免交通事故的發生，提高城市道路交通安全管理水平。

主動安全還包括減輕人體疲勞等。在這方面有相關文獻提出將駕駛員主動安全性的辯識分成熟練、疲勞程度兩個獨立的部分進行評價，并在實驗的基礎上抽取與駕駛員熟練、疲勞程度相關聯的特征參數，按照統計結果劃分成模糊子集。通過模糊神經網絡分別對駕駛員的熟練、疲勞程度和綜合的主動安全性進行辯識和分析，定量地分析駕駛員的主動安全性因素[11]。

2.2 主動安全在列控系統中的應用

由上述列車運行中的事故案例和主動安全在汽車領域的成功應用可以看出，在快速發展高速鐵路時代，研究主動安全在高速鐵路的應用非常重要。僅僅依靠提高高速鐵路的被動安全性，不能高效地提高高速鐵路的可靠性。研究與被動安全相結合的主動安全方法顯得尤為重要。

針對列車運行的各種環境因素，強風、地震，雨、雪、雷電、事故現場、施工現場等，都會對列車運行系統構成一定影響。以地震處置系統為例，雖然地震是發生概率較小，卻是危害性很大的一種自然災害。對鐵路運輸而言，在過去列車低速運行的情況下，地震的危害性還不是特別突出，但當列車運行速度超過200 km/h以上，哪怕是較小震級別的地震，對路基、軌道、橋梁等的沖擊都可能導致危害旅客生命安全的重大事故[12]。通過對各種報警方式進行比選研究，實現對地震的緊急處置，做到對地震情況下故障的主動預測，提前做的防范。

另外，在強風作用下，列車的空氣動力學模型也產生相應的改變，尤其在側風的作用下，列車傾覆及脫軌的風險性增加，因此對其各種環境中的動力學模型研究都是必不可少的。在相關文獻中提出了模擬模型，并計算列車各方向的壓力，因此，列車實際運行中的風力影響也是亟待列入的主動安全研究中的重要課題[13]。

主動安全還強調對異常線路條件下的安全研究。列車運行控制系統首次在我國鐵路應用，在實際的設計、施工中會遇到很多特殊的情況，需要根據技術規范要求，結合現場實際情況，不斷進行完善，合理有效地解決，采取主動安全控制。例如對既有線改造中的遇到的特殊站場，應根據不同情形使用不用的列控方案，提出優化方案，在確保提速順利的基礎上保證其安全。

目前高速鐵路大多采用車地無線通道實現信息的交互，車載設備通過GSM-R無線網絡給無線閉塞中心傳送列車位置報告，無線閉塞中心根據前車占用信息為當前列車計算行車許可，再通過GSM-R網絡發給車載設備。其中，無線閉塞中心需要通過聯鎖設備和列控中心設備告知軌道占用情況，在這樣的集中控制下，無論軌道電路，聯鎖設備，列控中心或者無線閉塞中心發生故障，都會導致列車行車許可計算失敗。導致追尾碰撞的發生。針對當前的車地信息交互，本文提出更為自主智能的車-車通信方式，前后車的通信不依賴于列控中心，聯鎖，無線閉塞中心，通過自主定位和車與車之間自主傳遞位置速度等信息的方式進行，進一步由車載設備自主計算行車許可，自主實現列車超速緊急預警的方式控制列車運行。建立車與車的信息傳遞通道，除了報告位置速度等必須信息，還可以由前車主動發送追尾碰撞警告，緊急事件預警，道路信息通告等信息，進一步實現高速鐵路的自主智能控制。

針對以上案例，結合相關學者的研究，對列車運行中的各種環境因素的影響是當前高速鐵路研究中不可避免的問題。對這類異常問題的研究可以首先通過對高速列車運行的各種環境因素（包括強風、雨、雪、事故現場、施工現場等）進行分類研究，建立動態環境變化下的列車動力學模型。然后總結高速列車設計、制造、運行和維護專家的經驗，提出適用于高速列車安全和控制的知識庫。最后通過分析高速列車運行數據，利用數據挖掘和機器學習等方法獲取高速列車運行的規律。

對高速鐵路中的主動安全控制系統建模分析，是列車安全運行的關鍵技術和方法，進一步通過經驗預測性分析、主動防御等，最終達到高速列車的主動安全控制。

3 結束語

本文重點探討了通過主動安全控制，提高車輛高速行駛狀態下的操縱穩定性、制動穩定性，以及適應環境狀況和天氣變化等動態未知變化能力。使高速鐵路在運行中更好的做到防患于未然。另外，為減少高速鐵路中集中控制帶了的風險，提出車-車通信方式，進一步在確保列車零故障的前提下，順利實現提速。

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