城市軌道交通列車輔助防撞系統方案研究

（上海申通地鐵集團有限公司技術中心，201103，上海∥高級工程師）

城市軌道交通列車輔助防撞系統方案研究

周巧蓮

（上海申通地鐵集團有限公司技術中心，201103，上海∥高級工程師）

城市軌道交通正常情況下的列車運行安全由ATP（列車自動防護）系統保障，ATP失效情況下的降級運行尚缺乏設備層面的安全保障。從技術方案、電氣接口、系統定位、設備安裝等方面介紹了列車輔助防撞系統。基于無線射頻和聲波探測技術的輔助防撞系統，在列車頭、尾各設一套相同的設備，根據從列車接口電路獲得的車輛狀態信息，確定設備對應頭尾端的不同工況和上、下行線路的不同模式，建立同一股道上后車前端和前車尾端的應答機制，實現前后列車相對距離的實時探測，為司機提供危險車距報警信息。

城市軌道交通；列車運行控制；運行安全；輔助防撞系統

Author's address Technical Center of Shanghai Shentong Metro Group，201103，Shanghai，China

城市軌道交通列車作為密集人群的流動載體，其運行安全受到高度重視。正常情況下，列車運行安全由安全性極高的ATP（列車自動防護）系統予以保障。然而，由于城市軌道交通系統高度復雜，實際運營中信號、車輛故障時有發生，ATP的故障導向安全設計，在大多數故障情況下導致列車停車。為使故障對運營的影響降至最低，往往采取切除ATP的人工駕駛方式，此時運行安全主要依賴于對降級運行規章的嚴格執行及駕駛員人工瞭望，缺乏設備層面的安全防護手段，存在風險。事實上，近年來國內外發生的列車撞車事故，大多數是在ATP切除運行時發生的。因此，研究一種獨立于信號系統、在ATP切除情況下起作用的列車運行輔助防撞系統勢在必行。

1 上海軌道交通ATP系統運用故障現狀

導致列車必須在ATP切除情況下才能運行的故障主要是信號故障和車輛故障。信號系統故障牽涉面廣，系統故障可能影響到全線所有車輛或某區段上運行的所有車輛。車輛故障和信號車載設備故障往往影響單列列車的ATP防護。據統計，2011年1～8月期間，上海軌道交通11條運營線路共發生ATP切除1387列次，平均每月發生184.9列次。其中，信號故障導致ATP切除次數占總次數的89.83%，車輛故障占總次數的6.42%。

信號系統故障導致區段或全線ATP防護失效，往往需要人工辦理進路，通過控制防護區間及列車限速保障運行安全。單列列車ATP切除主要通過限制人工駕駛速度保障運行安全。上海已建成投運的軌道交通線路中，線路條件并不理想，存在不少小半徑曲線的彎道（11條已投運線路中半徑R≤400 m的小半徑曲線共計422個）；而司機瞭望的可視距離受彎道限制，彎道曲線半徑越小，司機的可視距離越短。考慮到駕駛員需要一定的響應時間及列車速度必須控制在30 km/h以下，ATP切除后線路運營效率受到極大的限制。

2 列車輔助防撞技術方案

2.1 技術原理

受軌道交通線路形態如小半徑曲線彎道、隧道等限制，在其它領域（如航空、汽車等）成熟應用的技術無法直接適用于軌道交通。例如，衛星定位（Satellite-based Positioning）技術可以在地面高架區段上應用，但無法適用于隧道區段，且定位精度也不足以區分列車上、下行股道；車載防撞雷達（Anti-Crash Radar）無法在小半徑曲線彎道、上下坡道等事故重點防范區段有效發揮作用。此外，基于圖像識別和機器視覺等分布式傳感監測網絡技術目前還不成熟。

基于聲學和射頻探測技術，通過建立前、后車車載設備問訊應答實時探測前后列車的相對距離的輔助防撞系統，能夠適應軌道交通高架、隧道、小半徑曲線彎道等復雜的運行條件，有效解決非正常運行條件下（ATP切除）行車安全保障系統缺失的問題。其技術原理如圖1所示。前、后列車通過聲學和射頻信號的發送接收，建立應答機制并實時計算前、后車距離。

圖1 列車輔助防撞系統技術原理示意圖

列車輔助防撞系統的主要工作步驟為：

（1）后車的信號發射裝置向前車發射問詢信號。

（2）前車信號接收裝置接收信號，進行數據解調，若符合預定通信協議，通過信號發射裝置向后車反向發射應答信號；若數據不符合通信協議，則視為干擾，不進行響應。

（3）后車信號接收裝置收到前車發射的應答信號。

（4）后車的信號處理裝置通過分析前車應答信號判斷前車位置、相對車速等車況。通過計算發送問詢信號至收到前車應答信號的時間差Δt，確定前車位置；通過S=vΔt/2估算前、后車之間的相對距離（其中v為信號傳輸速度，Δt為信號傳輸時間）。

（5）后車司機室內的人機界面顯示前車距離，并提供危險車距報警，提醒司機及時采取措施。

該輔助防撞系統采用應答式工作方式，前車主動發射應答信號，測距信號較強，系統環境適應性好。通過抗干擾技術處理手段，解決系統復雜環境下的多徑干擾等問題，提高了系統的可靠性。無線系統采用1.5 G頻段信號，避免與CBTC（基于無線通信的列車控制）制式的信號系統產生干擾。聲系統采用6～8 k Hz的聲波，屬機械波，與電磁波彼此不干擾。

經過前期列車運行環境調查及傳輸性能測試，無線波及聲波都能實現近距離測距功能，測量距離可達350 m以上，滿足ATP切除、限速60km/h運行的列車制動距離要求。無線波和聲波都可作為輔助防撞系統的信號源，距離計算公式中的信號傳輸速度（v）分別采用對應的無線波傳播速度和聲波傳播速度。

2.2 系統構成

列車輔助防撞系統架構如圖2所示。列車頭、尾兩端各設一套獨立的設備，兩套設備完全相同。每套設備由車內、車外設備組成。車外設備包括信號發送裝置、信號接收裝置、輔助傳感模塊等，主要用于信號的發送和接受。車內設備包括系統主機、電源、系統車輛接口、示警終端、自檢和故障診斷模塊等，用于信號處理和示警信息的顯示。

2.3 系統功能

（1）實時測距：系統通過車輛接口判斷ATP處于故障切除狀態時，通過車載信號收發設備實時測量本車與前車之間的距離。對于列車輔助防撞系統來說，探測到不同的前、后車距離（D），應采取不同的處置措施。其主要的閾值劃分為：

①當D＞350 m時，即車距大于最高車速（80 km/h）時的緊急制動距離，列車輔助防撞系統應提供最低級示警，提醒司機采取減速措施；

②當200 m＜D≤350 m時，車距大于車速60 km/h時的緊急制動距離，列車輔助防撞系統提供中級示警，提示司機采取安全措施，實施制動；

圖2 列車輔助防撞系統構架圖

③當0＜D≤200 m時，即危險車距范圍，列車輔助防撞系統應提供最高級示警，提示司機進行緊急制動，甚至系統直接發出列車緊急制動請求。

（2）危險車距評估及示警：系統通過實時測量到的前后列車距離，參照相應的危險車距評估閾值，評估追尾風險，向司機輸出不同的示警信息；車距危險時，向列車控制系統輸出緊急制動請求，可通過列車緊急制動回路使列車施加緊急制動。

（3）工作模式區分和識別：系統通過車輛接口識別當前列車的上、下行模式，并根據不同模式發送不同編碼或頻段的測距信號，使上、下行列車能相互區分；同時考慮特殊線路形式（始發站、折返區段或存車線等），通過地面設備進行設定或校驗。

（4）頭尾端設備識別：處于列車運行方向頭端的設備為主動問訊設備，尾端設備為被動應答設備。系統設備通過車輛接口信號自動判別設備處于頭端還是尾端，從而使其工作狀態處于相應的工況。

（5）系統自檢和故障診斷：系統可對收發裝置進行在線診斷，并對系統工作狀態、故障信息、報警信息等進行記錄。

3 電氣接口

輔助防撞系統通過與車輛接口獲得必要的信息，提高系統的可用性。上海軌道交通網絡既有列車400多列，系統方案要兼顧既有列車及新購置列車的應用情況。其電氣接口方案如圖3所示。圖中，F為短路保護空氣開關；cab1為列車1位端司機室受控信號，1位端主控制鑰匙打開，cab1=1；cab2為列車2位端司機室受控信號，2位端主控制鑰匙打開，cab2=1；列車受控為列車受控信號，列車蓄電池開關打開，列車受控=1；ATP切除為受控司機室ATP切除信號，列車線信號，ATP切除=1；K1、K2為安全型緊急制動請求輸出繼電器，緊急制動有效，K1、K2斷電；應答信號為緊急制動輸出驅動的緊急制動中間繼電器的應答信號。

圖3 車輛與聲/無線系統接口示意圖

3.1 系統電源

系統采用DC 110 V電源，由列車蓄電池供電。為保證因故迫停區間的故障列車具備被動應答功能，并可被后續列車探測到，系統電源直接取自車輛蓄電池輸出端，不受任何控制開關或電池輸出欠壓保護控制。只要電池電壓達到系統工作電壓，即能保證系統的正常應答功能。同時，為保證系統短路故障不影響列車輔助供電功能，系統電源設空氣開關保護。

3.2 列車受控、司機室受控信號

為區分列車上、下行模式，排除非本股道列車的干擾，輔助防撞系統通過不同的工作模式（上行、下行、特殊）區分系統所在的列車是運行于上行線、下行線還是特殊區段（折返區段、存車線、庫內等），并在不同的工作模式下采用不同編碼或頻率的信號。

列車出庫進入正線后，列車運行于上行線還是下行線與受控司機室之間有著一一對應關系。因此，輔助防撞系統可根據主控制器鑰匙開關輸出信號確定工作模式。兩端司機室對應的輔助防撞系統可根據相關信號判別自身是車頭設備還是車尾設備，從而決定其工作狀態。如設定1位端司機室作為前行方向司機室時列車處于上行，則列車兩端設備的工作模式判斷邏輯如表1和表2所示。

表1 1位端司機室設備工作模式

表2 2位端司機室設備工作模式

3.3 ATP切除信號接口

列車在ATP未切除時，運行安全由ATP系統保障。為防止輔助防撞系統在ATP未切除情況下對司機的不必要干擾，其報警輸出功能只有在ATP切除的情況下才能啟動。因此，輔助防撞系統需接入ATP切除信號接口以獲取ATP切除信息。列車兩端設備的工況判斷邏輯如表3和表4。

輔助防撞系統設備根據ATP切除開關的狀態信號和受控司機室信號決定自身的工作工況。防撞系統設備電源由列車蓄電池供電，為永久負載。處于尾端的設備，無論ATP是否切除，均處于被動應答狀態。而列車前端設備，無論ATP是否切除，均處于主動問詢狀態并完成測距功能，只是為了不對駕駛員產生干擾，報警輸出被系統自動禁止。

表3 1位端司機室設備工作工況與輸入信號關系

表4 2位端司機室設備工作工況與輸入信號關系

3.4 緊急制動請求輸出

輔助防撞系統在ATP切除情況下探測到危險車距時可輸出緊急制動請求，并通過列車緊急制動回路使列車緊急制動。緊急制動應具備較高安全等級，應采用安全型繼電器輸出，設計遵循故障導向安全原則（即繼電器失電，緊急制動有效）。同時，防撞系統緊急制動請求為2路安全型輸出信號，以備冗余，并對繼電器狀態進行監控。

3.5 列車串行接口

該接口用于與列車控制網絡的通信，如時鐘同步信息、故障信息等，有利于故障及事故分析。輔助防撞系統在既有列車中應用時，此功能實現較困難。

3.6 顯示接口

該接口用于與輔助防撞系統的報警終端通信，顯示自檢、故障等相關信息，并提供危險車距報警。

4 系統定位

軌道交通列車運行安全由ATP系統保障。本系統作為輔助安全保障系統，僅在ATP系統不可用的情況下做補充。防撞系統通過車輛接口獲得ATP是否切除的信號，控制系統的工作狀態，防止與ATP系統產生干擾。另外，ATP切除以后，即使輔助防撞系統提供輔助安全保障，但終屬降級運行模式，列車的最高運行速度有必要做適當的限制，如由運營規則限定最高運行速度為60 km/h或50 km/h。通常情況下輔助防撞系統適用于以下三種情況：

（1）線路級ATP系統失效：ATP系統級故障，整條線路上所有列車ATP均不可用，列車通過ATP切除開關切除ATP，輔助防撞系統受ATP切除開關控制啟動，進入主動問詢、應答、測距和報警模式。

（2）線路局部區域ATP失效：ATP局部區域故障，導致所有列車通過局部區段時ATP不可用，運行于故障區域的列車通過ATP切除開關切除ATP，輔助防撞系統受ATP切除開關控制啟動，進入主動問詢、應答、測距和報警模式。

（3）單列車ATP失效：ATP車載設備故障，或某些車輛設備故障，導致單列車ATP切除，此時前車ATP正常使用，前車尾端設備處于被動應答狀態，一旦其檢測到后車發送的問詢信號，即與后車前端建立應答關系，后車根據前車尾端的應答信號進行測距，并提供危險車距的報警。

5 設備安裝

聲輔助防撞系統和無線輔助防撞系統均包含收發設備、處理主機和顯示終端等三部分設備。無線系統的收發天線和處理主機設于司機室天花板內，顯示終端設于駕駛臺左側的逃生門門柱上。聲防撞系統的聲波信號受玻璃影響較大，設于列車前端自動車鉤和防爬裝置的中間，且外形設計不應影響車鉤的擺動角度，聲系統主機安裝于端車客室座位上方的天花板內，顯示終端安裝位置與無線系統相同。圖4為顯示終端，圖5為聲系統收發設備。

6 結語

在城市軌道交通單列車ATP失效、軌旁局部區段ATP失效、區域控制中心失效等情況所導致的ATP切除降級運行模式下，列車輔助防撞系統不依靠信號、通信等其他系統，獨立實現前、后列車追蹤預警甚至緊急制動施加，為無ATP防護的人工駕駛提供設備層面的輔助安全保障，提高了城市軌道交通非正常情況下運行的安全性，改善了運營服務質量，提高了運營效率，避免或減輕了全路網大面積擁堵或癱瘓，具有明顯的社會效益和經濟效益。

圖4 顯示終端

圖5 聲系統收發設備

［1］ 何曉薇.空中交通警戒與防撞系統的主要技術特點［J］.中國民航飛行學院學報，2001，12（3）：40.

［2］ 余成波，萬文略，鄭有根，等.汽車激光雷達自動防撞微機控制系統的研制［J］.儀器儀表學報，2001，22（4）：428.

［3］ 周慶灝，李素瑩.上海軌道交通1號線“12·22”列車側面沖撞事故分析與反思［J］.城市軌道交通研究，2012（7）：7.

On the Plan of Train Auxiliary Anti-crash System for Urban Rail Transit

Zhou Qiaolian

Under normal circumstances，the safety of metro train operation is guaranteed by the automatic train protection system（ATP），but when ATP system becomes ineffective，the train operation under degraded mode will need the safety guarantee at equipment level.The auxiliary anti-crash system，based on radio-frequency and sound-wave detection technologies，consists of the same set of equipment on each end of a train.In accordance with the train status information obtained from the train interface circuit，each set of this equipment will determine the working condition of the corresponding train head/end，as well as the operation mode corresponding to the northbound/southbound track. In this way，the response mechanism between the end of the front train and the head of the back train on the same track is established.The relative distance between the front and the back trains can be measured on a real-time basis and alarms can be sent to the driver immediately upon reaching the dangerous train distance.

urban mass transit；train operating control；running safety；auxiliary anti-crash system

U 298.1

2013-08-06）