城市軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)的應用

潘亦欣 沈 拓 鄧 奇

（1.上海軌道交通維護保障有限公司車輛分公司，中國 上海 200444；2.同濟大學交通運輸工程學院，中國 上海 201804；3.上海申通地鐵集團技術中心，中國 上海 201103)

0 引言

隨著上海城市公共交通網(wǎng)絡的大發(fā)展，尤其是軌道交通網(wǎng)絡化運營的時代到來，給軌道交通網(wǎng)絡的運營方申通地鐵集團帶來了較大的挑戰(zhàn)。目前，上海地鐵的客流由2012年的721.1 萬增加到了901.8 萬。隨著運營公里數(shù)的增加與客流量的攀升，作為城市公共交通的骨干，同時面對新員工、新列車、新技術等問題，如何確保安全、快速、高效地運送乘客對于運營公司也是一個較大的挑戰(zhàn)。

其中運營安全問題就顯得尤為重要，特別是在當自動化行車設備：列車自動控制系統(tǒng)（ATC）出現(xiàn)故障的情況下的行車安全保障，如何避免類似2011年9月27日上海地鐵10 號線發(fā)生列車追尾等事故就顯得尤為必要。

本文以城市軌道交通輔助防撞系統(tǒng)以及其應用為例，進行詳細論述。文中所提到的輔助防撞系統(tǒng)是依托申通地鐵集團技術中心、維保有限公司車輛分公司及同濟大學等單位共同努力下，自2011年至今研制進行研制的。2013年10月，第一代軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)在上海軌道交通7 號線07A01 型電動列車上進行裝車試驗。

1 列車輔助防撞系統(tǒng)的原理及特點

第一代列車輔助防撞系統(tǒng)采用無線射頻技術，在列車行駛過程中，對運行方向?qū)崟r測量本車與同一運行方向的前車之間的距離，在列車ATP（列車自動防護系統(tǒng)）關閉后，參照預先設定的車距閥值，評估列車與前車之間追尾的風險，為列車駕駛員提供相應級別的聲、光警示，避免追尾碰撞事故的發(fā)生。該系統(tǒng)的應用在很大程度上避免列車發(fā)生追尾的可能，提高了地鐵列車行駛的安全性，同時也為列車ATP（列車自動防護系統(tǒng)）關閉后，運行速度的提高，降低對運營線路的影響，起了至關重要的作用。本文將對第一代列車輔助防撞系統(tǒng)的原理、特點進行介紹，并對列車發(fā)生追尾、出軌等事故的原因進行分析，從而對列車輔助防撞系統(tǒng)的應用與改進提出建議[1]。

1.1 輔助防撞系統(tǒng)的原理

輔助防撞系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機、射頻天線、示警終端以及列車控制系統(tǒng)各小型電器組成，分別安裝于列車頭尾兩司機室內(nèi)，在有電源供電情況下，車頭、車尾的輔助防撞設備都處于工作狀態(tài)。如圖1 所示，在列車司機室處于受控情況下，安裝于司機室的系統(tǒng)主機通過司機室上部的天線，不斷實時向前方發(fā)送無線擴頻信號，若前方有列車存在且該車車尾司機室處于未受控狀態(tài)，該司機室的輔助防撞系統(tǒng)在收到后車發(fā)來的信號后會轉(zhuǎn)發(fā)應答信號，后車收到前車的應答射頻信號，依據(jù)電磁波傳輸延時時間T，按照車距D=V*△T/2 公式（V 為電磁波在空氣中的傳播速率），計算出兩列列車之間的距離。

圖1 列車輔助防撞系統(tǒng)測距原理

當列車ATP（列車自動防護系統(tǒng)）關閉后，輔助防撞系統(tǒng)計算出前、后兩車相應的距離，會在司機室顯示終端上顯示出兩列車的車距（圖2），并根據(jù)不同的間距以不同的聲、光提醒方式（詳見表1），提醒司機進行列車的制動控制[2]。

圖2 示警終端顯示示意圖

表1 聲、光提醒方式

1.2 輔助防撞系統(tǒng)的特點

第一代列車輔助防撞系統(tǒng)原理簡單、抗干擾能力強、測距準確、不同方向互不干擾，但是由于列車不同方向頻段不同，也造成了對向運行的列車以及在道岔區(qū)域的列車無法實施相互探測，防撞保護功能。

1.2.1 輔助防撞系統(tǒng)優(yōu)點

（1）抗干擾能力強

列車輔助防撞系統(tǒng)主要依靠擴頻通信原理進行信息數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，擴頻通信傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身帶寬，具有抗干擾能力強、抗多徑干擾性好的特點，可以提高信號傳輸?shù)目垢蓴_性。

（2）測距準確

列車輔助防撞系統(tǒng)測距耗時約10ms 左右，在1s 時間內(nèi)可以進行多次測距數(shù)據(jù)計算，并對距離數(shù)據(jù)做統(tǒng)計分析，系統(tǒng)主機會選擇信號最高的數(shù)據(jù)進行距離數(shù)值的輸出，確保測量數(shù)據(jù)的準確性。

（3）不同方向，互不干擾

如圖3 所示，在通信的過程中，系統(tǒng)采用了擴頻通信原理，上行列車使用f1 頻點通信，下行方向使用f2 頻點，運行方向不同的列車采用不同頻段，可以阻止不同方向運行列車之間的通信，消除了相鄰股道對象列車之間的干擾。

圖3 列車輔助防撞系統(tǒng)無線通訊原理

（4）曲線段探測距離長

采用無線擴頻通信原理的列車輔助防撞系統(tǒng)無線探測信號有一定的衍射能力，后車的部分無線信號能夠衍射到地表傳播，通過彎道，到達前車并有效接收。前車的應答、回收信號，射頻發(fā)射功率、天線散角和方向性特征等和后車完全相同。根據(jù)無線電波傳輸?shù)目赡嫘裕材芡ㄟ^彎道被后車接收。2013年底，在上海軌道交通7 號線正線，進行了多次兩車追蹤試驗、彎道追蹤試驗，在環(huán)境最為惡劣的隧道至高架彎道區(qū)段時的探測距離超過了400 米，充分驗證了列車無線探測信號可以確保列車追蹤的穩(wěn)定性。

1.2.2 輔助防撞系統(tǒng)缺點

（1）硬件費用貴

每臺列車輔防撞系統(tǒng)的主機都安裝有通訊模塊，通訊模塊上的通訊芯片由于采用特殊頻段，需要特別定制，所以硬件設備的費用較為昂貴，占防撞系統(tǒng)主機成本的50%，造成了每個司機室僅安裝一個用于上行方向或下行方向的通訊芯片。若使用2.4GHz 公共頻段的通信頻率以代替特殊頻段實現(xiàn)無線通訊，可以降低列車輔助防撞系統(tǒng)硬件定制的費用，但是可能發(fā)生與諸如軌旁設備、公共WiFi 設備等其他無線通信設備的通信干擾，影響輔助防撞系統(tǒng)設備的正常工作。

（2）上下行列車無法互相探測

為了避免相鄰股道的對象列車影響，運行方向不同的列車采用不同頻段，這樣的設計雖然避免了不同方向運行列車之間的通信，但是若兩列車在同一股道相向而行（如圖4），就有發(fā)生碰撞的可能。若兩列車在不同股道往同一股道同一方向運行（如圖5），若A 車經(jīng)過道岔向側(cè)股運行，B 車直股運行時車尾未通過道岔，就可能發(fā)生兩車碰擦事故。

圖4 列車輔助防撞系統(tǒng)測距盲區(qū)1

圖5 列車輔助防撞系統(tǒng)測距盲區(qū)2

2 列車追尾原因分析與預防

2014年5月，韓國首爾、美國紐約、中國北京先后發(fā)生了列車追尾、出軌等事故，如何避免事故發(fā)生。筆者參照全面質(zhì)量管理中的人、機、料、法、環(huán)五個影響因素對列車發(fā)生事故的原因進行分析（圖6）[3]。

人、機、料、法、環(huán)是全面質(zhì)量管理理論中的五個影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡稱。人，指制造產(chǎn)品的人員；機，指制造產(chǎn)品所用的設備；料，指制造產(chǎn)品所使用的原材料；法，指制造產(chǎn)品所使用的方法；環(huán)，指產(chǎn)品制造過程中所處的環(huán)境。

圖6 列車撞車、出軌原因分析

人員，是社會生產(chǎn)的主體，地鐵列車的操縱、控制都是由駕駛員來進行操控。駕駛員的經(jīng)驗以及心理、生理反映的不同，都會在列車的操控中對列車的安全運營產(chǎn)生不同的影響。有的駕駛員駕齡長，無論是對所駕駛列車的運行環(huán)境，還是車況性能都非常熟悉，即使沒有ATC（列車自動控制系統(tǒng)）控制保護，他也知道駕駛到什么方位需要進行牽引加速，到了哪點需要制動減速慢行。另外，不同心理、生理狀態(tài)的人員對發(fā)生緊急情況后的反映也不相同，所以說在列車駕駛過程中，人員的操作失誤、判斷偏差、經(jīng)驗不足或是故意為之，使得人成為列車安全有序運行的第一要素。

機器，是指生產(chǎn)中使用的設備、工具等輔助生產(chǎn)用具。列車駕駛過程中，列車的控制、制動、通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常與否，任何系統(tǒng)的小故障都會成為列車發(fā)生重大故障的導火線，影響著列車運行的安全。

料，指物料、半成品、配件。我們可以把其理解為列車輔助行車設備、軌旁信號設備、中央控制系統(tǒng)，若列車運行時，發(fā)生信號燈故障，應該顯示紅燈，卻顯示綠燈，或是該顯示紅燈時不顯示，若前方有列車運營，就可能發(fā)生列車追尾的事故。

法顧名思義，法則。指生產(chǎn)過程中所需遵循的規(guī)章制度。在運營規(guī)則中，列車調(diào)度員、駕駛員按照列車運營規(guī)則排進路，列車駕駛員應按照列車的駕駛規(guī)定操控列車，做到相應的監(jiān)控防護動作。

環(huán)，是指環(huán)境。地鐵列車的運營收到了軌道環(huán)境以及天氣因素的影響。當列車在地下隧道區(qū)間內(nèi)運行，部分區(qū)間由于隧道結構影響，駕駛員視野不夠開闊，無法發(fā)現(xiàn)臨近列車；當列車行駛到地面或高架車站，同樣會受到自然環(huán)境的影響，若遇到雨、雪、雷電、霧霾等惡劣天氣，可能會影響列車的運行安全。

上述不同的因素，都可能影響列車安全運行，所以說對任何一個因素的處置操作不當，都可能使得事件升級發(fā)生事故[4]。

以上海地鐵10 號線列車追尾等事故為例進行分析[5]：2011年9月27日14 時37 分，地鐵10 號線1005 和1016 號列車在豫園站至老西門站下行區(qū)間百米標176 處發(fā)生一起追尾事故。事故直接原因是由于行車調(diào)度員在未準確定位故障區(qū)間內(nèi)全部列車位置的情況下，違規(guī)發(fā)布電話閉塞命令；接車站值班員在未嚴格確認區(qū)間線路是否空閑的情況下，違規(guī)同意發(fā)車站的電話閉塞要求，導致1005 號列車與1016 號列車發(fā)生追尾碰撞。

事故發(fā)生時，系統(tǒng)以電話閉塞方式進行運營，14 時35 分，1005 號列車持路票從豫園站發(fā)車。14 時37 分，1005 號列車以54 公里/小時的速度行進到豫園站至老西門站區(qū)間彎道時，發(fā)現(xiàn)前方有列車（1016號）停留，隨即采取制動措施，但由于慣性仍以35 公里/小時的速度與1016 號列車發(fā)生追尾碰撞。

從上分析，由于彎道導致列車司機目視距離減小，由于車速過高，最終導致追尾事故。若采用輔助防撞系統(tǒng)，系統(tǒng)可以提前對隧道彎道內(nèi)停留的1016 號列車進行預警，提醒后車司機提前制動減速，從而避免事故的發(fā)生。

4 總結

軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)的應用，將有效地提高列車ATP（列車自動防護）系統(tǒng)關閉后，列車運行中的安全性。本文對第一代軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)進行了原理及功能介紹，以及現(xiàn)有應用狀況進行了概述。指出通過安裝列車輔助防撞系統(tǒng)能有效提高列車運行安全。

［1］陳勇，黃席樾，楊尚罡.汽車防撞預警系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].計算機仿真，2006，23(12)：239-243.

［2］鐘震宇，鐘澤宇.汽車激活測距防撞語音報警系統(tǒng)的設計與研究[J].太原理工大學學報，2008，39：204-208.

［3］尤建新，杜學美，張建同.質(zhì)量管理學[M].北京：科學出版社，2008：157-158.

［4］李志忠.列車追尾事故的故障樹分析兼談復雜系統(tǒng)安全[J].工業(yè)工程與管理，2011，16(4)：1-8.

［5］地鐵10 號線“9，27”事故調(diào)查組.地鐵10 號線“9·27”事故調(diào)查報告[R].2011-12-16.