地鐵列車輔助追蹤預警系統設計方案

鞠麗麗，李軍，梁汝軍，王 君

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210031；2.南車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，江蘇南京 210031）

地鐵列車輔助追蹤預警系統設計方案

鞠麗麗1，李軍1，梁汝軍1，王 君2

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210031；2.南車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，江蘇南京 210031）

列車自動防護系統（ATP）為地鐵列車正常運營提供了安全保障，當失去 ATP 防護時，列車運行存在極大的安全風險，因此，研究無 ATP防護下仍能保證列車安全行駛的方案具有重要意義。介紹基于上海 13 號線增購項目應用的地鐵列車輔助追蹤預警系統技術方案，從技術原理、系統構成、系統功能、技術特點 4 個方面分別闡述。

地鐵列車；輔助追蹤預警系統；系統構成；功能；技術特點

0 引言

地鐵列車運行安全由列車自動防護（ATP）系統保障，ATP 失效情況下完全依靠司機保證行車安全，地鐵列車輔助追蹤預警系統可以給列車提供設備層面的安全保障，從而有效避免了列車在非正常狀態下切除 ATP 后處于降級模式運行時由司機失誤引起的安全事故。

1 列車輔助追蹤預警系統技術原理

前、后列車通過無線射頻信號的發送和接收建立查詢-應答式測距機制。主要工作步驟如下。

（1）在 ATP 切除后，后車受控司機室（頭端）的設備向前發送主動測距信號。

（2）前車未受控司機室（尾端）的設備收到主動測距信號后，經過信號鑒別和數據校核，若符合預定通信協議，則向后車發送被動應答信號。

（3）后車接收前車發射的被動應答信號，經過信號鑒別和數據校核，若符合預定通信協議，則進行距離解算。

（4）后車通過計算發送主動測距信號至收到前車測距應答信號的時間差 Δt，通過 L= v×Δt/2 估算車距（其中 v 為光速，v= 3×108m/s，Δt 為射頻信號的傳輸時間，已對系統內延時進行處理，以保證系統精度）。

（5）后車顯示終端實時顯示前車距離，若發現存在碰撞風險，則提前發出聲光示警，供列車司機參考。

系統工作原理見圖1。

該系統與 ATP 切除開關信號聯動，只有在列車 ATP切除情況下進行實時測距并提供報警，其主要啟用邏輯如下。

圖1 系統工作原理示意圖

（1）對于停車庫內列車，追蹤預警設備處于“靜默”狀態，不發射也不接收任何信號。

（2）對于正線運行列車，無論 ATP 是否被切除，未受控司機室的追蹤預警設備都處于“被動應答”狀態，但只有在接收到正確的問詢信號后，才發射應答信號。

（3）對于正線運行列車，若 ATP 未被切除，受控司機室的追蹤預警設備處于“靜默”狀態，不發射也不接收任何信號。

（4）對于正線運行列車，若 ATP 被切除，受控司機室的追蹤預警設備處于“主動測距”狀態，持續發射問詢信號，并監測應答信號，并根據實時測距結果輸出相應的示警信息。

（5）系統狀態具有手動狀態設置功能，手動設置優先級最高。

正線運行列車設備啟用邏輯見圖2。

2 系統構成

列車輔助追蹤預警系統包括 5 個部件：系統主機、顯示終端、測距天線、射頻識別（RFID）天線、RFID標簽，該系統架構如圖3 所示。

其中，在每列車頭、車尾兩端各設 1 套獨立的設備，均包括系統主機、示警終端、測距天線、RFID 天線等；RFID 標簽安裝于出庫段軌道正中，系統設備布置如圖4 所示。

3 系統功能

在地鐵列車處于 ATP 切除的降級運行模式下，列車輔助追蹤預警系統能不依靠地鐵現有的信號系統，獨立實現同股道、同向運行的列車前后距離的實時測量，并在車距小于一定安全閾值時向司機提供追尾風險預警，為列車運行提供輔助安全保障。該系統主要包括以下功能。

3.1 實時測距

列車輔助追蹤預警系統在 ATP 因各種故障切除時，通過車載設備，實時測量同一股道的前、后列車距離，預警距離范圍 50 ～350 m，平直軌道探測距離不小于350 m，彎道半徑不小于 400 m，坡度不大于 30‰ 情況下探測距離不小于 350 m。

3.2 危險車距評估

在 ATP 切除的降級運行模式下，列車輔助追蹤預警系統實時測距，參照預先設定的車距閾值，評估追尾風險。當車距處于Ⅱ級閾值（350 m）～Ⅰ級閾值（250 m）之間時，判為Ⅱ級（警惕）。當前后車距＜Ⅰ級閾值（250 m）時，判為Ⅰ級（危險）。

3.3 預警顯示

司機室裝有顯示終端，為司機提供各級別的聲光組合報警。系統判定處于危險車距時，輸出緊急制動施加請求（預留）。

圖2 正線運行列車設備啟用邏輯示意圖

圖3 列車輔助追蹤預警系統構架圖

圖4 設備布置示意圖

3.4 設備工作狀態和設定確認

設備工作狀態設定可通過自動和手動 2 種模式設置，當顯示終端旋鈕在自動檔位，設備狀態通過讀取到地面標簽自動設置；需要手動設置時，旋鈕從自動檔位打到相應的手動檔位。手動設置的級別高于自動設置。手動狀態轉自動狀態，設備狀態必須通過人工確認是否正確。

3.5 不同行車方向測距信號區分

通過信號編碼處理區分不同行車方向的測距信號。

3.6 “八”字線出入庫自動識別

當列車通過“八”字線出庫時，自動識別設置在軌道正中的地址標簽，并將列車兩端設備設定為相應的工作模式；這一功能也可通過人工設定來實現。如圖5 所示，在東西出入庫線上擬各布置 3 個標簽，標簽實際布置位置根據上海軌道交通 13 號線的實際線路圖進行調整。

3.7 系統自檢和故障診斷

可以實現對測距模塊、主控板、RFID、存儲器的自診斷，并在顯示終端上顯示故障信息。在平時自檢過程結束后顯示的故障（如有故障）包括：測距組件故障、RFID 讀寫模塊故障、LED 燈故障、蜂鳴器故障。在正常工作狀態下記錄并在歷史故障界面下顯示的故障包括：系統通信異常中斷故障、數據幀有效性錯誤故障、數據幀重復性錯誤故障、相關故障出現次數以及最近一次自檢日期信息。

3.8 系統日志

記錄測距、預警輸出、確認操作、故障等事件數據和時間。

圖5 “八”字線出入庫標簽布置示意圖

4 系統技術特點

系統主要包含 2 個部分：二次雷達探測系統和 RFID標簽讀寫系統，兩系統基于自主軟件系統進行控制調度。二次雷達探測系統采用無線電應答技術，將脈沖壓縮高精度測距技術和組網技術無縫融合，實現對于合作目標實時探測。RFID 標簽讀寫系統通過讀到不同的標簽判斷列車的出入庫、上下行、上下行端等信息，以便列車輔助追蹤預警系統準確探測，如圖6 所示。

圖6 系統組成

各城市軌道交通列車運行環境復雜，有隧道、高架、急彎、上下坡等各種路況，不同曲線半徑下的隧道環境和高架環境條件下電磁波的空間衰減和反射散射等情況都不相同，所以，對列車輔助追預警系統的工作波長、探測體制、抗干擾設計、信息處理設計以及系統組網設計充分優化。針對城市軌道交通預警系統的需求，該系統具有以下特點。

（1）接收機動態范圍大、靈敏度高。

（2）具有無線電認知能力。

（3）RFID 自動識別列車運行方向。

（4）具有快速跟蹤捕獲和多目標處理能力。

（5）高速信號處理。

（6）優良的電磁兼容性。

（7）高可靠性及故障導向安全。

（8）抗干擾能力強。

4.1 二次雷達測距

列車輔助追蹤預警系統測距采用二次雷達的探測方式，其發射的波長能被輕易接收，且雷達波為單程波，在系統靈敏度相同的情況下，同樣的探測距離所需的發射功率更低，相同的發射功率可以探測的距離更遠。

列車輔助追蹤預警系統采用問詢、應答一體化模式，可以自由地在主動測距與被動應答間切換，即車頭、車尾兩端設備可以通過司機室鑰匙信號等自動切換為問詢模式和應答模式。預警系統的發射鏈路和接收鏈路采用編碼匹配接收，不僅能消除同頻多徑反射干擾，提高檢測概率，同時也能夠獲取更豐富的目標信息。

圖7 雷達信號在彎曲的隧道中發射鏈路和接收鏈路示意圖

4.2 彎道測距

預警系統的天線發射雷達信號，在彎曲隧道或地面軌道背景物體條件下，該信號經過隧道空間的直達波、反射波、繞射波等多種傳播方式，傳輸到前車的尾部，尾部雷達的天線接收到該信號后，經過信號處理識別為有效信號后，在固定延時后發送 1 個編碼應答回波，應答信號經過同樣的路徑返回到主動測距雷達天線，雷達信號在彎曲的隧道中發射鏈路和接收鏈路示意圖見圖7。應答信號的接收鏈路通過頻率、延時特征及編碼濾波消除多徑反射信號干擾及其他設備信號干擾，能夠克服環境影響。由于應答延時時間及系統處理延時是已知的，主動測距雷達發射和接收信號間的時間間隔，再減去相關延時時間，就可計算出兩列車間的距離。

由于采用二次雷達，雷達所需的發射功率不需太高，也不要求系統高靈敏度，在隧道傳播時雖有衰減，探測距離仍能滿足實際需求。

5 結束語

地鐵列車輔助追蹤預警系統設計方案目前已應用于上海軌道交通 13 號線增購項目，針對同軌道同向運行列車碰撞的潛在危險，提出了一種集二次雷達技術、通信技術為一體的多目標探測識別自主軟件系統，滿足預警需求，突破了在隧道、高架、地面等場合探測復雜目標的技術瓶頸，良好解決了隧道無線電衰落、電磁環境復雜以及要求低功耗等工程化應用難題。

［1］ 畢湘利，鄧奇.ATP失效模式下的城市軌道交通列車運行安全保障措施研究［J］.城市軌道交通研究，2014，17（10）：1-4.

［2］ 周巧蓮.城市軌道交通列車輔助防撞系統方案研究［J］.城市軌道交通研究，2014，17（1）：18-22.

［3］ 沈拓，潘亦欣，鄧奇.基于列車測距的城市軌道交通非正常情況運輸能力提升方法研究［J］.城市軌道交通研究，2015，18（8）：111-115.

責任編輯 冒一平

Design Scheme of Auxiliary Anti-Crash Early Warning System for Metro Trains

Ju Lili， Li Jun， Liang Rujun， et al.

Automatic train protection （ATP） system for normal operation of metro train provides safety.Without ATP， the train operation exists great safety risk.Therefore， the study of schemes of non ATP still ensuring safety of train operation will have an great importance.The paper introduces the technical schemes of metro train auxiliary anti-crash early warning system based on the application of Shanghai line 13 for new procurement project， and expounds the four aspects of the technical principle， system structure， system function and technical features.

metro train， auxiliary anti-crash early warning system， system structure， function， technical characteristics

U231.7 : U284.4

鞠麗麗（1985—），女，工程師

2016-03-18