列車完整性檢查技術綜述與應用展望

郭軍強

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

由于列車車鉤長期疲勞受力以及列車在行駛過程中的突然變速，可能會導致車鉤斷裂，使得列車出現尾部一節或多節車廂脫離列車整體。軌道上脫離的車廂若不能及時被發現，可能會成為其后列車的障礙物，直接危及行車安全[1]。為確保列車行駛過程中車廂的完整性，需要對列車的整體完整性進行檢查。當發現車廂脫鉤等故障時，及時發出報警信息，通知相關人員處理，確保安全暢通的軌道線路。

列車完整性檢測技術是基于傳統的列車運行控制系統發展起來的，首先使用的是基于軌道電路的列車完整性檢測，通過檢測軌道占用情況，來確定列車的完整性。隨著電子技術的發展，逐漸發展起獨立配套的安裝在列車尾部的防護裝置，獨立實現完整性檢查。本文對適用于車載的列車完整性檢查方法和發展前景進行分析和探討。

2 基本檢測原理和方法

列車完整性的檢測可以通過列車制動風管壓力、列車首尾的運動狀態，以及列車車長3 個方面進行檢測，下面對3 種方法分別進行介紹。

2.1 列車制動風管壓力檢測方法

對于列車來說，空氣制動系統是列車運行控制過程中不可或缺的部分，通過風壓的方式實現列車的安全制動。各節車廂的空氣壓力制動系統通過空氣制動總管連接在一起，總風管可貫穿列首至列尾，因此可以通過比較列首、列尾的風管或制動管壓力實現列車完整性檢查[2-3]。

基于制動風壓的列車完整性檢查裝置主要由兩部分組成：

1）安裝在列車尾部的列尾裝置；

2）安裝在機車內部的列首裝置。

若列車出現斷鉤、擠鉤等現象導致列車完整性丟失，列車空氣制動總管會跟隨車廂而被拉斷。總管被拉斷后，各制動子系統都會出現壓力泄漏的現象，當列尾裝置檢測到制動系統壓力泄漏，且超過一定閾值時，即可判斷為列車完整性缺失。

2.2 列車運動狀態檢測方法

加速度是列車的基本運動狀態，可以采用列車的加速度完成列車完整性檢測。

基于加速度計傳感器的列車完整性檢測原理是在列車車頭、車尾各安裝一套加速度計，通過無線通信技術將車頭和車尾加速度計傳感器的數據發送到列車運行信息檢測平臺，實時比對車頭、車尾的加速度變化來完成列車完整性檢測[4]。

由于列車是一個完整連接的整體，不論是轉彎還是直行，車頭車尾沿著列車行駛方向的線速度和加速度具有很強的相關性。因此，可以通過測量列車的加速度實現列車的完整性檢查。

2.3 列車長度檢測方法

衛星定位是一種使用衛星對物體進行空間定位的技術，測量列車車頭車尾空間坐標并結合地圖信息，即可得到列車的長度。常見的衛星定位系統包括GPS，北斗，GLONASS，GALILEO，其原理是通過綜合分析已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，實現物體的空間定位。如圖1 所示，考慮到時鐘同步問題，衛星定位算法至少需要接收到4 個衛星的信號才能實現基本定位[5-6]。

圖1 衛星定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite positioning

正常行駛的列車車長是固定的，即車頭至車尾的距離不變，當列車整體發生分離時，列車車頭和車尾的距離必將變大，如圖2、3 所示。

基于衛星定位列車車長檢測的列車完整性檢測方法原理為：列首裝置和列尾裝置上均安裝衛星接收單元，實現列首和列尾的衛星定位，并通過無線網絡將列尾的定位數據發送到列首裝置，由列首裝置綜合處理列首和列尾的定位數據，計算出列首列尾的直線長度。若結合電子地圖數據，則可精確獲得列車的實際運行車長。將計算的列車實際車長與司機輸入的列車車長數據進行比較，若車長超過一定閾值，即可判斷列車完整性丟失，達到列車完整性檢查的目的。

圖2 正常運行狀態下列車長度Fig.2 Train length under normal operation state

圖3 分離狀態下列車發生長度Fig.3 Train length under seperation state

3 檢測方法分析

3.1 列車制動風管壓力檢測分析

基于列車制動風管壓力的檢測方法具有方便直接的特點，當列車發生完整性缺失時可以做到最直接的檢測，但在以下情況下會出現檢測功能失效的問題：

1）列車完整性已經丟失，但制動風管由于擠壓等外部其他原因，風壓并未大幅度下降；

2）由于人為或誤操作等因素，某車廂的折角塞門誤關閉，導致整個列車的風管壓力并未貫通，當列車完整性丟失時，列尾的風管壓力不會出現變化。

3.2 列車運動狀態檢測分析

基于加速度計的列車運行狀態檢測方法，通過檢測列車的運動狀態實現列車完整性檢查，檢測設備相對簡單獨立，不需要輔助條件，但有以下的局限性。

1）由于加速度計的敏感質量塊受到重力影響，如圖4 所示，當列車運行線路坡度非零時，重力的坡度分量a'會影響單軸加速度計測量的列車真實運行加速度，需要使用線路坡度進行抵消，這將會使單軸加速度計的使用具有一定的局限性。

圖4 重力加速度在坡度上的分量Fig.4 Component of the acceleration of gravity on a slope

2）列車的車廂之間使用車鉤進行連接，為了讓車廂間有一個緩沖空間，防止制動時車廂間的直接碰撞，因此車鉤之間具有一定的間隙，而這個間隙會導致各節車廂間運動狀態的不一致，這給加速度檢測方法帶來了一定的困難。

3.3 列車長度檢測分析

基于衛星定位的列車車長完整性檢查系統具有原理簡單，測量直接等特點，能夠滿足列車完整性檢測的要求，但在實際的使用中存在以下問題[7]：

1）計算車長時，需要考慮軌道線路參數，若線路中存在坡道，彎道都會影響列車長度的測量，進而影響到列車完整性檢查的報警門限；

2）對衛星信號依賴嚴重，當列車運行到峽谷、隧道等地區時，列車天線能接收到的衛星數目很少，甚至無法接收到任何衛星信號，這使得基于衛星的檢測方法在峽谷、隧道等區域無法得以應用；

3）由于安裝條件的限制，列尾只能安裝在列車尾部靠下的位置，其衛星天線會受到尾部車廂的遮擋，只能接收到未被遮擋的半個天空的衛星信號，從而使得接收衛星數量不足，接收衛星空間結構欠佳等問題，這會造成衛星定位方法經常出現無法對列車尾部進行定位，或定位精度過低等問題[8]。

4 多傳感器綜合檢測方法

經過上節的分析，風管壓力檢測、運動狀態檢測和車長檢測方法均有各自的優勢和局限性。因此，基于多傳感技術的列車完整性檢查方法勢在必行。多傳感技術能夠克服單一傳感技術的弊端和局限性，提高監測的實時性，安全性和可靠性[9]。

如圖5 所示，多傳感列車完整性檢查系統可融合衛星定位、加速度和制動風管壓力的數據，綜合考慮衛星定位數據準確。加速度計實時動態和風管壓力簡單直接的特點，在空曠環境提高衛星定位信息的權重，有遮擋的地區使用加速度計和風管壓力進行融合補償，從而實現列車實時、可靠、安全的完整性檢查功能。

圖5 多傳感列車完整性檢測系統Fig.5 Multi-sensor train integrity detection system

5 展望

列車完整性檢查系統是影響列車運行安全的關鍵環節之一，是保障鐵路運輸安全的重要部分。現代電子技術的快速發展，為列車完整性檢查系統提供了有利條件。將先進的通信技術，定位技術及多傳感器融合技術應用于列車完整性檢測，不僅能夠實現列車完整性狀態的監測，還能夠克服傳統列車完整性檢查裝置的諸多弊端，提高系統的可靠性，實時性和安全性。基于多傳感器的列車完整性檢查系統可在完成列車完整性檢查基本功能的前提下，做到安全的列尾檢測，并接入列控系統實現列車運行防護，在滿足鐵路現代化安全運輸生產需求的同時，提高現有鐵路線路的運輸效率，具有巨大的經濟效益和社會效益。