地鐵試車線加裝列車安全預警系統的探索與實施

李凱明

深圳地鐵運營集團有限公司 廣東 深圳 518000

1 實施背景

近年以來，國內外地鐵行業發生了多起列車沖出試車線、工程車追尾正線列車的事故，安全事件屢發不止，均造成了重大損失和惡劣的社會影響。隨著地鐵線路的開通及地鐵列車大修的開展，試車線調試作業與日俱增，但我司現有工程車及非信號系統監控模式下地鐵列車在試車線運行缺乏有效的行車安全防護設備，列車運行至試車線終點止檔的距離需要人工目測，容易誤判或漏判，導致列車制動距離不足而沖撞止檔。綜上，現階段列車試車線作業安全防護主要依靠人控，缺乏機控手段，能夠應用于防護地鐵列車、工程車試車線調試作業的防撞系統成為迫切需求。

2 現有列車防護系統比較分析

現有列車防護系統主要有ATP、LKJ、GYK系統。車載ATP是CBTC信號系統的核心車載子系統，目前地鐵電客車的常用的防護設備，在正線列車行駛中已是標配，但ATP設備的使用依托于地面無線閉塞中心，在地鐵車輛段、停車場等工程車常用區域無法使用[1]，同時ATP設備本身及所依賴的信號系統成本高昂，無法完成在廉價的工程車輛上的部署；GYK系統以LKJ系統功能基本一致，均廣泛應用于鐵路工程車輛[2]，GYK系統具有機車信號板件，集成度較高，但因地鐵車輛段各段場聯鎖系統與正線鐵路聯鎖系統不同，無法獲得聯鎖信息而無法完成站場調車作業安全防護，LKJ系統通過采集聯鎖系統信息可實現在段場內的調車作業防護及試車線防護[3]，但因GYK系統及LKJ系統復雜、設備部件雜亂且多樣，無法在地鐵電客車上實現批量安裝。

3 試車線安全預警系統

試車線列車安全預警系統不僅適用于地鐵電客車、工程車輛，且該系統涉及部件少、接口少，安裝方便且攜帶便捷。

試車線列車安全預警系統整體構架如圖1所示，其主要包括便攜式車載安全預警機、試車線地面防護基站、監測采集終端、遠程運維服務器和終端計算機等。

圖1 試車線列車安全預警系統整體構架圖

便攜式車載安全預警機，主要實現測量位于試車線上的工程車或地鐵列車與試車線盡頭的距離和行駛速度的功能，其工作頻率為3.1～4.8GHz，無線發射功率為0～20dBm。試車線地面防護基站和監測采集終端通過立桿，安裝在試車線終點止擋外側，試車線地面防護基站通過RS232與監測采集終端通信，并由監測采集終端將其工作狀態等數據通過4G LTE上傳至遠程運維服務器，同時在遠程運維服務器上部署了遠程運維系統，以實現接收各個試車線地面防護基站工作狀態等數據，并進行分析診斷和告警的功能。此外，在終端計算機上安裝了遠程運維系統應用軟件和診斷維護軟件，能夠實時檢索、打印試車線地面防護基站的工作日志和故障日志，且可通過USB接口對便攜式車載安全預警機進行程序升級、日志讀取、參數設置等。

3.1 車距監控

便攜式車載安全預警機通過發射無線脈沖信號，搜索試車線地面防護基站，根據無線電波的傳播飛行時間，計算二者的距離。測距原理的具體實現過程如下圖2所示。測距原理采用基于3.1～4.8GHz頻段（UWB頻段）的TWR（雙向測距）算法，圖中DeviceA 和 DeviceB是兩個UWB模塊。測距首先由A發起，B收到之后再發回一個響應(Responds)，A再接收這個響應，完成一次測距。在A和B每一次發送數據和收到數據的時候，設備都將記錄當前時間戳。這樣，通過時間戳相減，就可以得到傳輸時間差：

圖2 測距原理實現過程示意圖

即可得到Tf飛行時間（TOF），通過Tf乘以光速即可得到距離：

3.2 車速監控及運行安全預警

便攜式車載安全預警機根據與試車線地面防護基站的實時距離，計算其與防護基站的接近速度。再根據測量的實時距離和車速信息及時進行運行安全預警，具有語音播報和觸控屏兩種組合預警方式，即便發生單一故障（語音播報故障或者觸控屏故障），也不影響預警的實現。

3.3 緊急控車

便攜式車載安全預警機提供了一組控車接點，控車接點為單個繼電器常閉觸點輸出接點，通過回采繼電器接點狀態，監控輸出信號，以實現控車信號輸出安全，控車接口原理示意圖如圖3所示。當工程車或地鐵列車在試車線作業時，將連接在車載安全接口處的線纜連接至便攜式車載安全預警機提供的控車接口，并通過便攜式車載安全預警機觸控屏上的“模式選擇”按鍵，將模式選擇為“試車線”，此時便攜式車載安全預警機工作在“試車線”模式，可自動與試車線地面防護基站通信，并通過控車邏輯輸出制動信號。

圖3 控車接口原理示意圖

控車邏輯采用雙保險機制，即采用車速和距離“與”邏輯，具體邏輯如表1所示（注：-為任意車速）。

表1 控車邏輯表

3.4 數據記錄

便攜式車載安全預警機能夠將車輛行駛過程中的相關信息按照時間排序自動記錄，包括列車探測數據和司機按壓確認按鍵的動作信息等，用于評估司機作業規范性。

3.5 維護接口

便攜式車載安全預警機設計了USB維護接口，可以使用USB連接線連接診斷維護軟件，從而進行運行日志和故障日志下載、配置告警距離等工作參數，升級設備程序等操作。

3.6 系統對現有信號系統和車輛造成的影響

3.6.1 系統車載采用獨立供電，不會對其他系統的供電系統產生影響。

3.6.2 系統車載設備使用的無線電技術取得了國家相關部門的應用許可，已通過權威檢測機構檢測認證，不會對現有信號系統或使用人產生任何干擾。

3.6.3 系統地面設備網絡連接使用的無線技術為公共無線網絡系統，但遠程運維服務器、終端計算機和試車線地面防護基站等未形成環形網絡，不存在網絡風暴等問題。

4 實施效果

深圳地鐵累計投入運營10條線路，目前已完成全網試車線列車安全預警系統設備設施的安裝，很快將投入使用。通過加裝上述設施設備，實現列車在試車線調試作業時超速預警、防沖撞止檔等，以確保車輛運行及人身安全，并能在設備故障時及時主動告警，及時進行維修，保證設備始終可用。試車線加裝列車防撞系統，實現了工程車及非信號系統監控模式下地鐵列車在試車線運行由“人控”轉為“機控”，是實現科技保安全的一項重大舉措。