地鐵應急處置后備定位系統的研究及開發

李宇輝， 鄧建芳，錢世嘉

（1. 南京鐵道職業技術學院運輸管理學院，江蘇南京 210031；2. 南京鐵道職業技術學院通信信號學院，江蘇南京 210031；3. 南京地鐵運營責任有限公司運輸管理事業部，江蘇南京 211100）

1 引言

在各類地鐵行車設備故障中，無論從應急處置工作的難度，還是從對運營工作的影響角度，聯鎖失效故障的處置是最為復雜，也是對行車指揮人員專業技能要求最高的一類故障。運營單位針對聯鎖失效故障的常規處置方法是在故障區采用電話閉塞法組織行車，在非故障區行車組織方法不變[1]。

由于地鐵電話閉塞法是在沒有機械、電氣設備控制的條件下，僅憑站間行車電話聯系來保證列車行車的安全間隔，因而安全程度較低，只能是一種臨時代用的行車閉塞法[2]。由于采用電話閉塞法組織行車時，必須遵守一整套較為復雜的作業流程，這也對參與其中的行車調度員、車站值班員等運營指揮人員提出較高的要求，并帶來較大的工作壓力[3]。南京鐵道職業技術學院科研創新團隊與南京地鐵運營公司的技術人員密切協作，開發出1套基于基站定位原理的后備定位系統，并運用于聯鎖失效故障的應急處置中，且取得良好的效果，本文對該系統的研究開發及后期應用中的一些經驗進行分享，供后期工程建設借鑒與參考。

在地鐵運營應急處理工作中，聯鎖失效應急處置工作相對于其他設備故障的處置要復雜很多，一方面由于在使用電話閉塞法組織行車時，行車調度員和車站值班員都必須遵守一套較為復雜的作業流程，不能有絲毫的疏漏或順序顛倒[4]；另一方面由于在聯鎖失效時行車指揮人員無法通過信號系統監控到列車的實時位置，客觀上增加行車指揮人員特別是行車調度員的心理壓力，從而增加人為失誤的風險[5]。

在我國地鐵運營工作的歷史上，曾發生過由于聯鎖失效應急處置工作失誤導致的嚴重安全事故，最典型的案例是2011年9月27日發生在上海地鐵10號線的追尾事故。當時的行車情況如圖1所示，新天地集中站信號系統失電導致新天地聯鎖區聯鎖失效，故障區內的6 組列車均停車待令，其中1033#、1016#和1032#車停在區間，行車調度員命令停在區間的3組列車轉換駕駛模式運行至前方站停車，但行車調度員在沒有確認3 組列車是否均已到站的情況下，就盲目發布按電話閉塞法行車的調度命令，結果導致1005#車與因故障?？吭趨^間的1016#車追尾，造成重大運營安全事故[6]。

圖1 上海地鐵10號線聯鎖失效事件示意圖

在南京地鐵運營工作的歷史上，雖未發生過聯鎖失效應急處置不當導致重大事故的情況，但在若干次故障處置中仍然暴露出列車定位工作耗時過多，中斷正線行車時間過長等問題。其中，具有代表性的是2019年6月30日南京地鐵3號線發生的聯鎖失效故障，行車情況如圖2所示，當時泰馮路站信號設備房突發不間斷電源（UPS）故障導致林場聯鎖區聯鎖失效，林場聯鎖區包含4個原件控制計算機（ECC）區和10個車站[7]，故障區內有12組列車觸發緊急制動，其中7組列車停在區間，5組列車停在車站[8]。按常規應急處置流程，行車調度員應先進行列車定位，再按電話閉塞法組織行車[9]，但在該故障處置中，行車調度員僅在列車定位環節就花費0.5 h，隨后的組織列車進站，安排車站鉤鎖道岔，配合檢修人員設備搶修等工作又花費較長時間，直到1.5 h后設備故障修復，也未按電話閉塞法組織行車，而是啟動公交接駁應急預案。

圖2 南京地鐵3號線聯鎖失效事件示意圖

2 后備定位系統的設計開發

2.1 設計要求

后備定位系統是一套獨立于地鐵信號系統運行的定位系統，需具備如下功能。

（1）獨立于地鐵信號系統，提高地鐵行車安全。

（2）可提供準確的列車位置信息，使行車調度員在信號系統癱瘓時能夠更加準確的觀測列車位置，以便發出正確的調度命令。

（3）擁有獨立于現有地鐵運營系統的供電模塊，供電方式簡單。

當后備定位系統具備上述功能后，在地鐵信號系統出現故障，甚至是整個地鐵供電系統出現停電時后備定位系統也能獨立運行。此時安裝在列車上的定位終端設備自動查詢周圍基站碼信息中位置區碼（LAC）、基站編號碼（CID），從而獲取定位信息，再將定位信息通過4G網絡以數據的形式及時發送給控制中心的通信模塊，經由單片機處理后將位置信息顯示于液晶顯示屏上。地鐵控制中心的行車調度員則可實時查看到列車的當前位置，從而發出正確的調度命令。后備定位系統理論上可以杜絕列車追尾事故的發生，為地鐵列車運行的安全性提供技術保障。

2.2 設計原理

如圖3所示，由于地鐵沿線移動通信運營商的基站已敷設完畢，因此可事先測得基站A、B、C、D、E 的具體位置信息。鑒于基站位置固定不變，因此可以將其視為定點。后備定位系統的原理是當列車行駛到圖中區段1的位置時則以基站A、B、C為定點，定位模塊將得到從基站A、B、C反饋的基站信號強度值，又由于信號強度值的衰減與傳輸距離成正比關系，因此可通過三點定位公式、chan算法和最小二乘法逼近求解[10]，計算出基站A、B、C與列車的距離d1、d2、d3。根據已知的基站A、B、C的位置，以及基站A、B、C距列車的距離，可以計算出列車的位置[11]。

圖3 基站區域覆蓋示意圖

后備定位系統采用基站定位的方法，通過SIM7600CE通信模塊，使用窄帶物聯網（NB-IoT）來實現列車定位。由于地鐵沿線已建有許多無線基站，又由于SIM7600CE通信模塊中含有NB-IoT天線，可以查詢到列車運行周圍的基站位置，系統根據基站與列車之間距離變化值、傳輸的無線電波的能量損耗值以及傳輸無線電波的時長[12]，綜合各種指標值通過基于基站距離的定位算法計算出列車的位置。

3 后備定位系統的應用驗證

3.1 系統組成

3.1.1 硬件

后備定位系統由定位終端、控制中心設備和NB-IoT云服務器3部分組成，系統結構如圖4所示。控制中心的單片機控制模塊對接收到的基站信息進行處理分析后，可得到列車的位置信息，并在顯示屏上將其展現，這樣行車調度員可實時、直觀監控到列車的位置。

圖4 后備定位系統構成示意圖

（1）定位終端。定位終端由MSP430F169控制模塊、SIM7600CE通信模塊以及電源模塊組成，并安裝于地鐵列車上，負責采集列車實時位置信息，并通過無線通信網絡將列車的實時位置信息傳送給控制中心設備。定位終端采用環保9 V堿性電池直流供電，不依賴列車提供電源，這樣可以確保定位設備完全獨立運行，避免受到列車供電故障等其他系統的干擾。

（2）控制中心設備。控制中心設備由MSP430F169控制模塊、SIM7020CE通信模塊、LCD12864液晶顯示模塊、按鍵以及電源模塊組成，放置于地鐵線路的控制中心，向行車調度員在類似聯鎖失效等信號系統故障應急處置時提供列車位置信息。在地鐵信號系統正常的情況下，控制中心設備處于非工作狀態，只有出現類似聯鎖失效故障時，行車調度員才可通過按鍵向后備定位系統發出命令，控制模塊經過檢測確認后，通過SIM7020CE通信模塊向定位終端發送列車定位信息查詢命令，服務器收到列車實時位置信息后再進行數據處理，并在液晶顯示模塊上顯示列車的實時位置。

（3）NB-IoT云服務器。NB-IoT云服務器租用阿里云服務器的存儲空間，以NB-IoT無線方式完成定位終端的SIM7600CE通信模塊和控制中心設備的SIM7020CE通信模塊之間的信息傳輸，實現控制中心設備與定位終端的雙向通信功能[13]。

3.1.2 軟件

后備定位系統的主程序包括定位終端和控制終端2部分。如圖5所示，定位終端主要流程是使用MSP430F169單片機控制SIM7600CE與服務器建立連接，并以信息訂閱者的身份訂閱查詢位置為主題的信息，若接收到查詢位置信息的主題信息，則以串口通信的方式對SIM7600CE通信模塊下達位置查詢的命令，并且接受來自通信模塊傳送來的LAC和CID碼，單片機通過基站定位算法算出當前列車所處的位置信息，并且控制SIM7600CE通信模塊將定位信息以消息發布者的身份發布到云服務器[14]?？刂平K端主要流程是以串口通信的方式控制SIM7020CE通信模塊以客戶端的身份向服務器發布查詢位置的主題信息，同時檢測控制終端按鍵是否按下，若按鍵按下，則控制SIM7020C通信模塊以訂閱者的身份訂閱以位置信息為主題的消息，在接收到服務器的響應后，經過液晶顯示程序的處理后，將其顯示在液晶屏上。

圖5 主程序流程圖

消息隊列傳輸協議（MQTT）是應用層的協議，所有與MQTT有關的內容只需要設計一遍，便于后期主程序的運行，定位終端只需要使用MSP430F169單片機控制SIM7600CE通信模塊進行定位，然后將所獲取的位置信息通過NB-IoT網絡發送到服務器并顯示在液晶屏上。

3.2 應用效果

為檢驗后備定位系統在實際工作中使用的效果，南京地鐵在3號線的列車和運營控制中心（OCC）分別安裝后備定位系統的定位終端和控制中心設備。地鐵運營工作中發生聯鎖失效故障的概率很低，在幾次應急演練獲得滿意效果的基礎上，后備定位系統于2020年的8 月10日迎來一次聯鎖失效故障的“實戰考驗”，當時林場聯鎖區的泰馮路和上元門2個ECC 區（約為林場聯鎖區的一半區域）發生聯鎖失效，故障區有6組列車產生緊急制動或收不到速度碼，其中1013次和2810次停在車站，1719次、2212次、2910次、1511次停在區間，行車情況如圖6所示。

圖6 2020年8月聯鎖失效故障示意圖

根據經驗，4組停在區間列車的定位工作需要行車調度員和列車司機通過無線電呼叫配合完成，這一過程至少需要15 min，由于控制中心的行車調度員使用后備定位系統輔助完成列車定位工作，從故障接報到定位完畢僅用時6 min，大大縮短列車定位時間，并使后續列車進站、采用電話閉塞法行車等工作順利進行，最大程度的降低對運營工作的影響[15]。

如表1所示，通過2起幾乎在同一區域的聯鎖失效故障應急處置的對比中可以看出，安裝后備定位系統后，這一事件的應急處置過程最為明顯的變化在于“完成列車定位”這一環節中極大的縮減處置時間，由于行車調度員可以直觀的看到停在區間列車的位置，因而可以迅速的完成故障區列車定位[16]，為后續命令區間列車進站和發布電話閉塞命令創造有利的條件。同時，由于聯鎖失效時必須安排人員在有岔站鎖閉道岔，因此完成列車定位后停在區間的列車進站這一環節耗費的時間無法得到壓縮。2020年8月的故障處置中“區間列車進站”之所以耗時較少，主要是故障區域較小，需要鎖閉的道岔較少造成，與安裝后備定位系統并無直接關系。

表1 使用后備定位系統前后應急處置效果對照表

另外，據當值行車調度員事后反映，安裝后備定位系統后，他們對于聯鎖失效等無法監控到列車實時位置的故障處置時不再有很大壓力，可以在應急處置過程中將主要精力投入到安全防護和運營調整等工作中去。由此可見，后備定位系統的開發和使用對于在應急處置工作中保障安全、提升效率、減輕調度員（尤其是年輕調度員）在工作中承受的心里壓力，產生良好的效果。

3.3 改進措施

后備定位系統在南京地鐵3號線安裝使用近1年的時間，在幾次應急演練和故障處置中發揮明顯作用的同時，也暴露出一些問題需要繼續改進。

3.3.1 顯示模塊的改進

后備定位系統在控制中心的設備主要由控制模塊、通信模塊、液晶顯示模塊、按鍵以及電源模塊組成，其中行車調度員實際工作中主要使用的是液晶顯示模塊，在聯鎖失效等故障處置中，行車調度員通過液晶屏的顯示信息能直觀的查詢到停留在區間的列車，然后通過無線通信設備聯系司機確認列車車次，并發布命令等。這種液晶屏的顯示方式盡管能達到后備定位系統的開發目標，但是根據行車調度員的反饋，其長期形成的工作習慣是通過觀察電腦顯示器的信息進行行車指揮[17]，所以，后備定位系統的后續改進方向是通過編寫相應的軟件，將液晶屏上顯示的列車位置信息以類似自動監控系統（ATS）終端線路圖的形式顯示到電腦顯示器上，以適應調度員的工作習慣。

3.3.2 定位精度的提升

列車定位只是地鐵信號系統的一小部分功能，后備定位系統的主要作用是在信號故障時臨時替代該功能，該系統的定位精度雖然無法和地鐵信號系統相比，但由于同時存在電話閉塞等其他手段保障列車運行的安全，這種精度不高的臨時列車定位系統也基本能滿足實際工作的需要。在行車指揮中，行車調度員除需要了解列車在故障區間的大致位置外，還需要了解列車是否壓住道岔，這對于安排車站人員下線路鎖閉道岔的工作非常重要，因此，存在對現有系統的列車定位精度進一步提升的需求，初步設計是通過增加列車定位終端的數量和縮小區間顯示單元的方法實現。

3.3.3 降級運營效率的提升

目前地鐵運營企業應對聯鎖失效故障的預案大都是在完成故障區列車定位和所有列車進站停車后，由行車調度員發布調度命令按電話閉塞法組織行車[18]。按電話閉塞法行車雖然能夠保障列車運行的安全，但是為保證前后2組列車間的安全間隔，需執行十分復雜的地鐵電話閉塞的作業流程，而復雜的程序客觀上也會導致安全隱患的增多[19]。在使用后備定位系統后，行車調度員對列車運行的監控條件大為改善，因此可以考慮對應急預案加以改進，在行車密度比較小的時間段，當完成故障區正線道岔人工加鎖后，可以由行車調度員命令故障區列車使用限速的人工駕駛模式（RM）或不限速的人工駕駛模式（URM）駕駛[20]，而無需使用電話閉塞法行車。這種方法避免電話閉塞繁瑣的作業程序增加列車停站時間，行車調度員可以通過后備定位系統掌握列車位置，一旦發現2組列車間隔過小，及時扣停后續列車，這樣在確保行車安全的同時，也能顯著提升降級運營的效率[21-23]。

4 結語

后備定位系統是一種獨立于地鐵信號系統的備用列車定位系統，該系統具有硬件設備簡單、功耗低、成本低、實用性強等優點。該系統利用的基站定位技術十分成熟，且不復雜，將之應用于地鐵行車的應急處置工作中是一個實用價值顯著的技術創新，這一創新極大減輕行車調度員在聯鎖失效故障處置中的精神壓力，簡化應急處置的流程，具有較高的推廣價值。