高速鐵路列控系統(tǒng)主動安全控制的分析與思考

楊 絢，陳德旺，陳 榮

(北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044)

高速鐵路的可持續(xù)發(fā)展已為世界各國所公認。在全世界范圍內(nèi)，高速鐵路都正處于發(fā)展階段。根據(jù)國務院批準的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整方案》，直到2020年我國高速客運專線建設將達到1.6萬km以上。

在高速鐵路迅猛發(fā)展的今天，對高速鐵路的安全研究顯得尤為重要。在中國，2010年7月23日，北京南至福州D301次列車與杭州至福州南D3115次列車發(fā)生追尾事故，嚴重地危害了人民群眾生命安全。顯然，進一步加強鐵路安全工作，促進高速鐵路安全發(fā)展具有重要意義。

為了進一步做好高速鐵路的安全工作，本文結(jié)合在汽車領(lǐng)域中主動安全的思想，提出對高速鐵路的主動安全控制，其特點是發(fā)生意外之前對其做出控制，即預防事故發(fā)生所采取的積極安全對策[1]。

隨著列車速度的提高，在高速鐵路中對主動安全方法的研究顯得更加重要。做好高速鐵路主動安全控制的研究，對建設和諧鐵路有著重要的社會和經(jīng)濟意義。

1 高速列車的安全控制現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)高速鐵路安全控制

在既有線上進行提速。為確保列車運行安全和提高運輸效率，對高速鐵路裝備了一系列先進的、技術(shù)成熟的、安全性能可靠的列控系統(tǒng)。我國300 km/h及以上高速客運專線，使用CTCS-3級列控系統(tǒng)作為全路統(tǒng)一技術(shù)平臺，并兼容CTCS-2級列控系統(tǒng)實現(xiàn)動車組的上行及下行線的運行。作為中國列車運行控制系統(tǒng)的重要組成部分，CTCS-3級列控系統(tǒng)主要面向提速干線、高速新線和特殊線路。CTCS-3級列控系統(tǒng)采用GSM-R（Global Mobile System for Railways），進一步解決了超速防護信息可靠高速率傳輸?shù)膯栴}[2]。

（1）CTCS-3級列控系統(tǒng)通過由車載設備接收RBC（無線閉塞中心，Radio Bock Center）傳送的運行許可（Movement Authority，MA）、臨時限速信息等，并由車載設備向RBC(Radio Block Center)傳送列車運行位置報告信息等，進一步確保列車安全運行；

（2）通過無線閉塞中心RBC來監(jiān)督列車完整性，跟蹤管轄范圍內(nèi)各車行駛位置，根據(jù)給每一列車單獨設立的基礎(chǔ)信號系統(tǒng)來確定運行許可，確定列車許可范圍內(nèi)軌道區(qū)段空閑；

（3）CTCS-3級列控系統(tǒng)還通過列控中心采集區(qū)間軌道電路信息，并發(fā)送給RBC，以進一步確保不發(fā)生列車追尾等問題；

（4）通過車站聯(lián)鎖設備，向調(diào)度中心CTC（Centralized Traffic Control）分機發(fā)送站場設備實時狀態(tài)，以確保正確的行車調(diào)度。

據(jù)我國的具體情況，列車運行控制系統(tǒng)為滿足不同速度列車混合運輸?shù)倪\行方式，提出采用區(qū)間不設地面通過信號機，自律分布式、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。系統(tǒng)分地面和車載設備2大部分，地面設備產(chǎn)生列車控制所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，傳送給列車經(jīng)車載設備處理，產(chǎn)生列車速度控制曲線，監(jiān)督或控制列車安全運行[3~4]。我國列車運行控制系統(tǒng)還采用了列車運行自動控制系統(tǒng)，車載設備根據(jù)從接收的速度信息生成限制速度、目標速度、司機根據(jù)車載設備顯示出的限制速度和目標速度來駕駛。當列車的運行速度大于限制速度時，車載設備就自動執(zhí)行制動，使列車減速或停車，進一步確保列車行車安全[5]。

1.2 國外高速鐵路安全控制

早在1983年，為保證列車安全運行，北美鐵路部門希望首先消除信號盲區(qū)，并從節(jié)省成本的角度考慮，希望不用地面信號設備，而通過無線方式實現(xiàn)列車的控制，之后，美國鐵道協(xié)會AAR及加拿大鐵道協(xié)會RAC一同提出了先進列車控制系統(tǒng)（Advanced Train Control System,ATCS）。其主要思想是要通過數(shù)字數(shù)據(jù)通信手段和先進的微處理器，獲取列車位置信息、列車速度信息的前提下，對列車進行閉環(huán)控制[6]。其通過對整個系統(tǒng)提供可靠的檢查與平衡手段，利用車地間雙向信息通道實現(xiàn)對列車的閉環(huán)控制，大大降低人為錯誤的影響，實現(xiàn)列車安全行車的目的。

20世紀80-90年代，為保證列車安全運行，發(fā)達國家紛紛發(fā)展了具有本國特色的安全列車運行控制系統(tǒng)，其中具有前瞻性的主要包括了歐洲ETCS（European Train Control System）、日本的ATC（Automatic Train Control）系統(tǒng)、法國的U/T系統(tǒng)、德國的LZB等。高速鐵路在亞洲和歐洲都得到了快速發(fā)展。

另外，為適應高速鐵路的發(fā)展，各國都在積極研制最新無線通信的鐵路信號系統(tǒng)（Transmission Based Signalling, TBS），在以往的CTC調(diào)度集中系統(tǒng)中，CTC根據(jù)列控中心告知區(qū)段閉塞分區(qū)狀態(tài)，再通過車站到發(fā)線占用情況，大致計算出列車的運行情況，給列車排列進路。在TBS中主控中心，各運行列車的位置、速度、沿線信號設備狀態(tài)可被明確知道，可通過無線通信直接給列車發(fā)送控制命令，時刻監(jiān)控列車的運行狀態(tài)，控制列車的運行速度，確保列車安全地以最小時間間隔運行，保證高速的同時指揮列車安全運行。

2 主動安全在高速鐵路中的應用

2.1 主動安全控制的發(fā)展現(xiàn)狀

主動安全的概念在高速列車甚至整個鐵路領(lǐng)域都還沒有被明確地提出，主動安全控制系統(tǒng)的建模與鑒定方法在高速鐵路研究中也都是新的課題。主動安全，其核心內(nèi)容是指在車輛高速行駛狀態(tài)下操縱穩(wěn)定性、制動穩(wěn)定性、適應環(huán)境狀況和天氣變化等動態(tài)未知變化等的能力。

主動安全系統(tǒng)是指如何防止和避免事故發(fā)生的系統(tǒng)和裝置。當前在汽車安全系統(tǒng)中使用較多。包括ABS（防抱死系統(tǒng)，Anti-locked Braking System）、ASR（驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)，Acceleration Slip Regulation）系統(tǒng)、汽車主動安全系統(tǒng)、EPS（電動助力轉(zhuǎn)向，Electric Power Steering）系統(tǒng)、AFS（主動前輪轉(zhuǎn)向，Active Front Steering）系統(tǒng)、SBW（Steer-by-Wire）線控轉(zhuǎn)向技術(shù)等[7~8]。目前日本學者提出汽車整車主動控制的各種組合方式，結(jié)合4輪轉(zhuǎn)向控制4WS、主動懸架、TCS（Traction Control System）和ABS的汽車復合控制。其中汽車制動防抱系統(tǒng)和汽車驅(qū)動力控制是控制汽車行駛過程中的縱向力。隨著汽車行駛速度的提高，也為了解決汽車在通過突變附著系數(shù)路面保持穩(wěn)定駕駛的能力，人們對汽車行駛過程中的控制提出了組合控制的要求[9]。

另外，國內(nèi)外也有相關(guān)學者對城市道路交通主動安全控制系統(tǒng)進行研究，其主要是通過運用先進的信息采集技術(shù)、網(wǎng)絡信息傳輸技術(shù)、智能化信息處理技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)改變現(xiàn)有被動的交通安全管理模式[10]，實現(xiàn)交通事故事前的主動防御功能，采用先進的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡傳輸技術(shù)實現(xiàn)各數(shù)據(jù)間的信息傳輸，實現(xiàn)該系統(tǒng)對道路交通安全的主動控制功能，有效地避免交通事故的發(fā)生，提高城市道路交通安全管理水平。

主動安全還包括減輕人體疲勞等。在這方面有相關(guān)文獻提出將駕駛員主動安全性的辯識分成熟練、疲勞程度兩個獨立的部分進行評價，并在實驗的基礎(chǔ)上抽取與駕駛員熟練、疲勞程度相關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)，按照統(tǒng)計結(jié)果劃分成模糊子集。通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡分別對駕駛員的熟練、疲勞程度和綜合的主動安全性進行辯識和分析，定量地分析駕駛員的主動安全性因素[11]。

2.2 主動安全在列控系統(tǒng)中的應用

由上述列車運行中的事故案例和主動安全在汽車領(lǐng)域的成功應用可以看出，在快速發(fā)展高速鐵路時代，研究主動安全在高速鐵路的應用非常重要。僅僅依靠提高高速鐵路的被動安全性，不能高效地提高高速鐵路的可靠性。研究與被動安全相結(jié)合的主動安全方法顯得尤為重要。

針對列車運行的各種環(huán)境因素，強風、地震，雨、雪、雷電、事故現(xiàn)場、施工現(xiàn)場等，都會對列車運行系統(tǒng)構(gòu)成一定影響。以地震處置系統(tǒng)為例，雖然地震是發(fā)生概率較小，卻是危害性很大的一種自然災害。對鐵路運輸而言，在過去列車低速運行的情況下，地震的危害性還不是特別突出，但當列車運行速度超過200 km/h以上，哪怕是較小震級別的地震，對路基、軌道、橋梁等的沖擊都可能導致危害旅客生命安全的重大事故[12]。通過對各種報警方式進行比選研究，實現(xiàn)對地震的緊急處置，做到對地震情況下故障的主動預測，提前做的防范。

另外，在強風作用下，列車的空氣動力學模型也產(chǎn)生相應的改變，尤其在側(cè)風的作用下，列車傾覆及脫軌的風險性增加，因此對其各種環(huán)境中的動力學模型研究都是必不可少的。在相關(guān)文獻中提出了模擬模型，并計算列車各方向的壓力，因此，列車實際運行中的風力影響也是亟待列入的主動安全研究中的重要課題[13]。

主動安全還強調(diào)對異常線路條件下的安全研究。列車運行控制系統(tǒng)首次在我國鐵路應用，在實際的設計、施工中會遇到很多特殊的情況，需要根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，不斷進行完善，合理有效地解決，采取主動安全控制。例如對既有線改造中的遇到的特殊站場，應根據(jù)不同情形使用不用的列控方案，提出優(yōu)化方案，在確保提速順利的基礎(chǔ)上保證其安全。

目前高速鐵路大多采用車地無線通道實現(xiàn)信息的交互，車載設備通過GSM-R無線網(wǎng)絡給無線閉塞中心傳送列車位置報告，無線閉塞中心根據(jù)前車占用信息為當前列車計算行車許可，再通過GSM-R網(wǎng)絡發(fā)給車載設備。其中，無線閉塞中心需要通過聯(lián)鎖設備和列控中心設備告知軌道占用情況，在這樣的集中控制下，無論軌道電路，聯(lián)鎖設備，列控中心或者無線閉塞中心發(fā)生故障，都會導致列車行車許可計算失敗。導致追尾碰撞的發(fā)生。針對當前的車地信息交互，本文提出更為自主智能的車-車通信方式，前后車的通信不依賴于列控中心，聯(lián)鎖，無線閉塞中心，通過自主定位和車與車之間自主傳遞位置速度等信息的方式進行，進一步由車載設備自主計算行車許可，自主實現(xiàn)列車超速緊急預警的方式控制列車運行。建立車與車的信息傳遞通道，除了報告位置速度等必須信息，還可以由前車主動發(fā)送追尾碰撞警告，緊急事件預警，道路信息通告等信息，進一步實現(xiàn)高速鐵路的自主智能控制。

針對以上案例，結(jié)合相關(guān)學者的研究，對列車運行中的各種環(huán)境因素的影響是當前高速鐵路研究中不可避免的問題。對這類異常問題的研究可以首先通過對高速列車運行的各種環(huán)境因素（包括強風、雨、雪、事故現(xiàn)場、施工現(xiàn)場等）進行分類研究，建立動態(tài)環(huán)境變化下的列車動力學模型。然后總結(jié)高速列車設計、制造、運行和維護專家的經(jīng)驗，提出適用于高速列車安全和控制的知識庫。最后通過分析高速列車運行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等方法獲取高速列車運行的規(guī)律。

對高速鐵路中的主動安全控制系統(tǒng)建模分析，是列車安全運行的關(guān)鍵技術(shù)和方法，進一步通過經(jīng)驗預測性分析、主動防御等，最終達到高速列車的主動安全控制。

3 結(jié)束語

本文重點探討了通過主動安全控制，提高車輛高速行駛狀態(tài)下的操縱穩(wěn)定性、制動穩(wěn)定性，以及適應環(huán)境狀況和天氣變化等動態(tài)未知變化能力。使高速鐵路在運行中更好的做到防患于未然。另外，為減少高速鐵路中集中控制帶了的風險，提出車-車通信方式，進一步在確保列車零故障的前提下，順利實現(xiàn)提速。

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