ATP失效模式下的城市軌道交通列車運(yùn)行安全保障措施研究*

畢湘利 鄧 奇

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上海∥第一作者，教授級高級工程師)

1 列車切除ATP運(yùn)行模式

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國的城市軌道交通得到了迅猛發(fā)展，成為解決城市公共交通問題的首選。作為密集人群的流動載體，軌道交通列車的運(yùn)行安全受到高度重視。正常情況下，列車運(yùn)行由安全性極高的ATP(列車自動防護(hù))系統(tǒng)予以保障，但由于系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，設(shè)備故障難以避免。為盡量減少對運(yùn)營的影響，通常在故障發(fā)生后切除ATP改為人工駕駛，此時行車安全完全依賴人工操作和管理，缺乏有效的技術(shù)防范手段，存在風(fēng)險。縱觀國內(nèi)外列車撞車事故，大多發(fā)生在喪失ATP的非正常運(yùn)行條件下。因此，如何提高城市軌道交通列車非正常運(yùn)行條件下的安全和效率，成為亟待解決的難題。

在正常情況下，上海軌道交通列車行車安全主要由信號系統(tǒng)通過ATP系統(tǒng)進(jìn)行保障。作為列車運(yùn)行控制的核心系統(tǒng)，ATP為列車提供超速防護(hù)，保證列車之間的追蹤間隔，防止列車追尾，最大限度地保證運(yùn)行安全。信號系統(tǒng)是日常行車的主要安全控制環(huán)節(jié)，以“故障導(dǎo)向安全”為設(shè)計(jì)原則，一旦任何判據(jù)條件不滿足安全要求時，系統(tǒng)即會做出相應(yīng)的反應(yīng)和處理，采取諸如緊急制動、模式不可用等措施限制故障列車運(yùn)行。在上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的背景下，為保證后續(xù)列車和其他線路的正常運(yùn)營，在故障不能及時排除時，運(yùn)營方只能切除ATP使故障列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致切除ATP運(yùn)行的故障涵蓋信號、車輛、屏蔽門、供電等多個系統(tǒng)。從實(shí)際運(yùn)營情況來看，系統(tǒng)故障無法完全消除，特別是信號系統(tǒng)故障率一直高居不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年1—8月間，上海軌道交通11條運(yùn)營線路共發(fā)生ATP切除1387列次，平均每月發(fā)生184.9列次。頻繁切除ATP運(yùn)行嚴(yán)重影響了運(yùn)營效率，也使地鐵安全倍受社會質(zhì)疑。因此，必須通過嚴(yán)密的安全管理制度和有效的技術(shù)保障措施，提高列車切除ATP運(yùn)行模式下的運(yùn)營質(zhì)量，保證乘客出行的暢通和安全。

2 列車切除ATP運(yùn)行的安全管理規(guī)定

列車切除ATP后，即由列車自動防護(hù)控制轉(zhuǎn)換為人工控制，調(diào)度、司機(jī)、車站值班員等相關(guān)運(yùn)營人員必須嚴(yán)格依照相應(yīng)的管理規(guī)定作業(yè)。在這種非正常情況下，由于缺乏設(shè)備層面的安全保障，誤操作或人員疏忽是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。因此，安全管理規(guī)定應(yīng)充分考慮非正常運(yùn)行模式下的各個作業(yè)環(huán)節(jié)，擴(kuò)大安全防護(hù)范圍，增加監(jiān)護(hù)和聯(lián)控措施，最大限度地降低安全風(fēng)險。主要可以通過以下三個方面的管理措施來提高行車作業(yè)的安全性:

(1)增加故障列車的防護(hù)范圍。運(yùn)營調(diào)度控制切除ATP運(yùn)行的列車與前行列車的行車間隔，至少為一站一區(qū)間，保證充分的列車防護(hù)距離。

(2)加強(qiáng)故障列車的人工監(jiān)護(hù)。安排就近車站派專人登乘切除ATP列車的司機(jī)室，跟車監(jiān)護(hù)、協(xié)助瞭望;值班調(diào)度長及駐調(diào)司機(jī)對該列車的全程運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控;各車站值班員需及時記錄列車到發(fā)情況并向鄰站報點(diǎn)。

(3)限制故障列車的運(yùn)行權(quán)限。司機(jī)必須根據(jù)調(diào)度命令限速運(yùn)行，不間斷瞭望，嚴(yán)格確認(rèn)前方安全行車條件(道岔位置正確、線路空閑、信號機(jī)狀態(tài)顯示)及授權(quán)運(yùn)行終點(diǎn)，不得超出授權(quán)運(yùn)行范圍。

3 列車切除ATP運(yùn)行的曲線限速

列車在ATP切除條件下運(yùn)營時，司機(jī)僅能通過人工瞭望確認(rèn)行車前方是否有列車占位。然而，在曲線半徑較小的彎道上，司機(jī)視線會被隧道壁遮擋，彎道的曲線半徑越小，司機(jī)的最大視距越短。地鐵線路的小曲線半徑彎道分布密集。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上海軌道交通1～11號線共有曲線半徑≤400 m的彎道250個、曲線半徑≤500 m的彎道422個。在曲線半徑為350 m的彎道上，司機(jī)的最大視距僅80 m左右，如考慮軌道偏心、電纜支架遮擋等，情況可能更為惡劣。在這種條件下，當(dāng)司機(jī)在曲線段發(fā)現(xiàn)前車占位時，前后車距通常已經(jīng)很難保證列車的安全制停，從而導(dǎo)致后車追尾。如上海軌道交通2011年發(fā)生的兩車追尾事故即發(fā)生在曲線半徑400 m以下的彎道上，盡管司機(jī)在發(fā)現(xiàn)前方有列車占位后及時施加了緊急制動，仍未能避免事故的發(fā)生。

要避免切除ATP后彎道行車的追尾風(fēng)險，就必須保證后車司機(jī)在發(fā)現(xiàn)前車占位而施加制動時，前后車距大于后車當(dāng)前速度下的制停距離(包括司機(jī)反應(yīng)時間內(nèi)列車走行的距離)。地鐵列車制動減速度按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)置為1.0～1.3 m/s2，為減少列車的制停距離，只能限制列車的行駛速度。按照不同半徑彎道上的司機(jī)最大可視距離，可計(jì)算出相應(yīng)的限速值?？紤]到切除ATP手動駕駛模式下執(zhí)行限速制度的可操作性，不可能對不同曲線半徑制定不同的限速值，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)盡可能統(tǒng)一限速范圍和限速值。在上海軌道交通實(shí)際運(yùn)營中對切除ATP的列車限速為:

(1)遇半徑≤300 m的曲線段時，列車運(yùn)行限速25 km/h;

(2)遇半徑＞300 m、≤400 m的曲線段時，列車運(yùn)行限速30 km/h;

(3)其他情況，列車運(yùn)行限速40 km/h。

4 列車自動計(jì)點(diǎn)系統(tǒng)

根據(jù)列車切除ATP運(yùn)行的安全管理規(guī)定，各車站值班員需對列車的到發(fā)情況進(jìn)行記錄。由于行車密度高時人工記錄的勞動強(qiáng)度大，影響工作人員情緒和工作狀態(tài)而易出現(xiàn)差錯，因此，基于射頻識別(RFID)技術(shù)的列車自動計(jì)點(diǎn)系統(tǒng)在上海軌道交通全網(wǎng)推廣應(yīng)用，提供獨(dú)立于列車信號系統(tǒng)、簡單有效的、可對列車進(jìn)行粗略定位的輔助手段，輔助列車切除ATP運(yùn)行模式下的運(yùn)營指揮。

列車自動計(jì)點(diǎn)系統(tǒng)包括車站設(shè)備、車載設(shè)備和OCC(運(yùn)營控制中心)設(shè)備，采用RFID技術(shù)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

車載設(shè)備包括分別安裝在各列車頭、尾的RFID標(biāo)簽，其中存儲有車體號信息。

車站設(shè)備由RFID閱讀器(安裝在站臺列車停穩(wěn)后的車頭車尾處)、數(shù)據(jù)處理器、工作站等組成。閱讀器讀取車載標(biāo)簽信息，并輸出至車站數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行列車狀態(tài)判斷和到、發(fā)時間記錄，同時傳送至OCC，并接收OCC傳來的相鄰站列車記點(diǎn)信息。車站值班員可通過工作站讀取記點(diǎn)信息。記點(diǎn)日志如圖2所示。

OCC設(shè)備主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站和網(wǎng)管終端等構(gòu)成，用于對全線的列車運(yùn)行到、發(fā)狀況進(jìn)行處理及監(jiān)控，形成本線匯總的列車運(yùn)行日志，并將之發(fā)送到各車站。OCC工作站可以通過直觀方式獲知全線列車的實(shí)時粗略位置。

經(jīng)過工程驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)列車出發(fā)、到達(dá)時間誤差小于10 s;

(2)記點(diǎn)準(zhǔn)確率大于99.9%;

(3)系統(tǒng)適應(yīng)車速0～120 km/h;

(4)記點(diǎn)軟件界面數(shù)據(jù)刷新間隔小于1 s;

(5)各車站存儲了1年的歷史日志數(shù)據(jù)及3個月的原始數(shù)據(jù)，在OCC存儲了本線全部車站1年的歷史日志數(shù)據(jù)。管理人員可按時間或按車體號、車站等多種方式查詢歷史運(yùn)行信息。

圖1 列車自動計(jì)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2 列車自動記點(diǎn)系統(tǒng)記錄日志顯示

5 列車輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)

列車切除ATP運(yùn)行時缺乏設(shè)備保障，安全防護(hù)完全依賴于司機(jī)瞭望、調(diào)度指揮等人工操作，把控環(huán)節(jié)眾多，稍有疏忽就容易引發(fā)重大事故。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，自2005年以來國內(nèi)外發(fā)生了多起影響較大的地鐵列車碰撞事故，大多數(shù)故障都是在ATP功能缺失的非正常行車時由于管理不當(dāng)或操作失誤造成的。為此，上海軌道交通開展了基于RFID的列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)和試點(diǎn)應(yīng)用，通過獨(dú)立于信號、通信系統(tǒng)的輔助測距設(shè)備，實(shí)時測量切除ATP的列車與同一股道、同一運(yùn)行方向的前車之間的距離，在存在追尾風(fēng)險時及時提醒列車駕駛員減速運(yùn)行。

針對城市軌道交通特殊的運(yùn)行條件，基于RFID信號探測技術(shù)采用前后車應(yīng)答的列車探測定位方法，可準(zhǔn)確追蹤和探測前后列車實(shí)時距離。其技術(shù)原理如圖3所示。前、后列車建立射頻信號的發(fā)送和接收應(yīng)答機(jī)制，并通過發(fā)送問詢信號至收到前車應(yīng)答信號的時間差實(shí)時計(jì)算前后車距。為區(qū)分上、下行列車的測距信號，系統(tǒng)根據(jù)列車運(yùn)行方向和工作模式來設(shè)置射頻信號所傳播的頻點(diǎn)，上、下行列車的信號收、發(fā)均采用不同頻點(diǎn)進(jìn)行物理隔離，以防止信號互相干擾，保證列車始終探測同一運(yùn)行方向的前車。

圖3 列車輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)原理示意圖

上海軌道交通7號線車輛在安裝列車輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)后，進(jìn)行了追蹤驗(yàn)證試驗(yàn):前、后兩列車保持400 m左右車距同向行駛過程中，進(jìn)行多次追蹤測距。測距結(jié)果如圖4所示，測距成功率達(dá)100%。試驗(yàn)證明，采用應(yīng)答式測距，前、后車主動發(fā)射測距信號較強(qiáng)，系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，在小半徑曲線和上下坡道等重點(diǎn)區(qū)域能有效工作，符合列車輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)的功能需求。

圖4 列車輔助防撞系統(tǒng)追蹤測距結(jié)果

追蹤預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)300 m曲線半徑下最小測量距離300 m;

(2)測距精度±30 m;

(3)可靠性指標(biāo)(平均無故障時間)tMTBF≥2×104h;

(4)測距功能失效率≤10－7;

(5)系統(tǒng)能夠區(qū)分上下行列車，避免上下行列車產(chǎn)生干擾;

(6)系統(tǒng)能夠識別車載ATP設(shè)備的啟用狀態(tài)，在車載ATP切除的條件下實(shí)施測距和報警功能。

6 結(jié)語

在單列車ATP失效、軌旁局部區(qū)段ATP失效、區(qū)域控制中心失效等各種情況所導(dǎo)致的ATP切除降級運(yùn)行模式下，既需要通過管理措施加強(qiáng)行車監(jiān)控，合理限制行車速度;也需要通過獨(dú)立于信號、通信等系統(tǒng)的技術(shù)手段對列車進(jìn)行輔助定位，實(shí)現(xiàn)前后列車追蹤預(yù)警甚至施加緊急制動，為無ATP防護(hù)的人工駕駛列車提供設(shè)備層面的輔助安全保障，進(jìn)一步提高非正常情況下列車運(yùn)行的安全性，改善服務(wù)質(zhì)量，提升運(yùn)營效率。

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