城市軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)的應(yīng)用

潘亦欣 沈 拓 鄧 奇

（1.上海軌道交通維護(hù)保障有限公司車輛分公司，中國(guó) 上海 200444；2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，中國(guó) 上海 201804；3.上海申通地鐵集團(tuán)技術(shù)中心，中國(guó) 上海 201103)

0 引言

隨著上海城市公共交通網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展，尤其是軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的時(shí)代到來(lái)，給軌道交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)方申通地鐵集團(tuán)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。目前，上海地鐵的客流由2012年的721.1 萬(wàn)增加到了901.8 萬(wàn)。隨著運(yùn)營(yíng)公里數(shù)的增加與客流量的攀升，作為城市公共交通的骨干，同時(shí)面對(duì)新員工、新列車、新技術(shù)等問(wèn)題，如何確保安全、快速、高效地運(yùn)送乘客對(duì)于運(yùn)營(yíng)公司也是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

其中運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題就顯得尤為重要，特別是在當(dāng)自動(dòng)化行車設(shè)備：列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）出現(xiàn)故障的情況下的行車安全保障，如何避免類似2011年9月27日上海地鐵10 號(hào)線發(fā)生列車追尾等事故就顯得尤為必要。

本文以城市軌道交通輔助防撞系統(tǒng)以及其應(yīng)用為例，進(jìn)行詳細(xì)論述。文中所提到的輔助防撞系統(tǒng)是依托申通地鐵集團(tuán)技術(shù)中心、維保有限公司車輛分公司及同濟(jì)大學(xué)等單位共同努力下，自2011年至今研制進(jìn)行研制的。2013年10月，第一代軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)在上海軌道交通7 號(hào)線07A01 型電動(dòng)列車上進(jìn)行裝車試驗(yàn)。

1 列車輔助防撞系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

第一代列車輔助防撞系統(tǒng)采用無(wú)線射頻技術(shù)，在列車行駛過(guò)程中，對(duì)運(yùn)行方向?qū)崟r(shí)測(cè)量本車與同一運(yùn)行方向的前車之間的距離，在列車ATP（列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）關(guān)閉后，參照預(yù)先設(shè)定的車距閥值，評(píng)估列車與前車之間追尾的風(fēng)險(xiǎn)，為列車駕駛員提供相應(yīng)級(jí)別的聲、光警示，避免追尾碰撞事故的發(fā)生。該系統(tǒng)的應(yīng)用在很大程度上避免列車發(fā)生追尾的可能，提高了地鐵列車行駛的安全性，同時(shí)也為列車ATP（列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）關(guān)閉后，運(yùn)行速度的提高，降低對(duì)運(yùn)營(yíng)線路的影響，起了至關(guān)重要的作用。本文將對(duì)第一代列車輔助防撞系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)列車發(fā)生追尾、出軌等事故的原因進(jìn)行分析，從而對(duì)列車輔助防撞系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)提出建議[1]。

1.1 輔助防撞系統(tǒng)的原理

輔助防撞系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機(jī)、射頻天線、示警終端以及列車控制系統(tǒng)各小型電器組成，分別安裝于列車頭尾兩司機(jī)室內(nèi)，在有電源供電情況下，車頭、車尾的輔助防撞設(shè)備都處于工作狀態(tài)。如圖1 所示，在列車司機(jī)室處于受控情況下，安裝于司機(jī)室的系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)司機(jī)室上部的天線，不斷實(shí)時(shí)向前方發(fā)送無(wú)線擴(kuò)頻信號(hào)，若前方有列車存在且該車車尾司機(jī)室處于未受控狀態(tài)，該司機(jī)室的輔助防撞系統(tǒng)在收到后車發(fā)來(lái)的信號(hào)后會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答信號(hào)，后車收到前車的應(yīng)答射頻信號(hào)，依據(jù)電磁波傳輸延時(shí)時(shí)間T，按照車距D=V*△T/2 公式（V 為電磁波在空氣中的傳播速率），計(jì)算出兩列列車之間的距離。

圖1 列車輔助防撞系統(tǒng)測(cè)距原理

當(dāng)列車ATP（列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）關(guān)閉后，輔助防撞系統(tǒng)計(jì)算出前、后兩車相應(yīng)的距離，會(huì)在司機(jī)室顯示終端上顯示出兩列車的車距（圖2），并根據(jù)不同的間距以不同的聲、光提醒方式（詳見(jiàn)表1），提醒司機(jī)進(jìn)行列車的制動(dòng)控制[2]。

圖2 示警終端顯示示意圖

表1 聲、光提醒方式

1.2 輔助防撞系統(tǒng)的特點(diǎn)

第一代列車輔助防撞系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)距準(zhǔn)確、不同方向互不干擾，但是由于列車不同方向頻段不同，也造成了對(duì)向運(yùn)行的列車以及在道岔區(qū)域的列車無(wú)法實(shí)施相互探測(cè)，防撞保護(hù)功能。

1.2.1 輔助防撞系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）抗干擾能力強(qiáng)

列車輔助防撞系統(tǒng)主要依靠擴(kuò)頻通信原理進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，擴(kuò)頻通信傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬，具有抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑干擾性好的特點(diǎn)，可以提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性。

（2）測(cè)距準(zhǔn)確

列車輔助防撞系統(tǒng)測(cè)距耗時(shí)約10ms 左右，在1s 時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行多次測(cè)距數(shù)據(jù)計(jì)算，并對(duì)距離數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)主機(jī)會(huì)選擇信號(hào)最高的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離數(shù)值的輸出，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）不同方向，互不干擾

如圖3 所示，在通信的過(guò)程中，系統(tǒng)采用了擴(kuò)頻通信原理，上行列車使用f1 頻點(diǎn)通信，下行方向使用f2 頻點(diǎn)，運(yùn)行方向不同的列車采用不同頻段，可以阻止不同方向運(yùn)行列車之間的通信，消除了相鄰股道對(duì)象列車之間的干擾。

圖3 列車輔助防撞系統(tǒng)無(wú)線通訊原理

（4）曲線段探測(cè)距離長(zhǎng)

采用無(wú)線擴(kuò)頻通信原理的列車輔助防撞系統(tǒng)無(wú)線探測(cè)信號(hào)有一定的衍射能力，后車的部分無(wú)線信號(hào)能夠衍射到地表傳播，通過(guò)彎道，到達(dá)前車并有效接收。前車的應(yīng)答、回收信號(hào)，射頻發(fā)射功率、天線散角和方向性特征等和后車完全相同。根據(jù)無(wú)線電波傳輸?shù)目赡嫘?，也能通過(guò)彎道被后車接收。2013年底，在上海軌道交通7 號(hào)線正線，進(jìn)行了多次兩車追蹤試驗(yàn)、彎道追蹤試驗(yàn)，在環(huán)境最為惡劣的隧道至高架彎道區(qū)段時(shí)的探測(cè)距離超過(guò)了400 米，充分驗(yàn)證了列車無(wú)線探測(cè)信號(hào)可以確保列車追蹤的穩(wěn)定性。

1.2.2 輔助防撞系統(tǒng)缺點(diǎn)

（1）硬件費(fèi)用貴

每臺(tái)列車輔防撞系統(tǒng)的主機(jī)都安裝有通訊模塊，通訊模塊上的通訊芯片由于采用特殊頻段，需要特別定制，所以硬件設(shè)備的費(fèi)用較為昂貴，占防撞系統(tǒng)主機(jī)成本的50%，造成了每個(gè)司機(jī)室僅安裝一個(gè)用于上行方向或下行方向的通訊芯片。若使用2.4GHz 公共頻段的通信頻率以代替特殊頻段實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，可以降低列車輔助防撞系統(tǒng)硬件定制的費(fèi)用，但是可能發(fā)生與諸如軌旁設(shè)備、公共WiFi 設(shè)備等其他無(wú)線通信設(shè)備的通信干擾，影響輔助防撞系統(tǒng)設(shè)備的正常工作。

（2）上下行列車無(wú)法互相探測(cè)

為了避免相鄰股道的對(duì)象列車影響，運(yùn)行方向不同的列車采用不同頻段，這樣的設(shè)計(jì)雖然避免了不同方向運(yùn)行列車之間的通信，但是若兩列車在同一股道相向而行（如圖4），就有發(fā)生碰撞的可能。若兩列車在不同股道往同一股道同一方向運(yùn)行（如圖5），若A 車經(jīng)過(guò)道岔向側(cè)股運(yùn)行，B 車直股運(yùn)行時(shí)車尾未通過(guò)道岔，就可能發(fā)生兩車碰擦事故。

圖4 列車輔助防撞系統(tǒng)測(cè)距盲區(qū)1

圖5 列車輔助防撞系統(tǒng)測(cè)距盲區(qū)2

2 列車追尾原因分析與預(yù)防

2014年5月，韓國(guó)首爾、美國(guó)紐約、中國(guó)北京先后發(fā)生了列車追尾、出軌等事故，如何避免事故發(fā)生。筆者參照全面質(zhì)量管理中的人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)影響因素對(duì)列車發(fā)生事故的原因進(jìn)行分析（圖6）[3]。

人、機(jī)、料、法、環(huán)是全面質(zhì)量管理理論中的五個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡(jiǎn)稱。人，指制造產(chǎn)品的人員；機(jī)，指制造產(chǎn)品所用的設(shè)備；料，指制造產(chǎn)品所使用的原材料；法，指制造產(chǎn)品所使用的方法；環(huán)，指產(chǎn)品制造過(guò)程中所處的環(huán)境。

圖6 列車撞車、出軌原因分析

人員，是社會(huì)生產(chǎn)的主體，地鐵列車的操縱、控制都是由駕駛員來(lái)進(jìn)行操控。駕駛員的經(jīng)驗(yàn)以及心理、生理反映的不同，都會(huì)在列車的操控中對(duì)列車的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不同的影響。有的駕駛員駕齡長(zhǎng)，無(wú)論是對(duì)所駕駛列車的運(yùn)行環(huán)境，還是車況性能都非常熟悉，即使沒(méi)有ATC（列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）控制保護(hù)，他也知道駕駛到什么方位需要進(jìn)行牽引加速，到了哪點(diǎn)需要制動(dòng)減速慢行。另外，不同心理、生理狀態(tài)的人員對(duì)發(fā)生緊急情況后的反映也不相同，所以說(shuō)在列車駕駛過(guò)程中，人員的操作失誤、判斷偏差、經(jīng)驗(yàn)不足或是故意為之，使得人成為列車安全有序運(yùn)行的第一要素。

機(jī)器，是指生產(chǎn)中使用的設(shè)備、工具等輔助生產(chǎn)用具。列車駕駛過(guò)程中，列車的控制、制動(dòng)、通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)正常與否，任何系統(tǒng)的小故障都會(huì)成為列車發(fā)生重大故障的導(dǎo)火線，影響著列車運(yùn)行的安全。

料，指物料、半成品、配件。我們可以把其理解為列車輔助行車設(shè)備、軌旁信號(hào)設(shè)備、中央控制系統(tǒng)，若列車運(yùn)行時(shí)，發(fā)生信號(hào)燈故障，應(yīng)該顯示紅燈，卻顯示綠燈，或是該顯示紅燈時(shí)不顯示，若前方有列車運(yùn)營(yíng)，就可能發(fā)生列車追尾的事故。

法顧名思義，法則。指生產(chǎn)過(guò)程中所需遵循的規(guī)章制度。在運(yùn)營(yíng)規(guī)則中，列車調(diào)度員、駕駛員按照列車運(yùn)營(yíng)規(guī)則排進(jìn)路，列車駕駛員應(yīng)按照列車的駕駛規(guī)定操控列車，做到相應(yīng)的監(jiān)控防護(hù)動(dòng)作。

環(huán)，是指環(huán)境。地鐵列車的運(yùn)營(yíng)收到了軌道環(huán)境以及天氣因素的影響。當(dāng)列車在地下隧道區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，部分區(qū)間由于隧道結(jié)構(gòu)影響，駕駛員視野不夠開(kāi)闊，無(wú)法發(fā)現(xiàn)臨近列車；當(dāng)列車行駛到地面或高架車站，同樣會(huì)受到自然環(huán)境的影響，若遇到雨、雪、雷電、霧霾等惡劣天氣，可能會(huì)影響列車的運(yùn)行安全。

上述不同的因素，都可能影響列車安全運(yùn)行，所以說(shuō)對(duì)任何一個(gè)因素的處置操作不當(dāng)，都可能使得事件升級(jí)發(fā)生事故[4]。

以上海地鐵10 號(hào)線列車追尾等事故為例進(jìn)行分析[5]：2011年9月27日14 時(shí)37 分，地鐵10 號(hào)線1005 和1016 號(hào)列車在豫園站至老西門(mén)站下行區(qū)間百米標(biāo)176 處發(fā)生一起追尾事故。事故直接原因是由于行車調(diào)度員在未準(zhǔn)確定位故障區(qū)間內(nèi)全部列車位置的情況下，違規(guī)發(fā)布電話閉塞命令；接車站值班員在未嚴(yán)格確認(rèn)區(qū)間線路是否空閑的情況下，違規(guī)同意發(fā)車站的電話閉塞要求，導(dǎo)致1005 號(hào)列車與1016 號(hào)列車發(fā)生追尾碰撞。

事故發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)以電話閉塞方式進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，14 時(shí)35 分，1005 號(hào)列車持路票從豫園站發(fā)車。14 時(shí)37 分，1005 號(hào)列車以54 公里/小時(shí)的速度行進(jìn)到豫園站至老西門(mén)站區(qū)間彎道時(shí)，發(fā)現(xiàn)前方有列車（1016號(hào)）停留，隨即采取制動(dòng)措施，但由于慣性仍以35 公里/小時(shí)的速度與1016 號(hào)列車發(fā)生追尾碰撞。

從上分析，由于彎道導(dǎo)致列車司機(jī)目視距離減小，由于車速過(guò)高，最終導(dǎo)致追尾事故。若采用輔助防撞系統(tǒng)，系統(tǒng)可以提前對(duì)隧道彎道內(nèi)停留的1016 號(hào)列車進(jìn)行預(yù)警，提醒后車司機(jī)提前制動(dòng)減速，從而避免事故的發(fā)生。

4 總結(jié)

軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)的應(yīng)用，將有效地提高列車ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）系統(tǒng)關(guān)閉后，列車運(yùn)行中的安全性。本文對(duì)第一代軌道交通列車輔助防撞系統(tǒng)進(jìn)行了原理及功能介紹，以及現(xiàn)有應(yīng)用狀況進(jìn)行了概述。指出通過(guò)安裝列車輔助防撞系統(tǒng)能有效提高列車運(yùn)行安全。

［1］陳勇，黃席樾，楊尚罡.汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(12)：239-243.

［2］鐘震宇，鐘澤宇.汽車激活測(cè)距防撞語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39：204-208.

［3］尤建新，杜學(xué)美，張建同.質(zhì)量管理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008：157-158.

［4］李志忠.列車追尾事故的故障樹(shù)分析兼談復(fù)雜系統(tǒng)安全[J].工業(yè)工程與管理，2011，16(4)：1-8.

［5］地鐵10 號(hào)線“9，27”事故調(diào)查組.地鐵10 號(hào)線“9·27”事故調(diào)查報(bào)告[R].2011-12-16.