列車完整性檢查技術綜述與應用展望

郭軍強

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

由于列車車鉤長期疲勞受力以及列車在行駛過程中的突然變速，可能會導致車鉤斷裂，使得列車出現(xiàn)尾部一節(jié)或多節(jié)車廂脫離列車整體。軌道上脫離的車廂若不能及時被發(fā)現(xiàn)，可能會成為其后列車的障礙物，直接危及行車安全[1]。為確保列車行駛過程中車廂的完整性，需要對列車的整體完整性進行檢查。當發(fā)現(xiàn)車廂脫鉤等故障時，及時發(fā)出報警信息，通知相關人員處理，確保安全暢通的軌道線路。

列車完整性檢測技術是基于傳統(tǒng)的列車運行控制系統(tǒng)發(fā)展起來的，首先使用的是基于軌道電路的列車完整性檢測，通過檢測軌道占用情況，來確定列車的完整性。隨著電子技術的發(fā)展，逐漸發(fā)展起獨立配套的安裝在列車尾部的防護裝置，獨立實現(xiàn)完整性檢查。本文對適用于車載的列車完整性檢查方法和發(fā)展前景進行分析和探討。

2 基本檢測原理和方法

列車完整性的檢測可以通過列車制動風管壓力、列車首尾的運動狀態(tài)，以及列車車長3 個方面進行檢測，下面對3 種方法分別進行介紹。

2.1 列車制動風管壓力檢測方法

對于列車來說，空氣制動系統(tǒng)是列車運行控制過程中不可或缺的部分，通過風壓的方式實現(xiàn)列車的安全制動。各節(jié)車廂的空氣壓力制動系統(tǒng)通過空氣制動總管連接在一起，總風管可貫穿列首至列尾，因此可以通過比較列首、列尾的風管或制動管壓力實現(xiàn)列車完整性檢查[2-3]。

基于制動風壓的列車完整性檢查裝置主要由兩部分組成：

1）安裝在列車尾部的列尾裝置；

2）安裝在機車內(nèi)部的列首裝置。

若列車出現(xiàn)斷鉤、擠鉤等現(xiàn)象導致列車完整性丟失，列車空氣制動總管會跟隨車廂而被拉斷?？偣鼙焕瓟嗪?，各制動子系統(tǒng)都會出現(xiàn)壓力泄漏的現(xiàn)象，當列尾裝置檢測到制動系統(tǒng)壓力泄漏，且超過一定閾值時，即可判斷為列車完整性缺失。

2.2 列車運動狀態(tài)檢測方法

加速度是列車的基本運動狀態(tài)，可以采用列車的加速度完成列車完整性檢測。

基于加速度計傳感器的列車完整性檢測原理是在列車車頭、車尾各安裝一套加速度計，通過無線通信技術將車頭和車尾加速度計傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到列車運行信息檢測平臺，實時比對車頭、車尾的加速度變化來完成列車完整性檢測[4]。

由于列車是一個完整連接的整體，不論是轉(zhuǎn)彎還是直行，車頭車尾沿著列車行駛方向的線速度和加速度具有很強的相關性。因此，可以通過測量列車的加速度實現(xiàn)列車的完整性檢查。

2.3 列車長度檢測方法

衛(wèi)星定位是一種使用衛(wèi)星對物體進行空間定位的技術，測量列車車頭車尾空間坐標并結合地圖信息，即可得到列車的長度。常見的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括GPS，北斗，GLONASS，GALILEO，其原理是通過綜合分析已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，實現(xiàn)物體的空間定位。如圖1 所示，考慮到時鐘同步問題，衛(wèi)星定位算法至少需要接收到4 個衛(wèi)星的信號才能實現(xiàn)基本定位[5-6]。

圖1 衛(wèi)星定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite positioning

正常行駛的列車車長是固定的，即車頭至車尾的距離不變，當列車整體發(fā)生分離時，列車車頭和車尾的距離必將變大，如圖2、3 所示。

基于衛(wèi)星定位列車車長檢測的列車完整性檢測方法原理為：列首裝置和列尾裝置上均安裝衛(wèi)星接收單元，實現(xiàn)列首和列尾的衛(wèi)星定位，并通過無線網(wǎng)絡將列尾的定位數(shù)據(jù)發(fā)送到列首裝置，由列首裝置綜合處理列首和列尾的定位數(shù)據(jù)，計算出列首列尾的直線長度。若結合電子地圖數(shù)據(jù)，則可精確獲得列車的實際運行車長。將計算的列車實際車長與司機輸入的列車車長數(shù)據(jù)進行比較，若車長超過一定閾值，即可判斷列車完整性丟失，達到列車完整性檢查的目的。

圖2 正常運行狀態(tài)下列車長度Fig.2 Train length under normal operation state

圖3 分離狀態(tài)下列車發(fā)生長度Fig.3 Train length under seperation state

3 檢測方法分析

3.1 列車制動風管壓力檢測分析

基于列車制動風管壓力的檢測方法具有方便直接的特點，當列車發(fā)生完整性缺失時可以做到最直接的檢測，但在以下情況下會出現(xiàn)檢測功能失效的問題：

1）列車完整性已經(jīng)丟失，但制動風管由于擠壓等外部其他原因，風壓并未大幅度下降；

2）由于人為或誤操作等因素，某車廂的折角塞門誤關閉，導致整個列車的風管壓力并未貫通，當列車完整性丟失時，列尾的風管壓力不會出現(xiàn)變化。

3.2 列車運動狀態(tài)檢測分析

基于加速度計的列車運行狀態(tài)檢測方法，通過檢測列車的運動狀態(tài)實現(xiàn)列車完整性檢查，檢測設備相對簡單獨立，不需要輔助條件，但有以下的局限性。

1）由于加速度計的敏感質(zhì)量塊受到重力影響，如圖4 所示，當列車運行線路坡度非零時，重力的坡度分量a'會影響單軸加速度計測量的列車真實運行加速度，需要使用線路坡度進行抵消，這將會使單軸加速度計的使用具有一定的局限性。

圖4 重力加速度在坡度上的分量Fig.4 Component of the acceleration of gravity on a slope

2）列車的車廂之間使用車鉤進行連接，為了讓車廂間有一個緩沖空間，防止制動時車廂間的直接碰撞，因此車鉤之間具有一定的間隙，而這個間隙會導致各節(jié)車廂間運動狀態(tài)的不一致，這給加速度檢測方法帶來了一定的困難。

3.3 列車長度檢測分析

基于衛(wèi)星定位的列車車長完整性檢查系統(tǒng)具有原理簡單，測量直接等特點，能夠滿足列車完整性檢測的要求，但在實際的使用中存在以下問題[7]：

1）計算車長時，需要考慮軌道線路參數(shù)，若線路中存在坡道，彎道都會影響列車長度的測量，進而影響到列車完整性檢查的報警門限；

2）對衛(wèi)星信號依賴嚴重，當列車運行到峽谷、隧道等地區(qū)時，列車天線能接收到的衛(wèi)星數(shù)目很少，甚至無法接收到任何衛(wèi)星信號，這使得基于衛(wèi)星的檢測方法在峽谷、隧道等區(qū)域無法得以應用；

3）由于安裝條件的限制，列尾只能安裝在列車尾部靠下的位置，其衛(wèi)星天線會受到尾部車廂的遮擋，只能接收到未被遮擋的半個天空的衛(wèi)星信號，從而使得接收衛(wèi)星數(shù)量不足，接收衛(wèi)星空間結構欠佳等問題，這會造成衛(wèi)星定位方法經(jīng)常出現(xiàn)無法對列車尾部進行定位，或定位精度過低等問題[8]。

4 多傳感器綜合檢測方法

經(jīng)過上節(jié)的分析，風管壓力檢測、運動狀態(tài)檢測和車長檢測方法均有各自的優(yōu)勢和局限性。因此，基于多傳感技術的列車完整性檢查方法勢在必行。多傳感技術能夠克服單一傳感技術的弊端和局限性，提高監(jiān)測的實時性，安全性和可靠性[9]。

如圖5 所示，多傳感列車完整性檢查系統(tǒng)可融合衛(wèi)星定位、加速度和制動風管壓力的數(shù)據(jù)，綜合考慮衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)準確。加速度計實時動態(tài)和風管壓力簡單直接的特點，在空曠環(huán)境提高衛(wèi)星定位信息的權重，有遮擋的地區(qū)使用加速度計和風管壓力進行融合補償，從而實現(xiàn)列車實時、可靠、安全的完整性檢查功能。

圖5 多傳感列車完整性檢測系統(tǒng)Fig.5 Multi-sensor train integrity detection system

5 展望

列車完整性檢查系統(tǒng)是影響列車運行安全的關鍵環(huán)節(jié)之一，是保障鐵路運輸安全的重要部分?，F(xiàn)代電子技術的快速發(fā)展，為列車完整性檢查系統(tǒng)提供了有利條件。將先進的通信技術，定位技術及多傳感器融合技術應用于列車完整性檢測，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)列車完整性狀態(tài)的監(jiān)測，還能夠克服傳統(tǒng)列車完整性檢查裝置的諸多弊端，提高系統(tǒng)的可靠性，實時性和安全性。基于多傳感器的列車完整性檢查系統(tǒng)可在完成列車完整性檢查基本功能的前提下，做到安全的列尾檢測，并接入列控系統(tǒng)實現(xiàn)列車運行防護，在滿足鐵路現(xiàn)代化安全運輸生產(chǎn)需求的同時，提高現(xiàn)有鐵路線路的運輸效率，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。