城市有軌電車安全綜合技術(shù)研究

文/何利英，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 、上海有軌電車工程技術(shù)研究中心副主任

作為路面中運(yùn)量公共交通系統(tǒng)，有軌電車運(yùn)行需同道路上通行的其他交通方式統(tǒng)籌考慮，在有軌電車專用路權(quán)和優(yōu)先通行的同時(shí)保證地面交通有序協(xié)調(diào)運(yùn)行。若有軌電車發(fā)生安全事故，將極大地影響公共交通的吸引力，造成城市交通運(yùn)行嚴(yán)重堵塞。因此，如何保障有軌電車安全平穩(wěn)運(yùn)行、控制事故發(fā)生概率、提高事故應(yīng)急能力等是有軌電車系統(tǒng)亟待研究的重要課題。

一、項(xiàng)目概況

本科研項(xiàng)目為中國城市軌道交通協(xié)會(huì)2019年度科研專項(xiàng)，在中國城市軌道交通協(xié)會(huì)現(xiàn)代有軌電車分會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下，參與方為上海城建設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司、北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、上海富欣智能交通控制有限公司、公安部交通管理科學(xué)研究所、蘇州高新有軌電車有限公司、沈陽渾南現(xiàn)代交通有限公司、淮安市現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營有限公司、武漢光谷交通建設(shè)有限公司、珠海城建現(xiàn)代交通有限公司、廣州有軌電車有限責(zé)任公司、深圳市現(xiàn)代有軌電車有限公司、上海松江有軌電車投資運(yùn)營有限公司。

整個(gè)研究過程，共計(jì)13家單位，超過30人參與到本報(bào)告的各部分內(nèi)容的研究以及編寫。調(diào)研單位共計(jì)11家現(xiàn)代有軌電車單位運(yùn)營公司。

整體的技術(shù)路線是借鑒國外安全運(yùn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，通過國內(nèi)外已運(yùn)營有軌電車事故調(diào)查分析，按照城市有軌電車運(yùn)營安全技術(shù)要求，從車輛及供電制式安全技術(shù)、行車組織與運(yùn)營管理安全技術(shù)、運(yùn)營控制與交通信號(hào)系統(tǒng)、應(yīng)急處置與預(yù)案管理技術(shù)研究等方面開展研究。

二、主要研究內(nèi)容

（一）國內(nèi)有軌電車安全事故調(diào)研與分析研究

首先，對(duì)國內(nèi)有軌電車安全事故調(diào)研與分析研究發(fā)現(xiàn)，事件是客觀發(fā)生的，事故是事件的結(jié)果。事件可分為4大類23小類，包括交通事件、運(yùn)營事件、自然災(zāi)害和公共安全事件，具體見下表。

大類 小類 備注1.1 與行人碰撞 ——1.2 與自行車/電動(dòng)車碰撞 ——1.3 與機(jī)動(dòng)車碰撞 ——1.4 與有軌電車碰撞 ——一、交通事件1.5 其他機(jī)動(dòng)車撞擊接觸網(wǎng)柱等輔助設(shè)施、超限車刮弓、非機(jī)動(dòng)車卡在鋼軌等2.1 異物入侵 ——2.2 冒號(hào) ——2.3 客傷 ——2.4 錯(cuò)行 ——2.5 火災(zāi) ——2.6 脫軌 ——2.7 擠岔 ——2.8 傾覆 ——2.9 路基塌陷 ——2.10 其他二、運(yùn)營事件弓網(wǎng)路障、超級(jí)電容故障、地面供電模塊故障、變電所跳閘等3.1 大風(fēng) ——3.2 水淹 ——3.3 雷擊 ——3.4 地震 ——3.5 其他 大霧、冰凍等三、自然災(zāi)害等4.1 疫情 ——4.2 恐怖襲擊 ——4.3 其他 生化、毒氣、重大刑事案件等四、公共安全事件

由此可看出，交通事件主要是和交通管理、交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)有關(guān)；運(yùn)營事件與車輛等設(shè)施設(shè)備有關(guān)；自然災(zāi)害是和停運(yùn)環(huán)境有關(guān)，包括停運(yùn)條件及應(yīng)急處置方案；公共安全事件，屬于重大事件。

其中，與行人碰撞是主要的安全事故。

·與行人發(fā)生碰撞分為：交叉口行人闖紅燈、軌行區(qū)行人進(jìn)入軌行區(qū)、車站乘客進(jìn)入軌行區(qū)；

·與自行車/電動(dòng)車碰撞分為：交叉口闖紅燈打滑或卡槽、軌行區(qū)車輛進(jìn)入軌行區(qū)，車站違停；

·與機(jī)動(dòng)車碰撞：交叉口左轉(zhuǎn)、違規(guī)掉頭、闖紅燈；軌行區(qū)/車站，車輛進(jìn)入軌行區(qū)；視距，極端天氣/夜間遠(yuǎn)光；

·與有軌電車碰撞：司機(jī)駕駛：司機(jī)未遵守駕駛規(guī)則、司機(jī)瞭望不足、司機(jī)未確認(rèn)信號(hào)、故障檢修防護(hù)不足、過岔速度超速；信號(hào)系統(tǒng)：設(shè)備調(diào)試不足。

此外，異物入侵是目前有軌電車系統(tǒng)運(yùn)行過程中較易發(fā)生的。脫軌可能是由于在小半徑曲線段超速運(yùn)行，或者軌行區(qū)有較大的障礙物；傾覆屬于重大安全事故。

據(jù)調(diào)研，交通事件主要發(fā)生在交叉口（59%）位置；運(yùn)營事件的影響因素包括司機(jī)行為、視距問題、社會(huì)車輛違章（掉頭、左轉(zhuǎn)及闖紅燈）、行人穿越、設(shè)備故障檢測(cè)等；自然災(zāi)害事件集中在停運(yùn)條件問題；公共安全事件經(jīng)過本次疫情積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)。

（二）面向運(yùn)行安全的有軌電車車輛及供電制式研究

1. 面向司機(jī)、乘客及行人的車輛安全技術(shù)

·駕駛員視野設(shè)計(jì)方法：前擋玻璃的可視范圍均應(yīng)滿足視線高度相對(duì)于水平面向上25°視野范圍；視線高度以下視野范圍保證前方1米處看見1.1米高度位置；在水平視野上，左右兩側(cè)視野末端與前方呈180°角，在前方β角最少90°內(nèi)，設(shè)計(jì)上不允許有柱或者其他遮擋；而角度外的柱或其他遮擋物產(chǎn)生的掩蔽角α最大允許為6.5°；

·碰撞安全設(shè)計(jì)：司機(jī)室底架結(jié)構(gòu)能承受400KN縱向壓縮載荷要求；在前端裝有吸能裝置的緩沖區(qū)域，能減少兩輛相同車輛在5公里/小時(shí)情況下的碰撞危害。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，損害一般僅限于可更換的緩沖區(qū)域、能量吸收區(qū)和司機(jī)室底部裝飾組件。這種防碰撞能量吸收能力也適用于和路面車輛碰撞造成的損害。當(dāng)兩輛車以15公里/小時(shí)的速度碰撞時(shí)，可有效減少對(duì)客室的影響?？紤]乘客和司機(jī)保護(hù)需滿足：乘客空間的永久性變形限制在初始空間的1%；在司機(jī)室駕駛臺(tái)和司機(jī)室后墻之間提供至少750毫米的保護(hù)空間；對(duì)于司機(jī)和乘客，最大縱向減速度控制在5g。

·行人保護(hù)安全設(shè)計(jì)：行人一旦倒在車輛前方，該裝置的觸發(fā)機(jī)構(gòu)首先與行人接觸，觸發(fā)機(jī)構(gòu)向后方翻轉(zhuǎn)，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作從而解鎖保護(hù)裝置，保護(hù)裝置下翻將行人鏟起，承托在保護(hù)裝置上，避免行人卷入車下，同時(shí)保護(hù)裝置的工作電信號(hào)會(huì)直接傳達(dá)到駕駛室觸發(fā)緊急制動(dòng)，同時(shí)司機(jī)也會(huì)第一時(shí)間對(duì)車輛采取緊急制動(dòng)，停車救助傷員。最后復(fù)位手柄具有將保護(hù)裝置復(fù)原的功能。

·制動(dòng)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)：有軌電車線路站間距較小、速度較高，并采用人工駕駛，機(jī)動(dòng)車和行人有可能進(jìn)入。因此，從運(yùn)行安全角度考慮，不但要求車輛牽引加速度和制動(dòng)減速度均要大（牽引加速度為1~1.3m·s2、制動(dòng)加速度為 1~1.2m·s2，緊急制動(dòng)減速度一般為 2.8 m·s2），以提高旅行速度，而且要求制動(dòng)系統(tǒng)容量較大、制動(dòng)距離較短。

·內(nèi)飾安全性設(shè)計(jì)：內(nèi)裝設(shè)施中出現(xiàn)的尖角、棱邊易對(duì)乘客造成人身傷害，車輛內(nèi)裝部分對(duì)過渡部位均采用緩和性設(shè)計(jì)。在兩側(cè)的主要站立區(qū)設(shè)置位置合適的扶手及拉環(huán)；內(nèi)裝各部位均采用穩(wěn)固性設(shè)計(jì)，具備足夠的強(qiáng)度抗沖擊振動(dòng)。合理設(shè)置安全錘和滅火器等應(yīng)急設(shè)備，在緊急情況下可快速有效的取用。

2.司機(jī)安全駕駛行為監(jiān)控和防撞預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)

·司機(jī)安全駕駛行為監(jiān)控：通過疲勞駕駛系統(tǒng)視覺感知來監(jiān)測(cè)駕駛員的眼球運(yùn)動(dòng)和頭部運(yùn)動(dòng)。駕駛員在駕駛有軌電車時(shí)由于疲勞、分心駕駛等均會(huì)造成駕駛員面對(duì)突發(fā)情況反應(yīng)不及時(shí)引發(fā)事故，疲勞駕駛系統(tǒng)可以降低駕駛員的危險(xiǎn)駕駛風(fēng)險(xiǎn)。如果發(fā)現(xiàn)駕駛員有疲勞駕駛的現(xiàn)象，系統(tǒng)將對(duì)駕駛員發(fā)出實(shí)時(shí)的聲光報(bào)警。

·障礙物檢測(cè)系統(tǒng)：有軌電車障礙物檢測(cè)系統(tǒng)采用視覺和激光相融合的方式，對(duì)有軌電車前方以及側(cè)面區(qū)間進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)、對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，當(dāng)存在追尾或障礙物碰撞等重大安全危險(xiǎn)隱患可能性時(shí)，可以提前輔助預(yù)警，減少重大事故發(fā)生。

3.車輛供電制式安全及車載儲(chǔ)能設(shè)備管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)

·車輛供電制式安全研究：接觸網(wǎng)，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟可靠，成本低，是最為可靠的供電制式；地面供電系統(tǒng)對(duì)于沿線區(qū)域的排水系統(tǒng)、平交路口施工質(zhì)量要求高，后期運(yùn)營維護(hù)工作量大。磁感應(yīng)式同樣是建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)成本很高。儲(chǔ)能式供電系統(tǒng)中蓄電池供電充電時(shí)間長，可能無法滿足個(gè)別項(xiàng)目的運(yùn)營要求。

·車載儲(chǔ)能設(shè)備管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：模組管理（均衡管理）；系統(tǒng)控制（實(shí)現(xiàn)SOC估算、故障保護(hù)、充電管理、維護(hù)）；信息采集（硬件實(shí)現(xiàn)電壓、電流采集等功能）；軟件控制（軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行控制邏輯和基本功能模塊的開發(fā)，該軟件開發(fā)平臺(tái)具有圖形化開發(fā)環(huán)境，代碼自動(dòng)生成及仿真等功能，可以跨平臺(tái)移植）。

4.車輛綜合智能運(yùn)維系統(tǒng)

·系統(tǒng)架構(gòu)：車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)基礎(chǔ)）、軌旁車輛綜合智能檢測(cè)系統(tǒng)、車輛維護(hù)信息管理系統(tǒng)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸體系、維修專家系統(tǒng)。

（三）有軌電車運(yùn)營控制與交通信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)

1.風(fēng)險(xiǎn)框架基本內(nèi)容：在項(xiàng)目的全生命周期進(jìn)行安全分析，覆蓋所有的安全活動(dòng)，隱患被識(shí)別、分類、記錄和解決；風(fēng)險(xiǎn)被分類和接受，從而增加系統(tǒng)的安全性。研究根據(jù)相關(guān)規(guī)定識(shí)別和定義了4種嚴(yán)酷度等級(jí)（災(zāi)難性的、嚴(yán)重的、次要的、輕微的），并梳理安全隱患。

2.運(yùn)營控制系統(tǒng)安全技術(shù)要求：根據(jù)前述分析，提出系統(tǒng)安全技術(shù)要求。

·軟件部分：系統(tǒng)的軟件涉及行車安全的子系統(tǒng)軟件的安全性完善度達(dá)到最高等級(jí)，即關(guān)鍵功能失效后可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)嚴(yán)重程度為最高時(shí)所考慮的等級(jí)。功能化、模塊化，軟件設(shè)計(jì)結(jié)合容錯(cuò)和避錯(cuò)設(shè)計(jì)策略，使所設(shè)計(jì)的軟件符合系統(tǒng)的故障導(dǎo)向安全要求。操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、應(yīng)用軟件均具有冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)、防病毒的功能。涉及行車安全的應(yīng)用軟件采用雙份編碼，保證命令輸出的正確性。

·硬件部分：繼續(xù)保持對(duì)傳統(tǒng)硬件安全理論的遵從。結(jié)合硬件所搭載的上層軟件和業(yè)務(wù)的性質(zhì)，識(shí)別和定義不同硬件應(yīng)當(dāng)具備的安全技術(shù)特性?？紤]功能安全和信息安全的共同影響。

3.交通信號(hào)系統(tǒng)安全技術(shù)要求

·信號(hào)分類：請(qǐng)求/反饋類。包括優(yōu)先控制功能開啟/關(guān)閉信號(hào)、接近預(yù)告信號(hào)、接近請(qǐng)求信號(hào)。狀態(tài)類：主要為平交道口占用信號(hào)。安全類：與有軌電車放行沖突綠燈點(diǎn)亮信號(hào)、有軌電車控制器故障信號(hào)、信號(hào)機(jī)嚴(yán)重故障狀態(tài)信號(hào)。

·信號(hào)安全等級(jí)：將信號(hào)按照安全等級(jí)進(jìn)行劃分，并進(jìn)行優(yōu)先響應(yīng)。

序號(hào)安全等級(jí) 信號(hào)名稱 采取的動(dòng)作1信號(hào)機(jī)嚴(yán)重故障狀態(tài)信號(hào)信號(hào)機(jī)硬件黃閃、自恢復(fù)處理2有軌電車控制器故障信號(hào)信號(hào)機(jī)關(guān)閉有軌電車優(yōu)先請(qǐng)求控制功能3有軌電車控制器關(guān)閉有軌電車通行信號(hào)高 低與有軌電車放行沖突綠燈點(diǎn)亮信號(hào)4有軌交叉口占用信號(hào)信號(hào)機(jī)進(jìn)行延長處理、故障判斷5優(yōu)先控制功能開啟信號(hào)信號(hào)機(jī)控制功能的開啟/關(guān)閉6有軌電車接近請(qǐng)求信號(hào)信號(hào)機(jī)微調(diào)調(diào)整放行信號(hào)時(shí)間7接近請(qǐng)求反饋信號(hào) 有軌電車駕駛?cè)瞬僮魈崾?有軌電車接近預(yù)告信號(hào) 信號(hào)機(jī)預(yù)調(diào)整放行信號(hào)時(shí)間

·信號(hào)傳輸方式：目前應(yīng)用較普遍測(cè)傳輸方式大致有并行、串行?？紤]到信號(hào)接入的通用性、傳輸?shù)目煽啃砸约皞鬏斁嚯x等方面，信號(hào)機(jī)與有軌電車控制器之間采用并行信號(hào)線的方式傳輸，每個(gè)信號(hào)通過繼電器進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)，由于繼電器的隔離作用，在起到抗干擾的同時(shí)，可解決信號(hào)交互的適應(yīng)性。

·控制策略：

4．車載輔助安全防護(hù)技術(shù)研究

·超速及闖紅燈：在彎道、隧道、路口、折返站等易發(fā)事故區(qū)域，采用超速及闖紅燈防護(hù)技術(shù)。

·障礙物檢測(cè)及防撞：依靠雷達(dá)及視頻等傳感器，根據(jù)其動(dòng)態(tài)性、距離、速度以及有軌電車的速度、制動(dòng)特性計(jì)算評(píng)估其對(duì)電車的危害程度。

5．運(yùn)營控制系統(tǒng)智能運(yùn)維

當(dāng)前有軌電車運(yùn)營控制與交通信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)主要為以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)劃修結(jié)合的方式，效率較低。

（四）有軌電車行車組織與運(yùn)營管理安全技術(shù)研究

基于以上的內(nèi)容，研究提出利用大數(shù)據(jù)、人工智能等智能運(yùn)維方式替代人工分析和處理海量運(yùn)維數(shù)據(jù)信息，減少處理過程中可能存在的疏漏，降低人力成本，提升系統(tǒng)運(yùn)維的自動(dòng)化程度和運(yùn)維質(zhì)量，從而提高運(yùn)營安全。

安全防護(hù)措施：乘客事故的防護(hù)，第三方事故的防護(hù)：專用路權(quán)及防護(hù)隔離設(shè)施、交叉口防護(hù)、車站防護(hù)、人行過街防護(hù)、公共區(qū)域防護(hù)、車輛防護(hù)等；防脫軌，防火。

（五）有軌電車應(yīng)急處置與預(yù)案管理技術(shù)研究

面向自然災(zāi)害事件的應(yīng)急處置與預(yù)案管理技術(shù)：停運(yùn)條件包括：軌面積水深度、持續(xù)風(fēng)力、能見度等。對(duì)此期望形成一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)限速通過、停運(yùn)等進(jìn)行分類。最后，針對(duì)各個(gè)城市進(jìn)行防疫預(yù)案的梳理，形成城市有軌電車運(yùn)營安全技術(shù)要求的研究內(nèi)容。

三、對(duì)下階段研究工作的建議

2021年5月6日，國務(wù)院安委會(huì)國務(wù)院安委會(huì)辦公室印發(fā)緊急通知，部署各地區(qū)、各有關(guān)部門和單位深刻吸取墨西哥地鐵軌道橋垮塌重大傷亡事故的慘痛教訓(xùn)，舉一反三加強(qiáng)我國城市軌道交通安全工作。本研究提出主要分為以下五個(gè)方面：

1.嚴(yán)防險(xiǎn)性事件發(fā)生：列車脫軌、列車沖突、接觸網(wǎng)塌網(wǎng)、信號(hào)系統(tǒng)重大故障等；

2.強(qiáng)化安全隱患排查；安全評(píng)估程序；

3.完善應(yīng)急處置預(yù)案；應(yīng)急預(yù)案；

4.施工安全專項(xiàng)治理；施工階段項(xiàng)目管理，新技術(shù)；

5.強(qiáng)化監(jiān)測(cè)維護(hù)維修：加強(qiáng)運(yùn)營維保。

同時(shí)，本研究通過實(shí)踐及調(diào)查反饋，結(jié)論如下：

·有軌電車是地面交通系統(tǒng)中最安全的交通方式，以“事故數(shù)量/萬公里”為指標(biāo)，在5個(gè)城市與公交系統(tǒng)的安全性對(duì)比中，有軌電車系統(tǒng)都體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)。

·有軌電車發(fā)生交通事故是正常的，分級(jí)管理+快速處置。從系統(tǒng)上避免特別重大事故；防止重大事故發(fā)生；快速處理較大事故；提高一般事故應(yīng)急管理水平；運(yùn)用新技術(shù)輔助避免險(xiǎn)性事故的發(fā)生?！Ｓ寐窓?quán)是處理安全與效率的最佳方式。

·司機(jī)是運(yùn)營管理的核心。司機(jī)安全駕駛行為監(jiān)控，防止駕駛員不安全行為；防撞預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)限界侵入物體進(jìn)行報(bào)警。

·安全評(píng)估常態(tài)化（初期運(yùn)營、運(yùn)營期間）。

·進(jìn)一步完善事故分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

·制定事故報(bào)告與行業(yè)技術(shù)報(bào)告發(fā)布機(jī)制。

·探索圍繞自動(dòng)駕駛的安全技術(shù)集成應(yīng)用。

經(jīng)過有軌電車十多年的發(fā)展，有軌電車可以成為中小城市、大城市區(qū)域的骨干公共交通方式，需要大家共同努力去維護(hù)好，能讓它真正在城市里面發(fā)揮作用。