碰撞防護(hù)系統(tǒng)分析及鐵路應(yīng)用設(shè)計(jì)*

林俊亭，黨建武，曹 巖，董德存

（1.蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804）

為了保障鐵路運(yùn)輸安全，基于集中管理模式的控制系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用在鐵路運(yùn)輸安全領(lǐng)域。歐洲為了提高跨國運(yùn)輸效率，用統(tǒng)一的歐洲列車控制系統(tǒng)ETCS（European Train Control System）逐漸取代了各鐵路公司多樣的列車控制系統(tǒng)TCS（Train Control System）。雖然新系統(tǒng)和新技術(shù)的應(yīng)用很大程度上降低了運(yùn)輸安全事故率，但國際鐵路聯(lián)盟實(shí)際統(tǒng)計(jì)表明，僅在歐洲平均每天仍會發(fā)生3起列車事故[1]。

在我國輪軌交通領(lǐng)域,中國列車控制系統(tǒng)CTCS(Chinese Train Control System)和自動列車控制ATC(Automatic Train Control)雖然能夠最大程度地提高運(yùn)行效率并保障運(yùn)營安全,但都是通過軌旁和車載設(shè)備監(jiān)控列車運(yùn)行，采集列車運(yùn)行狀態(tài)信息傳遞給調(diào)度管理控制中心,并由控制中心向列車傳達(dá)特殊的行車指令MA(Movement Authority）。當(dāng)調(diào)度中心功能失調(diào)，車地通信不暢時，仍無法徹底避免列車碰撞事故。2011年，我國軌道交通領(lǐng)域發(fā)生了兩起重大事故——“7.23”甬溫線動車追尾事故和“9.27”上海地鐵10號線列車追尾事故，碰撞防護(hù)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用由此成為關(guān)注和研究熱點(diǎn)。

碰撞防護(hù)系統(tǒng) CAS（Collision Avoidance System）是防止交通工具發(fā)生碰撞的系統(tǒng)，其在海事、航空和公路交通領(lǐng)域都已經(jīng)應(yīng)用。但在軌道交通領(lǐng)域，德國航空航天中心 DLR(German Aerospace Center)從 2006年開始對于鐵路碰撞防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究[2,3]。

借鑒海事、航空和公路交通領(lǐng)域碰撞防護(hù)系統(tǒng)的思想，充分考慮我國鐵路列車控制系統(tǒng)的分級特點(diǎn)，提出了可疊加在CTCS之上的安全疊加系統(tǒng)——列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)CAS-T(Collision Avoidance System for Train)的概念,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)并對比分析CAS-T的兩種工作模式。

1 傳統(tǒng)碰撞防護(hù)系統(tǒng)

CAS是實(shí)現(xiàn)交通工具間直接通信方式，通過交互各自位置和運(yùn)行姿態(tài)信息，并能對可能發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)警的系統(tǒng)。國內(nèi)外的學(xué)者在海事、航空、公路交通領(lǐng)域分別針對艦艇、飛機(jī)和汽車防撞系統(tǒng)的相關(guān)算法和關(guān)鍵技術(shù)都開展了大量的研究工作,并取得了豐碩的研究成果。

1.1 艦艇防撞系統(tǒng)

海事交通領(lǐng)域的自動識別系統(tǒng)AIS(Automatic Identification System)以自組織時分多址為核心技術(shù)，傳輸包括船舶識別、船舶運(yùn)動參數(shù)、船舶靜態(tài)及與航行和安全相關(guān)信息，支持優(yōu)于當(dāng)前雷達(dá)性能的船舶監(jiān)視和船船及船岸間短信息通信，為船舶避碰和航行提供輔助決策[4]。

AIS監(jiān)視策略如圖1所示[5]，AIS電臺基于自身數(shù)據(jù)連接流量和其他電臺的未來動向，決定自己占用的傳輸時隙。每個AIS電臺的位置報告信息填入每分鐘2250個時隙中的一個。為防止傳輸時隙重疊，AIS電臺需持續(xù)地進(jìn)行同步。

1.2 飛機(jī)防撞系統(tǒng)

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)主要實(shí)施空對空監(jiān)視,一般情況下，只需機(jī)載電子設(shè)備(GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器)，不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能。裝備了ADS-B的飛機(jī)可通過數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置和其他數(shù)據(jù)(如速度、高度及飛機(jī)是否轉(zhuǎn)彎、爬升或下降等)。ADS-B接收機(jī)與空管系統(tǒng)、其他飛機(jī)的機(jī)載ADS-B結(jié)合起來，在空地都能提供精確、實(shí)時的沖突信息[6]。

ADS-B系統(tǒng)由多地面站和機(jī)載站構(gòu)成,以網(wǎng)狀、多點(diǎn)對多點(diǎn)方式完成數(shù)據(jù)雙向通信。機(jī)載ADS-B通信設(shè)備廣播來自機(jī)載信息處理單元收集到的導(dǎo)航信息，接收其他飛機(jī)和地面的廣播信息后經(jīng)過處理送給機(jī)艙綜合信息顯示器。機(jī)艙綜合信息顯示器根據(jù)收集到的其他飛機(jī)和地面的ADS-B信息、機(jī)載雷達(dá)信息、導(dǎo)航信息后給飛行員提供飛機(jī)周圍的態(tài)勢信息和其他附加信息 (如：沖突告警信息，避碰策略，氣象信息)。ADS-B的監(jiān)視策略如圖2所示。

1.3 汽車防撞系統(tǒng)

公路交通領(lǐng)域的車載防撞系統(tǒng)為車車通信C2C(Car to Car)旨在通過多種信號采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)危險情況，并發(fā)出警報,提醒駕駛員采取相應(yīng)措施有效規(guī)避碰撞事故發(fā)生，最大限度地保障人、車安全。隨著無線通信技術(shù)的成熟發(fā)展，通過車內(nèi)(In-Vehicle)、車間 V2V(Vehicle to Vehicle)以及車路 V2I(Vehicle to Infrastructure)等通信機(jī)制，可以收集到更多與行車有關(guān)的信息，如車輛狀態(tài)、交通環(huán)境信息等，并進(jìn)一步將這些信息有效地整合，建立行人、車輛、道路一體的交通運(yùn)輸系統(tǒng)(車路協(xié)同系統(tǒng))，從而提高交通運(yùn)輸系統(tǒng)的效率、安全性和可持續(xù)性成為世界智能交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。車車通信協(xié)會 (C2C-CC)旨在建立一套車間及車路開放的自組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示[7]。

2 列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高運(yùn)輸效率并保障運(yùn)輸安全，我國已經(jīng)在鐵路發(fā)展中分級建設(shè)中國列車控制系統(tǒng)。借鑒海事、航空和公路交通領(lǐng)域的碰撞防護(hù)系統(tǒng),構(gòu)建列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)作為CTCS的安全疊加系統(tǒng),可有效提高CTCS的安全性。

2.1 中國列車控制系統(tǒng)

CTCS是在借鑒ETCS的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國鐵路現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃，以分級形式滿足不同線路運(yùn)輸需求的列車控制系統(tǒng)。系統(tǒng)目的是適應(yīng)中國既有信號裝備現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)之間互聯(lián)互通，滿足最高速度160～350 km/h列車運(yùn)行控制需求[8]。CTCS按功能劃分為5級，應(yīng)用等級對照表如表1所示。

表1 CTCS應(yīng)用等級對照表

在CTCS五級分級中，CTCS-3和CTCS-4采用車地?zé)o線通信系統(tǒng)GSM-R,并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完善的冗余覆蓋[9]，可有效保證列車安全間隔，但是都面臨著過度依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施和調(diào)度中心的問題，司機(jī)的自主判斷功能不足。鑒于2011年的兩次列車追尾事故，可以想象：如果借助保證足夠通信距離的車車通信，隨行列車可以判斷前行列車的運(yùn)行狀態(tài)，司機(jī)也可以判斷是否存在碰撞風(fēng)險，并可以根據(jù)實(shí)際情況采取有效的規(guī)避措施，將能顯著提升列車運(yùn)行安全性能。

作為CTCS的安全疊加系統(tǒng)，CAS-T可以在CTCS-0到CTCS-2級線路上直接作為車載通信設(shè)備滿足基于車車通信的碰撞防護(hù)需要，而在CTCS-3和CTCS-4線路上可作為車地?zé)o線通信系統(tǒng)的安全疊加備用系統(tǒng)。

2.2 列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)

給出CAS-T的基本定義如下：CAS-T是基于車車通信的列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)，車載設(shè)備實(shí)時計(jì)算自身的位置和移動向量，并將其廣播給一定區(qū)域內(nèi)的其他列車，人機(jī)接口設(shè)備顯示一定區(qū)域內(nèi)列車位置信息，車載計(jì)算機(jī)綜合自己位置信息和接收的其他列車位置信息監(jiān)測碰撞發(fā)生的可能性，并給出報警信號和防碰策略建議。

CAS-T是完全基于車載設(shè)備的碰撞防護(hù)系統(tǒng)，不需要增加額外的地面基礎(chǔ)設(shè)施。其基本原理借助列車定位信息和車車通信及碰撞防護(hù)算法,完成碰撞預(yù)警和防護(hù)。

要實(shí)現(xiàn)鐵路碰撞防護(hù)的目的，系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能子系統(tǒng)：

(1)定位子系統(tǒng)，通過衛(wèi)星定位、測速傳感器、車載雷達(dá)和電渦流傳感器等多種組合方式，精確獲知列車在線路上的位置，此部分可與CTCS共享。

(2)車車通信子系統(tǒng)：在一定通信覆蓋范圍內(nèi)采用半雙工或雙工模式接收并發(fā)送列車位置信息和相關(guān)運(yùn)行姿態(tài)信息，諸如：運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、占用軌道、車輛參數(shù)、制動性能等等。

(3)碰撞防護(hù)安全計(jì)算機(jī)CAS-VC(CAS Vital Computer)，綜合自身位置與鄰近列車位置并結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)，計(jì)算并分析碰撞可能性，能根據(jù)碰撞級別給出告警提示和處置建議。

(4)電子地圖數(shù)據(jù)庫，為CAS-VC和定位子系統(tǒng)提供地圖數(shù)據(jù)。

(5)人機(jī)交互子系統(tǒng)，完成列車數(shù)據(jù)的輸入，碰撞可能發(fā)生時給出顯示告警提示。

CTCS疊加CAS-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)工作模式分析

車車通信技術(shù)是CAS-T的核心技術(shù)。根據(jù)CAS-T車載通信單元所選用的通信制式和工作方式的差別，可將CAS-T系統(tǒng)分為半雙工模式和雙工模式兩種。

(1)半雙工模式

在此種工作模式下，需要司機(jī)去觸發(fā)系統(tǒng)動作，系統(tǒng)分為正常和告警兩種工作狀態(tài)。

正常狀態(tài)：列車處于正常運(yùn)行工作狀態(tài)時，無線通信單元處于接收狀態(tài)，無發(fā)送數(shù)據(jù)。

告警狀態(tài)：當(dāng)列車處于故障停車或非正常行駛時，由列車司機(jī)按故障鍵后，無線單元周期性發(fā)送告警信息，一定范圍內(nèi)的列車接收到該告警信息后進(jìn)行處理并發(fā)出相關(guān)告警提示信息（聲、光），提示司機(jī)進(jìn)行故障確認(rèn)，進(jìn)行減速行駛或停車操作，避免追尾事故的發(fā)生。

(2)雙工模式

此種工作模式下，系統(tǒng)自動實(shí)時地收發(fā)列車位置和其他相關(guān)信息并進(jìn)行碰撞可能性的判斷?？梢员ＷC司機(jī)能獲得最新的鄰近列車的運(yùn)行姿態(tài)，及時提醒司機(jī)采取相應(yīng)動作，用以確保列車運(yùn)行安全。

表2從5個方面對CAS-T的兩種不同工作模式進(jìn)行對比。在實(shí)際部署中，可根據(jù)線路運(yùn)輸繁忙程度、單線還是復(fù)線、成本預(yù)算以及對于實(shí)時性要求等多方面進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

表2 CAS-T兩種工作模式對比

CAS-T作為CTCS的安全疊加系統(tǒng)，是一套獨(dú)立運(yùn)行的碰撞預(yù)警與安全防護(hù)系統(tǒng)。它不需要地面基礎(chǔ)設(shè)施支持，造價成本低，完全基于車載設(shè)備和車車間通信，使得司機(jī)可以及時獲取自身和周邊列車最新運(yùn)行信息，采取合理的措施并有效規(guī)避碰撞風(fēng)險。

本文分析CAS-T的兩種工作模式并從信息傳輸?shù)膶?shí)時性、通信方式、預(yù)警主動性等方面進(jìn)行了對比。工作于半雙工模式的CAS-T實(shí)現(xiàn)較簡單,但是如果線路行車密度大，則應(yīng)采用雙工通信模式的CAS-T。設(shè)計(jì)了鐵路碰撞防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，還需從列車碰撞防護(hù)機(jī)理、車車通信具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)、低成本高精度的列車定位技術(shù)等方面深入研究，構(gòu)建完善的列車碰撞防護(hù)系統(tǒng)，保障我國鐵路運(yùn)輸安全。

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[6]Federal Aviation Administration.Automatic Dependent Surveillance-Broadcast(ADS-B)[EB/OL].FAA,[2011-11-19].http://www.faa.gov/nextgen/portfolio/trans_support_progs/adsb/.

[7]COMMITTEE T.C2C-CC manifesto[EB/OL].C2C-CC,2007.[2011-11-20].http://www.car-to-car.org.

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