軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)綜述

江 明

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

軌道交通信號系統(tǒng)是軌道交通系統(tǒng)中為保證行、調(diào)車作業(yè)安全，提高車站、區(qū)間通過能力及列車解編能力，提升綜合指揮調(diào)度及運(yùn)營管理水平，改善作業(yè)人員勞動條件，降低運(yùn)行能耗的技術(shù)設(shè)備的總稱，是一套用于消解列車運(yùn)行沖突風(fēng)險的專用工業(yè)控制系統(tǒng)，是使移動裝備與地面固定裝備保持協(xié)調(diào)關(guān)系、防止列車超速的重要系統(tǒng)。隨著信號系統(tǒng)不斷發(fā)展，其功能也在不斷擴(kuò)展完善。從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展階段來看，信號系統(tǒng)具有保障行車安全、提高運(yùn)輸效率、提升運(yùn)營管理水平、改善工作人員勞動條件、降低運(yùn)行能耗等5大功能[1]。

軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡稱列控系統(tǒng)）是信號系統(tǒng)的重要組成部分，對保障行車安全、提高運(yùn)輸效率起到重要的作用。由于列控系統(tǒng)安全控制功能的極端重要性，需要攻克大量軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)才能保證其功能的正確實(shí)現(xiàn)。從文獻(xiàn)調(diào)研情況來看，中國鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)從整個運(yùn)輸系統(tǒng)的角度梳理了關(guān)鍵技術(shù)體系[2]，部分文獻(xiàn)[3-4]從不同角度概括了部分安全控制關(guān)鍵技術(shù)，但總的來說缺乏對軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)的全面梳理。為了從技術(shù)角度更好地展現(xiàn)列控系統(tǒng)的全貌，理解各項安全控制關(guān)鍵技術(shù)在列控系統(tǒng)中所起的作用，本文從RAMSS（可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性、信息安全）技術(shù)、安全控制系統(tǒng)技術(shù)、安全控制基礎(chǔ)技術(shù)、超速防護(hù)技術(shù)、沖突防護(hù)技術(shù)、自動運(yùn)行技術(shù)6個維度，全面系統(tǒng)地梳理了軌道交通安全控制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，繪制了軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)樹，對各關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展水平進(jìn)行總結(jié)，并針對部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探討。通過相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的梳理，我國軌道交通安全控制技術(shù)在上述6個維度上與全球安全控制領(lǐng)先技術(shù)對比情況如下：安全控制系統(tǒng)技術(shù)和自動運(yùn)行技術(shù)處于領(lǐng)跑狀態(tài)，安全控制基礎(chǔ)技術(shù)、超速防護(hù)技術(shù)、沖突防護(hù)技術(shù)處于并跑狀態(tài)，RAMSS技術(shù)處于跟跑狀態(tài)。

2 軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)

隨著運(yùn)輸業(yè)競爭的日益激烈，對鐵路運(yùn)輸提出了更安全、更高效、更多信息服務(wù)的要求，進(jìn)而對鐵路信號系統(tǒng)及列控系統(tǒng)提出了更高的要求。為了滿足不斷涌現(xiàn)的新需求，由于傳統(tǒng)的鐵路信號設(shè)備逐漸顯示出一定的局限性，因此向功能先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)的過渡是必然趨勢。同時，信息技術(shù)的飛速發(fā)展使電子控制系統(tǒng)在鐵路信號中的廣泛應(yīng)用成為可能，并且在此過程中針對電子控制系統(tǒng)的使用涌現(xiàn)出大量新的關(guān)鍵技術(shù)。

目前在各國鐵路應(yīng)用的軌道交通列控系統(tǒng)制式多種多樣，如中國的CTCS-0～CTCS-4級列控系統(tǒng)、歐洲的ETCS 0～ETCS 3級列控系統(tǒng)、日本的ATC系統(tǒng)、法國的TVM430系統(tǒng)、德國的LZB系統(tǒng)、美國的PTC系統(tǒng)、城市軌道交通的CBTC系統(tǒng)等，其主要功能包括超速防護(hù)、沖突防護(hù)、自動運(yùn)行等。通過對上述各種不同制式的列控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行梳理分析，并加以歸納提煉分類，得出如圖1所示的軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)樹，共分為RAMSS技術(shù)、安全控制系統(tǒng)技術(shù)、安全控制基礎(chǔ)技術(shù)、超速防護(hù)技術(shù)、沖突防護(hù)技術(shù)、自動運(yùn)行技術(shù)6個方面。其中，RAMSS技術(shù)和安全控制系統(tǒng)技術(shù)是較為通用的技術(shù)，可適用于軌道交通、航天、核能等不同的行業(yè)，主要是結(jié)合列控系統(tǒng)的實(shí)際需求和特點(diǎn)進(jìn)行裁減應(yīng)用；安全控制基礎(chǔ)技術(shù)、超速防護(hù)技術(shù)、沖突防護(hù)技術(shù)、自動運(yùn)行技術(shù)目前屬于列控系統(tǒng)的專用技術(shù)，后續(xù)也可考慮將這些技術(shù)推廣至軌道交通其他專業(yè)甚至是軌道交通行業(yè)之外的其他行業(yè)。另外，人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用等智能化技術(shù)也可以廣泛應(yīng)用于軌道交通信號系統(tǒng)的各個方面，但是因?yàn)樯鲜黾夹g(shù)目前在列控系統(tǒng)中的直接應(yīng)用尚不廣泛，暫不納入關(guān)鍵技術(shù)樹。

無論什么制式的列控系統(tǒng)，主要目的都是為了保障行車安全、提高運(yùn)輸效率，其系統(tǒng)功能及總體架構(gòu)大同小異，出發(fā)點(diǎn)都是采用圖1所示關(guān)鍵技術(shù)樹中列舉的部分關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。在RAMSS技術(shù)、安全控制系統(tǒng)技術(shù)的保障下，按照其安全功能分配，從安全控制基礎(chǔ)技術(shù)、超速防護(hù)技術(shù)、沖突防護(hù)技術(shù)、自動運(yùn)行技術(shù)中選擇不同關(guān)鍵技術(shù)的組合研發(fā)列控裝備就可以形成一套新的列控系統(tǒng)。以我國300 km以上時速智能高鐵采用的CTCS-3+ATO列控系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用準(zhǔn)移動閉塞制式和地面集中式聯(lián)鎖，采用軌道電路實(shí)現(xiàn)列車定位和完整性檢查，RBC采用集中方式生成行車許可、保存并發(fā)送電子地圖，ATP采用速度傳感器和應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)測速測距、采用一次制動曲線生成控車模式曲線，臨時限速服務(wù)器實(shí)現(xiàn)臨時限速管理，ATO實(shí)現(xiàn)自動加減速控制和車門開關(guān)門防護(hù)，能夠與CTCS-3級列控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

圖1 軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)樹Fig.1 Railway safety control related key technologies tree

3 RAMSS技術(shù)

具有良好的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性（RAMS）一直是鐵路信號設(shè)備的基本要求，而隨著鐵路信號設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，信息安全也成為一個全新的重要課題。傳統(tǒng)鐵路信號設(shè)備構(gòu)成簡單、功能較弱，采用具有非對稱錯誤特性且故障可知的器件作為基本故障—安全邏輯單元（以信號安全繼電器為主），藉此保證鐵路信號設(shè)備整體具有故障-安全特性，設(shè)備具有較高的抗干擾能力，可靠性較高，同時因未接入信息網(wǎng)絡(luò)也不存在信息安全風(fēng)險。隨著鐵路信號電子控制系統(tǒng)的運(yùn)用日益廣泛和深入，現(xiàn)代鐵路信號設(shè)備近年來也在迅速實(shí)現(xiàn)變革，采用計算機(jī)、通信、控制技術(shù)，依據(jù)可靠性理論，通過對軟件和硬件的避錯和容錯設(shè)計，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠應(yīng)用，在RAM、功能安全、信息安全等方面提出了更高的要求。

RAM技術(shù)方面，20世紀(jì)50年代初美國就開始對電子設(shè)備進(jìn)行可靠性研究，目前已經(jīng)有了比較完善的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵技術(shù)主要包括RAM建模技術(shù)、RAM設(shè)計技術(shù)、RAM分析技術(shù)、RAM評價技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、防錯容錯技術(shù)等。具體的RAMS工程應(yīng)用技術(shù)包括基于安全系數(shù)的可靠性工程設(shè)計、故障模式影響分析（FMEA）、可靠性框圖分析、故障樹分析（FTA）、GO 法、事件樹分析法（ETA）、馬爾科夫模型、Petri 網(wǎng)、可靠性試驗(yàn)等。目前國際上技術(shù)成果主要體現(xiàn)在IEC62278（EN50126）、IEC61508，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-785B、MIL-HDBK-217F-N2和MIL-HDBK-472等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中；我國的技術(shù)成果主要體現(xiàn)在IDT IEC62278（GB/T 21526）、《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》（GJB299C）、《故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)》（GJB841）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中, 但我國尚未建立系統(tǒng)的RAM工程體系[5]，同時列控系統(tǒng)缺乏異地災(zāi)備的實(shí)踐，有待進(jìn)一步加快推進(jìn)。

功能安全技術(shù)方面，其概念起源于20世紀(jì)60～70年代的航空領(lǐng)域和核技術(shù)領(lǐng)域，用于消除系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的人的風(fēng)險、物的風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險和管理風(fēng)險，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)取得初步成果。關(guān)鍵技術(shù)主要包括安全建模技術(shù)、安全分析技術(shù)、安全控制技術(shù)、安全仿真技術(shù)、繼電電路技術(shù)、安全平臺技術(shù)等。按照模型假設(shè)，可分為傳統(tǒng)的事故模型和系統(tǒng)的事故模型兩大類[6]。傳統(tǒng)的事故模型假定事故是由于組件故障或者失效引起的，并且簡化了人為和組織因素，比較典型的有多米諾事故模型、瑞士奶酪事故模型，這類模型簡單直觀，既可以定性分析也可以定量分析，并且具備一定的自動化分析工具；但因?yàn)楹雎粤巳藶楹徒M織差錯、軟件差錯、需求缺陷等問題，對非線性、強(qiáng)耦合的事故原因分析力不從心。近年來，針對現(xiàn)有方法的局限性和復(fù)雜系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)的實(shí)際情況，提出了基于系統(tǒng)思維的事故模型和安全性分析與控制方法，比較典型的有STAMP模型、STPA分析方法和FRAM模型、FRAM分析方法等，這類模型強(qiáng)調(diào)相互作用和相關(guān)性的重要性，能夠適用于復(fù)雜系統(tǒng)的分析，但目前只能通過人工方法來使用，自動化工具較為缺乏。目前國際上功能安全相關(guān)成果主要體現(xiàn)在 IEC61508、IEC62278（EN50126）、IEC62279（EN50128）、IEC62425（EN50129）、IEC62280（EN50159）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中；我國于20世紀(jì)90年代即提出了鐵路信號故障-安全原則（TB/T 2615），并陸續(xù)等同采用了上述國際標(biāo)準(zhǔn)，但是近年來的工作主要聚焦在既有傳統(tǒng)事故模型相關(guān)成熟方法的工程應(yīng)用，對包括系統(tǒng)事故模型在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)理論研究工作開展較為欠缺，需要大力加強(qiáng)。

信息安全技術(shù)方面，網(wǎng)絡(luò)信息安全起步于20世紀(jì)90年代，目前處于快速發(fā)展階段。關(guān)鍵技術(shù)主要包括安全分析技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)、安全測評技術(shù)、安全信息傳輸技術(shù)、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)等。目前國際上技術(shù)成果主要體現(xiàn)在IEC62443等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，面向各種工業(yè)行業(yè)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的安全，比較符合各工業(yè)行業(yè)對信息安全標(biāo)準(zhǔn)的需要。國內(nèi)已初步建立工控系統(tǒng)信息安全標(biāo)準(zhǔn)體系，包括安全監(jiān)管、安全規(guī)劃、安全建設(shè)、安全測評、安全管理、安全產(chǎn)品共6類標(biāo)準(zhǔn)[7]。但目前電力、石油天然氣及核設(shè)施等行業(yè)的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究處于領(lǐng)先地位，軌道交通信號系統(tǒng)相關(guān)研究尚處于起步階段，需要快速推進(jìn)。

4 安全控制系統(tǒng)技術(shù)

列控系統(tǒng)要應(yīng)用到特定的鐵路運(yùn)營線路，必然涉及到系統(tǒng)設(shè)計、接口設(shè)計、工程實(shí)施、監(jiān)測維護(hù)等全生命周期的各個環(huán)節(jié)。經(jīng)過短短十幾年的高速發(fā)展，我國已開通三萬多km高速鐵路和五千多km城市軌道交通線路，在軌道交通安全控制的系統(tǒng)層技術(shù)方面取得長足進(jìn)步，制定了較為完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[8]，總體水平處于全球領(lǐng)先地位。

系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方面，關(guān)鍵技術(shù)包括運(yùn)營場景設(shè)計技術(shù)、工程設(shè)計技術(shù)、等級轉(zhuǎn)換技術(shù)、互聯(lián)互通技術(shù)、樞紐設(shè)計技術(shù)等，從頂層架構(gòu)上解決如何實(shí)現(xiàn)不同等級跨線運(yùn)行、互聯(lián)互通的鐵路網(wǎng)需求問題，主要成果體現(xiàn)在《鐵路信號設(shè)計規(guī)范》 （TB10007）、《CTCS-2級列控系統(tǒng)總體技術(shù)要求》 （TB/T3516）、《CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范》（Q/CR661）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，但還有大量理論研究工作可以開展。為了更好地總結(jié)提煉我國列控系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，特別需要研究一套理論方法和技術(shù)，用于指導(dǎo)運(yùn)營場景的設(shè)計以及樞紐車站列控方案設(shè)計，滿足類型繁多、特點(diǎn)各異的樞紐車站的實(shí)際特點(diǎn)。

接口設(shè)計技術(shù)方面，關(guān)鍵技術(shù)包括綜合交通信號接口技術(shù)、通信接口技術(shù)、車輛接口技術(shù)、供電接口技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、站臺門接口技術(shù)、車地短程通信技術(shù)、總線技術(shù)等。列控系統(tǒng)既需要與公路、水路、民航等其他交通方式的信號系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)鐵路在綜合交通運(yùn)輸體系中的地位和作用進(jìn)一步提升；也需要與通信、車輛、供電、機(jī)務(wù)、站務(wù)等多個專業(yè)的系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)鐵路各子系統(tǒng)協(xié)同工作；還需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各裝備之間的接口，滿足系統(tǒng)正常運(yùn)用。相關(guān)系統(tǒng)對列控系統(tǒng)的正常工作均會造成影響，以通信系統(tǒng)為例，可以選用400 M、GSM-R、LTE-R、Wi-Fi或者5G等各種通信網(wǎng)絡(luò)，但通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時傳輸能力會直接影響列控系統(tǒng)的性能和效率，需要合理選用通信網(wǎng)絡(luò)并設(shè)計好列控-通信接口。此外，應(yīng)答器、軌道電路的調(diào)制解調(diào)等車地短程通信技術(shù)，以太網(wǎng)、串口、MVB、PROFIBUS、CAN、TRDP等總線技術(shù)對列控系統(tǒng)的正常應(yīng)用也有較大影響，也是需要重點(diǎn)攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

工程實(shí)施技術(shù)方面，關(guān)鍵技術(shù)包括列控工程數(shù)據(jù)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)、測試驗(yàn)證技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、現(xiàn)場施工技術(shù)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)、系統(tǒng)評估技術(shù)等，主要是采用系統(tǒng)集成的方式解決現(xiàn)場開通運(yùn)營過程中出現(xiàn)的各類問題，保持整體協(xié)調(diào)指揮、實(shí)施步調(diào)一致，同時使得工程實(shí)施各個環(huán)節(jié)不斷提高效率、保證質(zhì)量安全，確保列控系統(tǒng)開通目標(biāo)的按期達(dá)成。

監(jiān)測維護(hù)技術(shù)方面，關(guān)鍵技術(shù)包括動態(tài)監(jiān)測技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能維護(hù)技術(shù)、維護(hù)管理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)在用設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備故障的自動診斷、維護(hù)作業(yè)的智能化指導(dǎo)和高效管理。后續(xù)可更多與人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用等智能化技術(shù)相結(jié)合，提升監(jiān)測維護(hù)智能化水平。

5 安全控制基礎(chǔ)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)列控系統(tǒng)的超速防護(hù)、沖突防護(hù)、自動運(yùn)行等功能，除了必須攻克RAMSS技術(shù)、安全控制系統(tǒng)技術(shù)以及各功能相關(guān)的專用技術(shù)外，還需要解決一些較為公用的關(guān)鍵技術(shù)，將其分類為安全控制基礎(chǔ)技術(shù)，主要包括電子地圖技術(shù)、列車定位技術(shù)、列車完整性檢查技術(shù)等。

電子地圖技術(shù)是軌道交通安全控制的重要關(guān)鍵技術(shù)，是列控設(shè)備確定管轄范圍內(nèi)線路上所有的列車位置，為每列車計算控車模式曲線、行車許可和駕駛策略的基礎(chǔ)。關(guān)鍵技術(shù)主要包括電子地圖的建模技術(shù)、生成技術(shù)、拼接技術(shù)、安全存儲技術(shù)和安全同步技術(shù)。電子地圖是利用計算機(jī)技術(shù)，以數(shù)字方式存儲和查閱的地圖，給定線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軌旁信號設(shè)備（含控制區(qū)域劃分）、線路數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度信息、允許速度、線路坡度、道岔等）以及線路上各元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，其統(tǒng)一化定制與描述對實(shí)現(xiàn)跨線互聯(lián)互通運(yùn)營起著決定性的作用。按照電子地圖描述的范圍，可分為全局地圖和局部地圖；按照電子地圖信息來源，可分為靜態(tài)存儲地圖、在線下載地圖、在線生成地圖；按照電子地圖描述信息的維度，可分為一維地圖、二維地圖和三維地圖。例如，CBTC系統(tǒng)中車載保存的電子地圖為全局地圖、靜態(tài)存儲地圖、二維地圖，C3系統(tǒng)中ATP根據(jù)行車許可信息生成的用于計算控車曲線的臨時地圖為局部地圖、動態(tài)地圖、一維地圖，C4系統(tǒng)ATP設(shè)備應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航地圖為全局地圖、靜態(tài)地圖、三維地圖。應(yīng)根據(jù)電子地圖更新的頻率、處理設(shè)備和通信系統(tǒng)的性能合理選擇不同類型的電子地圖。

列車定位技術(shù)用于確定列車在電子地圖中的位置，根據(jù)采集到的列車經(jīng)緯度信息、地面定位標(biāo)信息、測速測距、占用檢查設(shè)備狀態(tài)等信息，結(jié)合電子地圖提供的信息計算確定。根據(jù)定位信息來源，可分為主動定位技術(shù)（列車自主定位）、被動定位技術(shù)（地面定位）兩種類型。其中，主動定位技術(shù)主要包括車車通信、車體檢測、無線擴(kuò)頻、電網(wǎng)檢測、衛(wèi)星定位、應(yīng)答器/信標(biāo)等，被動定位技術(shù)主要包括軌道電路、計軸、感應(yīng)環(huán)線，以及近期出現(xiàn)的電磁傳感技術(shù)、超聲傳感技術(shù)、雷達(dá)探測技術(shù)、視頻監(jiān)測技術(shù)等。根據(jù)定位連續(xù)程度的不同，可以分為離散信息方式、連續(xù)信息方式和分段信息方式等多種方式，其中應(yīng)答器/信標(biāo)為離散信息方式，衛(wèi)星定位為連續(xù)信息方式，軌道電路為分段信息方式。在上述定位技術(shù)中，主動定位技術(shù)的特點(diǎn)是定位主體必須安裝定位設(shè)備并且處于正常工作狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)故障-安全，一旦定位設(shè)備故障則失去定位，未安裝定位設(shè)備也將失去定位；被動定位技術(shù)則對處于正常或故障狀態(tài)的列車均可實(shí)現(xiàn)故障-安全的定位，但需要沿線安裝特定的地面設(shè)備，帶來額外的建設(shè)和維護(hù)工作。

列車完整性檢查是指列車運(yùn)行過程中利用設(shè)備檢測列車的完整性，即檢測列車有無脫鉤拋車現(xiàn)象。對采用主動定位方式的系統(tǒng)，由于拋車上未裝備定位裝置無法實(shí)現(xiàn)定位，必須采用故障-安全的列車完整性檢查裝置；對采用被動定位方式的系統(tǒng)，能夠正常定位拋車，無需加裝故障-安全的列車完整性檢查裝置。關(guān)鍵技術(shù)主要包括系統(tǒng)完整性模型、完整性風(fēng)險分析、安全列尾、三點(diǎn)檢查等。實(shí)現(xiàn)列車完整性檢查的方式主要有基于衛(wèi)星及速度傳感器的混合檢測、在各車廂安裝無線傳感器并判斷傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、車長的準(zhǔn)確估計、風(fēng)壓變化速率檢測等。

6 超速防護(hù)技術(shù)

超速防護(hù)功能是列控系統(tǒng)保障列車運(yùn)行安全的一項主要功能，通過將采集獲得的列車實(shí)際速度值與計算獲得的列車允許速度值進(jìn)行實(shí)時比較，當(dāng)列車速度超過允許速度時采取包括報警、輸出常用制動、輸出緊急制動等措施防止列車超速。為實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)功能，需要采取的關(guān)鍵技術(shù)除了安全控制基礎(chǔ)技術(shù)外，還包括測速測距技術(shù)、臨時限速技術(shù)和控車曲線計算技術(shù)。

測速測距技術(shù)是獲取列車速度、加速度、位置、運(yùn)行方向等信息的依據(jù)，是車載設(shè)備計算行車許可實(shí)現(xiàn)安全控車的重要保障。關(guān)鍵技術(shù)包括速度測定技術(shù)、多源融合技術(shù)、測速測距安全處理技術(shù)等。常用的方式包括衛(wèi)星、速度傳感器、雷達(dá)、加速度計、慣導(dǎo)及多種信息融合等，各種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如，衛(wèi)星精度較高、連續(xù)性較好但無法處理長大隧道；速度傳感器可靠性較高但是列車發(fā)生空轉(zhuǎn)打滑時精度下降，且隨著走行距離增大誤差累積增大；雷達(dá)雖然能在一定程度上避免空轉(zhuǎn)打滑誤差，但可靠性不太高。因此，推薦采用多種信息融合的方式提高測速測距精度。

臨時限速技術(shù)的目的是為減少線路維護(hù)、風(fēng)雪天氣對行車安全及效率的影響，實(shí)現(xiàn)限速設(shè)置的安全性及靈活性，采用設(shè)備自動的方式來避免列車超速運(yùn)行。具體功能為根據(jù)調(diào)度員的臨時限速操作命令，實(shí)現(xiàn)列控限速指令的自動分配和集中管理，保證施工限速計劃及突發(fā)限速的安全順利實(shí)施。關(guān)鍵技術(shù)包括離線限速技術(shù)、臨時限速管理技術(shù)、應(yīng)答器報文實(shí)時生成技術(shù)、限速命令安全下達(dá)技術(shù)等。

控車模式曲線根據(jù)車輛制動減速度和坡度信息，結(jié)合由行車許可生成的一維電子地圖計算得出，可分為分級速度控制曲線和速度-目標(biāo)距離模式曲線，其中分級速度控制又可分為階梯式和分段曲線式兩種。關(guān)鍵技術(shù)包括列車制動模型、制動控車模型以及控車模式曲線算法。為了快速計算不同坡道組合下的制動控車模式曲線，存在制動減速度歸檔和坡度歸檔兩類快速算法。這兩類算法都較為保守，會影響列車運(yùn)行效率，后續(xù)需要研究更高效的列車制動模型、制動控車模型以及計算量適中的控車模式曲線算法。

7 沖突防護(hù)技術(shù)

沖突防護(hù)功能是列控系統(tǒng)保障列車運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效率的一項主要功能，通過聯(lián)鎖、閉塞等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)列車/車列安全間隔控制，避免出現(xiàn)列車/車列追尾、迎面或側(cè)面沖撞等惡性事故。沖突防護(hù)功能有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種以地面設(shè)備為中心，另一種以車載設(shè)備為中心。需要采取的關(guān)鍵技術(shù)除了安全控制基礎(chǔ)技術(shù)外，主要還包括閉塞技術(shù)、行車許可技術(shù)、聯(lián)鎖技術(shù)。

閉塞就是用信號或憑證，保證列車按照空間間隔制運(yùn)行的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)前行列車和追蹤列車之間保持一定距離。總的來說，閉塞方式可分為站間閉塞和自動閉塞。站間閉塞就是兩站間只能運(yùn)行一列車，其列車的空間間隔為一個站間。站間閉塞按技術(shù)手段和閉塞方法又可分為： 電話閉塞、路簽閉塞，路牌閉塞、半自動閉塞、自動站間閉塞。自動閉塞從閉塞制式的角度來看，可分為固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞（含虛擬閉塞）和移動閉塞[9]，其中移動閉塞又可分為基于位置的移動閉塞和基于速度的移動閉塞。移動閉塞與其它閉塞方式相比具有地面設(shè)備簡化，能夠提供更高密度的行車能力等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度最大，通信網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的故障對運(yùn)營的影響最大，需要引入全新的安全理念，對列車動態(tài)間隔控制建立完備的智能控制模型。

行車許可技術(shù)是自動閉塞相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)列車所在位置、列車運(yùn)行方向、電子地圖、道岔狀態(tài)計算得出行車許可（MA）。MA計算有集中式和分散式兩種方式。集中式MA計算技術(shù)較為成熟，在既有列控系統(tǒng)中已廣泛使用，采用地面控制設(shè)備（如RBC、TCC）根據(jù)管轄范圍內(nèi)的全局狀態(tài)統(tǒng)一為各列車計算MA。分散式MA計算有兩種方式，一種是軌道電路僅根據(jù)相鄰軌道電路的狀態(tài)直接計算MA并傳送給信號機(jī)顯示，適用于低速的運(yùn)營線路；另一種是列車通過車車通信獲得的局部信息各自計算MA，難點(diǎn)在于如何選擇需要通信的列車，對未裝備或無定位列車的處理，多列車同時申請改方的處理等問題，并且對通信網(wǎng)絡(luò)提出了極高的可靠性要求。關(guān)鍵技術(shù)包括列車運(yùn)行間隔調(diào)整技術(shù)、列車管理技術(shù)、行車路徑規(guī)劃技術(shù)、車載路徑鎖定技術(shù)等。

聯(lián)鎖是指為了保證鐵路車站行車和調(diào)車作業(yè)的安全，在信號機(jī)、道岔和進(jìn)路之間通過技術(shù)手段建立的相互制約關(guān)系。聯(lián)鎖技術(shù)可分為地面集中式聯(lián)鎖和車載分散式聯(lián)鎖。地面集中式聯(lián)鎖技術(shù)較為成熟，已廣泛使用，采用聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù)管轄范圍內(nèi)的全局狀態(tài)統(tǒng)一管理信號機(jī)、道岔和進(jìn)路，目前有繼電聯(lián)鎖、計算機(jī)聯(lián)鎖、全電子聯(lián)鎖等多種形式，當(dāng)邏輯單元控制遠(yuǎn)程執(zhí)行單元時可構(gòu)成區(qū)域聯(lián)鎖。車載分散式聯(lián)鎖將聯(lián)鎖功能上車，通過車車通信和/或車地通信獲得的局部信息計算聯(lián)鎖相關(guān)邏輯，可以減少地面設(shè)備和增強(qiáng)車載功能，也可有效降低進(jìn)路信息傳輸延遲。但聯(lián)鎖功能上車，意味著道岔要受到多頭（多車）管理，如處理不當(dāng)會出現(xiàn)狀態(tài)一致性問題，同時調(diào)車的相關(guān)處理也是急需解決的問題。關(guān)鍵技術(shù)包括道岔控制、信號機(jī)控制、進(jìn)路管理、聯(lián)鎖控制邏輯等。

8 自動運(yùn)行技術(shù)

列車自動運(yùn)行功能是列控系統(tǒng)提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)行能耗的一項主要功能，根據(jù)地面控制系統(tǒng)指令、不同的運(yùn)行工況及區(qū)間運(yùn)行時分選擇最佳的控制策略，完成自動開/關(guān)車門、站臺精確停車及列車啟動、加速、惰行和制動的控制，滿足站間行車間隔及平均旅行速度的要求，達(dá)到節(jié)能及自動調(diào)整列車運(yùn)行的目的。需要采取的關(guān)鍵技術(shù)除了安全控制基礎(chǔ)技術(shù)外，主要還包括駕駛策略技術(shù)、車門開關(guān)防護(hù)技術(shù)、故障檢測技術(shù)等。

準(zhǔn)點(diǎn)率、停準(zhǔn)率、舒適度、能耗是判定一套自動運(yùn)行系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。如何在各種線路條件、各種氣象條件、各種車型條件下保證這些指標(biāo)的高水平達(dá)成，是自動運(yùn)行系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展需要不斷提升的方向，通過解決駕駛策略技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵技術(shù)包括牽引模型研究、制動模型研究、曲線規(guī)劃算法、規(guī)劃曲線優(yōu)化、控制算法等。

車門開關(guān)防護(hù)技術(shù)主要解決列車車門安全開關(guān)的問題，車門處理需要考慮的場景包括在錯誤的時機(jī)/位置打開車門，或者打開錯誤側(cè)的車門；這兩種場景均可能導(dǎo)致乘客意外掉出車廂，造成傷亡。關(guān)鍵技術(shù)包括車門狀態(tài)安全采集、乘客狀態(tài)檢測、車門開關(guān)安全決策、車門開關(guān)命令安全輸出等。

隨著自動化、智能化程度的不斷提高，高速鐵路自動運(yùn)行系統(tǒng)將更多替代司乘人員的工作，帶來傳統(tǒng)鐵路信號系統(tǒng)安全功能邊界的拓展。系統(tǒng)將更多地承擔(dān)涉及行車安全和乘客安全的安全功能，增加了可能導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失的風(fēng)險源，通過解決故障檢測技術(shù)來保障系統(tǒng)安全。關(guān)鍵技術(shù)包括線路條件檢測技術(shù)、障礙物檢測技術(shù)、人員檢測技術(shù)、車上設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)等[10]。

由于軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)體系龐雜，涉及的技術(shù)領(lǐng)域紛繁復(fù)雜，筆者掌握的信息有限，難免出現(xiàn)掛一漏萬的情況，對部分關(guān)鍵技術(shù)的理解和分類也可能存在不當(dāng)之處，在后續(xù)研究過程中進(jìn)一步完善。

9 總結(jié)

經(jīng)過十余年的努力，我國建成了世界上規(guī)模最大的高速鐵路網(wǎng)，使得我國邁入高速鐵路大國的行列。但是，單就軌道交通安全控制技術(shù)而言，目前還存在大而不強(qiáng)的問題，在全球軌道交通安全控制技術(shù)領(lǐng)域尚未形成全面引領(lǐng)的態(tài)勢。為了幫助鐵路信號專業(yè)人員更好地理解軌道交通安全控制技術(shù)的內(nèi)涵和外延，本文從RAMSS技術(shù)、安全控制系統(tǒng)技術(shù)、安全控制基礎(chǔ)技術(shù)、超速防護(hù)技術(shù)、沖突防護(hù)技術(shù)、自動運(yùn)行技術(shù)6個維度，全面系統(tǒng)地梳理了軌道交通安全控制所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，繪制軌道交通安全控制關(guān)鍵技術(shù)樹，并針對部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探討，希望能給我國鐵路信號專業(yè)人員帶來一些啟示。