基于北斗衛(wèi)星的列車完整性檢查技術(shù)方案

范 楷，張 淼，滕 達(dá)，馮浩楠，段宏偉

（1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；

2．國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

以列車運(yùn)行控制系統(tǒng)為代表的鐵路信號(hào)系統(tǒng)如何適應(yīng)國(guó)內(nèi)西部及西南部地區(qū)高原、戈壁的惡劣運(yùn)行環(huán)境以及人跡罕至、維護(hù)成本極高的運(yùn)維條件，是信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展遇到的新難題。在已有的CTCS技術(shù)體系框架下，研究能夠適應(yīng)特殊環(huán)境的新型列控系統(tǒng)成為當(dāng)前鐵路信號(hào)領(lǐng)域工作的重點(diǎn)。適應(yīng)發(fā)展需求的列車自主完整性檢查技術(shù)是列控系統(tǒng)研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的成熟為列車完整性檢查技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)[1-2]。

1 列車完整性檢查定義及現(xiàn)有方案

列車完整性檢查，是指列車及信號(hào)系統(tǒng)在運(yùn)行期間對(duì)列車車廂連接完整性進(jìn)行的檢查。列車行駛途中如果發(fā)生解體，將對(duì)后續(xù)列車的安全構(gòu)成重大威脅[3-4]。由機(jī)車牽引的貨運(yùn)列車車輛間通過車鉤及風(fēng)管連接，不具備有線貫通的條件，因此完整性檢查需要借助于列車尾部安全防護(hù)裝置(簡(jiǎn)稱列尾裝置)以及軌旁設(shè)備對(duì)于軌道占用的檢測(cè)共同完成。列尾裝置通過檢查風(fēng)壓是否正常，間接檢查列車完整性，當(dāng)風(fēng)管斷開泄漏量超過規(guī)定值時(shí)，向司機(jī)發(fā)出警示[5]。同時(shí)，軌旁設(shè)備通過占用檢查得知解體車廂位置，防止后續(xù)列車進(jìn)入所在區(qū)段。目前方案主要有以下幾個(gè)方面問題。

1）傳統(tǒng)列尾裝置不是故障-安全設(shè)備，僅能告知司機(jī)列車完整性，無法第一時(shí)間通知信號(hào)系統(tǒng)列車完整性狀態(tài)。

2）軌旁設(shè)備投資及維護(hù)量巨大，無法適應(yīng)我國(guó)西部、西南部鐵路惡劣、艱難的環(huán)境及運(yùn)維條件。

3）目前方案無法適應(yīng)移動(dòng)閉塞的發(fā)展方向。

4） 列尾裝置每隔1 min甚至幾分鐘對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行一次查詢，完整性檢查的實(shí)時(shí)性不足。

2 下一代列控系統(tǒng)完整性檢查需求分析

2013年，歐洲下一代列控系統(tǒng)(Next Generation Train Control System，NGTC)項(xiàng)目正式啟動(dòng)，該項(xiàng)目通過對(duì)下一代列控技術(shù)體系進(jìn)行研究，達(dá)到提升干線鐵路自動(dòng)化水平，進(jìn)一步降低信號(hào)設(shè)備運(yùn)維成本，提升信號(hào)系統(tǒng)可用性、可靠性等目的[6]。與之對(duì)應(yīng)的，我國(guó)CTCS新型列控系統(tǒng)方案的研究工作也正在進(jìn)行，系統(tǒng)的核心需求包括以下兩點(diǎn)。

1）通過符合CTCS體系的高兼容性以及先進(jìn)的追蹤運(yùn)行方式使系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)更加高效。

2）應(yīng)用列車多源融合自主定位、IP化無線通信、智能駕駛、安全的列車完整性檢查等前沿技術(shù)使系統(tǒng)技術(shù)更加先進(jìn)。

可見，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過精確的列車定位，簡(jiǎn)化軌旁設(shè)備，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞是國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)下一代列控系統(tǒng)研究的共同研究方向。列車自主進(jìn)行完整性狀態(tài)檢查是以上研究方向的技術(shù)保證。

3 基于北斗衛(wèi)星的完整性檢查技術(shù)方案

目前，應(yīng)用于青藏鐵路的增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)(ITCS)通過GPS衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車定位，可見衛(wèi)星定位技術(shù)在列控系統(tǒng)的應(yīng)用已有先例[7]。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度不斷提高，應(yīng)用北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)判斷列車完整性狀態(tài)成為一種可行方案。由此提出一種基于北斗衛(wèi)星的列車完整性檢查方案，方案所描述的列車完整性檢查系統(tǒng)（The Onboard Train Integrity，OTI），由OTI列尾設(shè)備。OTI通信通道以及OTI列首設(shè)備組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 OTI列尾設(shè)備

在圖1中，列尾設(shè)備由主控單元、列尾綜合定位模塊、無線通信電臺(tái)、顯示操作單元及供電電池等構(gòu)成。

列尾設(shè)備在傳統(tǒng)列尾裝置功能的基礎(chǔ)上應(yīng)新增如下功能。

1）實(shí)時(shí)接收北斗衛(wèi)星定位信息，經(jīng)過相應(yīng)處理后，得出準(zhǔn)確的列尾位置、速度信息。

2）利用風(fēng)壓傳感器實(shí)時(shí)采集列尾風(fēng)壓信息。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身設(shè)備故障情況，在故障時(shí)生成相應(yīng)報(bào)警信息。

4）完成與列首設(shè)備的一對(duì)一建聯(lián)、斷聯(lián)功能。

5）與列首設(shè)備周期性通信，發(fā)送列尾風(fēng)壓、位置、速度、報(bào)警等信息。

3.2 OTI通信通道

通信通道是列首設(shè)備及列尾設(shè)備間建立聯(lián)接及進(jìn)行通信的通道，該通信通道由鐵路專用無線通信網(wǎng)絡(luò)及IP查詢服務(wù)器組成。通信通道的作用體現(xiàn)在設(shè)備建聯(lián)及正常通信過程當(dāng)中。OTI設(shè)備間建立聯(lián)接的過程如圖2所示。

3.3 OTI列首設(shè)備

列首設(shè)備利用列車綜合定位系統(tǒng)得出的列車頭部位置、速度信息，結(jié)合司機(jī)輸入的列車長(zhǎng)度以及列尾設(shè)備發(fā)送的列車尾部風(fēng)管壓力、位置、速度等信息，進(jìn)行綜合計(jì)算，判斷列車完整性，并將完整性信息實(shí)時(shí)上報(bào)車載ATP設(shè)備。列車完整性狀態(tài)包括列車完整、列車完整性丟失、列車完整性未知3種情況。列車完整性綜合判斷的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含以下幾個(gè)方面。

1）列首、列尾風(fēng)管壓力狀態(tài)不正常且差值大于閾值，則判斷列車完整性丟失。

2）列首、列尾距離與車長(zhǎng)差值大于閾值，則判斷列車完整性丟失。

3）列首、列尾速度差值大于閾值，則判斷列車完整性丟失。

4）車載設(shè)備超過一定時(shí)間未接收到列尾發(fā)送的任何信息，則判斷列車完整性丟失。

5）列尾設(shè)備衛(wèi)星定位功能失效且風(fēng)壓正常，則維持列車確認(rèn)后端位置不變，此時(shí)處于列車完整性未知狀態(tài)，若在此情況下列車運(yùn)行超過一定距離，則判斷列車完整性丟失。

4 OTI風(fēng)險(xiǎn)分析

OTI是列控系統(tǒng)當(dāng)中列車完整性信息的唯一來源，承擔(dān)著重大的安全責(zé)任。結(jié)合技術(shù)方案對(duì)OTI進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分析，并研究相應(yīng)措施關(guān)閉識(shí)別到的風(fēng)險(xiǎn)，是十分必要的過程。FMECA(Failure Mode，Effects and Criticality Analysis)方法包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA），對(duì)產(chǎn)品所有可能的故障模式進(jìn)行分析，確定故障模式，找出單點(diǎn)故障，按嚴(yán)重度及發(fā)生概率確定其危害性[8]。

“無恥公子”的認(rèn)輸在江湖上掀起了軒然大波，趙白的名聲更是被大家越傳越神。最后，竟把名揚(yáng)天下的“天下第一劍客”諸葛玉給引了出來。

通過風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別出系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)如表1所示。

通過對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析可以得出，OTI列首設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下安全功能。

1）與列尾設(shè)備進(jìn)行配對(duì)。

2）接收列尾設(shè)備發(fā)送的坐標(biāo)、速度、風(fēng)壓信息。

3）根據(jù)收到信息進(jìn)行列車完整性判斷。

OTI列尾設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下安全功能。

1）與列首設(shè)備進(jìn)行配對(duì)。

2）通過信息源采集定位、速度、風(fēng)壓信息并向列首設(shè)備發(fā)送。

得到風(fēng)險(xiǎn)列表后，應(yīng)進(jìn)一步確定所有可能的措施來消除或減輕故障的影響。風(fēng)險(xiǎn)減低措施與風(fēng)險(xiǎn)所具有的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

由FMECA方法對(duì)OTI進(jìn)行的初步風(fēng)險(xiǎn)分析表明以下幾點(diǎn)。

1）OTI列首設(shè)備應(yīng)符合SIL4級(jí)安全完整性等級(jí)。

2）OTI列尾設(shè)備應(yīng)符合SIL4級(jí)安全完整性等級(jí)。

3）二者間通信協(xié)議應(yīng)滿足SIL4級(jí)安全完整性等級(jí)要求。

為使OTI能夠在可靠性上達(dá)到SIL4級(jí)安全完整性等級(jí)要求，OTI列首設(shè)備及OTI列尾設(shè)備都應(yīng)設(shè)計(jì)為二乘二取二的安全冗余結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

本文著重介紹一種基于北斗衛(wèi)星的列車完整性檢查方案，并應(yīng)用FMECA方法對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分析。該方案不僅可以解決現(xiàn)有方案存在的問題，還具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）判斷列車完整性丟失后，在警示司機(jī)的同時(shí)，還第一時(shí)間制動(dòng)故障列車并通知信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)。

2）依靠北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，最大程度地簡(jiǎn)化區(qū)間軌旁設(shè)備，提升系統(tǒng)惡劣環(huán)境適應(yīng)能力。

3）完全支持移動(dòng)閉塞運(yùn)行方式。

4）將傳統(tǒng)列尾裝置優(yōu)化為SIL4級(jí)故障-安全設(shè)備，大幅提高其安全性、可靠性。

為提高國(guó)內(nèi)西部開發(fā)戰(zhàn)略運(yùn)輸大動(dòng)脈的運(yùn)營(yíng)效率，以及進(jìn)一步支撐“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略，基于北斗衛(wèi)星的列車完整性檢查技術(shù)應(yīng)與基于北斗的列車多源融合定位、智能駕駛ATO等前沿技術(shù)一道，成為國(guó)內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)當(dāng)前技術(shù)研究的重點(diǎn)。