列车碰撞防护系统设计及展望

摘要：结合我国CTCS（中国列车运行控制系统）制式与实际应用情况，提出了适合于我国轨道交通领域的列车碰撞防护系统架构，并对碰撞检测机制进行了说明。作为CTCS系统的安全叠加系统，列车碰撞防护系统可有效保障列车运行安全。

关键词：列车碰撞防护系统；系统架构；运行安全

在我国轮轨交通领域，中国列车运行控制系统CTCS（Chinese Train Control System）保障列车运行安全并提高运营效率。其作用机理为通过轨旁和车载设备共同作用控制列车运行：线路所有列车运行状态信息通过无线传输设备传递给轨旁列车控制中心，列控中心根据车辆运行状态及目的地信息等向列车传送移动授权，从而控制列车自动运行。由CTCS列控原理可知，列控中心是实现列车自动控制的关键，一旦列控中心故障或其与列车的通信中断，将导致列车降级运行，甚至在最坏的情况下（降级转换也发生故障）会导致运行安全事故。发生在2011年的两次列车运行事故：“7.23”甬温线特大动车追尾事故与“9.27”上海地铁十号线列车追尾事故已给我国信号控制人员敲响了警钟。

我国的CTCS列控技术源于欧洲的ETCS（欧洲列车运行控制系统）。而据国际铁路联盟数据统计，在欧洲平均每天有三起重大轨道交通事故发生，其中绝大多数的灾难性事故都是由碰撞引起：列车运行控制过度依赖于地面列控制中心同样是欧洲列控系统的设计薄弱环节。

因此，研究独立于目前列车运行控制系统的碰撞防护技术对进一步保障列车运行安全是非常必要的。

1 列车碰撞防护系统研究现状

国外对列车碰撞防护方面的研究较晚。2007年德国宇航局交通研究项目组开始了对RCAS（列车碰撞防护系统）的研究，开发了列车与列车之间的通信系统，提出了基于此系统的碰撞检测方法，并于2008年10月向公众展示了RCAS模型。但其对该系统的研究也仅仅停留在理论阶段。

而我国对列车碰撞防护方面的研究近乎为零。结合我国CTCS列车控制系统制式及实际应用情况，笔者提出了适合于我国轨道交通领域的列车碰撞防护系统架构，并对碰撞检测机制进行了说明。

2列车碰撞防护系统原理及架构

为实现碰撞防护，列车碰撞防护系统应由以下子系统构成：

（1）定位子系统：可通过卫星、速度传感器、车载雷达、电涡流传感器等多种组合方式，精确获知列车在线路上的位置。

（2）车-车无线通信子系统：发送列车位置信息和运行状态信息（运行速度、运行方向、轨道区间、车辆参数、制动性能等），并接受通信覆盖范围内其他列车所发送的信息。

（3）碰撞防护核心子系统：由碰撞防护计算机及相关接口组成。碰撞防护计算机综合列车自身位置及邻近列车信息，结合电子地图数据（数据库子系统）计算并分析碰撞发生可能性，并根据碰撞级别给出相应告警提示和司机操作建议，在特殊情况下可直接触发列车紧急制动。

（4）人机交互子系统HMI：显示通信区域内其他列车运行状态及碰撞防护计算机输出的推荐速度，并对可能发生的碰撞及时给出告警提示。列车碰撞防护系统可与CTCS系统共用HMI，只需升级既有HMI显示软件即可。

（5）数据库子系统：包含线路信息、轨道检测区段信息等基础设施信息。

系统功能结构图如下所示：

3 碰撞检测机制

列车碰撞防护系统的功能是提前监测到可能发生的碰撞并报警，从而督促司机采取相应操作（减速、紧急制动等）以避免事故发生。

3.1 碰撞防护曲线

碰撞防护计算机根据列车当前位置、速度、目的地码等信息以及无线覆盖区域内其他列车运行状态信息，实时计算出以下三条速度监督曲线：紧急制动干预曲线、告警速度曲线、推荐速度曲线。这些速度曲线用于安全速度检测及监督，三条速度曲线的停车点都在POP（防护点）前，以确保行车安全。

3.2 安全制动模型

以上速度曲线的计算建立在如下列车安全制动模型的基础上。安全制动模型包括以下部分：

（1）解除列车牵引所需的反应时间：系统应将当前牵引考虑为最大值，以确保安全余量。

（2）制动输出所需要的反应时间：包括车载子系统的反应时间、列车司机在收到报警后的的制动操作反应时间以及车辆制动反应时间。

（3）达到所要求的列车制动率所需时间（在制动建立时间段内，起始一段时间因制动力太小而不足以使列车真正制动，假定此时间段内列车惰行）。

同时，速度监督曲线的计算应充分考虑车辆参数、列车制动性能、前车速度等多种因素。速度监督曲线的生成是碰撞检测的关键：将该计算速度与检测到的列车实际运行速度进行对比，即可实现对列车的碰撞检测。

4系统关键技术研究展望

目前我国还未进行对列车碰撞防护系统的深入研究，该系统研制成功并投入商业运营还有很长的路要走。以下是笔者对进一步研究的几点建议：

（1）鉴于列车碰撞防护系统对保障列车运行安全及乘客生命安全的重要性，建议由中国铁路总公司牵头，组织铁路科研院所及国内信号厂商群策群力，共同攻关，尽早进行系统的开发。

（2）车-车无线通信子系统是列车碰撞防护系统的关键子系统，车与车之间适时、高效通信是实现系统功能的关键。在进行子系统的设计时，应满足安全性、可靠性要求。

（3）碰撞防护计算机是系统的大脑，其核心功能是对数据的实时分析及处理，因此数据处理算法应作为进一步研究的重点。另外，对列车的定位是数据处理及保障碰撞检测有效性的前提，可考虑利用多传感器信息融合技术以提高列车定位精度。

（4）在系统设计及产品成型后，应即时开展上道试验及安全认证工作，尽早实现该系统上线营运。

参考文献：

[1]王俊峰.一种新型CTCS-2级列控系统研究[J].铁道学报，2008（1）.

[2]宗明.基于无线通信的列车控制系统研究[J].城市轨道交通研究，2012（7）.

[3]杨飞.船舶碰撞研究中的若干问题[J].舰船科学技术，2011（8）.

[4]李世斌.世界高速铁路发展的动向[J].铁路技术监督，2007（1）.

[5]岳建明.我国智能交通产业的发展及技术创新模式探讨2012（9）.