地鐵列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

鞠麗麗，李軍，梁汝軍，王 君

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京 210031；2.南車(chē)浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210031）

地鐵列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

鞠麗麗1，李軍1，梁汝軍1，王 君2

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京 210031；2.南車(chē)浦鎮(zhèn)龐巴迪運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210031）

列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）為地鐵列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)提供了安全保障，當(dāng)失去 ATP 防護(hù)時(shí)，列車(chē)運(yùn)行存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，研究無(wú) ATP防護(hù)下仍能保證列車(chē)安全行駛的方案具有重要意義。介紹基于上海 13 號(hào)線增購(gòu)項(xiàng)目應(yīng)用的地鐵列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)方案，從技術(shù)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)功能、技術(shù)特點(diǎn) 4 個(gè)方面分別闡述。

地鐵列車(chē)；輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)；系統(tǒng)構(gòu)成；功能；技術(shù)特點(diǎn)

0 引言

地鐵列車(chē)運(yùn)行安全由列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)保障，ATP 失效情況下完全依靠司機(jī)保證行車(chē)安全，地鐵列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)可以給列車(chē)提供設(shè)備層面的安全保障，從而有效避免了列車(chē)在非正常狀態(tài)下切除 ATP 后處于降級(jí)模式運(yùn)行時(shí)由司機(jī)失誤引起的安全事故。

1 列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)原理

前、后列車(chē)通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)的發(fā)送和接收建立查詢(xún)-應(yīng)答式測(cè)距機(jī)制。主要工作步驟如下。

（1）在 ATP 切除后，后車(chē)受控司機(jī)室（頭端）的設(shè)備向前發(fā)送主動(dòng)測(cè)距信號(hào)。

（2）前車(chē)未受控司機(jī)室（尾端）的設(shè)備收到主動(dòng)測(cè)距信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)鑒別和數(shù)據(jù)校核，若符合預(yù)定通信協(xié)議，則向后車(chē)發(fā)送被動(dòng)應(yīng)答信號(hào)。

（3）后車(chē)接收前車(chē)發(fā)射的被動(dòng)應(yīng)答信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)鑒別和數(shù)據(jù)校核，若符合預(yù)定通信協(xié)議，則進(jìn)行距離解算。

（4）后車(chē)通過(guò)計(jì)算發(fā)送主動(dòng)測(cè)距信號(hào)至收到前車(chē)測(cè)距應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間差 Δt，通過(guò) L= v×Δt/2 估算車(chē)距（其中 v 為光速，v= 3×108m/s，Δt 為射頻信號(hào)的傳輸時(shí)間，已對(duì)系統(tǒng)內(nèi)延時(shí)進(jìn)行處理，以保證系統(tǒng)精度）。

（5）后車(chē)顯示終端實(shí)時(shí)顯示前車(chē)距離，若發(fā)現(xiàn)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則提前發(fā)出聲光示警，供列車(chē)司機(jī)參考。

系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

該系統(tǒng)與 ATP 切除開(kāi)關(guān)信號(hào)聯(lián)動(dòng)，只有在列車(chē) ATP切除情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距并提供報(bào)警，其主要啟用邏輯如下。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

（1）對(duì)于停車(chē)庫(kù)內(nèi)列車(chē)，追蹤預(yù)警設(shè)備處于“靜默”狀態(tài)，不發(fā)射也不接收任何信號(hào)。

（2）對(duì)于正線運(yùn)行列車(chē)，無(wú)論 ATP 是否被切除，未受控司機(jī)室的追蹤預(yù)警設(shè)備都處于“被動(dòng)應(yīng)答”狀態(tài)，但只有在接收到正確的問(wèn)詢(xún)信號(hào)后，才發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。

（3）對(duì)于正線運(yùn)行列車(chē)，若 ATP 未被切除，受控司機(jī)室的追蹤預(yù)警設(shè)備處于“靜默”狀態(tài)，不發(fā)射也不接收任何信號(hào)。

（4）對(duì)于正線運(yùn)行列車(chē)，若 ATP 被切除，受控司機(jī)室的追蹤預(yù)警設(shè)備處于“主動(dòng)測(cè)距”狀態(tài)，持續(xù)發(fā)射問(wèn)詢(xún)信號(hào)，并監(jiān)測(cè)應(yīng)答信號(hào)，并根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)距結(jié)果輸出相應(yīng)的示警信息。

（5）系統(tǒng)狀態(tài)具有手動(dòng)狀態(tài)設(shè)置功能，手動(dòng)設(shè)置優(yōu)先級(jí)最高。

正線運(yùn)行列車(chē)設(shè)備啟用邏輯見(jiàn)圖2。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)包括 5 個(gè)部件：系統(tǒng)主機(jī)、顯示終端、測(cè)距天線、射頻識(shí)別（RFID）天線、RFID標(biāo)簽，該系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

其中，在每列車(chē)頭、車(chē)尾兩端各設(shè) 1 套獨(dú)立的設(shè)備，均包括系統(tǒng)主機(jī)、示警終端、測(cè)距天線、RFID 天線等；RFID 標(biāo)簽安裝于出庫(kù)段軌道正中，系統(tǒng)設(shè)備布置如圖4 所示。

3 系統(tǒng)功能

在地鐵列車(chē)處于 ATP 切除的降級(jí)運(yùn)行模式下，列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)能不依靠地鐵現(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)同股道、同向運(yùn)行的列車(chē)前后距離的實(shí)時(shí)測(cè)量，并在車(chē)距小于一定安全閾值時(shí)向司機(jī)提供追尾風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，為列車(chē)運(yùn)行提供輔助安全保障。該系統(tǒng)主要包括以下功能。

3.1 實(shí)時(shí)測(cè)距

列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)在 ATP 因各種故障切除時(shí)，通過(guò)車(chē)載設(shè)備，實(shí)時(shí)測(cè)量同一股道的前、后列車(chē)距離，預(yù)警距離范圍 50 ～350 m，平直軌道探測(cè)距離不小于350 m，彎道半徑不小于 400 m，坡度不大于 30‰ 情況下探測(cè)距離不小于 350 m。

3.2 危險(xiǎn)車(chē)距評(píng)估

在 ATP 切除的降級(jí)運(yùn)行模式下，列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)距，參照預(yù)先設(shè)定的車(chē)距閾值，評(píng)估追尾風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)車(chē)距處于Ⅱ級(jí)閾值（350 m）～Ⅰ級(jí)閾值（250 m）之間時(shí)，判為Ⅱ級(jí)（警惕）。當(dāng)前后車(chē)距＜Ⅰ級(jí)閾值（250 m）時(shí)，判為Ⅰ級(jí)（危險(xiǎn)）。

3.3 預(yù)警顯示

司機(jī)室裝有顯示終端，為司機(jī)提供各級(jí)別的聲光組合報(bào)警。系統(tǒng)判定處于危險(xiǎn)車(chē)距時(shí)，輸出緊急制動(dòng)施加請(qǐng)求（預(yù)留）。

圖2 正線運(yùn)行列車(chē)設(shè)備啟用邏輯示意圖

圖3 列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖4 設(shè)備布置示意圖

3.4 設(shè)備工作狀態(tài)和設(shè)定確認(rèn)

設(shè)備工作狀態(tài)設(shè)定可通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng) 2 種模式設(shè)置，當(dāng)顯示終端旋鈕在自動(dòng)檔位，設(shè)備狀態(tài)通過(guò)讀取到地面標(biāo)簽自動(dòng)設(shè)置；需要手動(dòng)設(shè)置時(shí)，旋鈕從自動(dòng)檔位打到相應(yīng)的手動(dòng)檔位。手動(dòng)設(shè)置的級(jí)別高于自動(dòng)設(shè)置。手動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)自動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)必須通過(guò)人工確認(rèn)是否正確。

3.5 不同行車(chē)方向測(cè)距信號(hào)區(qū)分

通過(guò)信號(hào)編碼處理區(qū)分不同行車(chē)方向的測(cè)距信號(hào)。

3.6 “八”字線出入庫(kù)自動(dòng)識(shí)別

當(dāng)列車(chē)通過(guò)“八”字線出庫(kù)時(shí)，自動(dòng)識(shí)別設(shè)置在軌道正中的地址標(biāo)簽，并將列車(chē)兩端設(shè)備設(shè)定為相應(yīng)的工作模式；這一功能也可通過(guò)人工設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖5 所示，在東西出入庫(kù)線上擬各布置 3 個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽實(shí)際布置位置根據(jù)上海軌道交通 13 號(hào)線的實(shí)際線路圖進(jìn)行調(diào)整。

3.7 系統(tǒng)自檢和故障診斷

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)距模塊、主控板、RFID、存儲(chǔ)器的自診斷，并在顯示終端上顯示故障信息。在平時(shí)自檢過(guò)程結(jié)束后顯示的故障（如有故障）包括：測(cè)距組件故障、RFID 讀寫(xiě)模塊故障、LED 燈故障、蜂鳴器故障。在正常工作狀態(tài)下記錄并在歷史故障界面下顯示的故障包括：系統(tǒng)通信異常中斷故障、數(shù)據(jù)幀有效性錯(cuò)誤故障、數(shù)據(jù)幀重復(fù)性錯(cuò)誤故障、相關(guān)故障出現(xiàn)次數(shù)以及最近一次自檢日期信息。

3.8 系統(tǒng)日志

記錄測(cè)距、預(yù)警輸出、確認(rèn)操作、故障等事件數(shù)據(jù)和時(shí)間。

圖5 “八”字線出入庫(kù)標(biāo)簽布置示意圖

4 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)主要包含 2 個(gè)部分：二次雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)和 RFID標(biāo)簽讀寫(xiě)系統(tǒng)，兩系統(tǒng)基于自主軟件系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)度。二次雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線電應(yīng)答技術(shù)，將脈沖壓縮高精度測(cè)距技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)無(wú)縫融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)于合作目標(biāo)實(shí)時(shí)探測(cè)。RFID 標(biāo)簽讀寫(xiě)系統(tǒng)通過(guò)讀到不同的標(biāo)簽判斷列車(chē)的出入庫(kù)、上下行、上下行端等信息，以便列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確探測(cè)，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)組成

各城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，有隧道、高架、急彎、上下坡等各種路況，不同曲線半徑下的隧道環(huán)境和高架環(huán)境條件下電磁波的空間衰減和反射散射等情況都不相同，所以，對(duì)列車(chē)輔助追預(yù)警系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)、探測(cè)體制、抗干擾設(shè)計(jì)、信息處理設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)充分優(yōu)化。針對(duì)城市軌道交通預(yù)警系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高。

（2）具有無(wú)線電認(rèn)知能力。

（3）RFID 自動(dòng)識(shí)別列車(chē)運(yùn)行方向。

（4）具有快速跟蹤捕獲和多目標(biāo)處理能力。

（5）高速信號(hào)處理。

（6）優(yōu)良的電磁兼容性。

（7）高可靠性及故障導(dǎo)向安全。

（8）抗干擾能力強(qiáng)。

4.1 二次雷達(dá)測(cè)距

列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)測(cè)距采用二次雷達(dá)的探測(cè)方式，其發(fā)射的波長(zhǎng)能被輕易接收，且雷達(dá)波為單程波，在系統(tǒng)靈敏度相同的情況下，同樣的探測(cè)距離所需的發(fā)射功率更低，相同的發(fā)射功率可以探測(cè)的距離更遠(yuǎn)。

列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)采用問(wèn)詢(xún)、應(yīng)答一體化模式，可以自由地在主動(dòng)測(cè)距與被動(dòng)應(yīng)答間切換，即車(chē)頭、車(chē)尾兩端設(shè)備可以通過(guò)司機(jī)室鑰匙信號(hào)等自動(dòng)切換為問(wèn)詢(xún)模式和應(yīng)答模式。預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)射鏈路和接收鏈路采用編碼匹配接收，不僅能消除同頻多徑反射干擾，提高檢測(cè)概率，同時(shí)也能夠獲取更豐富的目標(biāo)信息。

圖7 雷達(dá)信號(hào)在彎曲的隧道中發(fā)射鏈路和接收鏈路示意圖

4.2 彎道測(cè)距

預(yù)警系統(tǒng)的天線發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，在彎曲隧道或地面軌道背景物體條件下，該信號(hào)經(jīng)過(guò)隧道空間的直達(dá)波、反射波、繞射波等多種傳播方式，傳輸?shù)角败?chē)的尾部，尾部雷達(dá)的天線接收到該信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理識(shí)別為有效信號(hào)后，在固定延時(shí)后發(fā)送 1 個(gè)編碼應(yīng)答回波，應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的路徑返回到主動(dòng)測(cè)距雷達(dá)天線，雷達(dá)信號(hào)在彎曲的隧道中發(fā)射鏈路和接收鏈路示意圖見(jiàn)圖7。應(yīng)答信號(hào)的接收鏈路通過(guò)頻率、延時(shí)特征及編碼濾波消除多徑反射信號(hào)干擾及其他設(shè)備信號(hào)干擾，能夠克服環(huán)境影響。由于應(yīng)答延時(shí)時(shí)間及系統(tǒng)處理延時(shí)是已知的，主動(dòng)測(cè)距雷達(dá)發(fā)射和接收信號(hào)間的時(shí)間間隔，再減去相關(guān)延時(shí)時(shí)間，就可計(jì)算出兩列車(chē)間的距離。

由于采用二次雷達(dá)，雷達(dá)所需的發(fā)射功率不需太高，也不要求系統(tǒng)高靈敏度，在隧道傳播時(shí)雖有衰減，探測(cè)距離仍能滿(mǎn)足實(shí)際需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

地鐵列車(chē)輔助追蹤預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案目前已應(yīng)用于上海軌道交通 13 號(hào)線增購(gòu)項(xiàng)目，針對(duì)同軌道同向運(yùn)行列車(chē)碰撞的潛在危險(xiǎn)，提出了一種集二次雷達(dá)技術(shù)、通信技術(shù)為一體的多目標(biāo)探測(cè)識(shí)別自主軟件系統(tǒng)，滿(mǎn)足預(yù)警需求，突破了在隧道、高架、地面等場(chǎng)合探測(cè)復(fù)雜目標(biāo)的技術(shù)瓶頸，良好解決了隧道無(wú)線電衰落、電磁環(huán)境復(fù)雜以及要求低功耗等工程化應(yīng)用難題。

［1］ 畢湘利，鄧奇.ATP失效模式下的城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行安全保障措施研究［J］.城市軌道交通研究，2014，17（10）：1-4.

［2］ 周巧蓮.城市軌道交通列車(chē)輔助防撞系統(tǒng)方案研究［J］.城市軌道交通研究，2014，17（1）：18-22.

［3］ 沈拓，潘亦欣，鄧奇.基于列車(chē)測(cè)距的城市軌道交通非正常情況運(yùn)輸能力提升方法研究［J］.城市軌道交通研究，2015，18（8）：111-115.

責(zé)任編輯 冒一平

Design Scheme of Auxiliary Anti-Crash Early Warning System for Metro Trains

Ju Lili， Li Jun， Liang Rujun， et al.

Automatic train protection （ATP） system for normal operation of metro train provides safety.Without ATP， the train operation exists great safety risk.Therefore， the study of schemes of non ATP still ensuring safety of train operation will have an great importance.The paper introduces the technical schemes of metro train auxiliary anti-crash early warning system based on the application of Shanghai line 13 for new procurement project， and expounds the four aspects of the technical principle， system structure， system function and technical features.

metro train， auxiliary anti-crash early warning system， system structure， function， technical characteristics

U231.7 : U284.4

鞠麗麗（1985—），女，工程師

2016-03-18