碰撞防護系統分析及鐵路應用設計*

林俊亭，黨建武，曹 巖，董德存

（1.蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院,甘肅 蘭州 730070；2.同濟大學 交通運輸工程學院,上海 201804）

為了保障鐵路運輸安全，基于集中管理模式的控制系統被越來越多地應用在鐵路運輸安全領域。歐洲為了提高跨國運輸效率，用統一的歐洲列車控制系統ETCS（European Train Control System）逐漸取代了各鐵路公司多樣的列車控制系統TCS（Train Control System）。雖然新系統和新技術的應用很大程度上降低了運輸安全事故率，但國際鐵路聯盟實際統計表明，僅在歐洲平均每天仍會發生3起列車事故[1]。

在我國輪軌交通領域,中國列車控制系統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行效率并保障運營安全,但都是通過軌旁和車載設備監控列車運行，采集列車運行狀態信息傳遞給調度管理控制中心,并由控制中心向列車傳達特殊的行車指令MA(Movement Authority）。當調度中心功能失調，車地通信不暢時，仍無法徹底避免列車碰撞事故。2011年，我國軌道交通領域發生了兩起重大事故——“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，碰撞防護技術在軌道交通領域的應用由此成為關注和研究熱點。

碰撞防護系統 CAS（Collision Avoidance System）是防止交通工具發生碰撞的系統，其在海事、航空和公路交通領域都已經應用。但在軌道交通領域，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系統進行研究[2,3]。

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

1 傳統碰撞防護系統

CAS是實現交通工具間直接通信方式，通過交互各自位置和運行姿態信息，并能對可能發生的碰撞進行預警的系統。國內外的學者在海事、航空、公路交通領域分別針對艦艇、飛機和汽車防撞系統的相關算法和關鍵技術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

海事交通領域的自動識別系統AIS(Automatic Identification System)以自組織時分多址為核心技術，傳輸包括船舶識別、船舶運動參數、船舶靜態及與航行和安全相關信息，支持優于當前雷達性能的船舶監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監視策略如圖1所示[5]，AIS電臺基于自身數據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電臺需持續地進行同步。

1.2 飛機防撞系統

廣播式自動相關監視ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)主要實施空對空監視,一般情況下，只需機載電子設備(GPS接收機、數據鏈收發機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器)，不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能。裝備了ADS-B的飛機可通過數據鏈廣播其自身的精確位置和其他數據(如速度、高度及飛機是否轉彎、爬升或下降等)。ADS-B接收機與空管系統、其他飛機的機載ADS-B結合起來，在空地都能提供精確、實時的沖突信息[6]。

ADS-B系統由多地面站和機載站構成,以網狀、多點對多點方式完成數據雙向通信。機載ADS-B通信設備廣播來自機載信息處理單元收集到的導航信息，接收其他飛機和地面的廣播信息后經過處理送給機艙綜合信息顯示器。機艙綜合信息顯示器根據收集到的其他飛機和地面的ADS-B信息、機載雷達信息、導航信息后給飛行員提供飛機周圍的態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的監視策略如圖2所示。

1.3 汽車防撞系統

公路交通領域的車載防撞系統為車車通信C2C(Car to Car)旨在通過多種信號采集系統發現危險情況，并發出警報,提醒駕駛員采取相應措施有效規避碰撞事故發生，最大限度地保障人、車安全。隨著無線通信技術的成熟發展，通過車內(In-Vehicle)、車間 V2V(Vehicle to Vehicle)以及車路 V2I(Vehicle to Infrastructure)等通信機制，可以收集到更多與行車有關的信息，如車輛狀態、交通環境信息等，并進一步將這些信息有效地整合，建立行人、車輛、道路一體的交通運輸系統(車路協同系統)，從而提高交通運輸系統的效率、安全性和可持續性成為世界智能交通領域的研究熱點。車車通信協會 (C2C-CC)旨在建立一套車間及車路開放的自組網標準，系統結構如圖 3所示[7]。

2 列車碰撞防護系統設計

為提高運輸效率并保障運輸安全，我國已經在鐵路發展中分級建設中國列車控制系統。借鑒海事、航空和公路交通領域的碰撞防護系統,構建列車碰撞防護系統作為CTCS的安全疊加系統,可有效提高CTCS的安全性。

2.1 中國列車控制系統

CTCS是在借鑒ETCS的基礎上，結合我國鐵路現狀和發展規劃，以分級形式滿足不同線路運輸需求的列車控制系統。系統目的是適應中國既有信號裝備現狀，實現路網之間互聯互通，滿足最高速度160～350 km/h列車運行控制需求[8]。CTCS按功能劃分為5級，應用等級對照表如表1所示。

表1 CTCS應用等級對照表

在CTCS五級分級中，CTCS-3和CTCS-4采用車地無線通信系統GSM-R,并且已經實現完善的冗余覆蓋[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設施和調度中心的問題，司機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行狀態，司機也可以判斷是否存在碰撞風險，并可以根據實際情況采取有效的規避措施，將能顯著提升列車運行安全性能。

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

2.2 列車碰撞防護系統

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系統，車載設備實時計算自身的位置和移動向量，并將其廣播給一定區域內的其他列車，人機接口設備顯示一定區域內列車位置信息，車載計算機綜合自己位置信息和接收的其他列車位置信息監測碰撞發生的可能性，并給出報警信號和防碰策略建議。

CAS-T是完全基于車載設備的碰撞防護系統，不需要增加額外的地面基礎設施。其基本原理借助列車定位信息和車車通信及碰撞防護算法,完成碰撞預警和防護。

要實現鐵路碰撞防護的目的，系統應具備如下功能子系統：

(1)定位子系統，通過衛星定位、測速傳感器、車載雷達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：在一定通信覆蓋范圍內采用半雙工或雙工模式接收并發送列車位置信息和相關運行姿態信息，諸如：運行速度、運行方向、占用軌道、車輛參數、制動性能等等。

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

(4)電子地圖數據庫，為CAS-VC和定位子系統提供地圖數據。

(5)人機交互子系統，完成列車數據的輸入，碰撞可能發生時給出顯示告警提示。

CTCS疊加CAS-T系統結構如圖4所示。

2.3 系統工作模式分析

車車通信技術是CAS-T的核心技術。根據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，需要司機去觸發系統動作，系統分為正常和告警兩種工作狀態。

正常狀態：列車處于正常運行工作狀態時，無線通信單元處于接收狀態，無發送數據。

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

(2)雙工模式

此種工作模式下，系統自動實時地收發列車位置和其他相關信息并進行碰撞可能性的判斷?？梢员ＷC司機能獲得最新的鄰近列車的運行姿態，及時提醒司機采取相應動作，用以確保列車運行安全。

表2從5個方面對CAS-T的兩種不同工作模式進行對比。在實際部署中，可根據線路運輸繁忙程度、單線還是復線、成本預算以及對于實時性要求等多方面進行相應的選擇。

表2 CAS-T兩種工作模式對比

CAS-T作為CTCS的安全疊加系統，是一套獨立運行的碰撞預警與安全防護系統。它不需要地面基礎設施支持，造價成本低，完全基于車載設備和車車間通信，使得司機可以及時獲取自身和周邊列車最新運行信息，采取合理的措施并有效規避碰撞風險。

本文分析CAS-T的兩種工作模式并從信息傳輸的實時性、通信方式、預警主動性等方面進行了對比。工作于半雙工模式的CAS-T實現較簡單,但是如果線路行車密度大，則應采用雙工通信模式的CAS-T。設計了鐵路碰撞防護系統結構圖，還需從列車碰撞防護機理、車車通信具體實現技術、低成本高精度的列車定位技術等方面深入研究，構建完善的列車碰撞防護系統，保障我國鐵路運輸安全。

[1]STRANG T,HORSTE M M,Gu Xiaogang.A railway collision avoidance system exploiting ad-hoc inter-vehicle communications and Galileo[A].In:Proceedings,13thWorld Congress and Exhibition on Intelligent Transportation Systems and Services(ITS 2006)[C].London,UK,2006:1-8.

[2]CRISTINA R G,ANDREAS L,THOMAS S,et al.Comparison of Collision Avoidance System and Applicability to Rail Transport[A].In:7th International Conference on Intelligent Transport Systems Telecommunications[C].France:Sophia Antipolis,2007:521-526.

[3]ANDREAS L,CRISTINA R G,THOMAS S,et al.Measurement and Analysis of the Direct Train to Train Propagation Channel in the 70 cm UHF-Band[A].In:Communication Technologies for Vehicles Proceedings of the 3rd International Workshop on Communication Technologies for Vehicles(Nets4Cars 2011)[C].Springer,Heidelberg,2011:45-57.

[4]張選逵.基于 AIS的船舶避碰專家系統[D].上海：上海海事大學，2006.

[5]CENTER N.Automatic identification system overview[EB/OL].U.S.Department of Homeland Security,[2011-12-19].http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=AIS.

[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.

[8]劉兆健.中國列車控制系統的技術解析[J].城市軌道交通研究，2009(12)：83-86.

[9]林俊亭，李翠然，王曉明.GSM-R無線冗余覆蓋及可靠性建模分析[J].蘭州交通大學學報，2010，29(3)：119-122.

[10]曹巖，王學軍.包蘭線惠銀段增建二線工程站間安全信息傳輸實施方案研究[J].鐵道標準設計，2011（8）.