基于時序分析的列車接近預警方法

李四輝，蔡伯根，2，劉 江，2，王 劍，2，3，單洪政

(1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 北京市軌道交通電磁兼容與衛星導航工程技術研究中心，北京 100044；3.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；4.北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司 產品技術部，北京 100095)

近年來，我國建設并已投入運營了多條設計時速300 km的客運專線及高速鐵路，如京滬高速線、鄭西線、武廣客運專線等，有效促進了我國經濟社會的穩步發展。在高速鐵路列車運行過程中，高速列車作為為乘客提供生命安全服務的重要載體，其運行特征蘊含的安全性、可靠性是需要得到完全保證的重要因素。目前，針對高速列車的運行控制和調度管理，我國正在建設的300 km/h以上的客運專線及京滬高速鐵路，均已確定采用以車載速度信號顯示為主的高可靠、高安全的CTCS-3級列車運行控制系統作為統一技術平臺，結合高速鐵路調度指揮系統，為高鐵列車的運行安全及運營效率提供支持。

在實際運行中，高速鐵路列車運行控制系統不可避免地存在故障、失效等情況，如圖1所示，美國近十年的列車碰撞事故/事件平均每年為163.5次，其中發生在干線的碰撞事故平均每年35.5次(數據均來源于美國聯邦鐵路管理局的Ⅰ級鐵路事故/事件報告系統數據庫(http：//safetydata.fra.dot.gov/office of safety/)，其中2014數據統計截止到4月)。因此，為進一步保障列車的運行安全，需采用獨立的輔助技術手段作為安全保障。列車接近預警系統能夠監視追蹤列車的運行狀態，當后方列車接近前方列車，存在潛在追尾碰撞危險時，系統能夠向后方列車發出預警，提醒后方列車司機發現危險狀況并及時做出安全響應，避免災難性事故的發生[1]。在交通領域，避撞預警問題是重要的研究課題，如航海領域中的自動識別系統AIS(Automatic Identification System)[2]；航空領域中的交通預警和避撞系統TCAS(Traffic Alert and Collision Avoidance System)[3]；道路交通領域的車-車避撞系統V2V(Vehicle-to-Vehicle)以及車-路避撞系統V2I(Vehicle-to-Infrastructure)[4]。在鐵路領域，2010年德國已經在一個軌道列車測試段演示了一種列車防撞系統[5]；印度貢根鐵路有限公司開發了一種列車防碰撞系統，命名為防撞裝置網絡(Anti-Collision Device Network)[6]；美國阿拉斯加鐵路公司開展了鐵路防撞系統(Railroad Collision Avoidance System)研制項目[7]；日本新干線也已有“車輛接近警報系統”用于實際運營[8]。

圖1 美國近十年碰撞事故統計

結合國外目前列車接近預警系統的發展，為了保證我國鐵路交通運輸的穩定安全運行，我國自2011年開始研制與應用適用我國高速鐵路的列車接近預警系統[9]。本文針對高速鐵路列車接近預警系統，分別剖析列車安全避撞過程中的所有時序分量，通過時序分量的計算獲得精確的列車安全接近時間。基于列車最大常用制動和緊急制動情況下的列車安全接近時間，研究適合于列車接近預警系統的安全預警方法。

1 列車接近預警系統

列車接近預警系統[10]是一套獨立于既有信號系統，采用非信號模式，綜合利用列車定位信息及安全預警邏輯實現對同線路、同方向運行列車的安全狀態進行監測及接近預警的保障系統，對列車追蹤運行中可能出現的危險情況以及信號系統失效導致的安全隱患提供合理、準確、高效的安全預警。列車接近預警系統包括地面子系統和車載子系統兩部分，系統結構如圖2所示。

圖2 列車接近預警系統結構圖

列車接近預警系統采用列車組合定位系統(GPS/北斗二代衛星導航系統、車輪傳感器等)實現列車精確定位，通過車地無線通信網絡(GSM-R/GPRS網絡)進行列車位置信息(列車運行公里標、速度、方向等)的交互，地面監控中心的列車位置控制器TLC(Train Location Controller)接收運行線路中的列車位置信息，并進行綜合檢測、處理、位置判定邏輯計算、車間動態距離計算及列車接近安全預警決策，最終通過無線通信網絡向后車發送預警信息。車載設備根據接收到的預警信息，在車載顯示設備上向司機給出當前安全運行狀態的提示，司機可以根據相關安全預警信號采取相應的安全措施。如圖3所示，列車接近預警系統運行場景中的預警決策具體流程可以用統一建模語言UML(Unified Modeling Language)中的順序圖表示。

列車運行過程中，車載設備周期性(3 s)地向TLC發送列車位置報告，位置報告內容包括：車次號、車載設備ID、線路號、經緯度、速度、時間戳、公里標、運行方向。

圖3 列車接近預警策略順序圖

2 列車安全接近時序分析

目前的預警決策主要基于列車間的距離，但對于時間因素并未詳細考慮在內，為了查明列車安全接近時間分量的變化對列車接近預警的決策產生何種影響，本文針對列車安全接近過程中的時序分量展開分析，討論列車接近的不同場景事件中的時序分量，以進一步精確計算列車安全接近時間。

2.1 安全接近過程分析

列車安全風險主要涉及列車間的距離和時間兩個因素，列車接近預警過程涉及到位置信息交互時間、無線通信延時、司機的反應及其他時間因素，因此本文選擇時間維度進行列車接近時序分析。針對列車接近時序中的列車位置信息交互時間、司機接收預警信號做出反應的時間、列車惰行時間、列車制動時間及安全防護時間展開詳細分析。

安全接近時間SAT(Safety Approach Time)是從發現潛在碰撞威脅到恰好避免碰撞的時間間隔[11]。圖4描述了列車安全接近過程中的基本時序分量。

如圖4(a)所示，前車以100 km/h的速度行駛，后車以200 km/h的速度逐漸接近前車。

Ti時刻表示TLC檢測到前后車輛存在潛在碰撞危險；Tk時刻表示后方列車開始采取制動措施；Tm時刻表示后方列車安全接近，恰好避免碰撞危險。

如圖4(b)所示，SAT表示從Ti時刻到Tm時刻，后車從發現潛在危險、實施避險措施到最終恰好避免碰撞危險。本文中列車接近預警系統通過車載顯示單元進行危險提示，因此司機有潛在的危險報警信號接收時間，在極端情況下Ti到Tm間的時長將會特別短(例如特殊情況下前車停車，后車高速運行且司機沒有提前采取危險避撞措施)。假設司機接收到危險報警信息并做出危險避撞措施的情況下，Ti到Tm間的時長涉及到眾多因素，包括前后車運行速度、前后車間距、司機反應時間、后車的制動系數等。

圖4 列車安全接近時序分析

如圖4(c)所示，SAT可以被分解為各時序分量，可用于分析減少潛在的事故危險，時序分量主要分解為3個時間階段：

A.列車位置信息交互階段：該階段TLC接收前后列車位置報告信息，前后列車位置報告信息獲取越遲，列車采取避撞措施的時間越少。

B.安全預警分析階段：該階段TLC根據列車位置報告進行前后相鄰車排序、距離計算及接近預警決策，如果檢測到潛在危險，將向后車司機發送安全預警信號。

C.列車安全避撞階段：在確認碰撞危險的情況下，將采取必要的措施進行危險避撞。避撞時間與列車加速度、列車質量、列車速度等參數有關。列車常用制動是在正常情況下為調節或控制列車速度包括進站停車所施行的制動，稱為“常用制動”，它的特點是作用比較緩和而且制動力可以調節。在緊急情況下為使列車盡快停止所施行的制動，稱為“列車緊急制動”，其特點是作用全部的列車制動力，達到最大的制動效果。

2.2 時序分量

列車接近預警系統必須根據前后方列車的運行位置和運行狀態進行分析評估，盡可能及時地向后方列車發送危險警告，同時為了使后方列車司機能夠獲得相應的警告類型并有針對性地采取避撞措施，可建立分級預警機制，充分分析安全避撞過程中的各時長分量，司機能夠根據警告類型擁有充分的時間消除事故隱患。

各事件的時長分量是列車安全避撞過程中所用時間的組成部分，列車運行過程中的時間、位置、速度、運行方向、與前車的距離是決定能否與前車避撞的重要因素。

(1)位置信息交互時間

位置信息交互時間指的是TLC獲取前后方列車所用的時間。當TLC同時獲得前后方列車位置信息時為最短位置信息交互時間，等于0；當前方列車位置丟失時，TLC在20 s內未接收到前方列車位置信息，為最長位置信息交互時間。

(2)無線傳輸時間

無線傳輸時間表示消息車載設備通過無線通信方式與TLC進行信息交互所用的時間，列車接近預警系統中車載設備的位置報告信息長度為31 Byte，如圖5所示，根據128 KB數據包傳輸延時的測試結果表明(測試數據來源于北京六捷科技有限公司)，99.87%的測試延時小于1 500 ms，因此本文認為無線傳輸時間小于等于1 500 ms。

圖5 數據包傳輸時延

(3)安全態勢評估及預警決策時間

TLC接收到運行線路中列車的位置報告后，結合運行方向進行邏輯計算，確定線路上列車的前后順序關系，然后根據公里標、方向和速度等運行狀態信息實時地進行相鄰兩車運行狀態安全評估，評估計算過程一般需花費1～105 ms。

接近預警決策過程中，TLC根據每個列車最新位置報告的時間戳和速度來計算接近預警等級，安全預警決策時間應當小于等于100 ms。

(4)司機反應時間

司機反應時間是車載單元向司機發出預警提示，司機接收到預警提示信息并采取相應的安全策略所用的時間。司機的反應時間對于列車安全避撞具有重要意義，司機反應時間取決于以下因素：司機制動反應時間、司機年齡、司機持續駕駛時間等。

根據相關規范[12]，車載設備信息接收時間應不大于3.5 s。

(5)列車制動時間

列車制動過程[13]如圖6所示，在動車組制動時間的計算過程中，由于動車組制動距離計算公式中沒有列車換算制動率、閘片換算摩擦系數、常用制動系數，因此，列車減速度成為計算列車制動時間的一個重要參數。

圖6 列車制動過程示意圖

列車的制動合力F[14]為

( 1 )

式中：M為列車的滿載質量，單位為kg；f為列車制動力，單位為kN；g為重力加速度；w為列車基本阻力，單位為N/kN；we為列車附加阻力，單位為N/kN，包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力；wa為空氣阻力，單位為N/kN。

假設列車制動初始速度為vi(單位為km/h)，列車制動目標速度為vt(單位為km/h)，速度間隔為Δv=vt-vi(單位為km/h)，無線傳輸時間為Tc，司機反應時間為Tr，列車回轉質量系數為r。

無線傳輸時間內列車行走的距離Dc為

Dc=vi·Tc

( 2 )

司機反應時間內列車行走的距離Dr為

Dr=vi·Tr

( 3 )

假設列車在速度間隔Δv(vi～vt)內的制動合力不隨速度變化而變化，根據列車牽引計算可以得到列車的制動距離Db和制動時間Tb為

( 4 )

( 5 )

列車總制動距離為列車安全制動距離與司機反應距離之和，列車總制動距離Ds和總制動時間Ts為

vi(Tr+Tc)

( 6 )

Ts=Tb+Tr+Tc

( 7 )

列車制動分為常用制動和緊急制動兩種制動方式。

①列車常用制動時間

列車常用制動時間表示列車采取常用制動方式(制動系數為0.798)，從實際初始運行速度Vi減速到安全運行速度Vt，達到列車避撞目的所用的時間。

列車正常運行時，主要采取常用制動，用于列車在運行過程中速度的調節或進站停車等。常用制動采用減速度控制方式，制動系統根據速度和司機控制器手柄級位確定所需的減速度，進而計算出應該施加的制動力。減速度和制動力會隨著速度的不同而實時調整，制動力還會根據列車質量而自動調整。常用制動時，將充分發揮動力制動力，不足的制動力再由空氣制動系統補充。

②列車緊急制動時間

列車緊急制動時間表示采取緊急制動方式使得列車緊急停車(Vt=0)，施加緊急制動時產生最大制動力(制動系數為0.9)，以達到最大減速度，保證列車在最短距離內安全停車，從而達到列車安全目的所用的時間。

緊急制動的主要目的就是使列車能夠在盡可能短的距離安全停車。此時列車將以最大可能的制動力進行制動，從而盡可能地保證安全，遠離危險源。

根據CTCS-3級列控系統相關計算規范規定，緊急制動和最大常用制動時間見表1。

表1 緊急制動和最大常用制動時間

(6)安全防護時間

安全防護時間表示列車走過安全防護距離所用的時間，由于列車安全制動曲線的計算以及測速測距等都存在一定的誤差，故必須設置一段安全防護距離作為列車制動的目標點，防止由于計算、測量的誤差造成列車碰撞安全隱患。原鐵道部在CTCS-3級列控系統技術規范中規定，CTCS-3級列控系統的區間安全防護距離為110 m[13]。

列車安全制動模型中[13]安全防護距離的因素包括前行列車位置不確定誤差(包括列車最大遛逸距離)、列車牽引、制動特性等。

①基于GNSS定位誤差

列車接近預警系統基于GPS/北斗二代衛星導航接收機結合車輪傳感器實現列車定位，由于列車定位僅在二維空間內進行[15]，因此誤差檢驗的對象取水平位置誤差PE(Position Error)。出于安全性的考慮，在PE的基礎上引入安全保護水平PL(Protection Level)。

PL定義了列車二維位置估計的不確定性，在一定的置信概率下將列車位置估計擴展到一個有界區域內。利用組合定位融合估計誤差的相關參量，可以將列車位置拓展到列車的整體，為列車定位系統需向地面控制中心發送的車頭、車尾位置增加安全裕量，構成完備的列車位置描述[16]，如圖6所示。

通過PE和PL的計算進一步為其增加安全距離，得到最不利前端/后端位置，它們之間的距離衡量了列車作為一個整體的位置不確定性。

根據系統要求，區間內列車位置誤差的可接受范圍為1.2 m，水平保護距離報警閾值設為20 m。

②列車惰行時間

列車惰行時間TCT(Train Coasting Time)包括列車啟動制動系統延時時間、牽引卸載時間及制動空走時間。

根據相關規范規定[13]，牽引卸載時間為0.6 s，啟動制動系統時延時0.5 s，制動空走時間常用制動取1.5 s，緊急制動取2 s。

③緊急制動目標點與最大常用制動目標點位置差

車載ATP的緊急制動目標點和最大常用制動目標點不在同一位置，兩者之間有一定的間隔，我國CTCS-3級列控系統取這兩者的間隔為10 m[13]。

3 列車接近預警方法

3.1 列車安全接近時間計算

由圖6可知后方接近列車與前車間的安全接近距離SAD(Safety Approach Distance)及后方列車安全接近時間SAT為

SAD=Ds+Dp+LT+2DPL+Dl

( 8 )

( 9 )

(10)

當后方列車采用緊急制動時，安全接近距離及安全接近時間分別為SAD′及SAT′，根據2.2節分析，SAD′、SAT′與SAD、SAT相比，僅制動系數及列車惰行時間不同，此處不再累述。

如圖7所示，在前方列車勻速行駛的場景中，前方列車保持固定運行速度100 km/h，后方列車以200 km/h 的速度接近，此時后方列車采用最大常用制動及緊急制動方式安全接近前方列車的時空軌跡分別如圖7中帶圓圈的曲線和帶矩形的曲線所示。

圖7 前方列車勻速行駛

如圖8所示，在前方列車靜止的場景中，前方列車停止在20 km處，后方列車以200 km/h的速度從0 km 處開始接近前方列車。

圖8 前方列車靜止

由圖7和圖8可以得出：

(1)無論前車是否靜止，當后車采用緊急制動方式時，后車制動目標速度為0。當后車采用常用制動，后車速度不大于前車速度時，認為后車安全接近前車。

(3)當后車分別采用常用制動和緊急制動時，以上場景中的SAT和SAT′相差8 s，考慮到在實際運行時列車接近預警過程中的時序分量誤差，本文將前后車相距的SAT和SAT′間的時間差作為最后緊急告警時間。

3.2 列車接近分級預警

隨著后車逐漸接近前車，為了向后車提供合理的預警信號而盡量不干擾司機的正常行車，本文基于SAT及SAT′將預警信號按照顏色劃分為藍色預警、黃色預警和紅色預警3個等級[17]。

在列車行駛的過程中，為了保障列車安全，必須保證列車間以一定的安全間隔運行。基于移動閉塞原理，列車后方加上安全接近時間可以構成一個與列車同步移動的安全防護分區，本文定義為時間防護分區[18，19]，通過保證列車前后的安全時間，使得列車能以較高的速度和較小的時間間隔運行，在保障列車運行安全的同時，提高運營效率。列車后方加上SAT為普通時間防護分區，列車后方加上SAT′為最小時間防護分區。

為了向后車提供列車接近預警，且更加清楚地表明當前所處的潛在危險狀況，同時向后車司機提供合適的應對措施，如圖9所示，基于SAT及SAT′將后車快速行駛接近前車的時間過程按照危險性等級劃分為3個等級，并以不同的顏色表示。

圖9 列車接近三級預警過程

藍色預警：當后車與前車的時間間距小于等于2×SAT且大于等于2×SAT′時，后車與前車的時間間距已經在2×SAT以內，若后車繼續以更高速度接近前車時存在潛在安全沖突風險，TLC向后車發送藍色預警信號，司機接收到預警信號后應立即注意本車的運行狀況，同時時刻關注前車位置動態。

黃色預警：當后車與前車的時間間距小于2×SAT′且大于等于SAT時，后車將接近普通防護分區，后車將有較高可能性繼續以更高的速度接近前車，使得車間時間間距小于普通防護分區，因此存在安全沖突風險，TLC向后車發送黃色預警信號，司機接收到預警信號后應當立即采用常用制動降低列車速度。

紅色預警：當后車與前車的時間間距小于SAT時，后車與前車的時間間距小于普通防護分區，存在嚴重的安全沖突風險，TLC向后車發送紅色預警信號，司機應當立即采取緊急制動措施。

如圖10所示，在前車靜止的場景中，隨著后車逐漸接近，TLC根據兩車間的時距分別給出三級預警。

圖10 列車接近分級預警

列車接近三級預警方法采用簡單明了的藍色、黃色及紅色預警信號機制，在較好地表達列車接近風險等級的同時，司機能快速明確地確認危險情況，并根據要求做出相應的安全措施。

3.3 實驗測試

2012年6月在漢宜鐵路進行了列車接近預警系統現場測試，測試車型為CRH5A型動車組，測試線路包括漢宜鐵路雙向5個車站(包括漢口站、天門南站、潛江站、荊州站及宜昌站)，如圖11所示，測試場景為包括多個列車接近預警場景的兩車追蹤運行測試。

圖11 漢宜鐵路現場測試示意圖

本文針對漢宜鐵路現場測試中的實際數據，選取列車接近預警場景在實驗室進行模擬測試，場景中前車以80 km/h的速度沿宜昌到漢口方向行駛，后車以200 km/h的速度逐漸接近前車。實驗室模擬過程中分別將前車和后車車載處理單元的日志數據通過GpsGate進行模擬回放，列車接近預警監控程序進行數據接收及預警邏輯判斷。

根據三級預警計算方法，在上述列車接近場景中，SAT′=79.8 s，SAT=107.8 s。基于SAT及SAT′的列車接近預警過程如圖12所示。測試結果表明，列車接近預警方法能充分考慮列車接近過程中的時序分量，能夠較好地運用于列車接近預警系統中，進一步保障列車運營安全。

圖12 列車接近預警監控示意圖

4 結論

本文針對列車接近預警系統，基于時序分析研究列車接近預警方法。首先分析了列車安全接近過程中的信息交互時間、無線傳輸時間、安全態勢評估及預警決策時間、司機反應時間、列車制動時間以及安全防護時間等各時序分量，并分析計算了列車安全接近時間。基于SAT提出了列車接近分級預警方法，針對列車接近過程中的兩車時距間隔，劃分為藍色預警、黃色預警及紅色預警三級預警信號。但是目前仍有未完善的問題，主要包括：

(1)文中針對高速列車的運營情況，只對前后列車追尾相撞的場景進行了分析，為擴大列車接近預警系統的應用范圍，下一步可以考慮其他列車相撞的場景。

(2)列車接近預警方法基于移動閉塞思想提出了時間防護分區，并以時間防護分區為基礎進行分級預警，可以進一步建立列車接近風險評估方法，隨著后車接近而實時評估列車接近危險性。

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