城市有軌電車安全綜合技術研究

文/何利英，上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 、上海有軌電車工程技術研究中心副主任

作為路面中運量公共交通系統，有軌電車運行需同道路上通行的其他交通方式統籌考慮，在有軌電車專用路權和優先通行的同時保證地面交通有序協調運行。若有軌電車發生安全事故，將極大地影響公共交通的吸引力，造成城市交通運行嚴重堵塞。因此，如何保障有軌電車安全平穩運行、控制事故發生概率、提高事故應急能力等是有軌電車系統亟待研究的重要課題。

一、項目概況

本科研項目為中國城市軌道交通協會2019年度科研專項，在中國城市軌道交通協會現代有軌電車分會的領導下，參與方為上海城建設計研究總院（集團）有限公司、北京城建設計發展集團股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、上海富欣智能交通控制有限公司、公安部交通管理科學研究所、蘇州高新有軌電車有限公司、沈陽渾南現代交通有限公司、淮安市現代有軌電車運營有限公司、武漢光谷交通建設有限公司、珠海城建現代交通有限公司、廣州有軌電車有限責任公司、深圳市現代有軌電車有限公司、上海松江有軌電車投資運營有限公司。

整個研究過程，共計13家單位，超過30人參與到本報告的各部分內容的研究以及編寫。調研單位共計11家現代有軌電車單位運營公司。

整體的技術路線是借鑒國外安全運行強制性標準，通過國內外已運營有軌電車事故調查分析，按照城市有軌電車運營安全技術要求，從車輛及供電制式安全技術、行車組織與運營管理安全技術、運營控制與交通信號系統、應急處置與預案管理技術研究等方面開展研究。

二、主要研究內容

（一）國內有軌電車安全事故調研與分析研究

首先，對國內有軌電車安全事故調研與分析研究發現，事件是客觀發生的，事故是事件的結果。事件可分為4大類23小類，包括交通事件、運營事件、自然災害和公共安全事件，具體見下表。

大類 小類 備注1.1 與行人碰撞 ——1.2 與自行車/電動車碰撞 ——1.3 與機動車碰撞 ——1.4 與有軌電車碰撞 ——一、交通事件1.5 其他機動車撞擊接觸網柱等輔助設施、超限車刮弓、非機動車卡在鋼軌等2.1 異物入侵 ——2.2 冒號 ——2.3 客傷 ——2.4 錯行 ——2.5 火災 ——2.6 脫軌 ——2.7 擠岔 ——2.8 傾覆 ——2.9 路基塌陷 ——2.10 其他二、運營事件弓網路障、超級電容故障、地面供電模塊故障、變電所跳閘等3.1 大風 ——3.2 水淹 ——3.3 雷擊 ——3.4 地震 ——3.5 其他 大霧、冰凍等三、自然災害等4.1 疫情 ——4.2 恐怖襲擊 ——4.3 其他 生化、毒氣、重大刑事案件等四、公共安全事件

由此可看出，交通事件主要是和交通管理、交通系統規劃設計有關；運營事件與車輛等設施設備有關；自然災害是和停運環境有關，包括停運條件及應急處置方案；公共安全事件，屬于重大事件。

其中，與行人碰撞是主要的安全事故。

·與行人發生碰撞分為：交叉口行人闖紅燈、軌行區行人進入軌行區、車站乘客進入軌行區；

·與自行車/電動車碰撞分為：交叉口闖紅燈打滑或卡槽、軌行區車輛進入軌行區，車站違停；

·與機動車碰撞：交叉口左轉、違規掉頭、闖紅燈；軌行區/車站，車輛進入軌行區；視距，極端天氣/夜間遠光；

·與有軌電車碰撞：司機駕駛：司機未遵守駕駛規則、司機瞭望不足、司機未確認信號、故障檢修防護不足、過岔速度超速；信號系統：設備調試不足。

此外，異物入侵是目前有軌電車系統運行過程中較易發生的。脫軌可能是由于在小半徑曲線段超速運行，或者軌行區有較大的障礙物；傾覆屬于重大安全事故。

據調研，交通事件主要發生在交叉口（59%）位置；運營事件的影響因素包括司機行為、視距問題、社會車輛違章（掉頭、左轉及闖紅燈）、行人穿越、設備故障檢測等；自然災害事件集中在停運條件問題；公共安全事件經過本次疫情積累了成熟的經驗。

（二）面向運行安全的有軌電車車輛及供電制式研究

1. 面向司機、乘客及行人的車輛安全技術

·駕駛員視野設計方法：前擋玻璃的可視范圍均應滿足視線高度相對于水平面向上25°視野范圍；視線高度以下視野范圍保證前方1米處看見1.1米高度位置；在水平視野上，左右兩側視野末端與前方呈180°角，在前方β角最少90°內，設計上不允許有柱或者其他遮擋；而角度外的柱或其他遮擋物產生的掩蔽角α最大允許為6.5°；

·碰撞安全設計：司機室底架結構能承受400KN縱向壓縮載荷要求；在前端裝有吸能裝置的緩沖區域，能減少兩輛相同車輛在5公里/小時情況下的碰撞危害。當碰撞發生時，損害一般僅限于可更換的緩沖區域、能量吸收區和司機室底部裝飾組件。這種防碰撞能量吸收能力也適用于和路面車輛碰撞造成的損害。當兩輛車以15公里/小時的速度碰撞時，可有效減少對客室的影響。考慮乘客和司機保護需滿足：乘客空間的永久性變形限制在初始空間的1%；在司機室駕駛臺和司機室后墻之間提供至少750毫米的保護空間；對于司機和乘客，最大縱向減速度控制在5g。

·行人保護安全設計：行人一旦倒在車輛前方，該裝置的觸發機構首先與行人接觸，觸發機構向后方翻轉，聯動機構進行動作從而解鎖保護裝置，保護裝置下翻將行人鏟起，承托在保護裝置上，避免行人卷入車下，同時保護裝置的工作電信號會直接傳達到駕駛室觸發緊急制動，同時司機也會第一時間對車輛采取緊急制動，停車救助傷員。最后復位手柄具有將保護裝置復原的功能。

·制動系統安全性設計：有軌電車線路站間距較小、速度較高，并采用人工駕駛，機動車和行人有可能進入。因此，從運行安全角度考慮，不但要求車輛牽引加速度和制動減速度均要大（牽引加速度為1~1.3m·s2、制動加速度為 1~1.2m·s2，緊急制動減速度一般為 2.8 m·s2），以提高旅行速度，而且要求制動系統容量較大、制動距離較短。

·內飾安全性設計：內裝設施中出現的尖角、棱邊易對乘客造成人身傷害，車輛內裝部分對過渡部位均采用緩和性設計。在兩側的主要站立區設置位置合適的扶手及拉環；內裝各部位均采用穩固性設計，具備足夠的強度抗沖擊振動。合理設置安全錘和滅火器等應急設備，在緊急情況下可快速有效的取用。

2.司機安全駕駛行為監控和防撞預警系統技術

·司機安全駕駛行為監控：通過疲勞駕駛系統視覺感知來監測駕駛員的眼球運動和頭部運動。駕駛員在駕駛有軌電車時由于疲勞、分心駕駛等均會造成駕駛員面對突發情況反應不及時引發事故，疲勞駕駛系統可以降低駕駛員的危險駕駛風險。如果發現駕駛員有疲勞駕駛的現象，系統將對駕駛員發出實時的聲光報警。

·障礙物檢測系統：有軌電車障礙物檢測系統采用視覺和激光相融合的方式，對有軌電車前方以及側面區間進行實時探測、對場景數據深度學習，當存在追尾或障礙物碰撞等重大安全危險隱患可能性時，可以提前輔助預警，減少重大事故發生。

3.車輛供電制式安全及車載儲能設備管理監測系統技術

·車輛供電制式安全研究：接觸網，應用廣泛，技術成熟可靠，成本低，是最為可靠的供電制式；地面供電系統對于沿線區域的排水系統、平交路口施工質量要求高，后期運營維護工作量大。磁感應式同樣是建設及運營維護成本很高。儲能式供電系統中蓄電池供電充電時間長，可能無法滿足個別項目的運營要求。

·車載儲能設備管理監測系統：模組管理（均衡管理）；系統控制（實現SOC估算、故障保護、充電管理、維護）；信息采集（硬件實現電壓、電流采集等功能）；軟件控制（軟件開發平臺進行控制邏輯和基本功能模塊的開發，該軟件開發平臺具有圖形化開發環境，代碼自動生成及仿真等功能，可以跨平臺移植）。

4.車輛綜合智能運維系統

·系統架構：車聯網系統（數據基礎）、軌旁車輛綜合智能檢測系統、車輛維護信息管理系統、多源異構數據傳輸體系、維修專家系統。

（三）有軌電車運營控制與交通信號系統安全技術

1.風險框架基本內容：在項目的全生命周期進行安全分析，覆蓋所有的安全活動，隱患被識別、分類、記錄和解決；風險被分類和接受，從而增加系統的安全性。研究根據相關規定識別和定義了4種嚴酷度等級（災難性的、嚴重的、次要的、輕微的），并梳理安全隱患。

2.運營控制系統安全技術要求：根據前述分析，提出系統安全技術要求。

·軟件部分：系統的軟件涉及行車安全的子系統軟件的安全性完善度達到最高等級，即關鍵功能失效后可能產生的危險嚴重程度為最高時所考慮的等級。功能化、模塊化，軟件設計結合容錯和避錯設計策略，使所設計的軟件符合系統的故障導向安全要求。操作系統、網絡管理系統、數據傳輸系統、應用軟件均具有冗余、容錯、糾錯、防病毒的功能。涉及行車安全的應用軟件采用雙份編碼，保證命令輸出的正確性。

·硬件部分：繼續保持對傳統硬件安全理論的遵從。結合硬件所搭載的上層軟件和業務的性質，識別和定義不同硬件應當具備的安全技術特性。考慮功能安全和信息安全的共同影響。

3.交通信號系統安全技術要求

·信號分類：請求/反饋類。包括優先控制功能開啟/關閉信號、接近預告信號、接近請求信號。狀態類：主要為平交道口占用信號。安全類：與有軌電車放行沖突綠燈點亮信號、有軌電車控制器故障信號、信號機嚴重故障狀態信號。

·信號安全等級：將信號按照安全等級進行劃分，并進行優先響應。

序號安全等級 信號名稱 采取的動作1信號機嚴重故障狀態信號信號機硬件黃閃、自恢復處理2有軌電車控制器故障信號信號機關閉有軌電車優先請求控制功能3有軌電車控制器關閉有軌電車通行信號高 低與有軌電車放行沖突綠燈點亮信號4有軌交叉口占用信號信號機進行延長處理、故障判斷5優先控制功能開啟信號信號機控制功能的開啟/關閉6有軌電車接近請求信號信號機微調調整放行信號時間7接近請求反饋信號 有軌電車駕駛人操作提示8有軌電車接近預告信號 信號機預調整放行信號時間

·信號傳輸方式：目前應用較普遍測傳輸方式大致有并行、串行。考慮到信號接入的通用性、傳輸的可靠性以及傳輸距離等方面，信號機與有軌電車控制器之間采用并行信號線的方式傳輸，每個信號通過繼電器進行控制驅動，由于繼電器的隔離作用，在起到抗干擾的同時，可解決信號交互的適應性。

·控制策略：

4．車載輔助安全防護技術研究

·超速及闖紅燈：在彎道、隧道、路口、折返站等易發事故區域，采用超速及闖紅燈防護技術。

·障礙物檢測及防撞：依靠雷達及視頻等傳感器，根據其動態性、距離、速度以及有軌電車的速度、制動特性計算評估其對電車的危害程度。

5．運營控制系統智能運維

當前有軌電車運營控制與交通信號系統的運營維護主要為以實時監測和計劃修結合的方式，效率較低。

（四）有軌電車行車組織與運營管理安全技術研究

基于以上的內容，研究提出利用大數據、人工智能等智能運維方式替代人工分析和處理海量運維數據信息，減少處理過程中可能存在的疏漏，降低人力成本，提升系統運維的自動化程度和運維質量，從而提高運營安全。

安全防護措施：乘客事故的防護，第三方事故的防護：專用路權及防護隔離設施、交叉口防護、車站防護、人行過街防護、公共區域防護、車輛防護等；防脫軌，防火。

（五）有軌電車應急處置與預案管理技術研究

面向自然災害事件的應急處置與預案管理技術：停運條件包括：軌面積水深度、持續風力、能見度等。對此期望形成一個統一標準，對限速通過、停運等進行分類。最后，針對各個城市進行防疫預案的梳理，形成城市有軌電車運營安全技術要求的研究內容。

三、對下階段研究工作的建議

2021年5月6日，國務院安委會國務院安委會辦公室印發緊急通知，部署各地區、各有關部門和單位深刻吸取墨西哥地鐵軌道橋垮塌重大傷亡事故的慘痛教訓，舉一反三加強我國城市軌道交通安全工作。本研究提出主要分為以下五個方面：

1.嚴防險性事件發生：列車脫軌、列車沖突、接觸網塌網、信號系統重大故障等；

2.強化安全隱患排查；安全評估程序；

3.完善應急處置預案；應急預案；

4.施工安全專項治理；施工階段項目管理，新技術；

5.強化監測維護維修：加強運營維保。

同時，本研究通過實踐及調查反饋，結論如下：

·有軌電車是地面交通系統中最安全的交通方式，以“事故數量/萬公里”為指標，在5個城市與公交系統的安全性對比中，有軌電車系統都體現了明顯的優勢。

·有軌電車發生交通事故是正常的，分級管理+快速處置。從系統上避免特別重大事故；防止重大事故發生；快速處理較大事故；提高一般事故應急管理水平；運用新技術輔助避免險性事故的發生。·專用路權是處理安全與效率的最佳方式。

·司機是運營管理的核心。司機安全駕駛行為監控，防止駕駛員不安全行為；防撞預警系統，對限界侵入物體進行報警。

·安全評估常態化（初期運營、運營期間）。

·進一步完善事故分級標準。

·制定事故報告與行業技術報告發布機制。

·探索圍繞自動駕駛的安全技術集成應用。

經過有軌電車十多年的發展，有軌電車可以成為中小城市、大城市區域的骨干公共交通方式，需要大家共同努力去維護好，能讓它真正在城市里面發揮作用。