基于北斗衛星的列車完整性檢查技術方案

范 楷，張 淼，滕 達，馮浩楠，段宏偉

（1．中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；

2．國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，北京 100081）

以列車運行控制系統為代表的鐵路信號系統如何適應國內西部及西南部地區高原、戈壁的惡劣運行環境以及人跡罕至、維護成本極高的運維條件，是信號系統發展遇到的新難題。在已有的CTCS技術體系框架下，研究能夠適應特殊環境的新型列控系統成為當前鐵路信號領域工作的重點。適應發展需求的列車自主完整性檢查技術是列控系統研究的關鍵點之一，北斗衛星導航技術的成熟為列車完整性檢查技術的突破奠定了基礎[1-2]。

1 列車完整性檢查定義及現有方案

列車完整性檢查，是指列車及信號系統在運行期間對列車車廂連接完整性進行的檢查。列車行駛途中如果發生解體，將對后續列車的安全構成重大威脅[3-4]。由機車牽引的貨運列車車輛間通過車鉤及風管連接，不具備有線貫通的條件，因此完整性檢查需要借助于列車尾部安全防護裝置(簡稱列尾裝置)以及軌旁設備對于軌道占用的檢測共同完成。列尾裝置通過檢查風壓是否正常，間接檢查列車完整性，當風管斷開泄漏量超過規定值時，向司機發出警示[5]。同時，軌旁設備通過占用檢查得知解體車廂位置，防止后續列車進入所在區段。目前方案主要有以下幾個方面問題。

1）傳統列尾裝置不是故障-安全設備，僅能告知司機列車完整性，無法第一時間通知信號系統列車完整性狀態。

2）軌旁設備投資及維護量巨大，無法適應我國西部、西南部鐵路惡劣、艱難的環境及運維條件。

3）目前方案無法適應移動閉塞的發展方向。

4） 列尾裝置每隔1 min甚至幾分鐘對風壓進行一次查詢，完整性檢查的實時性不足。

2 下一代列控系統完整性檢查需求分析

2013年，歐洲下一代列控系統(Next Generation Train Control System，NGTC)項目正式啟動，該項目通過對下一代列控技術體系進行研究，達到提升干線鐵路自動化水平，進一步降低信號設備運維成本，提升信號系統可用性、可靠性等目的[6]。與之對應的，我國CTCS新型列控系統方案的研究工作也正在進行，系統的核心需求包括以下兩點。

1）通過符合CTCS體系的高兼容性以及先進的追蹤運行方式使系統運營更加高效。

2）應用列車多源融合自主定位、IP化無線通信、智能駕駛、安全的列車完整性檢查等前沿技術使系統技術更加先進。

可見，簡化系統結構，通過精確的列車定位，簡化軌旁設備，實現移動閉塞是國內外學者對下一代列控系統研究的共同研究方向。列車自主進行完整性狀態檢查是以上研究方向的技術保證。

3 基于北斗衛星的完整性檢查技術方案

目前，應用于青藏鐵路的增強型列車控制系統(ITCS)通過GPS衛星定位技術實現列車定位，可見衛星定位技術在列控系統的應用已有先例[7]。隨著我國北斗衛星系統定位精度不斷提高，應用北斗衛星實時判斷列車完整性狀態成為一種可行方案。由此提出一種基于北斗衛星的列車完整性檢查方案，方案所描述的列車完整性檢查系統（The Onboard Train Integrity，OTI），由OTI列尾設備。OTI通信通道以及OTI列首設備組成。其結構如圖1所示。

3.1 OTI列尾設備

在圖1中，列尾設備由主控單元、列尾綜合定位模塊、無線通信電臺、顯示操作單元及供電電池等構成。

列尾設備在傳統列尾裝置功能的基礎上應新增如下功能。

1）實時接收北斗衛星定位信息，經過相應處理后，得出準確的列尾位置、速度信息。

2）利用風壓傳感器實時采集列尾風壓信息。

3）實時監測自身設備故障情況，在故障時生成相應報警信息。

4）完成與列首設備的一對一建聯、斷聯功能。

5）與列首設備周期性通信，發送列尾風壓、位置、速度、報警等信息。

3.2 OTI通信通道

通信通道是列首設備及列尾設備間建立聯接及進行通信的通道，該通信通道由鐵路專用無線通信網絡及IP查詢服務器組成。通信通道的作用體現在設備建聯及正常通信過程當中。OTI設備間建立聯接的過程如圖2所示。

3.3 OTI列首設備

列首設備利用列車綜合定位系統得出的列車頭部位置、速度信息，結合司機輸入的列車長度以及列尾設備發送的列車尾部風管壓力、位置、速度等信息，進行綜合計算，判斷列車完整性，并將完整性信息實時上報車載ATP設備。列車完整性狀態包括列車完整、列車完整性丟失、列車完整性未知3種情況。列車完整性綜合判斷的標準應包含以下幾個方面。

1）列首、列尾風管壓力狀態不正常且差值大于閾值，則判斷列車完整性丟失。

2）列首、列尾距離與車長差值大于閾值，則判斷列車完整性丟失。

3）列首、列尾速度差值大于閾值，則判斷列車完整性丟失。

4）車載設備超過一定時間未接收到列尾發送的任何信息，則判斷列車完整性丟失。

5）列尾設備衛星定位功能失效且風壓正常，則維持列車確認后端位置不變，此時處于列車完整性未知狀態，若在此情況下列車運行超過一定距離，則判斷列車完整性丟失。

4 OTI風險分析

OTI是列控系統當中列車完整性信息的唯一來源，承擔著重大的安全責任。結合技術方案對OTI進行系統級風險分析，并研究相應措施關閉識別到的風險，是十分必要的過程。FMECA(Failure Mode，Effects and Criticality Analysis)方法包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA），對產品所有可能的故障模式進行分析，確定故障模式，找出單點故障，按嚴重度及發生概率確定其危害性[8]。

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通過風險分析，識別出系統的風險如表1所示。

通過對系統的風險分析可以得出，OTI列首設備應實現以下安全功能。

1）與列尾設備進行配對。

2）接收列尾設備發送的坐標、速度、風壓信息。

3）根據收到信息進行列車完整性判斷。

OTI列尾設備應實現以下安全功能。

1）與列首設備進行配對。

2）通過信息源采集定位、速度、風壓信息并向列首設備發送。

得到風險列表后，應進一步確定所有可能的措施來消除或減輕故障的影響。風險減低措施與風險所具有的對應關系如表2所示。

由FMECA方法對OTI進行的初步風險分析表明以下幾點。

1）OTI列首設備應符合SIL4級安全完整性等級。

2）OTI列尾設備應符合SIL4級安全完整性等級。

3）二者間通信協議應滿足SIL4級安全完整性等級要求。

為使OTI能夠在可靠性上達到SIL4級安全完整性等級要求，OTI列首設備及OTI列尾設備都應設計為二乘二取二的安全冗余結構。

5 結語

本文著重介紹一種基于北斗衛星的列車完整性檢查方案，并應用FMECA方法對其進行系統級風險分析。該方案不僅可以解決現有方案存在的問題，還具有如下優點。

1）判斷列車完整性丟失后，在警示司機的同時，還第一時間制動故障列車并通知信號系統進行安全防護。

2）依靠北斗衛星定位技術，最大程度地簡化區間軌旁設備，提升系統惡劣環境適應能力。

3）完全支持移動閉塞運行方式。

4）將傳統列尾裝置優化為SIL4級故障-安全設備，大幅提高其安全性、可靠性。

為提高國內西部開發戰略運輸大動脈的運營效率，以及進一步支撐“一帶一路”國家戰略，基于北斗衛星的列車完整性檢查技術應與基于北斗的列車多源融合定位、智能駕駛ATO等前沿技術一道，成為國內信號系統當前技術研究的重點。