潘亦欣1 沈 拓2 鄧 奇3
（1.上海軌道交通維護保障有限公司車輛分公司，中國 上海 200444；
2.同濟大學交通運輸工程學院，中國 上海 201804；
3.上海申通地鐵集團技術中心，中國 上海 201103)
【摘 要】近年來，隨著上海城市軌道交通網絡的大發展，地鐵運營公里數、列車數的不斷增加，軌道交通運營方逐步把關注焦點從確保市民基本的出行延伸到如何安全、快速、高效地運送乘客。本文在對上海軌道交通7號線列車新安裝的第一代輔助防撞系統原理、特點分析的基礎上，結合列車發生追尾、出軌等事故的原因，提出了對列車輔助防撞系統的應用及改進建議，以提高軌道交通列車的運行安全。
關鍵詞 列車；防撞；無線射頻
※基金項目：上海市科委科技攻關計劃（12231200103）；上海申通地鐵集團有限公司科研計劃（JS-KY13R049-1）。
0 引言
隨著上海城市公共運輸網絡的大發展，尤其是軌道交通網絡化運營的時代到來，給軌道交通網絡的運營方申通地鐵集團帶來了較大的挑戰。目前，上海地鐵的客流由2012年的721.1萬增加到了901.8萬。隨著運營公里數的增加與客流量的攀升，作為城市公共運輸的骨幹，同時面對新員工、新列車、新技術等問題，如何確保安全、快速、高效地運送乘客對於運營公司也是一個較大的挑戰。
其中運營安全問題就顯得尤為重要，特別是在當自動化行車設備：列車自動控制系統（ATC）出現故障的情況下的行車安全保障，如何避免類似2011年9月27日上海地鐵10號線發生列車追尾等事故就顯得尤為必要。
本文以城市軌道交通輔助防撞系統以及其應用為例，進行詳細論述。文中所提到的輔助防撞系統是依託申通地鐵集團技術中心、維保有限公司車輛分公司及同濟大學等單位共同努力下，自2011年至今研製進行研製的。2013年10月，第一代軌道交通列車輔助防撞系統在上海軌道交通7號線07A01型電動列車上進行裝車試驗。
1 列車輔助防撞系統的原理及特點
第一代列車輔助防撞系統採用無線射頻技術，在列車行駛過程中，對運行方向實時測量本車與同一運行方向的前車之間的距離，在列車ATP（列車自動防護系統）關閉後，參照預先設定的車距閥值，評估列車與前車之間追尾的風險，為列車駕駛員提供相應級別的聲、光警示，避免追尾碰撞事故的發生。該系統的應用在很大程度上避免列車發生追尾的可能，提高了地鐵列車行駛的安全性，同時也為列車ATP（列車自動防護系統）關閉後，運行速度的提高，降低對運營線路的影響，起了至關重要的作用。本文將對第一代列車輔助防撞系統的原理、特點進行介紹，並對列車發生追尾、出軌等事故的原因進行分析，從而對列車輔助防撞系統的應用與改進提出建議[1]。
1.1 輔助防撞系統的原理
輔助防撞系統主要由系統主機、射頻天線、示警終端以及列車控制系統各小型電器組成，分別安裝於列車頭尾兩司機室內，在有電源供電情況下，車頭、車尾的輔助防撞設備都處於工作狀態。如圖1所示，在列車司機室處於受控情況下，安裝於司機室的系統主機通過司機室上部的天線，不斷實時向前方發送無線擴頻信號，若前方有列車存在且該車車尾司機室處於未受控狀態，該司機室的輔助防撞系統在收到後車發來的信號後會轉發應答信號，後車收到前車的應答射頻信號，依據電磁波傳輸延時時間T，按照車距D=V*△T/2公式（V為電磁波在空氣中的傳播速率），計算出兩列列車之間的距離。
當列車ATP（列車自動防護系統）關閉後，輔助防撞系統計算出前、後兩車相應的距離，會在司機室顯示終端上顯示出兩列車的車距（圖2），並根據不同的間距以不同的聲、光提醒方式（詳見表1），提醒司機進行列車的制動控制[2]。
1.2 輔助防撞系統的特點
第一代列車輔助防撞系統原理簡單、抗干擾能力強、測距準確、不同方向互不干擾，但是由於列車不同方向頻段不同，也造成了對向運行的列車以及在道岔區域的列車無法實施相互探測，防撞保護功能。
1.2.1 輔助防撞系統優點
（1）抗干擾能力強
列車輔助防撞系統主要依靠擴頻通信原理進行信息數據的收發工作，擴頻通信傳輸信息所用信號的帶寬遠大於信息本身帶寬，具有抗干擾能力強、抗多徑干擾性好的特點，可以提高信號傳輸的抗干擾性。
（2）測距準確
列車輔助防撞系統測距耗時約10ms左右，在1s時間內可以進行多次測距數據計算，並對距離數據做統計分析，系統主機會選擇信號最高的數據進行距離數值的輸出，確保測量數據的準確性。
（3）不同方向，互不干擾
如圖3所示，在通信的過程中，系統採用了擴頻通信原理，上行列車使用f1頻點通信，下行方向使用f2頻點，運行方向不同的列車採用不同頻段，可以阻止不同方向運行列車之間的通信，消除了相鄰股道對象列車之間的干擾。
（4）曲線段探測距離長
採用無線擴頻通信原理的列車輔助防撞系統無線探測信號有一定的衍射能力，後車的部分無線信號能夠衍射到地表傳播，通過彎道，到達前車並有效接收。前車的應答、回收信號，射頻發射功率、天線散角和方向性特徵等和後車完全相同。根據無線電波傳輸的可逆性，也能通過彎道被後車接收。2013年底，在上海軌道交通7號線正線，進行了多次兩車追蹤試驗、彎道追蹤試驗，在環境最為惡劣的隧道至高架彎道區段時的探測距離超過了400米，充分驗證了列車無線探測信號可以確保列車追蹤的穩定性。
1.2.2 輔助防撞系統缺點
（1）硬體費用貴
每台列車輔防撞系統的主機都安裝有通訊模塊，通訊模塊上的通訊晶片由於採用特殊頻段，需要特別定製，所以硬體設備的費用較為昂貴，占防撞系統主機成本的50%，造成了每個司機室僅安裝一個用於上行方向或下行方向的通訊晶片。若使用2.4GHz公共頻段的通信頻率以代替特殊頻段實現無線通訊，可以降低列車輔助防撞系統硬體定製的費用，但是可能發生與諸如軌旁設備、公共ＷiＦi設備等其他無線通信設備的通信干擾，影響輔助防撞系統設備的正常工作。
（2）上下行列車無法互相探測
為了避免相鄰股道的對象列車影響，運行方向不同的列車採用不同頻段，這樣的設計雖然避免了不同方向運行列車之間的通信，但是若兩列車在同一股道相向而行（如圖4），就有發生碰撞的可能。若兩列車在不同股道往同一股道同一方向運行（如圖5），若A車經過道岔向側股運行，B車直股運行時車尾未通過道岔，就可能發生兩車碰擦事故。
2 列車追尾原因分析與預防
2014年5月，韓國首爾、美國紐約、中國北京先後發生了列車追尾、出軌等事故，如何避免事故發生。筆者參照全面質量管理中的人、機、料、法、環五個影響因素對列車發生事故的原因進行分析（圖6）[3]。
人、機、料、法、環是全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素的簡稱。人，指製造產品的人員；機，指製造產品所用的設備；料，指製造產品所使用的原材料；法，指製造產品所使用的方法；環，指產品製造過程中所處的環境。
人員，是社會生產的主體，地鐵列車的操縱、控制都是由駕駛員來進行操控。駕駛員的經驗以及心理、生理反映的不同，都會在列車的操控中對列車的安全運營產生不同的影響。有的駕駛員駕齡長，無論是對所駕駛列車的運行環境，還是車況性能都非常熟悉，即使沒有ATC（列車自動控制系統）控制保護，他也知道駕駛到什麼方位需要進行牽引加速，到了哪點需要制動減速慢行。另外，不同心理、生理狀態的人員對發生緊急情況後的反映也不相同，所以說在列車駕駛過程中，人員的操作失誤、判斷偏差、經驗不足或是故意為之，使得人成為列車安全有序運行的第一要素。
機器，是指生產中使用的設備、工具等輔助生產用具。列車駕駛過程中，列車的控制、制動、通信系統的工作狀態正常與否，任何系統的小故障都會成為列車發生重大故障的導火線，影響著列車運行的安全。
料，指物料、半成品、配件。我們可以把其理解為列車輔助行車設備、軌旁信號設備、中央控制系統，若列車運行時，發生信號燈故障，應該顯示紅燈，卻顯示綠燈，或是該顯示紅燈時不顯示，若前方有列車運營，就可能發生列車追尾的事故。
法顧名思義，法則。指生產過程中所需遵循的規章制度。在運營規則中，列車調度員、駕駛員按照列車運營規則排進路，列車駕駛員應按照列車的駕駛規定操控列車，做到相應的監控防護動作。
環，是指環境。地鐵列車的運營收到了軌道環境以及天氣因素的影響。當列車在地下隧道區間內運行，部分區間由於隧道結構影響，駕駛員視野不夠開闊，無法發現臨近列車；當列車行駛到地面或高架車站，同樣會受到自然環境的影響，若遇到雨、雪、雷電、霧霾等惡劣天氣，可能會影響列車的運行安全。
上述不同的因素，都可能影響列車安全運行，所以說對任何一個因素的處置操作不當，都可能使得事件升級發生事故[4]。
以上海地鐵10號線列車追尾等事故為例進行分析[5]：2011年9月27日14時37分，地鐵10號線1005和1016號列車在豫園站至老西門站下行區間百米標176處發生一起追尾事故。事故直接原因是由於行車調度員在未準確定位故障區間內全部列車位置的情況下，違規發布電話閉塞命令；接車站值班員在未嚴格確認區間線路是否空閒的情況下，違規同意發車站的電話閉塞要求，導致1005號列車與1016號列車發生追尾碰撞。
事故發生時，系統以電話閉塞方式進行運營，14時35分，1005號列車持路票從豫園站發車。14時37分，1005號列車以54公里/小時的速度行進到豫園站至老西門站區間彎道時，發現前方有列車（1016號）停留，隨即採取制動措施，但由於慣性仍以35公里/小時的速度與1016號列車發生追尾碰撞。
從上分析，由於彎道導致列車司機目視距離減小，由於車速過高，最終導致追尾事故。若採用輔助防撞系統，系統可以提前對隧道彎道內停留的1016號列車進行預警，提醒後車司機提前制動減速，從而避免事故的發生。
4 總結
軌道交通列車輔助防撞系統的應用，將有效地提高列車ATP（列車自動防護）系統關閉後，列車運行中的安全性。本文對第一代軌道交通列車輔助防撞系統進行了原理及功能介紹，以及現有應用狀況進行了概述。指出通過安裝列車輔助防撞系統能有效提高列車運行安全。
參考文獻
［１］陳勇,黃席樾,楊尚罡.汽車防撞預警系統的研究與開發[J].計算機仿真,2006, 23(12):239-243.
［２］鍾震宇,鍾澤宇.汽車激活測距防撞語音報警系統的設計與研究[J].太原理工大學學報,2008,39:204-208.
［３］尤建新,杜學美,張建同.質量管理學[M].北京:科學出版社,2008:157-158.
［４］李志忠.列車追尾事故的故障樹分析兼談複雜系統安全[J].工業工程與管理，2011,16(4):1-8.
［５］地鐵10號線「9,27」事故調查組.地鐵10號線「9·27」事故調查報告[R].2011-12-16.
［責任編輯：鄧麗麗］
（1.上海軌道交通維護保障有限公司車輛分公司，中國 上海 200444；
2.同濟大學交通運輸工程學院，中國 上海 201804；
3.上海申通地鐵集團技術中心，中國 上海 201103)
【摘 要】近年來，隨著上海城市軌道交通網絡的大發展，地鐵運營公里數、列車數的不斷增加，軌道交通運營方逐步把關注焦點從確保市民基本的出行延伸到如何安全、快速、高效地運送乘客。本文在對上海軌道交通7號線列車新安裝的第一代輔助防撞系統原理、特點分析的基礎上，結合列車發生追尾、出軌等事故的原因，提出了對列車輔助防撞系統的應用及改進建議，以提高軌道交通列車的運行安全。
關鍵詞 列車；防撞；無線射頻
※基金項目：上海市科委科技攻關計劃（12231200103）；上海申通地鐵集團有限公司科研計劃（JS-KY13R049-1）。
0 引言
隨著上海城市公共運輸網絡的大發展，尤其是軌道交通網絡化運營的時代到來，給軌道交通網絡的運營方申通地鐵集團帶來了較大的挑戰。目前，上海地鐵的客流由2012年的721.1萬增加到了901.8萬。隨著運營公里數的增加與客流量的攀升，作為城市公共運輸的骨幹，同時面對新員工、新列車、新技術等問題，如何確保安全、快速、高效地運送乘客對於運營公司也是一個較大的挑戰。
其中運營安全問題就顯得尤為重要，特別是在當自動化行車設備：列車自動控制系統（ATC）出現故障的情況下的行車安全保障，如何避免類似2011年9月27日上海地鐵10號線發生列車追尾等事故就顯得尤為必要。
本文以城市軌道交通輔助防撞系統以及其應用為例，進行詳細論述。文中所提到的輔助防撞系統是依託申通地鐵集團技術中心、維保有限公司車輛分公司及同濟大學等單位共同努力下，自2011年至今研製進行研製的。2013年10月，第一代軌道交通列車輔助防撞系統在上海軌道交通7號線07A01型電動列車上進行裝車試驗。
1 列車輔助防撞系統的原理及特點
第一代列車輔助防撞系統採用無線射頻技術，在列車行駛過程中，對運行方向實時測量本車與同一運行方向的前車之間的距離，在列車ATP（列車自動防護系統）關閉後，參照預先設定的車距閥值，評估列車與前車之間追尾的風險，為列車駕駛員提供相應級別的聲、光警示，避免追尾碰撞事故的發生。該系統的應用在很大程度上避免列車發生追尾的可能，提高了地鐵列車行駛的安全性，同時也為列車ATP（列車自動防護系統）關閉後，運行速度的提高，降低對運營線路的影響，起了至關重要的作用。本文將對第一代列車輔助防撞系統的原理、特點進行介紹，並對列車發生追尾、出軌等事故的原因進行分析，從而對列車輔助防撞系統的應用與改進提出建議[1]。
1.1 輔助防撞系統的原理
輔助防撞系統主要由系統主機、射頻天線、示警終端以及列車控制系統各小型電器組成，分別安裝於列車頭尾兩司機室內，在有電源供電情況下，車頭、車尾的輔助防撞設備都處於工作狀態。如圖1所示，在列車司機室處於受控情況下，安裝於司機室的系統主機通過司機室上部的天線，不斷實時向前方發送無線擴頻信號，若前方有列車存在且該車車尾司機室處於未受控狀態，該司機室的輔助防撞系統在收到後車發來的信號後會轉發應答信號，後車收到前車的應答射頻信號，依據電磁波傳輸延時時間T，按照車距D=V*△T/2公式（V為電磁波在空氣中的傳播速率），計算出兩列列車之間的距離。
當列車ATP（列車自動防護系統）關閉後，輔助防撞系統計算出前、後兩車相應的距離，會在司機室顯示終端上顯示出兩列車的車距（圖2），並根據不同的間距以不同的聲、光提醒方式（詳見表1），提醒司機進行列車的制動控制[2]。
1.2 輔助防撞系統的特點
第一代列車輔助防撞系統原理簡單、抗干擾能力強、測距準確、不同方向互不干擾，但是由於列車不同方向頻段不同，也造成了對向運行的列車以及在道岔區域的列車無法實施相互探測，防撞保護功能。
1.2.1 輔助防撞系統優點
（1）抗干擾能力強
列車輔助防撞系統主要依靠擴頻通信原理進行信息數據的收發工作，擴頻通信傳輸信息所用信號的帶寬遠大於信息本身帶寬，具有抗干擾能力強、抗多徑干擾性好的特點，可以提高信號傳輸的抗干擾性。
（2）測距準確
列車輔助防撞系統測距耗時約10ms左右，在1s時間內可以進行多次測距數據計算，並對距離數據做統計分析，系統主機會選擇信號最高的數據進行距離數值的輸出，確保測量數據的準確性。
（3）不同方向，互不干擾
如圖3所示，在通信的過程中，系統採用了擴頻通信原理，上行列車使用f1頻點通信，下行方向使用f2頻點，運行方向不同的列車採用不同頻段，可以阻止不同方向運行列車之間的通信，消除了相鄰股道對象列車之間的干擾。
（4）曲線段探測距離長
採用無線擴頻通信原理的列車輔助防撞系統無線探測信號有一定的衍射能力，後車的部分無線信號能夠衍射到地表傳播，通過彎道，到達前車並有效接收。前車的應答、回收信號，射頻發射功率、天線散角和方向性特徵等和後車完全相同。根據無線電波傳輸的可逆性，也能通過彎道被後車接收。2013年底，在上海軌道交通7號線正線，進行了多次兩車追蹤試驗、彎道追蹤試驗，在環境最為惡劣的隧道至高架彎道區段時的探測距離超過了400米，充分驗證了列車無線探測信號可以確保列車追蹤的穩定性。
1.2.2 輔助防撞系統缺點
（1）硬體費用貴
每台列車輔防撞系統的主機都安裝有通訊模塊，通訊模塊上的通訊晶片由於採用特殊頻段，需要特別定製，所以硬體設備的費用較為昂貴，占防撞系統主機成本的50%，造成了每個司機室僅安裝一個用於上行方向或下行方向的通訊晶片。若使用2.4GHz公共頻段的通信頻率以代替特殊頻段實現無線通訊，可以降低列車輔助防撞系統硬體定製的費用，但是可能發生與諸如軌旁設備、公共ＷiＦi設備等其他無線通信設備的通信干擾，影響輔助防撞系統設備的正常工作。
（2）上下行列車無法互相探測
為了避免相鄰股道的對象列車影響，運行方向不同的列車採用不同頻段，這樣的設計雖然避免了不同方向運行列車之間的通信，但是若兩列車在同一股道相向而行（如圖4），就有發生碰撞的可能。若兩列車在不同股道往同一股道同一方向運行（如圖5），若A車經過道岔向側股運行，B車直股運行時車尾未通過道岔，就可能發生兩車碰擦事故。
2 列車追尾原因分析與預防
2014年5月，韓國首爾、美國紐約、中國北京先後發生了列車追尾、出軌等事故，如何避免事故發生。筆者參照全面質量管理中的人、機、料、法、環五個影響因素對列車發生事故的原因進行分析（圖6）[3]。
人、機、料、法、環是全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素的簡稱。人，指製造產品的人員；機，指製造產品所用的設備；料，指製造產品所使用的原材料；法，指製造產品所使用的方法；環，指產品製造過程中所處的環境。
人員，是社會生產的主體，地鐵列車的操縱、控制都是由駕駛員來進行操控。駕駛員的經驗以及心理、生理反映的不同，都會在列車的操控中對列車的安全運營產生不同的影響。有的駕駛員駕齡長，無論是對所駕駛列車的運行環境，還是車況性能都非常熟悉，即使沒有ATC（列車自動控制系統）控制保護，他也知道駕駛到什麼方位需要進行牽引加速，到了哪點需要制動減速慢行。另外，不同心理、生理狀態的人員對發生緊急情況後的反映也不相同，所以說在列車駕駛過程中，人員的操作失誤、判斷偏差、經驗不足或是故意為之，使得人成為列車安全有序運行的第一要素。
機器，是指生產中使用的設備、工具等輔助生產用具。列車駕駛過程中，列車的控制、制動、通信系統的工作狀態正常與否，任何系統的小故障都會成為列車發生重大故障的導火線，影響著列車運行的安全。
料，指物料、半成品、配件。我們可以把其理解為列車輔助行車設備、軌旁信號設備、中央控制系統，若列車運行時，發生信號燈故障，應該顯示紅燈，卻顯示綠燈，或是該顯示紅燈時不顯示，若前方有列車運營，就可能發生列車追尾的事故。
法顧名思義，法則。指生產過程中所需遵循的規章制度。在運營規則中，列車調度員、駕駛員按照列車運營規則排進路，列車駕駛員應按照列車的駕駛規定操控列車，做到相應的監控防護動作。
環，是指環境。地鐵列車的運營收到了軌道環境以及天氣因素的影響。當列車在地下隧道區間內運行，部分區間由於隧道結構影響，駕駛員視野不夠開闊，無法發現臨近列車；當列車行駛到地面或高架車站，同樣會受到自然環境的影響，若遇到雨、雪、雷電、霧霾等惡劣天氣，可能會影響列車的運行安全。
上述不同的因素，都可能影響列車安全運行，所以說對任何一個因素的處置操作不當，都可能使得事件升級發生事故[4]。
以上海地鐵10號線列車追尾等事故為例進行分析[5]：2011年9月27日14時37分，地鐵10號線1005和1016號列車在豫園站至老西門站下行區間百米標176處發生一起追尾事故。事故直接原因是由於行車調度員在未準確定位故障區間內全部列車位置的情況下，違規發布電話閉塞命令；接車站值班員在未嚴格確認區間線路是否空閒的情況下，違規同意發車站的電話閉塞要求，導致1005號列車與1016號列車發生追尾碰撞。
事故發生時，系統以電話閉塞方式進行運營，14時35分，1005號列車持路票從豫園站發車。14時37分，1005號列車以54公里/小時的速度行進到豫園站至老西門站區間彎道時，發現前方有列車（1016號）停留，隨即採取制動措施，但由於慣性仍以35公里/小時的速度與1016號列車發生追尾碰撞。
從上分析，由於彎道導致列車司機目視距離減小，由於車速過高，最終導致追尾事故。若採用輔助防撞系統，系統可以提前對隧道彎道內停留的1016號列車進行預警，提醒後車司機提前制動減速，從而避免事故的發生。
4 總結
軌道交通列車輔助防撞系統的應用，將有效地提高列車ATP（列車自動防護）系統關閉後，列車運行中的安全性。本文對第一代軌道交通列車輔助防撞系統進行了原理及功能介紹，以及現有應用狀況進行了概述。指出通過安裝列車輔助防撞系統能有效提高列車運行安全。
參考文獻
［１］陳勇,黃席樾,楊尚罡.汽車防撞預警系統的研究與開發[J].計算機仿真,2006, 23(12):239-243.
［２］鍾震宇,鍾澤宇.汽車激活測距防撞語音報警系統的設計與研究[J].太原理工大學學報,2008,39:204-208.
［３］尤建新,杜學美,張建同.質量管理學[M].北京:科學出版社,2008:157-158.
［４］李志忠.列車追尾事故的故障樹分析兼談複雜系統安全[J].工業工程與管理，2011,16(4):1-8.
［５］地鐵10號線「9,27」事故調查組.地鐵10號線「9·27」事故調查報告[R].2011-12-16.
［責任編輯：鄧麗麗］
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