高速铁路列控系统主动安全控制的分析与思考

杨 绚，陈德旺，陈 荣

(北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044)

高速铁路的可持续发展已为世界各国所公认。在全世界范围内，高速铁路都正处于发展阶段。根据国务院批准的《中长期铁路网规划调整方案》，直到2020年我国高速客运专线建设将达到1.6万km以上。

在高速铁路迅猛发展的今天，对高速铁路的安全研究显得尤为重要。在中国，2010年7月23日，北京南至福州D301次列车与杭州至福州南D3115次列车发生追尾事故，严重地危害了人民群众生命安全。显然，进一步加强铁路安全工作，促进高速铁路安全发展具有重要意义。

为了进一步做好高速铁路的安全工作，本文结合在汽车领域中主动安全的思想，提出对高速铁路的主动安全控制，其特点是发生意外之前对其做出控制，即预防事故发生所采取的积极安全对策[1]。

随着列车速度的提高，在高速铁路中对主动安全方法的研究显得更加重要。做好高速铁路主动安全控制的研究，对建设和谐铁路有着重要的社会和经济意义。

1 高速列车的安全控制现状

1.1 国内高速铁路安全控制

在既有线上进行提速。为确保列车运行安全和提高运输效率，对高速铁路装备了一系列先进的、技术成熟的、安全性能可靠的列控系统。我国300 km/h及以上高速客运专线，使用CTCS-3级列控系统作为全路统一技术平台，并兼容CTCS-2级列控系统实现动车组的上行及下行线的运行。作为中国列车运行控制系统的重要组成部分，CTCS-3级列控系统主要面向提速干线、高速新线和特殊线路。CTCS-3级列控系统采用GSM-R（Global Mobile System for Railways），进一步解决了超速防护信息可靠高速率传输的问题[2]。

（1）CTCS-3级列控系统通过由车载设备接收RBC（无线闭塞中心，Radio Bock Center）传送的运行许可（Movement Authority，MA）、临时限速信息等，并由车载设备向RBC(Radio Block Center)传送列车运行位置报告信息等，进一步确保列车安全运行；

（2）通过无线闭塞中心RBC来监督列车完整性，跟踪管辖范围内各车行驶位置，根据给每一列车单独设立的基础信号系统来确定运行许可，确定列车许可范围内轨道区段空闲；

（3）CTCS-3级列控系统还通过列控中心采集区间轨道电路信息，并发送给RBC，以进一步确保不发生列车追尾等问题；

（4）通过车站联锁设备，向调度中心CTC（Centralized Traffic Control）分机发送站场设备实时状态，以确保正确的行车调度。

据我国的具体情况，列车运行控制系统为满足不同速度列车混合运输的运行方式，提出采用区间不设地面通过信号机，自律分布式、模块化的系统结构形式。系统分地面和车载设备2大部分，地面设备产生列车控制所需基础数据，传送给列车经车载设备处理，产生列车速度控制曲线，监督或控制列车安全运行[3~4]。我国列车运行控制系统还采用了列车运行自动控制系统，车载设备根据从接收的速度信息生成限制速度、目标速度、司机根据车载设备显示出的限制速度和目标速度来驾驶。当列车的运行速度大于限制速度时，车载设备就自动执行制动，使列车减速或停车，进一步确保列车行车安全[5]。

1.2 国外高速铁路安全控制

早在1983年，为保证列车安全运行，北美铁路部门希望首先消除信号盲区，并从节省成本的角度考虑，希望不用地面信号设备，而通过无线方式实现列车的控制，之后，美国铁道协会AAR及加拿大铁道协会RAC一同提出了先进列车控制系统（Advanced Train Control System,ATCS）。其主要思想是要通过数字数据通信手段和先进的微处理器，获取列车位置信息、列车速度信息的前提下，对列车进行闭环控制[6]。其通过对整个系统提供可靠的检查与平衡手段，利用车地间双向信息通道实现对列车的闭环控制，大大降低人为错误的影响，实现列车安全行车的目的。

20世纪80-90年代，为保证列车安全运行，发达国家纷纷发展了具有本国特色的安全列车运行控制系统，其中具有前瞻性的主要包括了欧洲ETCS（European Train Control System）、日本的ATC（Automatic Train Control）系统、法国的U/T系统、德国的LZB等。高速铁路在亚洲和欧洲都得到了快速发展。

另外，为适应高速铁路的发展，各国都在积极研制最新无线通信的铁路信号系统（Transmission Based Signalling, TBS），在以往的CTC调度集中系统中，CTC根据列控中心告知区段闭塞分区状态，再通过车站到发线占用情况，大致计算出列车的运行情况，给列车排列进路。在TBS中主控中心，各运行列车的位置、速度、沿线信号设备状态可被明确知道，可通过无线通信直接给列车发送控制命令，时刻监控列车的运行状态，控制列车的运行速度，确保列车安全地以最小时间间隔运行，保证高速的同时指挥列车安全运行。

2 主动安全在高速铁路中的应用

2.1 主动安全控制的发展现状

主动安全的概念在高速列车甚至整个铁路领域都还没有被明确地提出，主动安全控制系统的建模与鉴定方法在高速铁路研究中也都是新的课题。主动安全，其核心内容是指在车辆高速行驶状态下操纵稳定性、制动稳定性、适应环境状况和天气变化等动态未知变化等的能力。

主动安全系统是指如何防止和避免事故发生的系统和装置。当前在汽车安全系统中使用较多。包括ABS（防抱死系统，Anti-locked Braking System）、ASR（驱动防滑转，Acceleration Slip Regulation）系统、汽车主动安全系统、EPS（电动助力转向，Electric Power Steering）系统、AFS（主动前轮转向，Active Front Steering）系统、SBW（Steer-by-Wire）线控转向技术等[7~8]。目前日本学者提出汽车整车主动控制的各种组合方式，结合4轮转向控制4WS、主动悬架、TCS（Traction Control System）和ABS的汽车复合控制。其中汽车制动防抱系统和汽车驱动力控制是控制汽车行驶过程中的纵向力。随着汽车行驶速度的提高，也为了解决汽车在通过突变附着系数路面保持稳定驾驶的能力，人们对汽车行驶过程中的控制提出了组合控制的要求[9]。

另外，国内外也有相关学者对城市道路交通主动安全控制系统进行研究，其主要是通过运用先进的信息采集技术、网络信息传输技术、智能化信息处理技术和现代控制技术改变现有被动的交通安全管理模式[10]，实现交通事故事前的主动防御功能，采用先进的计算机技术和网络传输技术实现各数据间的信息传输，实现该系统对道路交通安全的主动控制功能，有效地避免交通事故的发生，提高城市道路交通安全管理水平。

主动安全还包括减轻人体疲劳等。在这方面有相关文献提出将驾驶员主动安全性的辩识分成熟练、疲劳程度两个独立的部分进行评价，并在实验的基础上抽取与驾驶员熟练、疲劳程度相关联的特征参数，按照统计结果划分成模糊子集。通过模糊神经网络分别对驾驶员的熟练、疲劳程度和综合的主动安全性进行辩识和分析，定量地分析驾驶员的主动安全性因素[11]。

2.2 主动安全在列控系统中的应用

由上述列车运行中的事故案例和主动安全在汽车领域的成功应用可以看出，在快速发展高速铁路时代，研究主动安全在高速铁路的应用非常重要。仅仅依靠提高高速铁路的被动安全性，不能高效地提高高速铁路的可靠性。研究与被动安全相结合的主动安全方法显得尤为重要。

针对列车运行的各种环境因素，强风、地震，雨、雪、雷电、事故现场、施工现场等，都会对列车运行系统构成一定影响。以地震处置系统为例，虽然地震是发生概率较小，却是危害性很大的一种自然灾害。对铁路运输而言，在过去列车低速运行的情况下，地震的危害性还不是特别突出，但当列车运行速度超过200 km/h以上，哪怕是较小震级别的地震，对路基、轨道、桥梁等的冲击都可能导致危害旅客生命安全的重大事故[12]。通过对各种报警方式进行比选研究，实现对地震的紧急处置，做到对地震情况下故障的主动预测，提前做的防范。

另外，在强风作用下，列车的空气动力学模型也产生相应的改变，尤其在侧风的作用下，列车倾覆及脱轨的风险性增加，因此对其各种环境中的动力学模型研究都是必不可少的。在相关文献中提出了模拟模型，并计算列车各方向的压力，因此，列车实际运行中的风力影响也是亟待列入的主动安全研究中的重要课题[13]。

主动安全还强调对异常线路条件下的安全研究。列车运行控制系统首次在我国铁路应用，在实际的设计、施工中会遇到很多特殊的情况，需要根据技术规范要求，结合现场实际情况，不断进行完善，合理有效地解决，采取主动安全控制。例如对既有线改造中的遇到的特殊站场，应根据不同情形使用不用的列控方案，提出优化方案，在确保提速顺利的基础上保证其安全。

目前高速铁路大多采用车地无线通道实现信息的交互，车载设备通过GSM-R无线网络给无线闭塞中心传送列车位置报告，无线闭塞中心根据前车占用信息为当前列车计算行车许可，再通过GSM-R网络发给车载设备。其中，无线闭塞中心需要通过联锁设备和列控中心设备告知轨道占用情况，在这样的集中控制下，无论轨道电路，联锁设备，列控中心或者无线闭塞中心发生故障，都会导致列车行车许可计算失败。导致追尾碰撞的发生。针对当前的车地信息交互，本文提出更为自主智能的车-车通信方式，前后车的通信不依赖于列控中心，联锁，无线闭塞中心，通过自主定位和车与车之间自主传递位置速度等信息的方式进行，进一步由车载设备自主计算行车许可，自主实现列车超速紧急预警的方式控制列车运行。建立车与车的信息传递通道，除了报告位置速度等必须信息，还可以由前车主动发送追尾碰撞警告，紧急事件预警，道路信息通告等信息，进一步实现高速铁路的自主智能控制。

针对以上案例，结合相关学者的研究，对列车运行中的各种环境因素的影响是当前高速铁路研究中不可避免的问题。对这类异常问题的研究可以首先通过对高速列车运行的各种环境因素（包括强风、雨、雪、事故现场、施工现场等）进行分类研究，建立动态环境变化下的列车动力学模型。然后总结高速列车设计、制造、运行和维护专家的经验，提出适用于高速列车安全和控制的知识库。最后通过分析高速列车运行数据，利用数据挖掘和机器学习等方法获取高速列车运行的规律。

对高速铁路中的主动安全控制系统建模分析，是列车安全运行的关键技术和方法，进一步通过经验预测性分析、主动防御等，最终达到高速列车的主动安全控制。

3 结束语

本文重点探讨了通过主动安全控制，提高车辆高速行驶状态下的操纵稳定性、制动稳定性，以及适应环境状况和天气变化等动态未知变化能力。使高速铁路在运行中更好的做到防患于未然。另外，为减少高速铁路中集中控制带了的风险，提出车-车通信方式，进一步在确保列车零故障的前提下，顺利实现提速。

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