适用于下一代列控系统的列车自主完整性检查方法研究

崔俊锋

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

中国列车控制系统（CTCS）和欧洲列车控制系统（ETCS）是当今世界主流的列控技术体系。其中，CTCS-3/ETCS 2级列控系统以车地无线控制列车运行为特征，无论是运行速度还是运行间隔，代表着大铁列车运行控制领域的领先水平。为了进一步提高铁路运输效率、降低建设和维护成本，中国和欧洲均开展了面向未来的下一代列控系统研究工作。ERTMS/ETCS系统需求规范subset026[1]中提到在ETCS 3级如图 1所示“列车定位和列车完整性检查由无线闭塞中心和列车共同完成（列车发送位置报告和列车完整性信息）”；中国《CTCS技术规范总则》[2]也提及了“CTCS4级由RBC和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查”。

图1 ERTMS/ETCS 3级应用Fig.1 ERTMS/ETCS 3 application

无论是减少轨旁设备从而降低成本，还是采用移动闭塞提高运行效率，下一代列控系统的列车完整性检查功能从依赖地面设备实现[3]，转变为列车自主实现是用户需求和技术进步共同作用的结果。

本文描述了列车完整性检查的原理和方案，并对列车自主完整性检查在下一代列控系统中应用进行研究。

2 列车完整性检查定义及现有实现方法

2.1 列车完整性检查定义

列车完整性，即是指列车在行车过程中列车车厢整体连接性的完整[4]。列车完整性检查，即是指列车在运行期间对列车整体连接的完整性进行的检查。列车在行驶过程中可能发生尾部一节或者多节车厢分离而遗留在线路上的情况，如果不能及时发现并采取措施，就会给后续车辆的运行带来重大安全风险。因此，安全有效的列车完整性检查是列车运行控制的重要技术环节之一，也是铁路运输安全保障的重要组成部分。

2.2 列车完整性检查的现有方法

在传统的信号系统中，一般由地面设备通过轨道占用检测的方法实现列车完整性检查和防护。如果发生分离事故，由于遗留车辆占压轨道，信号系统防止后续列车进入该闭塞分区从而避免碰撞的发生[5]。轨道占用检查的方法有轨道电路和计轴两种主流方式，随着向下一代列控系统的演进，二者存在轨旁设备多、建设维护成本高等缺点，同时也不能满足移动闭塞的要求。

目前使用的无线列尾装置也可对列车的完整性进行检测。当列车分离，风管断开漏风，泄露量超过规定值时，列尾装置主机会及时向机车乘务员发出警示，提醒机车乘务员注意列车运行状态[6]。列尾装置属于列车主动完整性检查，但是存在着现有装备不是故障安全设备、检查手段单一等缺点。

3 下一代列控列车自主完整性检查方案

在下一代列控系统中，列车完整性检查功能实现应符合以下原则。

1）由列车完整性装置向车载主机报告列车完整性情况。

2）车载设备向无线闭塞中心发送列车位置报告（含完整性信息）。

3）列车位置报告包含的列车完整性信息达到SIL4级要求。

有的列车自身具备完整性监测（TIMS）功能，从系统风险分析的角度来看，如图 2所示，当列车自身完整性监控功能（如有）和叠加的列车完整性检查装置同时失效的情况下，可能导致系统风险的发生。这种情况列车自身具备的完整性检查也可以作为车载设备的输入之一。

图2 列车完整性检查失效Fig.2 Train integrity detection failed

由于所装备的列车类型多种多样，列车的车辆总线、电源供电和既有TIMS配置情况相差很大，列车自主完整性检查的实现方式也应该根据实际情况因地制宜。这里根据列车自身条件不同，大体分为两类进行讨论。

3.1 具有可靠有线贯通条件的列车

对于动车组或者旅客列车，车体存在贯通的电源电缆和通信电缆，可以利用既有有线网络带来的便利，叠加安全列尾装置实现列车完整性检查。动车组自身拥有TIMS功能，可以评估其安全失效概率，如能达到要求则不需要额外的列车完整性装置，否则需要叠加独立的列车完整性装置共同完成。

如图 3所示，在这个方案中，列首和列尾通过利用车体有线网络连接，车载ATP设备从列首和TIMS（如有）采集列车完整性信息。设备上电后，通过驾驶室激活状态或者配置数据明确主从关系，并通过有线通信进行首尾配对；在运行过程中，列首通过有线网络接收列尾周期发送的心跳信号、风压信息和诊断信息，判断列车的完整性并通过ATP接口周期性地报告给车载主机。

图3 基于有线的列车完整性检查方案Fig.3 Train integrity detection scheme based wire

3.2 不具有可靠有线贯通条件的列车

货车基本不具备有线贯通条件，有些客车虽然具备有线连接但是不能提供通道给列车完整性检查使用或者改造成本不菲，在这种情况下考虑使用基于无线的列车完整性检查的方法，而根据完整性检查的实现方法又可分为以下两种方案。

3.2.1 基于首尾无线通信的列车完整性检查方案

如图 4所示，在这个方案中，列首和列尾通过无线进行连接，车载ATP设备从列首获取列车完整性信息。设备上电后，列首和列尾通过配置数据获取首尾配对信息、主从关系，然后建立首尾无线通信连接；在运行过程中，列首周期性采集列尾心跳信号、风压等信息，同时列首和列尾设备装备GNSS、加速度等传感器，对列车首尾的位置、速度和加速度信息进行测量，车载主机根据电子地图和输入的车长信息，综合判断列车完整性状态，另外本方案可以实现列车自主的列车长度测量功能。

图4 基于首尾无线通信的列车完整性检查方案Fig.4 Train integrity detection scheme based on the front and rear wireless communication

3.2.2 基于无线传感网络的列车完整性检查方案

如图 5所示，在这个方案中，机车和所有车辆均装备传感节点来实时检测列车的运动状态，车载通过无线传感器网络收集所有节点的传感信息[7]。在启动阶段，由位于机车的节点发起初始化，实现无线传感器网络的数据关联和拓扑发现；此后进入运行阶段，由机车所在节点周期性发起数据请求，由前到后依次传递；节点收到请求后将携带传感数据和身份标识的消息由后向前逐级传递到位于机车的节点，最终由车载设备综合所有节点的运动一致性判断列车的完整性。本方案不需要车载预先存储电子地图，但不具备列车自主测长功能。

图5 基于无线传感网络的列车完整性检查方案Fig.5 Train integrity detection scheme based on wireless sensor networks

4 总结

下一代列控系统从提高铁路运输效率和降低成本的角度，都要求将列车完整性检查功能由地面设备转变为由列车自主实现。本文以列车固有的通信条件为划分依据，提出基于首尾有线连接、首尾无线连接和基于传感器网络的列车自主完整性检查方案，为后续下一代列控系统设计和研发提供了参考。