地铁应急处置后备定位系统的研究及开发

李宇辉， 邓建芳，钱世嘉

（1. 南京铁道职业技术学院运输管理学院，江苏南京 210031；2. 南京铁道职业技术学院通信信号学院，江苏南京 210031；3. 南京地铁运营责任有限公司运输管理事业部，江苏南京 211100）

1 引言

在各类地铁行车设备故障中，无论从应急处置工作的难度，还是从对运营工作的影响角度，联锁失效故障的处置是最为复杂，也是对行车指挥人员专业技能要求最高的一类故障。运营单位针对联锁失效故障的常规处置方法是在故障区采用电话闭塞法组织行车，在非故障区行车组织方法不变[1]。

由于地铁电话闭塞法是在没有机械、电气设备控制的条件下，仅凭站间行车电话联系来保证列车行车的安全间隔，因而安全程度较低，只能是一种临时代用的行车闭塞法[2]。由于采用电话闭塞法组织行车时，必须遵守一整套较为复杂的作业流程，这也对参与其中的行车调度员、车站值班员等运营指挥人员提出较高的要求，并带来较大的工作压力[3]。南京铁道职业技术学院科研创新团队与南京地铁运营公司的技术人员密切协作，开发出1套基于基站定位原理的后备定位系统，并运用于联锁失效故障的应急处置中，且取得良好的效果，本文对该系统的研究开发及后期应用中的一些经验进行分享，供后期工程建设借鉴与参考。

在地铁运营应急处理工作中，联锁失效应急处置工作相对于其他设备故障的处置要复杂很多，一方面由于在使用电话闭塞法组织行车时，行车调度员和车站值班员都必须遵守一套较为复杂的作业流程，不能有丝毫的疏漏或顺序颠倒[4]；另一方面由于在联锁失效时行车指挥人员无法通过信号系统监控到列车的实时位置，客观上增加行车指挥人员特别是行车调度员的心理压力，从而增加人为失误的风险[5]。

在我国地铁运营工作的历史上，曾发生过由于联锁失效应急处置工作失误导致的严重安全事故，最典型的案例是2011年9月27日发生在上海地铁10号线的追尾事故。当时的行车情况如图1所示，新天地集中站信号系统失电导致新天地联锁区联锁失效，故障区内的6 组列车均停车待令，其中1033#、1016#和1032#车停在区间，行车调度员命令停在区间的3组列车转换驾驶模式运行至前方站停车，但行车调度员在没有确认3 组列车是否均已到站的情况下，就盲目发布按电话闭塞法行车的调度命令，结果导致1005#车与因故障停靠在区间的1016#车追尾，造成重大运营安全事故[6]。

图1 上海地铁10号线联锁失效事件示意图

在南京地铁运营工作的历史上，虽未发生过联锁失效应急处置不当导致重大事故的情况，但在若干次故障处置中仍然暴露出列车定位工作耗时过多，中断正线行车时间过长等问题。其中，具有代表性的是2019年6月30日南京地铁3号线发生的联锁失效故障，行车情况如图2所示，当时泰冯路站信号设备房突发不间断电源（UPS）故障导致林场联锁区联锁失效，林场联锁区包含4个原件控制计算机（ECC）区和10个车站[7]，故障区内有12组列车触发紧急制动，其中7组列车停在区间，5组列车停在车站[8]。按常规应急处置流程，行车调度员应先进行列车定位，再按电话闭塞法组织行车[9]，但在该故障处置中，行车调度员仅在列车定位环节就花费0.5 h，随后的组织列车进站，安排车站钩锁道岔，配合检修人员设备抢修等工作又花费较长时间，直到1.5 h后设备故障修复，也未按电话闭塞法组织行车，而是启动公交接驳应急预案。

图2 南京地铁3号线联锁失效事件示意图

2 后备定位系统的设计开发

2.1 设计要求

后备定位系统是一套独立于地铁信号系统运行的定位系统，需具备如下功能。

（1）独立于地铁信号系统，提高地铁行车安全。

（2）可提供准确的列车位置信息，使行车调度员在信号系统瘫痪时能够更加准确的观测列车位置，以便发出正确的调度命令。

（3）拥有独立于现有地铁运营系统的供电模块，供电方式简单。

当后备定位系统具备上述功能后，在地铁信号系统出现故障，甚至是整个地铁供电系统出现停电时后备定位系统也能独立运行。此时安装在列车上的定位终端设备自动查询周围基站码信息中位置区码（LAC）、基站编号码（CID），从而获取定位信息，再将定位信息通过4G网络以数据的形式及时发送给控制中心的通信模块，经由单片机处理后将位置信息显示于液晶显示屏上。地铁控制中心的行车调度员则可实时查看到列车的当前位置，从而发出正确的调度命令。后备定位系统理论上可以杜绝列车追尾事故的发生，为地铁列车运行的安全性提供技术保障。

2.2 设计原理

如图3所示，由于地铁沿线移动通信运营商的基站已敷设完毕，因此可事先测得基站A、B、C、D、E 的具体位置信息。鉴于基站位置固定不变，因此可以将其视为定点。后备定位系统的原理是当列车行驶到图中区段1的位置时则以基站A、B、C为定点，定位模块将得到从基站A、B、C反馈的基站信号强度值，又由于信号强度值的衰减与传输距离成正比关系，因此可通过三点定位公式、chan算法和最小二乘法逼近求解[10]，计算出基站A、B、C与列车的距离d1、d2、d3。根据已知的基站A、B、C的位置，以及基站A、B、C距列车的距离，可以计算出列车的位置[11]。

图3 基站区域覆盖示意图

后备定位系统采用基站定位的方法，通过SIM7600CE通信模块，使用窄带物联网（NB-IoT）来实现列车定位。由于地铁沿线已建有许多无线基站，又由于SIM7600CE通信模块中含有NB-IoT天线，可以查询到列车运行周围的基站位置，系统根据基站与列车之间距离变化值、传输的无线电波的能量损耗值以及传输无线电波的时长[12]，综合各种指标值通过基于基站距离的定位算法计算出列车的位置。

3 后备定位系统的应用验证

3.1 系统组成

3.1.1 硬件

后备定位系统由定位终端、控制中心设备和NB-IoT云服务器3部分组成，系统结构如图4所示。控制中心的单片机控制模块对接收到的基站信息进行处理分析后，可得到列车的位置信息，并在显示屏上将其展现，这样行车调度员可实时、直观监控到列车的位置。

图4 后备定位系统构成示意图

（1）定位终端。定位终端由MSP430F169控制模块、SIM7600CE通信模块以及电源模块组成，并安装于地铁列车上，负责采集列车实时位置信息，并通过无线通信网络将列车的实时位置信息传送给控制中心设备。定位终端采用环保9 V碱性电池直流供电，不依赖列车提供电源，这样可以确保定位设备完全独立运行，避免受到列车供电故障等其他系统的干扰。

（2）控制中心设备。控制中心设备由MSP430F169控制模块、SIM7020CE通信模块、LCD12864液晶显示模块、按键以及电源模块组成，放置于地铁线路的控制中心，向行车调度员在类似联锁失效等信号系统故障应急处置时提供列车位置信息。在地铁信号系统正常的情况下，控制中心设备处于非工作状态，只有出现类似联锁失效故障时，行车调度员才可通过按键向后备定位系统发出命令，控制模块经过检测确认后，通过SIM7020CE通信模块向定位终端发送列车定位信息查询命令，服务器收到列车实时位置信息后再进行数据处理，并在液晶显示模块上显示列车的实时位置。

（3）NB-IoT云服务器。NB-IoT云服务器租用阿里云服务器的存储空间，以NB-IoT无线方式完成定位终端的SIM7600CE通信模块和控制中心设备的SIM7020CE通信模块之间的信息传输，实现控制中心设备与定位终端的双向通信功能[13]。

3.1.2 软件

后备定位系统的主程序包括定位终端和控制终端2部分。如图5所示，定位终端主要流程是使用MSP430F169单片机控制SIM7600CE与服务器建立连接，并以信息订阅者的身份订阅查询位置为主题的信息，若接收到查询位置信息的主题信息，则以串口通信的方式对SIM7600CE通信模块下达位置查询的命令，并且接受来自通信模块传送来的LAC和CID码，单片机通过基站定位算法算出当前列车所处的位置信息，并且控制SIM7600CE通信模块将定位信息以消息发布者的身份发布到云服务器[14]。控制终端主要流程是以串口通信的方式控制SIM7020CE通信模块以客户端的身份向服务器发布查询位置的主题信息，同时检测控制终端按键是否按下，若按键按下，则控制SIM7020C通信模块以订阅者的身份订阅以位置信息为主题的消息，在接收到服务器的响应后，经过液晶显示程序的处理后，将其显示在液晶屏上。

图5 主程序流程图

消息队列传输协议（MQTT）是应用层的协议，所有与MQTT有关的内容只需要设计一遍，便于后期主程序的运行，定位终端只需要使用MSP430F169单片机控制SIM7600CE通信模块进行定位，然后将所获取的位置信息通过NB-IoT网络发送到服务器并显示在液晶屏上。

3.2 应用效果

为检验后备定位系统在实际工作中使用的效果，南京地铁在3号线的列车和运营控制中心（OCC）分别安装后备定位系统的定位终端和控制中心设备。地铁运营工作中发生联锁失效故障的概率很低，在几次应急演练获得满意效果的基础上，后备定位系统于2020年的8 月10日迎来一次联锁失效故障的“实战考验”，当时林场联锁区的泰冯路和上元门2个ECC 区（约为林场联锁区的一半区域）发生联锁失效，故障区有6组列车产生紧急制动或收不到速度码，其中1013次和2810次停在车站，1719次、2212次、2910次、1511次停在区间，行车情况如图6所示。

图6 2020年8月联锁失效故障示意图

根据经验，4组停在区间列车的定位工作需要行车调度员和列车司机通过无线电呼叫配合完成，这一过程至少需要15 min，由于控制中心的行车调度员使用后备定位系统辅助完成列车定位工作，从故障接报到定位完毕仅用时6 min，大大缩短列车定位时间，并使后续列车进站、采用电话闭塞法行车等工作顺利进行，最大程度的降低对运营工作的影响[15]。

如表1所示，通过2起几乎在同一区域的联锁失效故障应急处置的对比中可以看出，安装后备定位系统后，这一事件的应急处置过程最为明显的变化在于“完成列车定位”这一环节中极大的缩减处置时间，由于行车调度员可以直观的看到停在区间列车的位置，因而可以迅速的完成故障区列车定位[16]，为后续命令区间列车进站和发布电话闭塞命令创造有利的条件。同时，由于联锁失效时必须安排人员在有岔站锁闭道岔，因此完成列车定位后停在区间的列车进站这一环节耗费的时间无法得到压缩。2020年8月的故障处置中“区间列车进站”之所以耗时较少，主要是故障区域较小，需要锁闭的道岔较少造成，与安装后备定位系统并无直接关系。

表1 使用后备定位系统前后应急处置效果对照表

另外，据当值行车调度员事后反映，安装后备定位系统后，他们对于联锁失效等无法监控到列车实时位置的故障处置时不再有很大压力，可以在应急处置过程中将主要精力投入到安全防护和运营调整等工作中去。由此可见，后备定位系统的开发和使用对于在应急处置工作中保障安全、提升效率、减轻调度员（尤其是年轻调度员）在工作中承受的心里压力，产生良好的效果。

3.3 改进措施

后备定位系统在南京地铁3号线安装使用近1年的时间，在几次应急演练和故障处置中发挥明显作用的同时，也暴露出一些问题需要继续改进。

3.3.1 显示模块的改进

后备定位系统在控制中心的设备主要由控制模块、通信模块、液晶显示模块、按键以及电源模块组成，其中行车调度员实际工作中主要使用的是液晶显示模块，在联锁失效等故障处置中，行车调度员通过液晶屏的显示信息能直观的查询到停留在区间的列车，然后通过无线通信设备联系司机确认列车车次，并发布命令等。这种液晶屏的显示方式尽管能达到后备定位系统的开发目标，但是根据行车调度员的反馈，其长期形成的工作习惯是通过观察电脑显示器的信息进行行车指挥[17]，所以，后备定位系统的后续改进方向是通过编写相应的软件，将液晶屏上显示的列车位置信息以类似自动监控系统（ATS）终端线路图的形式显示到电脑显示器上，以适应调度员的工作习惯。

3.3.2 定位精度的提升

列车定位只是地铁信号系统的一小部分功能，后备定位系统的主要作用是在信号故障时临时替代该功能，该系统的定位精度虽然无法和地铁信号系统相比，但由于同时存在电话闭塞等其他手段保障列车运行的安全，这种精度不高的临时列车定位系统也基本能满足实际工作的需要。在行车指挥中，行车调度员除需要了解列车在故障区间的大致位置外，还需要了解列车是否压住道岔，这对于安排车站人员下线路锁闭道岔的工作非常重要，因此，存在对现有系统的列车定位精度进一步提升的需求，初步设计是通过增加列车定位终端的数量和缩小区间显示单元的方法实现。

3.3.3 降级运营效率的提升

目前地铁运营企业应对联锁失效故障的预案大都是在完成故障区列车定位和所有列车进站停车后，由行车调度员发布调度命令按电话闭塞法组织行车[18]。按电话闭塞法行车虽然能够保障列车运行的安全，但是为保证前后2组列车间的安全间隔，需执行十分复杂的地铁电话闭塞的作业流程，而复杂的程序客观上也会导致安全隐患的增多[19]。在使用后备定位系统后，行车调度员对列车运行的监控条件大为改善，因此可以考虑对应急预案加以改进，在行车密度比较小的时间段，当完成故障区正线道岔人工加锁后，可以由行车调度员命令故障区列车使用限速的人工驾驶模式（RM）或不限速的人工驾驶模式（URM）驾驶[20]，而无需使用电话闭塞法行车。这种方法避免电话闭塞繁琐的作业程序增加列车停站时间，行车调度员可以通过后备定位系统掌握列车位置，一旦发现2组列车间隔过小，及时扣停后续列车，这样在确保行车安全的同时，也能显著提升降级运营的效率[21-23]。

4 结语

后备定位系统是一种独立于地铁信号系统的备用列车定位系统，该系统具有硬件设备简单、功耗低、成本低、实用性强等优点。该系统利用的基站定位技术十分成熟，且不复杂，将之应用于地铁行车的应急处置工作中是一个实用价值显著的技术创新，这一创新极大减轻行车调度员在联锁失效故障处置中的精神压力，简化应急处置的流程，具有较高的推广价值。