李宇輝， 鄧建芳，錢世嘉

（1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院運(yùn)輸管理學(xué)院，江蘇南京 210031；2. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信信號(hào)學(xué)院，江蘇南京 210031；3. 南京地鐵運(yùn)營責(zé)任有限公司運(yùn)輸管理事業(yè)部，江蘇南京 211100）

1 引言

在各類地鐵行車設(shè)備故障中，無論從應(yīng)急處置工作的難度，還是從對(duì)運(yùn)營工作的影響角度，聯(lián)鎖失效故障的處置是最為復(fù)雜，也是對(duì)行車指揮人員專業(yè)技能要求最高的一類故障。運(yùn)營單位針對(duì)聯(lián)鎖失效故障的常規(guī)處置方法是在故障區(qū)采用電話閉塞法組織行車，在非故障區(qū)行車組織方法不變[1]。

由于地鐵電話閉塞法是在沒有機(jī)械、電氣設(shè)備控制的條件下，僅憑站間行車電話聯(lián)系來保證列車行車的安全間隔，因而安全程度較低，只能是一種臨時(shí)代用的行車閉塞法[2]。由于采用電話閉塞法組織行車時(shí)，必須遵守一整套較為復(fù)雜的作業(yè)流程，這也對(duì)參與其中的行車調(diào)度員、車站值班員等運(yùn)營指揮人員提出較高的要求，并帶來較大的工作壓力[3]。南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與南京地鐵運(yùn)營公司的技術(shù)人員密切協(xié)作，開發(fā)出1套基于基站定位原理的后備定位系統(tǒng)，并運(yùn)用于聯(lián)鎖失效故障的應(yīng)急處置中，且取得良好的效果，本文對(duì)該系統(tǒng)的研究開發(fā)及后期應(yīng)用中的一些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分享，供后期工程建設(shè)借鑒與參考。

在地鐵運(yùn)營應(yīng)急處理工作中，聯(lián)鎖失效應(yīng)急處置工作相對(duì)于其他設(shè)備故障的處置要復(fù)雜很多，一方面由于在使用電話閉塞法組織行車時(shí)，行車調(diào)度員和車站值班員都必須遵守一套較為復(fù)雜的作業(yè)流程，不能有絲毫的疏漏或順序顛倒[4]；另一方面由于在聯(lián)鎖失效時(shí)行車指揮人員無法通過信號(hào)系統(tǒng)監(jiān)控到列車的實(shí)時(shí)位置，客觀上增加行車指揮人員特別是行車調(diào)度員的心理壓力，從而增加人為失誤的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

在我國地鐵運(yùn)營工作的歷史上，曾發(fā)生過由于聯(lián)鎖失效應(yīng)急處置工作失誤導(dǎo)致的嚴(yán)重安全事故，最典型的案例是2011年9月27日發(fā)生在上海地鐵10號(hào)線的追尾事故。當(dāng)時(shí)的行車情況如圖1所示，新天地集中站信號(hào)系統(tǒng)失電導(dǎo)致新天地聯(lián)鎖區(qū)聯(lián)鎖失效，故障區(qū)內(nèi)的6 組列車均停車待令，其中1033#、1016#和1032#車停在區(qū)間，行車調(diào)度員命令停在區(qū)間的3組列車轉(zhuǎn)換駕駛模式運(yùn)行至前方站停車，但行車調(diào)度員在沒有確認(rèn)3 組列車是否均已到站的情況下，就盲目發(fā)布按電話閉塞法行車的調(diào)度命令，結(jié)果導(dǎo)致1005#車與因故障?？吭趨^(qū)間的1016#車追尾，造成重大運(yùn)營安全事故[6]。

圖1 上海地鐵10號(hào)線聯(lián)鎖失效事件示意圖

在南京地鐵運(yùn)營工作的歷史上，雖未發(fā)生過聯(lián)鎖失效應(yīng)急處置不當(dāng)導(dǎo)致重大事故的情況，但在若干次故障處置中仍然暴露出列車定位工作耗時(shí)過多，中斷正線行車時(shí)間過長等問題。其中，具有代表性的是2019年6月30日南京地鐵3號(hào)線發(fā)生的聯(lián)鎖失效故障，行車情況如圖2所示，當(dāng)時(shí)泰馮路站信號(hào)設(shè)備房突發(fā)不間斷電源（UPS）故障導(dǎo)致林場聯(lián)鎖區(qū)聯(lián)鎖失效，林場聯(lián)鎖區(qū)包含4個(gè)原件控制計(jì)算機(jī)（ECC）區(qū)和10個(gè)車站[7]，故障區(qū)內(nèi)有12組列車觸發(fā)緊急制動(dòng)，其中7組列車停在區(qū)間，5組列車停在車站[8]。按常規(guī)應(yīng)急處置流程，行車調(diào)度員應(yīng)先進(jìn)行列車定位，再按電話閉塞法組織行車[9]，但在該故障處置中，行車調(diào)度員僅在列車定位環(huán)節(jié)就花費(fèi)0.5 h，隨后的組織列車進(jìn)站，安排車站鉤鎖道岔，配合檢修人員設(shè)備搶修等工作又花費(fèi)較長時(shí)間，直到1.5 h后設(shè)備故障修復(fù)，也未按電話閉塞法組織行車，而是啟動(dòng)公交接駁應(yīng)急預(yù)案。

圖2 南京地鐵3號(hào)線聯(lián)鎖失效事件示意圖

2 后備定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)要求

后備定位系統(tǒng)是一套獨(dú)立于地鐵信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的定位系統(tǒng)，需具備如下功能。

（1）獨(dú)立于地鐵信號(hào)系統(tǒng)，提高地鐵行車安全。

（2）可提供準(zhǔn)確的列車位置信息，使行車調(diào)度員在信號(hào)系統(tǒng)癱瘓時(shí)能夠更加準(zhǔn)確的觀測列車位置，以便發(fā)出正確的調(diào)度命令。

（3）擁有獨(dú)立于現(xiàn)有地鐵運(yùn)營系統(tǒng)的供電模塊，供電方式簡單。

當(dāng)后備定位系統(tǒng)具備上述功能后，在地鐵信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，甚至是整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)出現(xiàn)停電時(shí)后備定位系統(tǒng)也能獨(dú)立運(yùn)行。此時(shí)安裝在列車上的定位終端設(shè)備自動(dòng)查詢周圍基站碼信息中位置區(qū)碼（LAC）、基站編號(hào)碼（CID），從而獲取定位信息，再將定位信息通過4G網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)的形式及時(shí)發(fā)送給控制中心的通信模塊，經(jīng)由單片機(jī)處理后將位置信息顯示于液晶顯示屏上。地鐵控制中心的行車調(diào)度員則可實(shí)時(shí)查看到列車的當(dāng)前位置，從而發(fā)出正確的調(diào)度命令。后備定位系統(tǒng)理論上可以杜絕列車追尾事故的發(fā)生，為地鐵列車運(yùn)行的安全性提供技術(shù)保障。

2.2 設(shè)計(jì)原理

如圖3所示，由于地鐵沿線移動(dòng)通信運(yùn)營商的基站已敷設(shè)完畢，因此可事先測得基站A、B、C、D、E 的具體位置信息。鑒于基站位置固定不變，因此可以將其視為定點(diǎn)。后備定位系統(tǒng)的原理是當(dāng)列車行駛到圖中區(qū)段1的位置時(shí)則以基站A、B、C為定點(diǎn)，定位模塊將得到從基站A、B、C反饋的基站信號(hào)強(qiáng)度值，又由于信號(hào)強(qiáng)度值的衰減與傳輸距離成正比關(guān)系，因此可通過三點(diǎn)定位公式、chan算法和最小二乘法逼近求解[10]，計(jì)算出基站A、B、C與列車的距離d1、d2、d3。根據(jù)已知的基站A、B、C的位置，以及基站A、B、C距列車的距離，可以計(jì)算出列車的位置[11]。

圖3 基站區(qū)域覆蓋示意圖

后備定位系統(tǒng)采用基站定位的方法，通過SIM7600CE通信模塊，使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）來實(shí)現(xiàn)列車定位。由于地鐵沿線已建有許多無線基站，又由于SIM7600CE通信模塊中含有NB-IoT天線，可以查詢到列車運(yùn)行周圍的基站位置，系統(tǒng)根據(jù)基站與列車之間距離變化值、傳輸?shù)臒o線電波的能量損耗值以及傳輸無線電波的時(shí)長[12]，綜合各種指標(biāo)值通過基于基站距離的定位算法計(jì)算出列車的位置。

3 后備定位系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)組成

3.1.1 硬件

后備定位系統(tǒng)由定位終端、控制中心設(shè)備和NB-IoT云服務(wù)器3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。控制中心的單片機(jī)控制模塊對(duì)接收到的基站信息進(jìn)行處理分析后，可得到列車的位置信息，并在顯示屏上將其展現(xiàn)，這樣行車調(diào)度員可實(shí)時(shí)、直觀監(jiān)控到列車的位置。

圖4 后備定位系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

（1）定位終端。定位終端由MSP430F169控制模塊、SIM7600CE通信模塊以及電源模塊組成，并安裝于地鐵列車上，負(fù)責(zé)采集列車實(shí)時(shí)位置信息，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將列車的實(shí)時(shí)位置信息傳送給控制中心設(shè)備。定位終端采用環(huán)保9 V堿性電池直流供電，不依賴列車提供電源，這樣可以確保定位設(shè)備完全獨(dú)立運(yùn)行，避免受到列車供電故障等其他系統(tǒng)的干擾。

（2）控制中心設(shè)備?？刂浦行脑O(shè)備由MSP430F169控制模塊、SIM7020CE通信模塊、LCD12864液晶顯示模塊、按鍵以及電源模塊組成，放置于地鐵線路的控制中心，向行車調(diào)度員在類似聯(lián)鎖失效等信號(hào)系統(tǒng)故障應(yīng)急處置時(shí)提供列車位置信息。在地鐵信號(hào)系統(tǒng)正常的情況下，控制中心設(shè)備處于非工作狀態(tài)，只有出現(xiàn)類似聯(lián)鎖失效故障時(shí)，行車調(diào)度員才可通過按鍵向后備定位系統(tǒng)發(fā)出命令，控制模塊經(jīng)過檢測確認(rèn)后，通過SIM7020CE通信模塊向定位終端發(fā)送列車定位信息查詢命令，服務(wù)器收到列車實(shí)時(shí)位置信息后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在液晶顯示模塊上顯示列車的實(shí)時(shí)位置。

（3）NB-IoT云服務(wù)器。NB-IoT云服務(wù)器租用阿里云服務(wù)器的存儲(chǔ)空間，以NB-IoT無線方式完成定位終端的SIM7600CE通信模塊和控制中心設(shè)備的SIM7020CE通信模塊之間的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)控制中心設(shè)備與定位終端的雙向通信功能[13]。

3.1.2 軟件

后備定位系統(tǒng)的主程序包括定位終端和控制終端2部分。如圖5所示，定位終端主要流程是使用MSP430F169單片機(jī)控制SIM7600CE與服務(wù)器建立連接，并以信息訂閱者的身份訂閱查詢位置為主題的信息，若接收到查詢位置信息的主題信息，則以串口通信的方式對(duì)SIM7600CE通信模塊下達(dá)位置查詢的命令，并且接受來自通信模塊傳送來的LAC和CID碼，單片機(jī)通過基站定位算法算出當(dāng)前列車所處的位置信息，并且控制SIM7600CE通信模塊將定位信息以消息發(fā)布者的身份發(fā)布到云服務(wù)器[14]。控制終端主要流程是以串口通信的方式控制SIM7020CE通信模塊以客戶端的身份向服務(wù)器發(fā)布查詢位置的主題信息，同時(shí)檢測控制終端按鍵是否按下，若按鍵按下，則控制SIM7020C通信模塊以訂閱者的身份訂閱以位置信息為主題的消息，在接收到服務(wù)器的響應(yīng)后，經(jīng)過液晶顯示程序的處理后，將其顯示在液晶屏上。

圖5 主程序流程圖

消息隊(duì)列傳輸協(xié)議（MQTT）是應(yīng)用層的協(xié)議，所有與MQTT有關(guān)的內(nèi)容只需要設(shè)計(jì)一遍，便于后期主程序的運(yùn)行，定位終端只需要使用MSP430F169單片機(jī)控制SIM7600CE通信模塊進(jìn)行定位，然后將所獲取的位置信息通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器并顯示在液晶屏上。

3.2 應(yīng)用效果

為檢驗(yàn)后備定位系統(tǒng)在實(shí)際工作中使用的效果，南京地鐵在3號(hào)線的列車和運(yùn)營控制中心（OCC）分別安裝后備定位系統(tǒng)的定位終端和控制中心設(shè)備。地鐵運(yùn)營工作中發(fā)生聯(lián)鎖失效故障的概率很低，在幾次應(yīng)急演練獲得滿意效果的基礎(chǔ)上，后備定位系統(tǒng)于2020年的8 月10日迎來一次聯(lián)鎖失效故障的“實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)”，當(dāng)時(shí)林場聯(lián)鎖區(qū)的泰馮路和上元門2個(gè)ECC 區(qū)（約為林場聯(lián)鎖區(qū)的一半?yún)^(qū)域）發(fā)生聯(lián)鎖失效，故障區(qū)有6組列車產(chǎn)生緊急制動(dòng)或收不到速度碼，其中1013次和2810次停在車站，1719次、2212次、2910次、1511次停在區(qū)間，行車情況如圖6所示。

圖6 2020年8月聯(lián)鎖失效故障示意圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，4組停在區(qū)間列車的定位工作需要行車調(diào)度員和列車司機(jī)通過無線電呼叫配合完成，這一過程至少需要15 min，由于控制中心的行車調(diào)度員使用后備定位系統(tǒng)輔助完成列車定位工作，從故障接報(bào)到定位完畢僅用時(shí)6 min，大大縮短列車定位時(shí)間，并使后續(xù)列車進(jìn)站、采用電話閉塞法行車等工作順利進(jìn)行，最大程度的降低對(duì)運(yùn)營工作的影響[15]。

如表1所示，通過2起幾乎在同一區(qū)域的聯(lián)鎖失效故障應(yīng)急處置的對(duì)比中可以看出，安裝后備定位系統(tǒng)后，這一事件的應(yīng)急處置過程最為明顯的變化在于“完成列車定位”這一環(huán)節(jié)中極大的縮減處置時(shí)間，由于行車調(diào)度員可以直觀的看到停在區(qū)間列車的位置，因而可以迅速的完成故障區(qū)列車定位[16]，為后續(xù)命令區(qū)間列車進(jìn)站和發(fā)布電話閉塞命令創(chuàng)造有利的條件。同時(shí)，由于聯(lián)鎖失效時(shí)必須安排人員在有岔站鎖閉道岔，因此完成列車定位后停在區(qū)間的列車進(jìn)站這一環(huán)節(jié)耗費(fèi)的時(shí)間無法得到壓縮。2020年8月的故障處置中“區(qū)間列車進(jìn)站”之所以耗時(shí)較少，主要是故障區(qū)域較小，需要鎖閉的道岔較少造成，與安裝后備定位系統(tǒng)并無直接關(guān)系。

表1 使用后備定位系統(tǒng)前后應(yīng)急處置效果對(duì)照表

另外，據(jù)當(dāng)值行車調(diào)度員事后反映，安裝后備定位系統(tǒng)后，他們對(duì)于聯(lián)鎖失效等無法監(jiān)控到列車實(shí)時(shí)位置的故障處置時(shí)不再有很大壓力，可以在應(yīng)急處置過程中將主要精力投入到安全防護(hù)和運(yùn)營調(diào)整等工作中去。由此可見，后備定位系統(tǒng)的開發(fā)和使用對(duì)于在應(yīng)急處置工作中保障安全、提升效率、減輕調(diào)度員（尤其是年輕調(diào)度員）在工作中承受的心里壓力，產(chǎn)生良好的效果。

3.3 改進(jìn)措施

后備定位系統(tǒng)在南京地鐵3號(hào)線安裝使用近1年的時(shí)間，在幾次應(yīng)急演練和故障處置中發(fā)揮明顯作用的同時(shí)，也暴露出一些問題需要繼續(xù)改進(jìn)。

3.3.1 顯示模塊的改進(jìn)

后備定位系統(tǒng)在控制中心的設(shè)備主要由控制模塊、通信模塊、液晶顯示模塊、按鍵以及電源模塊組成，其中行車調(diào)度員實(shí)際工作中主要使用的是液晶顯示模塊，在聯(lián)鎖失效等故障處置中，行車調(diào)度員通過液晶屏的顯示信息能直觀的查詢到停留在區(qū)間的列車，然后通過無線通信設(shè)備聯(lián)系司機(jī)確認(rèn)列車車次，并發(fā)布命令等。這種液晶屏的顯示方式盡管能達(dá)到后備定位系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)，但是根據(jù)行車調(diào)度員的反饋，其長期形成的工作習(xí)慣是通過觀察電腦顯示器的信息進(jìn)行行車指揮[17]，所以，后備定位系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)方向是通過編寫相應(yīng)的軟件，將液晶屏上顯示的列車位置信息以類似自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）終端線路圖的形式顯示到電腦顯示器上，以適應(yīng)調(diào)度員的工作習(xí)慣。

3.3.2 定位精度的提升

列車定位只是地鐵信號(hào)系統(tǒng)的一小部分功能，后備定位系統(tǒng)的主要作用是在信號(hào)故障時(shí)臨時(shí)替代該功能，該系統(tǒng)的定位精度雖然無法和地鐵信號(hào)系統(tǒng)相比，但由于同時(shí)存在電話閉塞等其他手段保障列車運(yùn)行的安全，這種精度不高的臨時(shí)列車定位系統(tǒng)也基本能滿足實(shí)際工作的需要。在行車指揮中，行車調(diào)度員除需要了解列車在故障區(qū)間的大致位置外，還需要了解列車是否壓住道岔，這對(duì)于安排車站人員下線路鎖閉道岔的工作非常重要，因此，存在對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的列車定位精度進(jìn)一步提升的需求，初步設(shè)計(jì)是通過增加列車定位終端的數(shù)量和縮小區(qū)間顯示單元的方法實(shí)現(xiàn)。

3.3.3 降級(jí)運(yùn)營效率的提升

目前地鐵運(yùn)營企業(yè)應(yīng)對(duì)聯(lián)鎖失效故障的預(yù)案大都是在完成故障區(qū)列車定位和所有列車進(jìn)站停車后，由行車調(diào)度員發(fā)布調(diào)度命令按電話閉塞法組織行車[18]。按電話閉塞法行車雖然能夠保障列車運(yùn)行的安全，但是為保證前后2組列車間的安全間隔，需執(zhí)行十分復(fù)雜的地鐵電話閉塞的作業(yè)流程，而復(fù)雜的程序客觀上也會(huì)導(dǎo)致安全隱患的增多[19]。在使用后備定位系統(tǒng)后，行車調(diào)度員對(duì)列車運(yùn)行的監(jiān)控條件大為改善，因此可以考慮對(duì)應(yīng)急預(yù)案加以改進(jìn)，在行車密度比較小的時(shí)間段，當(dāng)完成故障區(qū)正線道岔人工加鎖后，可以由行車調(diào)度員命令故障區(qū)列車使用限速的人工駕駛模式（RM）或不限速的人工駕駛模式（URM）駕駛[20]，而無需使用電話閉塞法行車。這種方法避免電話閉塞繁瑣的作業(yè)程序增加列車停站時(shí)間，行車調(diào)度員可以通過后備定位系統(tǒng)掌握列車位置，一旦發(fā)現(xiàn)2組列車間隔過小，及時(shí)扣停后續(xù)列車，這樣在確保行車安全的同時(shí)，也能顯著提升降級(jí)運(yùn)營的效率[21-23]。

4 結(jié)語

后備定位系統(tǒng)是一種獨(dú)立于地鐵信號(hào)系統(tǒng)的備用列車定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件設(shè)備簡單、功耗低、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)利用的基站定位技術(shù)十分成熟，且不復(fù)雜，將之應(yīng)用于地鐵行車的應(yīng)急處置工作中是一個(gè)實(shí)用價(jià)值顯著的技術(shù)創(chuàng)新，這一創(chuàng)新極大減輕行車調(diào)度員在聯(lián)鎖失效故障處置中的精神壓力，簡化應(yīng)急處置的流程，具有較高的推廣價(jià)值。