列车完整性检测方法

摘要

当前国内铁路快速发展，但近期出现了多次安全事故，对人民的生命财产都造成了重大影响。铁路安全关系到国家的长期稳定发展。列车完整性检测是保障列车安全运行的重要一部分。为了防止列车在行驶过程中发生抛车，可以采用有效的列车完整性检查设备。目前低成本技术要求下，所采用的技术可以不依赖轨道电路。主要介绍列车完整性检测技术，主要包括基于GPS技术的列车完整性检测、基于加速度传感器的列车完整性检测。

关键词：完整性；GPS；加速度传感器；

引言

列车的完整性监测是指列车运行过程中利用设备检测列车的完整性，即检测列车有无脱钩抛车现象，目前国内大多采用列车尾部安全防护装置（列尾装置）来完成。列尾装置由安装在列车尾部的主机和司机室内的控制盒两部分组成，它能实时检测列车尾部风管风压并将风压信息不停的反馈给机车司机控制盒，实现欠压报警，提示司机采取紧急制动等应急措施。主机对主管风压进行检测，当列车发生抛车，风管断开漏风，泄露量超过规定值时，通过无线调度系统机车电台及时向机车乘务员发出警示。

但是，但列尾装置在使用过程中还存在一些问题，如：既有或新增的无线列调，没有列尾装置司机控制盒的预留接口，给安装和使用带来困难；无线列调的使用频率不当，造成枢纽内列尾装置主机与无线列调间相互干扰，影响列车的出发；列尾装置对风压的查询频率不够，有些一分钟甚至几分钟查询一次，这样不能保证完整性检查的实时性；另外无线通信存在盲区，设备受环境影响较大。

1. 基于GPS技术的列车完整性检测

1.1 GPS技术简介

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成增强系统的性能，增加系统实现的灵活性，并降低运营成本。

1.2 GPS技术的原理

GPS导航仪GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1

微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

图1.1 GPS分布和定位指示

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

1.3 GPS技术在列车完整性检测中的应用

火车在正常行使过程中车头和车尾的距离固定不变。如果发生抛车事故，车头和车尾的距离增大。GPS检测列车抛车的原理就是在火车的行进过程中检测列车头尾的GPS位置信息，并计算列车头尾两点的直线距离。当发现计算的直线

距离Lt大于火车的原始长度Lo时，即可以判定抛车。

欧洲相关部门于目前采用的列车完整性检查系统即TIMS(Train Integrity Monitoring System)是欧洲列车控制系统(ETCS)中的重要组成。TIMS是ETCS三级必需的子系统，能够应用在高密度、移动闭塞的线路上。不仅减少路旁设备外，而且缩短平均列车间隔，提高行车效率。

在TIMS的实现方法中，GPS的应用是通过对车头尾定位来检测车长。定位方法大多轨道地图数据库与卫星定位相结合，利用轨道数字地图的数据资源，补充卫星不完备条件下的定位条件缺失问题。例如在基于轨道地图数据库的双星定位模型中，数字地图提供的区间轨道信息可视为一系列坐标点信息，轨道段可根据要求划分，每一个小段可视为空间直线段，利用一定的坐标转换方法，可以将其转换至WGS一84坐标，再应用双星定位算法定位结算。这种方法计算精确，但是需要编辑数据库，前期准备，测量工作繁重。

目前来看，GPS技术在列车完整性检测以及列车运行检测等的应用中的主要问题是无法有效突破GPS的四星模式，即在环境等客观因素的制约下，接受设备无法接收到四颗以上卫星信号的情况下，无法使用GPS技术。为此有人做了相关研究，基本前提都是在接收设备接收到三颗卫星信号，再利用多普勒效应、虚拟卫星等方法来增加附加约束方程。但其实都没有突破四星定位模型的限制。

2. 其他列车完整性检测方案

2.1 加速度传感器检测技术

对火车的运动规律和列车抛车特点进行分析，可以得到如下结论: （1）列车在减速过程中不可能发生抛车; （2）列车在匀速和加速行使时会发生抛车。

在匀速行驶和加速度行驶过程中，火车任何部分的加速度不小于0，车尾也是如此。如果列尾发生抛车，列尾由于收到阻力的影响，加速度出现负值。通过车头和车尾的加速度比对可以确定是否发生抛车。加速度是力的体现，若要检测加速度必须对火车的受力进行分析。火车由于不是刚性连接，受力影响因素很多，火车受力分析非常复杂。在对列车运行有直接影响的力主要有以下三种力:1机车牵引力F;2列车制动力B;3列车运行阻力w。机车牵引力由发动机提供，力的大小由司机控制，方向与运动方向相同。列车制动力由闸瓦装置提供，力的大小由司机提供，方向与运动方向相反。列车阻力最为复杂，它的大小和方向受外部条件影响很大，根据不同情况不同对待。在列车抛车检测过程中，对火车阻力的研

究是火车受力分析的关键所在。

在车尾和车头分别安装加速度传感器，然后把车尾加速度传感器的数据通过“车载综合电台”发送到车头的列车运行信息检测平台，和车头加速度传感器的数据进行对比，就可得到列车的完整性信息。但这种方法对“车载综合电台”的依赖性较高，一旦“车载综合电台”出现问题，其可靠性就难以保障。

2.2 有线呼叫应答法和无线呼叫应答法

为列车中机车、车辆设置唯一的ID标识，并把它们顺序电气连接起来；在软件中，从车头开始将每一个ID标识按照其实际排列顺序串联起来，再首尾相连形成循环队列；运行过程中列车按照车头至车尾的顺序对机车、车辆循环呼叫，应答后，与循环队列中的ID标识进行比较，同时对其前、后ID标识进行比较，若发现不符或顺序错误，则重复上次呼叫，三次后仍不相符，则可以确认列车失去完整性。

这种方法基于电气连接技术，依赖于电路的完整性和有效性。从理论上讲，有线呼叫、应答法只需保证电路连接方面的科学性和合理性即可。然而，从实际操作层面上看，大量的电气连接不仅限制了列车编组、重装的灵活性，而且大大加重了各列车中转站的工作量，增加了调度难度，并且对人工拆装的要求进一步提高，费时费力，不具有经济可行性，也不利于我国铁道运输控制系统的自动化。在我国铁路高速发展的今天，基于幅员辽阔，铁路运输网发达的现实条件，如何有效优化资源配置，使得投入最小化，效益最大化显得尤为重要。因此，在列车中实施大规模的电气连接符合实际运作和当今社会发展所提倡的低能高效原则。

与有线呼叫应答法不同的是它取消了电气连接，由于采取无线通信方式，可能会出现机车、车辆物理连接顺序与循环队列的逻辑连接顺序有所不同的情形，甚至会出现没有物理连接关系的机车、车辆与循环队列的逻辑连接顺序相同的情况，因此，在无线呼叫应答方法中，机车、车辆必须在同一列列车中，即满足同列条件，才可以进行完整性检查的呼叫应答。

无线呼叫应答法适用于铁路列车解体、编组等作业后形成新列车的情形，减少了解体、编组等作业过程中机车、车辆电气连接这一作业环节，是相对于育线连接方式来说较为科学、可行的方式。在目前通信领域日新月异，技术发展高速前行的情况下，无线呼叫应答法将得到更多的技术支持和有效、先进的方法指导。

3. 结论

以上三种列车完整性检查的方案都符合移动闭塞系统不设轨道电路和地面

信号机的特点，但是各有利弊。从我国特有的国情、路情出发，基于进一步对上述预案进行安全性、经济性的充分对比论证，从而确定不同方案在城轨、铁路的适用条件和适用范围。GPS检测技术由于四星模式的瓶颈、在地形较为复杂的山区难以接受到有效信息因此难以普及；加速度传感器的方法受制于车尾信息向车头传送的可靠性；呼叫应答法则对车辆解体后再编组提出了更高的要去，其可靠性也得依赖信息传输。综合在以上三种预案中，GPS检测技术的应用前景是最好的。一方面GPS不但可以检测列车完整性，还可以应用于列车定位监测系统中；另一方面，虽然当前在全球定位系统上我们得依赖国外技术，但不久后我国自行研制的北斗定位系统将全面运行，这无疑将进一步降低定位系统在列车完整性检测应用的成本和精度。但是，卫星信号不可能覆盖全部地形情况，所以可以采用加速度传感器法辅助检测，进一步提高完整性检测的可靠性，提高列车运行的安全性。

Monitoring and Controlling Technology of Train’s Integrality

Abstract

With the rapid development of current domestic railway system, the accidents about railway safety were happened frequently, these have greatly negative influence on the lives and property of the people.Railway safety is related to the country's long-term stable development. Train integrity monitoring is to ensure the safe operation of the important part of the train. to prevent the tail-escaping in the course of driving from happening, it can be used effectively in train integrity checking equipments.Currently low cost technical requirements, the technology can do not depend on the track circuit. This article mainly introduces the train integrity monitor technology, including GPS technology based on the train integrity monitoring, acceleration sensor based on the train integrity monitoring.

Key words：Integrity；GPS；Acceleration sensor.

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