你每天乘坐的地铁,是如何保证不撞车的?

2019年3月18日凌晨3时许,两列正在进行新信号系统测试的港铁荃湾线列车在中环站附近相撞,所幸事发时正处于非运营时段,车上并没有乘客。事后有议员质疑,为何当时列车上的防护系统未起作用。那么,这个防护系统究竟是何方神圣?它又是如何保障地铁列车不会撞车的?今天,“通行线”就为大家科普一番。

地铁如今已经成为了许多人日常通勤不可或缺的交通工具之一,乘坐地铁的时候你是否想过它的运行安全如何保证呢?

在公路上,红绿灯指挥车辆和行人有序通行。而在地铁中,由什么来指挥列车有序运行呢?答案是一套庞大而稳定的列车自动控制系统(Automatic Train Control,ATC)。ATC系统在保证列车安全运行的前提下,提高列车运行速度,压缩列车运行间隔,控制列车更平稳地运行,从而提升我们的乘车体验。ATC是一个庞大的系统,由多个分工不同的“成员”组成,其中,列车自动防护系统便是保障地铁列车安全运行的关键。

列车自动防护系统


地铁隧道中的视距通常只有几百米甚至数十米

地铁列车不像公路上的汽车,司机通常在看到前方的障碍物后,把刹车踩到底就能在撞车之前停稳。而在我们的地铁中,司机在隧道中的视距通常只有几百米甚至数十米,而且地铁比汽车重得多,惯性非常大,当看到前方的列车或障碍物时,再刹车是根本来不及的。这时我们就需要列车自动防护系统(Automatic Train Protection,简称ATP),对列车的速度进行自动防护,一旦距离前车较近,就将限速降低,提醒司机制动刹车。一旦列车超速,就自动对列车施加紧急制动,防止列车发生脱轨、相撞等事故。

ATP系统设计的思路是,地面的控制中心根据线路中所有列车的位置,为每一列车分配安全的行车范围。就如我们开车时,离前车越近,那我们速度应该减下来才不至于追尾。列车的运行速度必须低于某一限速值,这个限速值会随着列车接近安全范围的终点而降低,以保证在施加最大的制动力(刹车踩到底)时,列车随时能在安全范围终点前停稳


地铁列车在ATP系统的保护下安全行驶

ATP系统如何获取列车位置?

要想保证列车运行,地面的控制中心就必须设法获取列车的实时精确位置。列车的定位一般不通过我们常用的GPS信息,一是因为隧道中几乎没有GPS信号,二是GPS服务受制于其他国家。那么如何获取列车的实时位置信息呢?


应答器

一种常用的方法是通过应答器获取列车实时位置信息。在列车运行的两根轨道中间,布设了若干应答器(就是图中黄色的盒子),其中存储着该点准确的位置信息。列车运行过程中,会持续发出一个特定频率的电磁波,当列车驶过应答器时,应答器被电磁波唤醒,向列车发送当前的位置信息

列车驶过应答器后,车载计算机会利用传感器测得的实时速度信息,计算出列车驶过应答器的距离,即列车的实时位置。由于速度传感器存在误差,因此在轨道中每隔一段距离就会布设一个应答器,对实时位置进行校准。通过这种应答器+测速的定位方法,列车的位置误差不会超过10米

列车限速是如何计算的?

列车通过2.4GHz频段的通信(和我们经常使用的WIFI类似),将其实时位置传送给地面的区域控制器。区域控制器再根据线路上所有列车的位置,为每一列车计算最远可以运行的安全范围(移动授权),并返回给每一列车。


车-地通信示意图

地铁列车上的车载计算机根据安全范围终点、列车制动性能、线路坡度与弯道等数据,计算出安全制动的数学模型(即安全距离内每个位置所允许的最高速度),并作为限速显示给司机。

一旦在某个位置超过最高速度,列车会自动切除牵引,并触发紧急制动(自动松油门,急刹车),将车在安全范围的终点前停稳,保证不会撞上前方的列车

充分的冗余以保障安全

ATP的设计必须遵循一条最重要的准则:故障导向安全原则。其含义是:当设备发生故障时,其必须使得列车运行绝对安全

安全制动模型的建立,要将所有最不利因素考虑在内,包括列车处于失控加速状态(在系统反应过程中仍处于最大加速状态)、定位误差达到最大电路动作存在的时延等等,为列车的安全停车提供充足的余量,尽可能保证列车运行的绝对安全

在列车控制行业,对ATP的安全性有严格的要求。每小时ATP失效并导向危险侧的概率必须小于一亿分之一。只有通过安全完整性等级的验证,才能投入地铁的商业运营

现在,大家应该明白了ATP的设计原理,也清楚了地铁列车安全运行背后的小秘密了吧。其实,在地铁列车运行的背后还有很多你不知道的小知识,欢迎持续关注“通行线”,我们下回再聊。

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