答地铁线路运行安全之7问

同济大学曾小清数智轨道交通团队

近年来，全球气候变化给轨道交通运行提出新的挑战。 2023年12月严冬时节，北京地铁昌平线西二旗站-生命科学园站上行区段一列车车厢脱离，迫停区间，当时，应急、消防、卫健、交通等力量立刻响应，到达现场，迅速开展救援工作。14日23时许，人员转运完毕，现场处置工作基本结束，共有515人送医院检查。据相关媒体报道，初步调查，事故原因为雪天轨滑导致前车信号降级，紧急制动停车，后车因所在区段位于下坡地段，雪天导致列车滑行，未能有效制动，造成与前车追尾。2021年7月盛夏时节，郑州地铁5号线列车行驶至海滩寺站至沙口路站上行区间时遭遇涝水灌入、失电迫停，随即，疏散救援，953人安全撤出。

随着城市地铁承载的的客流量逐年增加，引发了人们对地铁列车运行安全问题的热议，相关部门和专家也全力投入到列车的列车运营管理技术的改进、优化和完善之中，本文针对广大乘客最关心的问题，如造成事故的可能原因、地铁系统如何保证列车运行安全性、未来如何进一步提高地铁运行的安全性，对地铁运行的控制与安全进行如下相关思考。

问题一：造成事故的可能原因是什么？

 地铁系统本身是十分安全的，由信号系统、紧急制动系统、轨道检查和维护、列车检查等复杂系统保证地铁列车的安全，但是由于各种原因可能导致事故的发生，对地铁这一复杂系统来讲，造成该地铁追尾事故的原因一定是多方面的、综合性的原因。事故发生后根据据相关初步调查，事故原因为雪天轨滑导致前车信号降级，紧急制动停车，后车因所在区段位于下坡地段，雪天导致列车滑行，未能有效制动，造成与前车追尾。在此基础上分析造成北京地铁昌平线事故的综合原因，首先是地铁列车的信号降级导致在列车运行过程中由信号设备主导偏向由人为操纵比重加大，那么在这一过程中，正常状态下以列车自动驾驶为核心的信号设备系统运行控制中、驾驶车辆的司机以及车辆上其他人员能否做出正确的操作是碰到突发事件下的巨大挑战，从而导致在信号降级情况下必须保证列车安全运行的关键因素。其次是正常情况下列车自动防护ATP系统应该及时发挥作用，保障列车运行安全，但是在恶劣天气如暴雪天气下，可能影响了ATP系统的作用。第三是对地铁列控系统来说，当前的CBTC列控系统极为复杂，仅车地间3000余个控制接口，实际上每一个接口出现问题都有可能导致问题，因此对整个列控系统内部各个模块与接口的监控、以及对列控系统外部的各种接口设施设备与软件系统的监控等方面是迫切需要我们进一步加强的地方。     

问题二：何为信号降级？

      信号降级是轨道交通“故障导向安全”的体现，是为了更安全的运行。正常运行时采用CBTC、或者准无人驾驶系统，正线运营，优先采用信号模式（ATO及ATP），信号模式下，车辆可实现全功能的自动驾驶和自动防护。当设备出故障的时候，比如信号软件出现BUG、通讯出现延时、运行模块不稳定，当正常的信号模式不可用时，就会涉及到降级运行，由高到低依次降级至最高可用模式运行。通俗来说，信号降级就导致列车运行控制的主导由信号系统转为人工驾驶控制，这对人工驾驶控制提出了更高更为复杂的要求。

问题三：当前列车调度可不可以进一步优化？

      在此事故发生时，调度系统考虑在雪天的大客流需求，因此前后两辆车仍然按照正常情况下的行车间隔运行，最小行车间隔达到两分钟，但是由于轨道上有积雪，人工刹车制动距离拉长，紧急制动时机滞后，两辆车要保证安全行驶需要更大的行车间隔，应该在此情况下增加发车间隔，保障行车安全，因此对于该问题仍然是有列车调度的优化空间，怎样平衡大客流需求与列车安全运行是我们需要长期优化的问题。

问题四：轨道交通建设和运行和土木环境的关系？

  该事故的发生，实际上也涉及土木结构的问题，初步调查结果显示，后车正处于下坡也是导致后车无法成功制动的因素之一。在2021年郑州地铁5号线事故中，也同样存在土木环境的因素，郑州地铁集团有限公司擅自变更设计，使停车场处于较深的低洼地带，导致自然排水条件变差，另一方面停车场挡水围墙质量不合格，土木结构存在问题。因此地铁线路的建设施工时需要进一步充分考虑坡度、弯度等对于列车的影响，采用更加精细化与更加科学智能的方法与手段解决土木环境与列车运行之间的协调问题，保证使列车能够正常运行的土木结构和条件，完善建设中的土木环境条件。

问题五：应对突发意外事件时需要什么样的联动系统？

        为了更好地应对此类突发事件，需要增加与各系统的联动，形成联动系统，与周围环境的联动控制，综合进行应急组织管理，疏散客流，客流管理，连接119,120,110系统，设计和地面公交衔接的综合交通系统，发展新材料，提高地铁列车的材料韧性，提高应对此类突发事件的能力。

问题六：该事件对于未来的轨道交通发展方向有什么启发？

     首先是智能化控制调度方向，当前以线路为指挥单元划分的传统调度指挥模式已无法满足网络化运营的发展需求，当前的控制与调度方式需要向更加智能化与综合化的方向发展。在行车间隔的控制上，考虑相关土木结构，如坡度、弯道的影响，根据天气、结构的不同综合考虑行车速度与行车间隔，实现智能、安全、环保兼备的控制与调度。

    第二是提升轨道交通运营建设的在不同气候环境下的韧性，恶劣天气下，研究如何提升轨道交通运营与建设的韧性

如雪天自动融雪装置，保证设备状态良好和运行安全对于铁路的施工建设来说，如何提升在恶劣天气下的韧性，保证设备的安全性和施工的安全性，减少对于施工的影响。

    第三是优化轨道交通建设土木结构，建设期优化土木结构，提高系统稳定性，轨道交通建设充分考虑坡度、弯道等土木结构对于列车运行的影响。

 第四是推动轨道交通信号传输和通信网络更新，提高信号传输的安全性、稳定性和高效性，更新轨道交通通信网络，提高各子系统的协调能力。

 第五是推动建设轨道交通衔接公交系统的综合交通网络运送旅客流动的效率，减少单个交通子系统的压力，在应急处置时，提高客流疏散能力。

问题七：未来轨道交通信号系统基础前沿研究该怎么做？

      信号系统降级时应该保证仍然能接收到周围列车或者列控中心的信息，辅助当前列车做出正确决策，要形成和外部的联动。同时要增强对于此类事件的巡检和监控系统建设，及早发现问题，解决问题。

对于我们同济大学交通信息控制联合实验中心，在未来要继续以场景驱动为基础，建设基于数智轨道的综合交通原型子系统，实现数字化、智能化轨道交通运行控制。主要建设包括：

数据釆集传感器子系统，（无人机数据采集、摄像头、温感、声感…）；采集运行车辆运行状态和环境信息。

数据库系统：自律分散数据域系统，云终端机、数据前端处理工作站；根据数据库经验快速应对突发事件。

数字孪生工作站：元宇宙、交通大模型，机器学习子系统；轨道交通系统的各子系统结构可视化展示，可视化巡检，及时检测故障发生。数字安保环保控制子系统。