地铁安全面面观,为地铁装上

日期:2020-01-24编辑作者:教育资讯

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国内首条“无人驾驶”地铁燕房线将试车

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图片 2■本报见习记者 赵广立5月28日上午10时52分许,首尔地铁3号线的一列列车驶至首尔江南区道谷洞道谷地铁站时一节车厢失火,车内乘客全部被安全疏散。这是韩国地铁一个月来第四次“地铁惊魂”。其中一次较为严重的事故发生在5月2日下午,首尔2号线地铁去往蚕室方向的两班列车在上往十里站发生追尾事故,造成238名乘客受伤,其中包括2名外国人。地铁速度快、高效准时,是许多人出行的首选。然而如果地铁事故频发,难免会给人以“地铁还安全吗”式的担忧。实际上,地铁作为城市骨架性的地下大容量交通方式,遍布城市的主要人流聚散地,与人们各类社会活动联系紧密。这些特征决定地铁交通任何一个局部安全事件都必然形成公共安全事件。地铁建设:全过程的风险管理已故的两院院士周干峙生前曾指出,地铁运营安全要从源头抓起,即从地铁规划、决策、建设、运营、管理全过程落实安全防控措施,在地铁建设上要先期考虑实际运行中的各种安全管理措施,如设计必要的安全观测探头、警报指挥系统,一切材料要防火、无毒,防患于未然。地铁施工是一项“高风险”工程。解放军理工大学国防工程学院副教授戎晓力在接受记者采访时表示,由于地铁地下工程一般埋深在20m~40m左右,埋深较浅,多处在土层和强、中风化岩层,地层稳定性较差,以目前的技术手段,人们还不能清楚地了解地层的情况,因此而来的不确定因素给设计、施工带来很大困难。“目前地铁工程勘察工作主要通过一定密度的地质钻孔对地层情况进行推测,存在很大的不确定性,而地质雷达等物探手段由于对结果识别存在多解性,也不能准确地进行识别。”戎晓力说,除了规划设计阶段要充分考虑各类风险,还要在施工及工后阶段进行风险管理。“因此建议对地铁工程采用全过程的风险管理。”戎晓力介绍说,在工程规划阶段,重点应在选线时考虑不良地质和复杂环境的影响,尽最大可能规避高风险区域。而由于地铁工程功能定位的特点,完全规避不良地质和复杂环境相当困难,因此,在选线后须对沿线地质情况和环境情况进行勘察,进行风险评估,以便在设计时有针对性地加强安全防护。在工程设计阶段,戎晓力指出,要充分考虑地质环境与工程结构、施工工法的适应性,具体包括结构强度、开挖步序、支护形式、应急措施等方面。同时,还要详细提出监测措施和技术标准,经过计算给出监测技术控制指标。由于地铁沿线多为市区繁华主干道,浅表底层扰动大,建筑物纵横交错,道路两侧分布各类地下管道,埋藏情况错综复杂,因此在施工过程中容易引发燃气泄漏、触电、坍塌等一系列事故,因此应对地铁施工过程中的风险进行严格管控。“施工阶段首先要确保工程质量,特别是始发接收井、基坑支护结构等关键施工部位。同时,在施工中要加强监测监控,持续对工程结构及周边地层、环境加强变形、应力、水位等数据进行监测,一旦发现数据超过警戒指标,要立即采取相应技术措施进行控制,遏制工程事故发生。”戎晓力告诉记者。地铁工程完工后,还需要持续监测工程结构是否变形,特别是在地铁工程周边进行地基开挖和管道施工等工程建设活动时,要监测地铁工程结构可能由于周边地层扰动引起的变形,以免发生结构损害影响运营安全。“这方面国内地铁工程是有过教训的,南京地铁在2011年和2012年就发生过两起由于隧道结构受地质影响产生严重变形影响运营安全的事故。”戎晓力说。地铁运行:高效安全的CBTC系统确保列车安全有序运行,缩短发车间隔以提高地铁运行效率,指挥地铁行车的中枢神经系统——地铁信号系统是关键。目前在地铁信号系统的选择上,基于无线通信的列车自动控制系统由于其高效安全的性能,占据着多数席位。轨道交通运行控制系统国家工程研究中心主任、北京交控科技有限公司总裁郜春海领导的研发团队,完成了我国首条自主创新的城轨CBTC信号系统示范工程,该示范工程打破了CBTC系统核心技术被外国人垄断的局面。在CBTC系统中,安全计算机是关键的一环。日常使用的计算机偶尔会出现计算错误,然而控制列车运行的计算机如果也出现类似错误的话,后果将不堪设想。CBTC系统配备3台安全专用计算机作为“大脑”,作为列车的控制设备。郜春海指出,“3台安全计算机在同一时间犯同样错误的几率,几乎为零。如果3台计算机结果一致,那么我们认为列车运行是安全可靠的”。此外,CBTC系统能够确保列车精确的位置信息。要确保列车能够在安全的间隔内运行,列车的位置信息必须要非常精确,哪怕是微小的错误,也有可能酿成危险的事故。CBTC系统中的每个定位装置都有全线路唯一的ID号,列车经过的时候收到定位装置的信号,就能确切地知道自己在整个线路的哪个位置,下一步将朝向哪个目的地。列车超速是列车运行过程中最大的隐患。CBTC系统中配备有精确的测速装置,这些固定在列车轮轴上的速度传感器,由一个有等间距小孔的金属盘和感光装置等构成,列车运行时,速度传感器发出感应光线,跟随车轮转动而转动,处理芯片根据透过小孔的闪光计算列车行驶速度,用精确的光学方法解决列车测速的问题。北京地铁官网统计显示,今年五一假期期间,北京地铁14条线路共运送乘客2195.08万人次,日均731.69万人次。而出色的测速装置、定位装置、安全计算机组成的CBTC系统,将列车发车间隔缩短至90秒,在安全运行的基础上,有效地缓解了地铁拥挤。地铁未来:系统安全是方向地铁行车过程中,除高效可靠的地铁信号系统为其保驾护航之外,其他方面的保障同样不容忽视。轨道交通控制与安全国家重点实验室首席教授、北京交通大学智能系统与安全技术研究中心主任贾利民在接受记者采访时介绍说,地铁安全不仅仅是行车安全,更是一个有机整体的系统安全。“首先地铁设施设备层面要确保其可靠性,避免因设备故障导致交通事故;其次构成地铁的若干个子系统,信号、指挥、安防、牵引供电、排风等须通过轨道紧密耦合、协同作用;再加上列车与车站、旅客换乘、车站出入口等运输组织和旅客服务的管理机制方面的保障,以及完善的应急措施,联合形成一个有机运作的整体。”贾利民说,归根结底,基于对列车运行、设施设备、客流状态获取、评估和管理控制等技术,指挥中心才能进而作出正常行驶、预警、应急处置和救援保障的调控,并且通过信息技术和管理流程、机制使各子系统协同发挥作用。随着地铁路网规模的不断加大,地铁安全系统也需要升级应对。贾利民认为,地铁安全保障系统的升级至少需从三个方面进行完善。“任何决策必须是在充分获得信息、正确评估基础之上的。所以首先是要继续完善地铁各个层面上的安全状态的获取、评估和预警。”贾利民说。其次,要强化地铁相关各个子系统之间合理的耦合,各子系统之间的耦合要做到“既紧密又有弹性”。贾利民解释说,为避免局部或者某个子系统设备失效导致影响扩散到更大的范围,就需要合理的系统集成与规划。非设备、技术原因带来的其他方面的影响同样不容忽视。贾利民提出,“针对任何事件要有完善的应急处置预案,同时应强化与应急预案执行相关的地铁各方面资源的联动机制,以及技术保障——要有一支能真正预防和应急处理的队伍或系统”。而针对因不可抗力、突发性事件引起的地铁安全问题,地铁安全系统也应考虑在内。“比如暴恐袭击或者突发自然灾害的情况下,怎么能够把场景考虑得更加丰富、事故态势更加恶劣,需要完整的策划和演练,以确保事故一旦出现,能够第一时间协同调配资源,对事故及时反应处置。” 贾利民告诉记者,这方面还需要做大量的工作,才有可能把突如其来的损失降到最低。地铁安全是一个永恒的主题,涉及地铁系统的每个环节。然而,贾利民认为,地铁安全的未来就是系统安全。他解释道,系统安全就是从系统整体出发,来规划、设定、配置、运营、管理和维护。“一定不是‘各顾一摊’,而一定是从全局出发,保障整个系统安全——这还有大量的技术工作去做。”延伸阅读北京第一条地铁史话北京地铁是新中国第一条地铁,一期工程全长23.6公里,共17个站,平均每站1.47公里。由于当时面临的国际形势,北京地铁一期工程按照民用最高的级别三级防护修建,直到今天,都堪称中国最安全的地铁。当初北京修建地铁是作为战备防护、疏散人民的主要通道工程。1965年2月4日,毛主席亲自在北京地下铁道建设方案的报告上作了“精心设计,精心施工,在建设过程中一定会有不少错误、失败,随时注意改正”的重要批示,确定了北京地铁“适应军事上的需要,兼顾城市交通”的建设方针。1956年开始,地质部901大队负责地铁建设的地质勘探工作。勘探结果表明,北京西部的地下黏土层在地面40米以下,东部则在120米以下,而地铁最好是修建在不透水的黏土层中。尽管有诸多困难,但在“战备为主,兼顾交通”的总原则下,北京地铁最终确定为深埋。1965年7月1日北京地下铁道一期工程正式开工时,国务院将地铁列为重要战备工程,代号“401”。时任北京市市长的彭真主持了开工典礼。当时已79岁高龄的朱德亲自拿起铁锹,为地铁破土。不过,出于战备工程的保密考虑,当时的媒体并未对此进行报道。北京地铁就这样神秘地开工了。对于地铁防轰炸的设计,当时是按照100架飞机带100个炸弹地毯式轰炸后仍然保证安全的标准设计的。就好比说地上炸了个深坑,但要求对地下的结构不产生影响,因为顶部还有防爆破层。而且遇到战乱人们也可以躲进地铁,就好像躲进地下宫室一样——直到现在也还保留着这个功能。北京地铁从规划开始就处于一个特定的历史年代,国际形势比较严峻,这就迫使我们不得不高度重视国防建设和战备工作。国家明确提出了地下铁道为三级防护等级,要求具有三防的功能:防原子辐射、防化学、防细菌战。

近日,记者从北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室获悉,具有完全自主知识产权的中国第一条轨道交通全自动运行系统(简称“FAO”、俗称无人驾驶)线路——北京地铁燕房线将于9月底开始试车,并于今年年底开通试运营。

四趟装载着不同厂家设备、不同路线的列车在同一条线路上共线运行,乘客零换乘,便可一站直达目的地。这不是愿景,而是刚刚取得的轨道交通互联互通新成果。

“‘无人驾驶’地铁是一个‘庞大的智能机器人’”。据北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室主任唐涛介绍,在一个很普通的早晨,天刚蒙蒙亮,停车场内一列列车准时从休眠中自动唤醒,完成自检之后从车辆段里徐徐开出,开始在正线按照时刻表运营,完成站间行驶、到站精准停车、自动开闭车门、自动发车离站、自动折返,完成运营后自动清客、自动回库、自动休眠……,第2列、第3列也依时刻表进行同样的动作,全过程都不需要司机和乘务人员介入。

这个新成果的领衔研发者叫郜春海,48岁的他不仅有着城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室主任、交控科技股份有限公司董事长等多重身份,更是轨道交通界的“科技大咖”。看着测试运行中,四趟列车跨线、共线运行,却互不干扰、井然有序,郜春海心里说不出的高兴。“这标志着我国轨道交通信号系统进入了互联互通时代,列车利用率和效率将大大提高。”郜春海说。

记者了解到,全自动运行系统是目前城市轨道交通列车运行自动化水平的最高等级,是轨道交通技术发展方向。2010年,中国提出了基于RAMS(高可靠性、可用性、可维修性和安全性的英文首字母缩写)的全自动运行系统理念,这标志着中国自主研发的全自动运行系统正式进入研究阶段。历经6年努力,目前已完成全自动运行系统的核心技术研发,并将在北京地铁燕房线首次示范应用,这也是中国自主化全自动运行系统国家级示范工程。

轨道交通能实现互联互通,这与CBTC紧密相关。CBTC,基于通信的列车运行控制系统,可以保障列车以最小安全间隔距离运行,并达到最大运输能力,防止车辆追尾碰撞,是指挥轨道交通“大脑”的“芯片”。时间倒推20年,北京乃至我国98%以上的轨道交通线路的CBTC都从国外引进。当时,在北京交通大学任教的郜春海心中便有了一个梦想,那就是坚持自主创新,做一套属于中国的轨道交通控制系统。

全自动运行系统是一个由中央监控系统、车站子系统、车载控制器和车地通信网络等构成的复杂系统,覆盖整条线路及其所有车站和列车,全天候不间断运行。相较于目前广泛应用的人工驾驶系统,无人驾驶降低了因人的行为失误带来的安全风险。它的推广和应用将极大提升中国轨道交通在国际上的地位和影响力,使得中国的重要基础设施更加安全可控。据城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室主任郜春海介绍。

多年来,他和团队一直致力CBTC核心技术研发,成功攻克高密度动态追踪间隔控制、速度安全防护控制、高精度列车安全定位等多项技术难题。

北京交通大学、北京市轨道交通建设管理有限公司、北京市地铁运营有限公司、交控科技股份有限公司等构成产学研协同创新团队研发了CBTC(基于通信的列车运行控制系统),2010年使中国成为继法国、德国、加拿大之后第四个掌握该项核心技术并应用于实际工程的国家。六年来,CBTC系统已抢占全国1/3的新线市场,也是六年来北京唯一没有引起停运事件的地铁列车运行控制系统。这套系统不仅服务北京、辐射全国,还走向世界,中标越南轻轨工程项目。

2017年年底,北京地铁燕房线正式开通试运营,这是我国具有完全自主知识产权的第一条全自动运行系统线路,也就是俗称的“无人驾驶”,研发团队正由郜春海领衔。

据悉,基于CBTC技术的更高级别的全自动运行系统也已经达到国际一流水平,它是城市轨道交通运行控制系统技术一次质的飞跃。据国际公共交通协会估计,2020年全球全自动运行系统总运营里程将超过2000公里,到2020年国际上75%地铁新线将采用这一技术,40%的既有线改造时将采用这一技术。

乘坐燕房线,便能深切感受到科技的魅力。清晨,控制中心发送命令远程唤醒列车,列车启动车门、广播、刹车等31项检查,自查处于健康状态后,准时出发。得益于全自动运行,燕房线每个站点比人工驾驶节省15秒钟时间。全程14.4公里,最高时速可达到80公里,单程只需24分钟。在行驶过程中,地铁能对障碍物进行扫描检测,一旦收到障碍物信息,便会在0.2秒输出紧急制动。

根据相关规划,北京地铁3号、12号、17号、19号线以及新机场线等新一轮轨道交通线路建设都将采用全自动运行系统这一技术。上海、深圳、武汉等多个城市也都在计划在新线建设中采用该技术。

“全世界已有超过40个城市开通运营61条全自动运行线路,中国至今没有一条自主知识产权的全自动运行线路,燕房线的开通,是第一次装上‘中国芯’,对于我国来说是迈出了可喜的一大步。”郜春海兴奋地说。

《中国科学报》记者了解到,在CBTC信号系统成功研发、示范应用之后,科技部、发改委、北京市科委、交通委、城市轨道交通协会等又支持建立CBTC研发中心、城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室,设立“863”课题、北京市科技发展重大项目及示范工程,支持该团队开展全自动运行系统相关基础理论及关键技术研究、系统设备开发及示范工程建设,推进轨道交通装备的持续创新,引领我国轨道交通技术发展方向研究。

时隔两月,CBTC再次取得互联互通的新突破。“不论是‘无人驾驶’燕房线,还是互联互通,都将大大促进我国自主知识产权的CBTC信号系统的进步和推广。”郜春海说,站在新的起点上,将继续为自主CBTC研发努力奋斗,向世界一流水平迈进。

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