世界上许多国家通过对过去发生的悲惨事故进行详细分析，相应地提出了保证列车运行安全的要求。列车运行的安全性、实时性与舒适性需要现代科学与技术的保障。

1.安全保障的内容

整个轨道交通系统的安全运行需要依靠通信、调度、检测、控制等子系统构成一个完整的技术保障链，每个子系统既具有技术相对独立性又相互“勾连”与交叉，从而形成轨道交通运行的安全保障系统。

1）列车定位完好性

全球卫星导航系统已成为铁路运行安全的保障之一。尽管当前卫星导航定位的精度已经达到大部分时候都可以比较准确地提供列车运行行驶信息的需求，但是在列车行驶过程中，一旦导航系统发生故障而不能及时向列车提供告警信息时，将出现严重的安全隐患。

列车接收机能否确定其位置或速度以及能否具有与卫星导航系统时间同步的精度，取决于各种因素错综复杂的相互作用。一般来说，卫星导航系统的精度取决于伪距和伪距残差测量以及卫星星历数据的质量。有关的误差是由控制端、空间段和用户段引起的。为了分析各种误差对精度的影响，通常要做一种基本假设，即可以将这些误差源归属到各颗卫星的伪距中，并可以看成在伪距中实际的等效误差。

卫星和接收机的时钟偏移以及各种误差源都会影响卫星到用户之间几何距离的测量，进而影响对用户的定位精度。

卫星信号穿过大气层时会产生延迟，而且反射（即多径）、选择可用性及用户天线相位中心和接收机的码相关点之间的硬件运行误差都可能使信号延迟（或超前）。由这些影响因素所造成的总时间偏差为

式中，δtatm为大气层引起的延迟；δtnoise＆rcs为接收机噪声和分辨误差；δtmp为多径偏差；δthw为接收机硬件偏差；δtSA为选择可用性偏差。伪距的时间等效值是信号被接收时的接收机时钟读数和信号被发送时的卫星时钟读数之差。

“完好性”异常情况的发生是由卫星或主控站（MCS）引起的，它会导致不可预测的超过安全允许范围的定位误差。一般情况下，“完好性”异常现象发生的次数每年仅为个位数计，但一旦发生了，就可能会对定位带来巨大的影响，所以对于列车导航来说，这是极为重要且关键的技术要素［13］。引起“完好性”异常问题的主要原因可能来自卫星时钟异常、卫星星历误差、卫星的特殊问题和主控站。

卫星时钟异常是由于随机游离、大跃变或者两种情况结合造成的频率标准问题所引发的。当频率标准的射束流或温度发生剧烈变化时，主控站会出现“过时钟跳变”的情况。

卫星星历误差指卫星广播轨道与真实轨道之差，称为星历残差。由于卫星的位置都是估计信息，再传递给用户。只有随着卫星定轨技术的不断进步，定位精确度才会逐步得到提高。卫星星历异常原理如图1-33所示。卫星星历异常是由于在轨的卫星受多种阻力影响，无法准确确定这些阻力对卫星位置造成的影响。

图1-33　卫星星历异常原理

当前对卫星星历异常的估计仍然十分困难。首先取决于卫星导航系统的精确性能。在全球定位系统（GPS）中，BlockⅠ卫星（美国第一代GPS通信卫星）相对来说容易发生星历异常。日食发生时，由于卫星与太阳被阻隔，必须依靠其内部电源运行。随着卫星的老化，一旦没有太阳电池板从太阳收集来的附加动力，它们将停止运行。因此这种异常一般发生于日食后卫星离开地球阴影区和太阳板视图重新获得对太阳的跟踪时。此时卫星通过点燃助推器调整运行姿态，会导致偏差增大。BlockⅠ卫星内部缺少抗空间环境辐射的强化措施，因而容易发生“位损伤”，影响导航电文和C场调谐的“字损伤”，这是因为铯束进行对准的C场调谐寄存器会受到太阳辐射的干扰。同时，为了克服“位损伤”，当BlockⅠ卫星改变一些“位”——用于对铯束的对准方向做计数的那些位，会导致在数分钟内产生数千米的偏差。BlockⅠ卫星还容易产生P码偏移，这种偏移会导致P码跟踪的丢失，造成定位结果出现数千米量级的偏差。在BlockⅠ之后，美国的BlockⅡ/ⅡA/ⅡR卫星就已经克服了这种缺陷。我国北斗系统具有明显的后发优势，在这些技术性能方面已经超越了GPS。

主控站问题则大多由硬件、软件、人为因素造成。曾经发生过一次主控站的事故就造成卡尔曼滤波的协方差计算发生错误。由于这些异常值的存在，在察觉到故障之前，列车可能已经发生了几千米的偏差。当前，GPS地面监测网还未能做到24小时覆盖所有卫星，因此如果发生“完好性”问题，很有可能不会立刻被发现。

为了把“完好性”异常发生的可能性尽可能降至最低程度，主控站技术还在持续地改进过程中。具体措施为安装冗余硬件和牢固软件，以及对操作人员进行培训，尽可能做到减少人为错误。然而，仅依靠主控站告警永远不能满足“及时性”的技术要求，因为发出告警信息需要一定的响应时间（时滞）。所以依靠用户（轨道交通系统中的车辆及调度检控）自己独立检测“定位完好性”和卫星异常的方法需要得到相应提升。这也就是当前我国实现全球布网后的北斗系统所特有的技术优势［14］。完成全球布网后的北斗卫星系统已经为轨道交通系统的精确定位提供了可靠的技术保障。

2）列车调度管理

在列车调度管理中，最为突出的是缺少车站区域保护区段。所谓保护区段，即在不保证提供有保障目的的制动系统中，不允许取消向信号机禁止信号外发车。

比如，在继电连锁系统中，出站信号机或进路信号机由于红灯故障而熄灭。这种情况，特别是在夜晚，有可能会发生可悲的后果。在陈旧（技术上已经日渐被淘汰）的系统中，在接车进路末端或者从一个车库向下一个车库转移进路末端被熄灭的红色信号灯往往被忽视。在这种情况下，极有可能会发生车辆调度事故［15］。(www.daowen.com)

3）地址灾害对列车安全运行的影响

随着高速铁路的日益普及，不少新建的高铁线路需要通过山区甚至泥石流易发区。常见的中等强度的泥石流势必对高速列车在桥上的运行安全造成严重威胁［16］。主要因为泥石流冲击荷载会使邻近的桥梁梁体以及钢轨产生较大的横向应力响应。由泥石流冲击荷载造成的桥梁横向位移和加速度远大于由列车行驶激励产生的横向位移和加速度。桥梁响应的主频分量接近全桥横向弯曲频率时，对列车运行会产生极大的安全威胁。

4）人为因素对列车安全运行的影响

人为因素是影响地铁列车安全运行的重点之一，加强对人为因素的管理，能够切实保护乘客的生命安全，具有较高的实际意义。如何科学管理成为列车安全运行需要普遍关注的问题。

其中，列车司机是影响列车运行安全的重要因素。目前，部分司机存在安全意识不强、业务素质较差等问题，导致其在应急事务处理、现场判断中存在失误，不能有效地控制突发事件，最终导致风险事件发生。

此外，现阶段地铁调度指挥员岗位主要为电力调度、行车调度、环控调度三种。在列车运行中，列车调度的作用十分突出。以行车调度为例，行车调度工作的主要内容为制订每日列车运行的示意图，并组织、计划列车运行，是列车安全与稳定运行的关键。若行车调度在工作中出现偏差，会导致列车的发车时间不准确，最终引发事故。

还有，列车维修人员在有关部门的指导下，负责列车的各种维修、检查工作，能进一步延长列车的运行寿命，保证行车安全。若维修人员在工作中出现偏差，会导致列车在运行过程中出现问题，最终演化为安全事故［17］。

2.保障列车安全运行的基本技术方法

随着科学与技术的发展，诸多智能化技术早已融入轨道交通系统中，尤其是高铁系统。可以说，高铁技术从诞生的第一天开始，就与智能技术相伴而行。高铁的车辆设计与制造，以致运行的每个过程，都与动力机械工程学、工程材料学、通信理论与技术、检测与控制、信号处理与智能算法、人工智能等紧密相连。也正因为在交叉学科的现代科学与技术的烘托下，才实现了当今先进、安全的轨道交通工具，给社会带来了前所未有的先进生产力，使人们生活高度便捷。

1）保障列车定位的基本方法

卫星导航系统出现故障时，向列车及其调度系统提供告警能力的完好性具有十分重要的意义。这其中就涉及卫星信号接收机自主完好性监测技术。

比如，检测算法都是对线性高斯系统进行完好性处理，而在真实运行环境中观测噪声分布往往难以用单一的确定型分布来精确刻画。这时，就可以采用一种高斯混合粒子滤波RAIM算法。引入了高斯混合模型，通过期望最大算法，将卫星的观测噪声由未知噪声近似表示成高斯和的形式，利用粒子滤波方法对非高斯条件下的卫星定位接收机的自主完好性进行分析与判别，进而在检验统计量对卫星故障时刻进行识别的基础上，对故障卫星进行隔离，从而为列车在复杂环境下的运行安全提供重要的定位技术保障。

2）列车调度管理的优化

考虑到世界上许多铁路在进站信号机、进路信号机、出站信号机和通过信号机后方规定了长度约为几百米的保护区段，在发出允许跟随信号开始进路的命令之前，需要对该区段的空闲和敌对进路进行检查。

采用了保护区段后，这些系统的制动距离是根据列车在自动紧急制动时能够达到完全停车的运动动力学要求来计算的。

3）克服地质灾害的技术方法

对于因地质灾害而引起的荷载冲击，在加大地质运动状态检测的同时，可以根据地质荷载冲击时刻的不同冲击力所带来大小不同的响应，采用智能算法来判定冲击波对列车的影响，进而做出列车运行决策（改变运行速度或紧急停车）。比如，在相同的桥梁参数、轨道参数以及轨道不平顺谱（反映轨道不平顺情况的数学描述）的情况下，需要研究列车运行速度与泥石流冲击强度对列车运行安全的联合影响。

4）克服人为因素对列车运行安全影响的方法

除了加强司机在线安全监控机制，强化不良因素预警，健全以本单位为基础的列车行车管理制度，即建立自上而下的安全管理网络制度和健全安全事故分析制度之外，更为重要的是，随着人工智能的高度发展，需要逐渐普及与推广人工智能技术在列车运行中的应用，包括列车自动驾驶或列车智能辅助驾驶技术的普及。

随着轨道交通智能化技术的不断完善，终于有条件使得曾经屡见不鲜的事故逐渐成为历史，最终全智能化技术在轨道交通系统的实现指日可待。