基于環(huán)線的移動(dòng)閉塞行車安全性及其防護(hù)分析

王 春

王 春:廣州地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部 助理工程師510000 廣州

隨著城市軌道交通朝著高密度、高速度、高舒適性的方向發(fā)展，大量的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到列車自動(dòng)控制中。下面分析和探討在自動(dòng)控制模式下，基于環(huán)線的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的行車過程安全性及其防護(hù)。

1 移動(dòng)閉塞的列車安全間隔模型

在SELTRAC信號(hào)系統(tǒng)中，依據(jù)移動(dòng)閉塞原理來實(shí)現(xiàn)列車分隔。前方列車后部的安全分隔距離將根據(jù)列車最大運(yùn)行速度、制動(dòng)曲線和列車位置等進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。由于有了高精度的列車位置報(bào)告(6.25 m)及該段線路的最大允許速度，追蹤列車就可以安全地向前方列車接近，直到距離前車尾部一個(gè)安全制動(dòng)距離。不難看出，由于列車不需要在一個(gè)被占用的固定閉塞區(qū)間入口處停車，因此大大地縮短了運(yùn)行間隔。圖1顯示了移動(dòng)閉塞列車安全間隔的基本原理。

如圖1所示，列車之間總是保持一個(gè)“安全距離”。該距離是介于后車的目標(biāo)停車點(diǎn)和確認(rèn)的前車尾部之間的一個(gè)固定距離，是在正常條件下的停車距離加上列車可能超出它的制動(dòng)性能曲線而走行的最大距離之和。在選擇安全距離時(shí)，應(yīng)充分考慮列車控制和制動(dòng)系統(tǒng)的誤差，以及最壞情況組合在內(nèi)的一系列因素，使列車能夠被安全地分隔開來。

圖1 安全列車間隔

2 列車安全防護(hù)分析

2.1 目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置原理

目標(biāo)點(diǎn) (TP)定義為位置，它通過VCC送到列車，指示列車可以安全運(yùn)行到軌道上的特定目標(biāo)區(qū)間 (至少是一個(gè)位置的分辨率)。對(duì)于列車而言，運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)總是安全的。VCC保證至少在目標(biāo)點(diǎn)外的一個(gè)安全距離內(nèi)軌道是無(wú)障礙的。

計(jì)算每列車的目標(biāo)點(diǎn)通常要考慮以下2個(gè)主要因素:①在列車前方可能設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)的區(qū)域大小;②掃描潛在設(shè)置區(qū)域每個(gè)位置外的安全距離，并確定在這個(gè)掃描區(qū)間內(nèi)是否存在障礙、停車終點(diǎn)或速度限制。如果有，則目標(biāo)點(diǎn)將設(shè)在離障礙物為一個(gè)安全距離處;否則，目標(biāo)點(diǎn)將設(shè)置在潛在設(shè)置區(qū)域的盡頭。

信號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)重要特性是給列車有限的移動(dòng)授權(quán)，保證與前面列車預(yù)留的運(yùn)行距離最多3 s，最大限度地減少了列車的責(zé)任，允許信號(hào)系統(tǒng)對(duì)變化的情況作出立即反應(yīng)。對(duì)于每列自動(dòng)或人工模式下的列車，在軌道上能安全運(yùn)行的位置 (目標(biāo)點(diǎn))，永遠(yuǎn)不能超過計(jì)算的潛在目標(biāo)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 最遠(yuǎn)的潛在目標(biāo)點(diǎn)

2.2 列車自動(dòng)控制 (ATC)模式下的進(jìn)路列表元素及其防護(hù)

列車行車目標(biāo)點(diǎn)的確定不僅與前方列車的位置有關(guān) (安全的列車間隔)，而且還與行車線路的許多因素發(fā)生聯(lián)系，這些相關(guān)聯(lián)的因素就稱之為“進(jìn)路列表元素”，主要包括:沖突區(qū)Conflict Zone(CZ)、入口點(diǎn)Entry Point(EP)、安全距離Safety Distance(SD)、道岔區(qū)Switch(Point)Zone(SZ)、道岔Switch(Point)(SW)、非允許區(qū)Unallowed Zone(UZ)、(最高)速度元素 (Maximum)Velocity Element(VE)等。而只有在列車進(jìn)路設(shè)置中充分考慮所有關(guān)聯(lián)因素，才能最大限度地保證列車運(yùn)行安全，從而兼顧效率與安全。因此，對(duì)進(jìn)路列表元素的防護(hù)分析也就成為重中之重。

1．沖突區(qū)CZ元素。VCC在掃描進(jìn)路數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，如果有沖突區(qū)CZ的起始點(diǎn)，而該區(qū)尚未預(yù)留(除了正在實(shí)施掃描的該列車)，VCC將把目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在該沖突區(qū)的安全距離范圍內(nèi)。如果沖突區(qū)是為另一列列車預(yù)留，同時(shí)沖突區(qū)比潛在目標(biāo)點(diǎn)更接近列車前部，則列車目標(biāo)點(diǎn)將設(shè)置在離包含CZ元素位置以外的安全距離，如圖3所示。當(dāng)該占用/預(yù)留列車的尾部已經(jīng)離開CZ后，針對(duì)該CZ的占用/預(yù)留也將解除，而解除CZ與相應(yīng)的道岔位置無(wú)關(guān)。

圖3 到一個(gè)已預(yù)留沖突區(qū)CZ最接近點(diǎn)

2．入口點(diǎn)EP元素。對(duì)ATC系統(tǒng)，列車進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行線路的地方是通過使用入口點(diǎn) (EP)線路元素來識(shí)別的。EP通常位于所有環(huán)線的邊界，使一列人工駕駛的列車在運(yùn)行不超過一個(gè)環(huán)線長(zhǎng)度以后，就能被置于自動(dòng)運(yùn)行。

3．安全距離SD元素。如果在VCC掃描線路時(shí)有一個(gè)SD元素，而與該列車相關(guān)的安全線路元素值大于當(dāng)前SD數(shù)值，則當(dāng)掃描結(jié)束時(shí)，與該列車相關(guān)的安全線路元素將決定目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置。

4．SZ道岔區(qū)安全距離。當(dāng)沒有障礙物存在時(shí)，ATC把列車前面的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在足夠遠(yuǎn)的位置，以保證列車實(shí)施制動(dòng)前能以最大速度運(yùn)行3 s。如果道岔必須轉(zhuǎn)換，則接近的列車將減速，因?yàn)樵诘啦磙D(zhuǎn)換到位完成之前，它的目標(biāo)點(diǎn)不會(huì)超出該SZ道岔區(qū)的安全距離范圍。

為防止由于道岔轉(zhuǎn)換延遲引起的不必要制動(dòng)，VCC應(yīng)掃描比目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置更遠(yuǎn)的地方(一個(gè)“預(yù)警SCOUT距離”)，以尋找道岔區(qū)SZ和道岔SW線路元素。一旦找到這些元素，道岔要被預(yù)留并命令轉(zhuǎn)換到要求的位置。它們之間的聯(lián)系表示見圖4。用于“預(yù)警距離”的數(shù)值將涉及到道岔動(dòng)作時(shí)間和列車速度的計(jì)算。

圖4 預(yù)警SCOUT距離

5．非允許區(qū)UZ。VCC不會(huì)把目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在非允許區(qū)范圍內(nèi)。在目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置過程中，如果VCC掃描到一個(gè)UZ線路元素，同時(shí)判定從非允許區(qū)另一端起的安全距離加上列車長(zhǎng)度的范圍內(nèi)有一個(gè)障礙物，則目標(biāo)點(diǎn)就會(huì)設(shè)置在離UZ元素始端一個(gè)位置 (6.25 m)。因?yàn)樵诜窃试S區(qū)終端以遠(yuǎn)的范圍內(nèi)沒有足夠的“空余”距離能夠設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)，以使整個(gè)列車停在非允許區(qū)UZ外。關(guān)于這種情況參見圖5。

6．最高速度VE線路列表元素。在ATC系統(tǒng)的線路元素列表里，通過使用最高速度元素 (VE)來識(shí)別固定的速度限制。沿著軌道的每個(gè)點(diǎn)，在速度變化的位置定義一個(gè)VE元素。在同一段軌道的2個(gè)相反方向，可以用不同的VE元素來定義不同的速度限制。

圖5 最靠近到一個(gè)UZ區(qū)間的位置

圖6 在速度限制下的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置

對(duì)一個(gè)速度限制而言，潛在的目標(biāo)點(diǎn)不會(huì)設(shè)置在速度限制占用的位置，而是采用如下2種計(jì)算方法:首先，VCC計(jì)算出一個(gè)“虛擬目標(biāo)點(diǎn)”，即制動(dòng)曲線需要滿足速度限制而假設(shè)需要延伸到零速度的列車停車點(diǎn);其次，計(jì)算一個(gè)附加距離，稱之為“虛擬目標(biāo)點(diǎn)停車距離”(VTSD)。這個(gè)額外附加的距離使列車有時(shí)間在以限制速度前進(jìn)的同時(shí)，接收從VCC發(fā)來的有更新最高速度Vmax信息的新報(bào)文 (見圖6)。在列車達(dá)到限制速度前，接近的列車會(huì)根據(jù)虛擬目標(biāo)點(diǎn)結(jié)束的制動(dòng)曲線進(jìn)行限速，從而達(dá)到常規(guī)制動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于環(huán)線的移動(dòng)閉塞列車防護(hù)，考慮了來自線路和行車的各個(gè)要素，最大程度地保障了列車運(yùn)行安全，具有很高的可靠性，符合列車控制的安全原則，在廣州地鐵3號(hào)線的列車自動(dòng)控制過程中，將起到不可替代的作用。

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