CTCS-3系統(tǒng)中ATP子系統(tǒng)的仿真研究

黃秀玲，朱文良，原 萍

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院)

1 CTCS-3系統(tǒng)中ATP車載子系統(tǒng)的防護(hù)原理

在CTCS-3級系統(tǒng)中無線閉塞中心(Radio Block Center，以下簡稱RBC)通過GSM-R無線通信系統(tǒng)將行車許可和限速信息發(fā)送給車載ATP子系統(tǒng)。ATP子系統(tǒng)首先根據(jù)接收到的行車許可信息，列車位置信息，限速信息等動態(tài)信息，以及列車制動性能信息、線路信息、列車構(gòu)造速度信息等靜態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算列車運(yùn)行的安全防護(hù)曲線，列車安全防護(hù)曲線一般包括:最大允許速度曲線、報警速度曲線、常用制動曲線、緊急制動曲線，允許緩解曲線。接著車載ATP系統(tǒng)根據(jù)接收到的列車位置信息、行車許可終點(diǎn)信息、當(dāng)前運(yùn)行速度信息等判斷列車當(dāng)前運(yùn)行是否安全:若根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行速度計(jì)算的制動距離大于行車許可的終點(diǎn)，則車載設(shè)備啟動緊急制動，使列車以最大的減速度停止，從而最大程度地減少事故的發(fā)生。然后根據(jù)車載ATP系統(tǒng)生成的防護(hù)曲線判斷列車是否超速運(yùn)行:在正常情況下，列車按小于等于最大允許速度安全運(yùn)行，此時ATP不輸出任何制動指令;當(dāng)列車速度超過最大允許速度，并且超過報警速度值時，車載設(shè)備向司機(jī)發(fā)出報警，報警持續(xù)到實(shí)際速度低于允許速度后，再持續(xù)報警2S時間;當(dāng)列車速度繼續(xù)超速，并且達(dá)到常用制動速度值時，車載設(shè)備實(shí)施常用制動直到實(shí)際速度低于緩解速度，由設(shè)備或司機(jī)選擇緩解常用制動;當(dāng)列車因常用全制動失效或者前有突發(fā)事件使列車的行車許可縮短導(dǎo)致列車當(dāng)前速度超出緊急制動曲線，車載設(shè)備實(shí)施緊急制動，此時必須待列車停穩(wěn)后司機(jī)才能實(shí)施緩解緊急制動操作。

2 CTCS-3系統(tǒng)中ATP子系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定

在300 km/h及以上線路，CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備速度容限規(guī)定為超速2 km/h報警、超速5 km/h觸發(fā)常用制動、超速15 km/h觸發(fā)緊急制動。

為保障列車安全運(yùn)行，ATP生成的常用制動模式曲線終點(diǎn)與列車獲得的行車許可界限間有一定的安全防護(hù)距離，以防止列車因特殊原因超出ATP防護(hù)曲線，確保列車在危險點(diǎn)之前停車。即根據(jù)文獻(xiàn)2在設(shè)計(jì)列車的制動模式曲線時，站內(nèi)列車安全防護(hù)距離最大值控制在小于等于60m、區(qū)間控制在小于等于110 m內(nèi)。

3 列車防護(hù)曲線模型的計(jì)算

根據(jù)《牽規(guī)》列車在制動過程中的合力為C

其中:B為列車的制動力，kN;W0為列車運(yùn)行過程中的基本阻力，如風(fēng)對列車造成的阻力，kN;W附為附加阻力，包括由于坡度，曲線，隧道等原因造成的阻力，kN。

根據(jù)牛頓等二定律:F=ma。列車在制動過程中的減速度為:

其中:M為列車總重量，包括列車車輛的質(zhì)量以及列車轉(zhuǎn)動質(zhì)量，t。

當(dāng)考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量時:

其中:γ為質(zhì)量回轉(zhuǎn)系數(shù)。

根據(jù)式(1)，式(2)，式(3)即可得到列車在制動過程中的減速度。

列車在發(fā)生緊急制動過程中采用氣電混合制動(本文以CRH3為例)，如圖1所示，其制動力B的大小在整個制動過程中并非一直不變，而是隨著速度的變化而變化，因此緊急過程中制動力B的大小為:

圖1 CRH3列車制動力-速度圖

6，可得列車在空氣中的運(yùn)行阻力為W0，如式(5)所示:

其中:W0為列車阻力，N;M為列車質(zhì)量，t;n為軸數(shù);N為車輛數(shù);ν為列車運(yùn)行速度，km/h;A為正面的截面積，m2。

4 仿真分析

根據(jù)圖1以及式(1)及式(5)可知，列車在制動過程中制動力的大小隨速度大小改變而變化，因此列車在制動過程中負(fù)加速度也在變化，使列車作非勻減速運(yùn)動，而這給列車防護(hù)曲線的計(jì)算造成一定的難度。為解決這難題，本仿真系統(tǒng)采用等步長法，即將距離均勻地劃分成若干，并假設(shè)列車在每段中作勻速運(yùn)動。為使仿真結(jié)果更接近實(shí)際，本仿真系統(tǒng)借助matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能設(shè):。

ATP防護(hù)曲線的計(jì)算需要行車許可終點(diǎn)以及相應(yīng)的限速信息。在CTCS-3系統(tǒng)中，RBC通過GSM-R系統(tǒng)循環(huán)發(fā)送給車載設(shè)備行車許可信息以及限速信息，列車根據(jù)獲得的行車許可終點(diǎn)減去防護(hù)距離作為本列車此次的停車點(diǎn)，車載ATP需根據(jù)此停車點(diǎn)判斷列車運(yùn)行是否安全，并計(jì)算此行車許可終點(diǎn)內(nèi)的安全防護(hù)曲線。根據(jù)式(1)～式(5)，并假設(shè)一列8編組的CRH3型列車側(cè)線出站，道岔限速為80 km/h，坡道為6‰，發(fā)車進(jìn)路為1 600 m，其出站過程的防護(hù)曲線如圖2所示。

圖2 列車出站過程防護(hù)曲線

圖3 列車出站示意圖

根據(jù)CTCS-3列控系統(tǒng)的要求，列車在發(fā)車前即在圖4中位置1獲得行車許可終點(diǎn)，為121站界標(biāo)處，并生成如圖3所示的防護(hù)曲線。根據(jù)仿真結(jié)果得其制動距離(即從起模點(diǎn)到列車停穩(wěn)的距離)為527 m，因此列車在距離行車許可終點(diǎn)即121站界標(biāo)前大于:制動距離527 m+安全防護(hù)距離60 m+附加距離(制動響應(yīng)時間3.5 s+信息傳輸及處理時間內(nèi)行走的距離)內(nèi)方發(fā)送給車載ATP新的行車許可終點(diǎn)，否則將會造列車實(shí)施常用制動甚至是緊急制動。

當(dāng)列車行車許可終點(diǎn)得到更新后，行車許可向前延伸到區(qū)間中，此時生成防護(hù)曲線如圖5所示。其中設(shè)區(qū)間限速為300 km/h，一次行車許可終點(diǎn)包括15個閉塞分區(qū)，每個閉塞分區(qū)為2 000 m。此時列車的制動距離由圖4可得為7 037 m。因此當(dāng)列車在區(qū)間運(yùn)行時，行車許可必須在當(dāng)障礙物在列車前方大于:制動距離7 037 m+安全防護(hù)距離110 m+附加距離(制動響應(yīng)時間3.5 s+信息傳輸及處理時間內(nèi)行走的距離)的距離得到更新。

圖4 列車區(qū)間運(yùn)行防護(hù)曲線

5 結(jié)論

本仿真軟件主要針對CRH3型列車的ATP子系統(tǒng)，通過仿真可清楚直觀地得到列車的制動距離，并可以計(jì)算得出列車行車許可更新的時間要求，從而有助于提高列車運(yùn)行的安全性和舒適性。由于列車運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，并且不同的車型相關(guān)的參數(shù)不同，但是在本仿真系統(tǒng)中只需給出不同列車的牽引、制動特性，以及線路的坡度、曲率等相關(guān)數(shù)據(jù)，即可得出相應(yīng)的防護(hù)曲線、列車的制動距離以及行車許可的更新時間等重要信息。而RBC發(fā)送給車載的行車許可信息的更新時間是直接關(guān)系列車運(yùn)行的安全性和運(yùn)營效率，因此本仿真軟件對提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院瓦\(yùn)營效率具有一定的參考價值。

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［1］中華人民共和國鐵道部科學(xué)技術(shù)司.CTCS技術(shù)規(guī)范總則(暫行)［S］.科技運(yùn)函，2004，14.

［2］中華人民共和國鐵道部科學(xué)技術(shù)司.CTCS-3級列控系統(tǒng)需求功能規(guī)范(FRS)(V1.0)［S］.科技運(yùn)函，2008，113

［3］中華人民共和國鐵道部科學(xué)技術(shù)司.CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案(V1.0)［S］.科技運(yùn)函，2008，34.

［4］饒忠.列車牽引計(jì)算［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］朱幗蓉，陳慧民.CRH3高速動車組牽引特性分析［J］.上海鐵道科技，2010，(4):97-99.