地鐵的運(yùn)營(yíng)速度設(shè)計(jì)解析

楊靜（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司通號(hào)中心，江蘇 南京 210012）

地鐵的運(yùn)營(yíng)速度設(shè)計(jì)解析

楊靜（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司通號(hào)中心，江蘇 南京 210012）

不同的地鐵列車控制系統(tǒng)，采用控制模式不同，監(jiān)督曲線不同，速度限制也有差異，但是設(shè)計(jì)原理都是類似的，本文以CBTC系統(tǒng)為例，解析地鐵運(yùn)營(yíng)中列車重要的速度曲線的設(shè)計(jì)原理。

速度限制；緊急制動(dòng)；緊急制動(dòng)干預(yù)曲線；推薦速度曲線；告警速度曲線；人機(jī)界面；危險(xiǎn)點(diǎn)

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通事業(yè)迅速發(fā)展，為市民的出行帶來(lái)了極大的便利，帶動(dòng)了地鐵沿線經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，備受市民青睞。地鐵列車運(yùn)行的最高時(shí)速、列車的旅行速度，在規(guī)劃設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)的最初就已經(jīng)規(guī)定下來(lái)。比如，南京地鐵的列車最高運(yùn)行速度是80km/h，旅行速度約35km/h。此外，特殊的區(qū)段有各自的速度限制，需要進(jìn)行精密測(cè)量，完善的計(jì)算方式來(lái)確定。本文以基于無(wú)線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱CBTC系統(tǒng)）為例，解析幾種重要的速度曲線的設(shè)計(jì)原理。

2 速度設(shè)計(jì)需要考慮的因素

城市軌道交通中速度限制分為兩種：（1）固定速度限制。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)車輛參數(shù)、線路參數(shù)（坡度、曲線半徑、道岔位置、地理?xiàng)l件等）和保護(hù)區(qū)段等信息，設(shè)置線路的速度固定信息。例如區(qū)間最大允許速度、列車最大允許速度；列車車載設(shè)備和軌旁設(shè)備都儲(chǔ)存著整條線路上的固定限速區(qū)信息。（2）臨時(shí)性速度限制。例如線路在維修時(shí)臨時(shí)設(shè)置速度限制。臨時(shí)速度限制區(qū)段范圍總是限制在一個(gè)或者多個(gè)軌道區(qū)段。

危險(xiǎn)點(diǎn)（POP）：在任何情況下，越過(guò)這點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)情況發(fā)生。例如，車站內(nèi)有列車時(shí)，車站起點(diǎn)必須是停車點(diǎn)。在停車點(diǎn)前方通常還設(shè)置一段防護(hù)區(qū)段。ATP系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算得出緊急制動(dòng)曲線（下文將會(huì)詳細(xì)講述）。即以該防護(hù)區(qū)段入口點(diǎn)為基礎(chǔ)，保證列車不超越入口點(diǎn)。有時(shí)也可在入口點(diǎn)處設(shè)置列車滑行速度值（如5km/h）。一旦需要，列車可在此基礎(chǔ)上加速或者停在危險(xiǎn)點(diǎn)前方。[1]危險(xiǎn)點(diǎn)一定是停車點(diǎn)。

保護(hù)區(qū)段：用來(lái)確保列車不會(huì)越過(guò)危險(xiǎn)點(diǎn)，每一個(gè)可能的危險(xiǎn)點(diǎn)都受到一個(gè)停車點(diǎn)的保護(hù)，停車點(diǎn)的位置將發(fā)送給列車。該停車點(diǎn)位于危險(xiǎn)點(diǎn)后部被稱為“保護(hù)區(qū)段”的一段距離內(nèi)。[2]保護(hù)區(qū)段的距離將在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段分別針對(duì)每個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并存儲(chǔ)在ATP 軌旁設(shè)備之中。每趟列車經(jīng)過(guò)之時(shí)，都會(huì)調(diào)用該信息。

3 CBTC系統(tǒng)速度設(shè)計(jì)原理與計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)采用比較多的CBTC系統(tǒng)是基于移動(dòng)閉塞 (Moving Block)設(shè)計(jì)的，它利用高精度的列車定位，雙向連續(xù)、大容量的車-地?cái)?shù)據(jù)通信，車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)自動(dòng)列車控制系統(tǒng)。

相比基于軌道電路的ATC系統(tǒng)，CBTC更為先進(jìn)，通訊要求、設(shè)備要求更高。地鐵線路沒(méi)有被固定劃分的閉塞分區(qū)，車-地通信不依賴于軌道電路，CBTC中的通信必須是連續(xù)的，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)列車控制，利用軌間電纜、漏泄電纜和空間無(wú)線都可以實(shí)現(xiàn)車、地雙向信息的連續(xù)傳輸。列車間的間隔是動(dòng)態(tài)的，并隨前一列車的移動(dòng)而移動(dòng)，列車位置的分辨率一般為10m范圍內(nèi)，該間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下的所需制動(dòng)距離、加上安全裕量計(jì)算和控制的，確保不追尾，制動(dòng)的起始和終點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的，對(duì)列車的控制一般采用一次拋物線制動(dòng)曲線的方式，軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大。

3.1 ATC系統(tǒng)速度設(shè)計(jì)原理

ATC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，列車的最大運(yùn)行速度被連續(xù)監(jiān)督。列車從軌旁單元接受最大安全運(yùn)行速度(設(shè)計(jì)速度曲線) VG，以使其能夠計(jì)算速度曲線。如圖1所示。這些速度曲線有兩種：

圖1 列車最大運(yùn)行速度的速度曲線

VNE， 是絕對(duì)不可超過(guò)的速度曲線。該曲線由用戶確定，并根據(jù)線路的地形特征得來(lái)。

VPR，是監(jiān)視速度曲線。它比VS 高4km/h 的固定速度。當(dāng)車載識(shí)別到列車實(shí)際速度超過(guò)監(jiān)視速度（VPR）時(shí)，將實(shí)施緊急制動(dòng)。

VS，是給司機(jī)的信號(hào)化的速度。它以推薦速度的形式顯示給列車駕駛員。速度顯示值的計(jì)算是根據(jù)ATP 報(bào)文中的速度曲線、制動(dòng)號(hào)以及坡道等獲得的。

VG，是一條傳給列車的設(shè)計(jì)速度曲線，以5km/h 為間隔。它是車載設(shè)備計(jì)算VPR和VS 的基礎(chǔ)。[3]

3.2 CBTC系統(tǒng)速度設(shè)計(jì)原理

車載子系統(tǒng)的應(yīng)答器天線、OPG、雷達(dá)在速度測(cè)量上體現(xiàn)了重要的作用。應(yīng)答器天線，結(jié)合軌旁應(yīng)答器，計(jì)算列車的絕對(duì)位置；OPG天線，確定列車的安全速度及相對(duì)走行距離；雷達(dá)，利用多普勒原理，提供車輛的進(jìn)路位置和速度信號(hào)。持續(xù)測(cè)量速度以獲得列車的當(dāng)前速度。列車當(dāng)前速度在 HMI 上顯示。

圖2介紹了Trainguard MT 的原理，即安全距離是由車載子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算的。EBIC 從未達(dá)到緊急制動(dòng)減速曲線EBDC，其曲線圖位于危險(xiǎn)點(diǎn)POP 前。車載子系統(tǒng)計(jì)算用于安全相關(guān)速度監(jiān)督和非安全相關(guān)速度控制的數(shù)個(gè)速度監(jiān)督曲線。車載子系統(tǒng)計(jì)算下列速度監(jiān)督曲線：

（1）緊急制動(dòng)干預(yù)曲線（EBIC）；

（2）推薦速度曲線（RSPC）；

（3）告警速度曲線（WSPC）。

圖2 Trainguard MT速度監(jiān)督曲線

當(dāng)前推薦的速度和當(dāng)前緊急制動(dòng)干預(yù)曲線EBIC 速度都顯示在HMI 上。如果超過(guò)了告警速度曲線WSPC，就會(huì)產(chǎn)生音響報(bào)警。本文著重講述EBIC曲線的設(shè)計(jì)原理，如圖3所示。

由于 EBIC 計(jì)算總考慮安全速度限制，所以對(duì)于平坦監(jiān)督而言，列車也不能突破安全速度限制。EBIC 總是由車載計(jì)算，同時(shí)考慮列車的具體特性和實(shí)際坡度。通過(guò)這種方式，Trainguard MT 系統(tǒng)能夠保證不同列車特性的安全速度限制。推薦的速度曲線顯示給司機(jī)以便在 SM 模式下與OSP 或其它限制點(diǎn)的制動(dòng)曲線一起指導(dǎo)司機(jī)，同時(shí)不違反EBIC。

圖3 EBIC曲線設(shè)計(jì)原理

安全制動(dòng)模式描述了 EB （緊急制動(dòng)）觸發(fā)時(shí)，從超速發(fā)生直至EB 以保證的制動(dòng)率真正生效時(shí)最不利情況下的列車性能。如圖4所示。安全制動(dòng)模式包括下述部分：

圖4 安全制動(dòng)模式原理

（1）緊急制動(dòng)輸出的反應(yīng)時(shí)間 Toutput

（列車輸出緊急制動(dòng)的時(shí)間，它包括車載子系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，牽引考慮為最大）

（2）解除列車牽引的反應(yīng)時(shí)間 Ttraction

（列車解除牽引的反應(yīng)時(shí)間，在此階段，牽引考慮為最大）

（3）建立保證的 EB 制動(dòng)率的反應(yīng)時(shí)間

（在建立時(shí)間內(nèi)，假定列車惰行，因?yàn)镋B 的力量不足以使列車真正制動(dòng)）

相比ATC系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)速度監(jiān)督曲線略有不同。原則上，速度監(jiān)督必須考慮兩種情況：平坦監(jiān)督，制動(dòng)曲線監(jiān)督。前者受區(qū)段速度曲線限制；后者受制動(dòng)曲線限制。本文著重闡述EBIC曲線的計(jì)算原理。

3.2.1 緊急制動(dòng)干預(yù)曲線（EBIC）計(jì)算和監(jiān)督

EBIC 用于速度安全監(jiān)督，用來(lái)檢查列車當(dāng)前速度是否符合所有安全限制，否則就會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。如果當(dāng)前的列車安全速度超過(guò)EBIC，車載子系統(tǒng)會(huì)因?yàn)槌儆|發(fā)緊急制動(dòng)。如果列車當(dāng)前安全速度降至EBIC 下，車載子系統(tǒng)就會(huì)解除緊急制動(dòng)。EBIC的生成考慮如下兩個(gè)因素的疊加：來(lái)自安全速度曲線的 EBIC和來(lái)自制動(dòng)曲線（EBDC）至POR 或POP 的EBIC，如圖5所示。

圖5 緊急制動(dòng)干預(yù)曲線（EBIC）計(jì)算原理

平坦速度監(jiān)督下的 EBIC，如圖6所示。

EBIC 來(lái)自安全速度曲線。同時(shí)在考慮坡度曲線的情況下，使用安全制動(dòng)模型產(chǎn)生EBIC。

圖6 平坦速度監(jiān)督下EBIC

制動(dòng)曲線監(jiān)督下的EBIC，如圖7所示。

除了安全速度曲線，EBIC 計(jì)算時(shí)還需考慮POR（限速起始點(diǎn)）或POP（危險(xiǎn)點(diǎn)）。POR 或POP 定義為具有安全速度限制的、不能侵犯的限制點(diǎn)。車載子系統(tǒng)從POP 或POR 的EB 速率開(kāi)始計(jì)算EB 減速度曲線（EBDC）。車載子系統(tǒng)可以使用安全制動(dòng)模型從EBDC 導(dǎo)出EBIC。需考慮實(shí)際的坡度曲線。

圖7 EBDC導(dǎo)出EBIC的原理

3.2.2 推薦速度曲線RSPC

推薦的速度曲線顯示給司機(jī)以便在 SM 模式下與OSP 或其他限制點(diǎn)的制動(dòng)曲線一起指導(dǎo)司機(jī)，同時(shí)不違反EBIC。

推薦速度曲線將考慮以下三個(gè)因素的疊加：

（1）來(lái)自運(yùn)行速度曲線的 RSPC；

（2）從制動(dòng)曲線到 POR 或POP 導(dǎo)出的RSPC；

（3）低于 EBIC 的RSPC。

在平坦速度監(jiān)督下，RSPC 的運(yùn)行速度曲線滿足條件：RSPC和EBIC 之間的距離足夠大以便司機(jī)可以以SM 模式駕駛列車，而不侵犯EBIC即可。

制動(dòng)曲線監(jiān)督下，RSPC 計(jì)算除了要考慮運(yùn)行速度曲線，還要考慮POR 或OSP。這時(shí)RSPC 的目標(biāo)點(diǎn)在POR 或OSP。POR 或POP 定義的目標(biāo)速度和目標(biāo)距離顯示在HMI 上。計(jì)算中，OSP 可能是非安全的運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)。RSPC 和EBIC 之間的距離足夠大以便司機(jī)可以以SM 模式駕駛列車，而不侵犯EBIC。

3.2.3 告警速度曲線WSPC

車載子系統(tǒng)計(jì)算告警速度曲線以便司機(jī)駕駛。如果列車當(dāng)前速度超過(guò) WSPC，車載子系統(tǒng)會(huì)給HMI發(fā)出一個(gè)音響報(bào)警。在SM模式下，司機(jī)可以以低于安全速度曲線駕駛列車。

4 結(jié)語(yǔ)

不同的列車控制系統(tǒng)，采用控制模式不同，計(jì)算方法也不同。但是，不同的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原理都是類似的，都是監(jiān)控運(yùn)行速度，超速之后緊制?？傮w來(lái)講，通過(guò)科學(xué)、合理的原理設(shè)計(jì)，精確的實(shí)地測(cè)量，縝密的計(jì)算方法，得出準(zhǔn)確的速度數(shù)據(jù)，保證地鐵良好的運(yùn)營(yíng)秩序。

[1] 王瑞峰. 鐵路信號(hào)運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2008.5.

[2] 李映紅. 高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)[M]. 四川: 西南交通出版社, 2009.6.

[3] 南京地鐵內(nèi)部技術(shù)文檔[M]. 南京: 南京地鐵公司, 2008.2.

The Design Principle of Subway Speed

Different subway train control systems have different control modes, different monitoring-profles, and different speed-limits .. However, their design principles are similar. Taking the CBTC system for example, this article explains principles of speed design in subway design.

Speed limit; Emergency-brake (EB); Emergency brake intervention curve (EBIC); Recommended speed curve (RSPC); Warning speed curve (WSPC) ; Human Machine Interface (HMI) ; Point of protection (POP)

楊靜（1983-），女，四川資陽(yáng)人，本科，助理工程師，現(xiàn)就職于南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)殍F路信號(hào)。

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1003-0492(2014)03-0064-03

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