動車組ATP對制動系統(tǒng)故障后的安全影響仿真分析

曾慶暉，譚　麗

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院， 蘭州　730070)

動車組ATP對制動系統(tǒng)故障后的安全影響仿真分析

曾慶暉，譚麗

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院， 蘭州730070)

摘要：針對動車組部分車輛制動系統(tǒng)故障后，采取切除故障車輛制動力的處理方式，從安全防護曲線的生成與實際制動過程的角度出發(fā)，對在完全監(jiān)控模式下的列車防護算法及制動過程進行仿真。分析單限速區(qū)段和多限速區(qū)段速度防護曲線的算法和切除部分制動力后實際制動曲線與速度防護曲線的關系，找到觸發(fā)各類制動的轉換點，對切除不同比例制動力后實際制動曲線進行仿真，得出不同坡度和制動初速度下、切除不同比例制動力時的制動距離。針對動車組因故障切除部分制動力后，產生過走距離，存在冒進信號點的可能，參照防護曲線生成機理，給出兼顧制動力故障的ATP安全防護方法，分析按該方法運行時對通過能力的影響。

關鍵詞：動車組；制動系統(tǒng)；過走距離；仿真；ATP

隨著我國高速鐵路建設的持續(xù)發(fā)展，為確保列車運行的安全，修建時速200 km以上的高速鐵路時，需考慮列車運行的安全性[1]。列車自動防護系統(tǒng)(ATP)作為列控系統(tǒng)的核心安全控制部件，其性能對行車組織、安全運營有直接影響。車載ATP以列車制動性能、線路條件等計算安全制動距離[2]，并根據列車當前位置，判斷運行是否安全。根據《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)(200～250 km/h部分)》和《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)(300～350 km/h部分)》的規(guī)定，在制動系統(tǒng)發(fā)生故障，只要切除制動力小于50%時，動車組仍能限速運行。針對動車組因意外情況制動失靈，國內外現(xiàn)行的安全防護措施為將列車的停車點(計算點)設在防護點前適當距離[4]，即設置過走防護區(qū)段，并對過走進行限制[5]。而對于列車制動系統(tǒng)發(fā)生故障后，列控系統(tǒng)怎樣繼續(xù)保證列車安全運行的問題需進一步研究[6-7]。文獻[8]分析了動車組制動系統(tǒng)的故障類型及各類故障對行車安全的影響，在未考慮ATP曲線生成與常用制動、緊急制動的觸發(fā)條件的前提下，計算過走距離。對于可能影響行車安全的故障類型，給出了至多有1輛車制動故障時的具體安全防護方案。

為保證動車組在多輛車制動系統(tǒng)故障時的行車安全，計算、分析過走距離(考慮常用制動、緊急制動的觸發(fā)條件)，本文通過仿真模擬動車組在完全監(jiān)控模式下因故部分車輛失去制動能力(或制動力下降)，切除該部分車輛制動力后的制動過程，分析實際制動曲線與速度防護曲線的相互關系，并以時速200 km和諧號CRp型動車組為例，進行動態(tài)仿真。結果表明，因動車組的制動力使用系數(shù)是預先確定的，而制動力故障時偶發(fā)時的，切除部分制動力后，當剩余制動小于ATP計算制動力時，存在冒進信號點的可能，冒進距離與列車初速、線路坡度、制動力切除比例等因素有關。針對動車組制動系統(tǒng)故障的突發(fā)性，提出根據動車組制動系統(tǒng)工作情況實時調整的ATP安全防護方法，從而保證了動車組存在多輛車制動故障時的行車安全。

1動車組制動曲線分析

目前超速防護曲線計算方法主要分為基于動力學模型的計算方法和基于能量守恒的計算方法[9]。其理論依據為ATP超速防護模型標準[10]。防護曲線的計算為在已知制動初速度v0和目標速度v2的情況下，將列車的制動過程看作由目標限速點向制動起模點的反向加速過程。實際制動過程中速度曲線的仿真為根據列車制動特性，假設列車在一個速度間隔內的制動合理不變，根據牽引計算得距離增量，求和距離增量，即為制動總距離。

1.1動車組制動距離計算分析

通常情況下，CRH型動車組給出各速度段的制動減速度，當列車制動力起作用后，根據制動減速度，運用勻變速運動的計算公式分段求解制動距離。以CRp型動車組為例，制動減速度由3段構成，0～70 km/h減速度為常數(shù)，70～118 km/h和118～200 km/h減速度為速度v的一次函數(shù)。制動減速度特性參數(shù)見表1[11]。

表1　CRp型動車組制動減速度特性參數(shù)

表1中所給制動減速度特性參數(shù)為僅由列車制動力產生的減速度a，未考慮基本阻力、坡道阻力、曲線阻力的影響。當計算在任意坡道上的列車制動距離時，有效制動距離計算公式如下[12]

(1)

式中Se——有效制動距離，m；

v0——所取速度間隔的制動初速度，km/h；

v1——所取速度間隔的制動末速度，km/h；

a——列車純制動力引發(fā)的減速度，m/s；

w0——單位基本阻力，N/kN；

i——坡道千分度。

其中，動車組在運行中受到的單位基本阻力w0與多種因素有關。CRp動車組的基本阻力經驗公式如下

(2)

式中w0——單位基本阻力，N/kN；

v——動車組瞬時速度，km/h。

若考慮空走時間，得出的計算公式為

(3)

式中Sz——制動距離，m；

SK——空走距離，m；

tk——空走時間，s；

v0——制動初速度，km/s。

1.2防護曲線仿真1.2.1ATP防護曲線計算原理

現(xiàn)行的動車組超速防護系統(tǒng)考慮了外部條件的不確定性和設備故障的可能， ATP計算使用的制動力預留有一定安全系數(shù)。ATP計算的制動距離

(4)

其中a——列車純制動力引發(fā)的減速度，m/s(常用制動取制動減速度特性參數(shù)第7級減速度值，緊急制動取緊急減速度值)；

β——制動力使用系數(shù) (常用制動取0.9，緊急制動取1.0)。

1.2.2單限速區(qū)段ATP防護曲線的計算仿真

對單個限速區(qū)段而言，采用分段累積法計算，設列車距目標點的距離為STarget，將長度為STarget的區(qū)段分成n個長度為ΔS的小區(qū)段，從限速區(qū)段入口按列車運行方向的反方向推算。由式(5)得在有效制動區(qū)域內，求制動初速度的計算式為

(5)

如圖1所示，計算時從第n個ΔS小區(qū)段開始，該區(qū)段的終點速度vm，即為目標速度vTarget，代入式(5)計算該區(qū)段的始端速度v0。相鄰的第n-1個ΔS小區(qū)段的終端速度為第n個區(qū)段的始端速度，把第n-1個小區(qū)段的終端速度代入式(5)，計算出第n-1個小區(qū)段的始端速度，以此類推。當計算到某個小區(qū)段的初速度大于或等于列車所在區(qū)段的限速時，則該小區(qū)段的始端即為有效制動的起點。

圖1　單限速區(qū)段制動曲線計算示意

1.2.3多限速區(qū)段ATP防護曲線計算

當動車組運行前方有多個限速區(qū)段時，需分別對每個限速區(qū)段計算其防護曲線。計算時從最后一個限速區(qū)段開始，具體步驟如下。

Step1：計算到前一限速區(qū)段入口為止的速度防護曲線，并記錄由該限速區(qū)段生成的曲線在各限速區(qū)段入口的速度值。

Step2：計算前一個限速區(qū)段生成的防護曲線，目標速度取值為由后一限速區(qū)段計算到本限速區(qū)段入口時的速度與本區(qū)段限速值二者的最小值。

Step3：依次類推，除最后一個限速區(qū)段外，其余各區(qū)段的入口速度值為前一限速區(qū)段生成的曲線在各限速區(qū)段入口的速度值與本限速區(qū)段限速值二者的最小值。

Step4：合并各段限速曲線，即為多個限速區(qū)段的ATP防護曲線。

1.3實際制動曲線的計算仿真

在計算實際制動曲線時，由于動車組在區(qū)段運行的限速已知，在已求得ATP防護曲線的前提下，可采用如下方法仿真實際曲線。

Step1：從列車當前位置起，沿列車運行方向依次查尋ATP防護曲線上各點速度值，當列車速度值第一次小于等于區(qū)段限速時，記下ATP曲線上該點及前一個查找點對應的速度和位置值。

Step2：判斷兩點間的距離差ΔS與位置誤差容限的關系。若滿足位置誤差容限，轉執(zhí)行Step3；反之，轉Step4。

Step3：取該點的速度和位置值作為制動的起模點。轉Step6。

Step4：將ΔS小區(qū)段劃分為若干個長度小于位置誤差容限的子區(qū)段，計算各子區(qū)段的入口速度。

Step5：沿列車運行方向查找各子區(qū)段入口速度并與區(qū)段限速比較，將第一個小于等于起模點速度值的點對應的速度和位置值記為列車制動起模點坐標。

Step6：以起模點為始端，將列車的制動過程分解為若干速度段，設其間各速度段的間隔為Δvn，代入式(1)，得各速度段內的制動距離ΔSn。

Step7：對ΔSn逐項求和，得各速度點的位置。

2動車組部分制動力切除后的實際制動曲線計算

由1.2.1所述，生成ATP防護曲線時，動車組的制動力使用系數(shù)是預先確定的。而當動車組的某幾列車因制動系統(tǒng)故障被切除制動力時，實際制動曲線按下式生成

S=SK+Se=SK+

(6)

式中N——動車組列車的車輛總數(shù)；

m——因故切除制動力的車輛總數(shù)。

2.1動車組部分制動力切除后的制動過程分析

圖2　動車組制動曲線關系

2.2制動過程計算仿真

實際制動過程的仿真原理如圖3所示。

圖3　實際制動轉換點示意

Step1：按1.2中所述方法，生成ATP常用制動防護曲線和ATP緊急制動防護曲線。

Step2：按2.1中所述方法，生成切除部分制動力后的常用制動曲線A-B。其中，制動減速度取切除部分制動力后的最大常用制動減速度，按式(6)進行計算。

Step3：比較切除部分制動力的實際常用制動曲線A-B與ATP生成的緊急制動曲線C-D的位置關系，找到兩曲線交點，即常用制動轉換為緊急制動的轉換點E。

Step4：自轉換點E起，將制動減速度用剩余的緊急制動減速度替換，按2.2中所述方法計算得緊急制動過程的制動曲線E-F。

Step5：連接A-E和E-F段曲線，得實際制動曲線A-E-F。

其中為求A-B和C-D的交點E。由于仿真中A-B和C-D為擬合曲線，程序中兩條曲線的坐標為離散點構成的數(shù)組。因此，第一步采用遍歷搜索的方法找到滿足直線相交的4個點(A-B中的B1、B2點，C-D中的A1、A2點)；第二步，將A1-A2、B1-B2按兩相交的線段求交點。

設部分制動力切除后常用制動相鄰點的坐標為(Xi，Yi)、(Xi+1，Yi+1)，ATP緊急制動曲線相鄰點的坐標為(Xk，Yk)、(Xk+1，Yk+1)，則滿足直線相交的4個點的條件為

(7)

3仿真結果及分析

本文以CRp-200型動車組為例，計算參數(shù)取自《時速200和300 km動車組主要技術條件》，緊急制動和常用制動觸發(fā)條件根據《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)(200～250 km/h部分)》確定，回轉質量系數(shù)按0.10取值。在線路限速200 km/h，線路坡度為0‰，目標速度為0 km/h，假設動車組在起模點處已切除2/8制動力時，仿真生成的單限速區(qū)段的實際制動曲線和ATP生成的常用制動曲線、緊急制動曲線如圖4所示。

圖4　切除2/8制動力后實際制動曲線

改變切除制動力的比例、坡度和初速度取值，重復上述仿真過程，假設動車組在起模點處觸發(fā)最大常用制動，且此時制動系統(tǒng)故障，切除部分制動力，得到不同制動力切除比例、不同坡度條件的冒進距離(未考慮過走防護區(qū))。如表2所示。

由表2知，列車冒進信號的距離與切除部分制動力后的比例、線路坡度、列車制動初速度等都有關系，且冒進距離受切除制動力和列車初速的影響較坡度而言更明顯。

針對動車組可能冒進信號的情況，現(xiàn)行的安全防護措施為根據動車組運行過程中不同的制動力切除比例采取限速運行，并在計算制動目標點時預留有一段安全防護區(qū)[13-14]。但在運行過程中，動車組的制動系統(tǒng)故障時突發(fā)的，冒進信號的距離隨切除制動力比例、線路坡度等因素變化顯著。以《既有線CTCS-2級列控系統(tǒng)車載設備技術規(guī)范(暫行)》(科技運[2007]45號)第5.2.3.2(3)條“制動模式曲線計算”的規(guī)定為例，列控系統(tǒng)在完全監(jiān)控模式下，車站范圍內列控系統(tǒng)計算的常用制動終點(即停車目標點)為出站信號機外方60m，與表2比較知，該規(guī)定并不能完全保證列車制動系統(tǒng)故障時的行車安全。因此，根據動車組制動系統(tǒng)工作情況，實時調整動車組的安全防護措施有必要進一步研究。

表2　停車冒進信號距離

4安全防護對策

由前文所述，造成列車冒進信號點的原因是列車的實際制動力小于ATP計算的制動力。而列車的常用制動曲線為技術上安全的最大運行速度曲線[14，16]。因此，一種有效的防護手段為保持動車組制動時使用的實際剩余制動力時刻小于ATP計算常用制動曲線使用的制動力。據此，一種考慮列車制動系統(tǒng)故障的安全防護方案設計思路如下。

4.1列控安全防護系統(tǒng)的建立條件

(1)制動過程中，動車組中至多新增一列車發(fā)生制動系統(tǒng)故障；

(2)制動開始后，能實時監(jiān)測各車輛的制動系統(tǒng)狀態(tài)；

4.2動車組制動控制系統(tǒng)結構設計

文獻[16]表明，一個優(yōu)良的制動控制系統(tǒng)應具有適應ATC控制、對制動系統(tǒng)進行實時監(jiān)控故障診斷和故障導向控制等功能。圖5所示為CRH2型動車組制動控制系統(tǒng)框圖，由圖可知，ATP系統(tǒng)未能實時監(jiān)測制動系統(tǒng)的狀態(tài)。當動車組中部分車輛出現(xiàn)制動故障后，難以根據實際情況自動調整計算制動力和列車最高允許運行速度，對列車進行制動故障時的安全防護。故可在動車組制動系統(tǒng)中設置采集切除制動力的裝置，進而根據實際情況動態(tài)調整ATP計算制動力。采集裝置可按如下方法設置。

Step1：在動車組的各輛車上設置，實時采集各車輛的制動力狀態(tài)，并發(fā)送制動力狀態(tài)信息給ATP系統(tǒng)。

Step2：在ATP車載系統(tǒng)上預留制動力狀態(tài)接收接口，實時接收各制動力狀態(tài)監(jiān)測器采集的制動力狀態(tài)信息。

綜上，即在硬件上將ATP系統(tǒng)對制動系統(tǒng)的開環(huán)控制轉為閉環(huán)控制。

圖5　CRp型動車組制動控制系統(tǒng)

4.3ATP防護曲線的確定

Step1：實時判斷動車組切除制動力的車輛總數(shù)n是否超過允許切除制動力運行車輛的容限。若未超過容限，則轉入Step2，若超過容限，則轉入Step3。

(8)

式中f(a)——制動正常時最大常用制動減速度(N=7)；

Step3：SATP系統(tǒng)自動設定計算減速度值為0。

綜上，以8輛編組的動車組為例，其防護方案如圖6所示。

圖6　8列編組的動車組防護方案

5結語

車載ATP防護曲線是確保列車安全制動的重要組成部分之一。以CRp型動車組的制動參數(shù)為基礎，對動車組的制動過程進行建模。針對列車制動系統(tǒng)故障后，切除部分制動力運行的情況，仿真得出列車在不同初速、線路坡度和切除比例下的冒進距離。結果表明，當動車組制動系統(tǒng)故障后，即使在完全監(jiān)控模式下，按照現(xiàn)行規(guī)范行車，列車仍有冒進信號的危險。針對該問題，提出一種根據動車組制動系統(tǒng)切除比例制動力的不同，動態(tài)調整ATP防護曲線的方法以保證行車安全。因在制動系統(tǒng)正常時，該方法的計算減速度較實際減速度略小，對運輸能力存在一定影響，因此，如何在保證動車組在切除部分制動力后行車安全的同時，盡可能降低對運輸能力的影響將在后續(xù)工作中進一步研究。

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Simulation Analysis of Safety Affect of EMU’s ATP after Braking System Failure

ZENG Qing-hui， TAN Li

(School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070, China)

Abstract：With focus on the failure of part of the EMU vehicles’ brake system and the application of “closed door” measures， this paper simulates train protection algorithm and braking process in completely monitor mode， analyzes the algorithm of protection curves in single speed limit sections and multiple speed limit sections and the relationship between the actual braking curve and speed protection curve after cutting off partial breaking force based on protection curve generation and actual braking process and finds out the trigger points of all kinds of brakes. This paper calculates the braking distance with different slopes， initial braking speed and removal rate of braking by simulating actual braking curve after removal of different rate of braking force. In view of the potential excessive braking distance and signal intruding due to the failure removal， an ATP safety protection method to cope with brake system failure is put forward with reference to protection curve generation mechanism， and the effect of this method on line capability is analyzed.

Key words：Electric multiple units (EMU); Braking system; Excessive braking distance; Simulation; automatic train protection (ATP)

中圖分類號：U284.46

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.035

文章編號：1004-2954(2015)06-0155-06

作者簡介：曾慶暉(1988—)，男，助理工程師，碩士研究生，E-mail：whzzxzqh@163.com。

基金項目：甘肅省科技計劃項目(編號090GKCA032)

收稿日期：2014-08-08； 修回日期：2014-10-18