高速鐵路列控車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法的研究與仿真

易承龍

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

高速鐵路列控車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法的研究與仿真

易承龍

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

列控車載系統(tǒng)是一個(gè)典型的安全苛求系統(tǒng)，車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法對(duì)列控系統(tǒng)的安全性具有重要影響。本文結(jié)合高速列車動(dòng)力學(xué)模型、延時(shí)特性和混雜特征，提出了車載超速防護(hù)算法及車載系統(tǒng)的混雜建模方法。利用Simulink/Stateflow混合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車載超速防護(hù)算法的仿真，并以區(qū)間兩車追蹤場景為例對(duì)超速防護(hù)算法進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明該超速防護(hù)算法是有效的，區(qū)間運(yùn)行的兩輛高速列車能夠?qū)崿F(xiàn)避撞功能。

車載系統(tǒng)；超速防護(hù)；Simulink/Stateflow；兩車追蹤；仿真

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車控制（以下簡稱：列控）系統(tǒng)的安全性成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。車載系統(tǒng)是列控系統(tǒng)的核心單元，根據(jù)無線閉塞中心發(fā)送的行車許可（MA），結(jié)合線路數(shù)據(jù)、列車的制動(dòng)性能等生成目標(biāo)距離曲線，負(fù)責(zé)對(duì)列車運(yùn)行速度實(shí)施超速防護(hù)（ATP），保持列車之間的安全距離，從而確保列車的安全運(yùn)行。列車超速防護(hù)算法的正確與否直接影響到行車安全與運(yùn)行效率。

CTCS-3級(jí)列控車載系統(tǒng)是一個(gè)典型的混雜系統(tǒng)[2～3]，系統(tǒng)中有很多離散變量，如加速度、制動(dòng)等級(jí)、列車運(yùn)行的模式等，同時(shí)也包含很多連續(xù)變量，如列車的速度、距離、運(yùn)行時(shí)間等。針對(duì)列控車載系統(tǒng)的混雜特性，將Simulink/Stateflow仿真方法引入車載系統(tǒng)中。給出車載系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型和各模塊功能。結(jié)合高速列車的動(dòng)力學(xué)模型、延時(shí)特性和混雜特性，提出車載超速防護(hù)算法及車載系統(tǒng)的混雜建模方法。選定區(qū)間兩車追蹤場景，用Simulink對(duì)車載系統(tǒng)的連續(xù)部分進(jìn)行建模，Stateflow對(duì)車載系統(tǒng)的離散部分進(jìn)行建模。對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明區(qū)間運(yùn)行的前后兩列車能夠?qū)崿F(xiàn)避撞功能，表明該車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法的正確性。

1 CTCS-3級(jí)列控車載系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CTCS-3級(jí)列控車載系統(tǒng)是列控系統(tǒng)的核心設(shè)備，根據(jù)地面系統(tǒng)的信息生成速度模式曲線，監(jiān)控列車安全運(yùn)行，主要包括車載安全計(jì)算機(jī)（VC）、應(yīng)答器信息傳輸模塊（BTM）、軌道電路信息接收（TCR）、測速測距（SDU）、人機(jī)界面(DMI)、GSM-R無線通信（RTU）、列車接口（TIU）等單元，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CTCS-3級(jí)列控車載系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 模塊功能[4]

（1）車載安全計(jì)算機(jī)：車載系統(tǒng)的核心模塊，實(shí)時(shí)向無線閉塞中心（RBC）發(fā)送位置報(bào)告并接收RBC發(fā)送的行車許可、緊急停車、臨時(shí)限速等信息，結(jié)合自身的數(shù)據(jù)信息計(jì)算最限速度曲線（MRSP）、實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)距離模式曲線并與列車當(dāng)前的速度距離信息比較，從而決策列車正常運(yùn)行、常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)。

（2）應(yīng)答器信息傳輸模塊：接收地面應(yīng)答器信息并通過串行接口傳給安全計(jì)算機(jī)。

（3）軌道電路信息接收單元：接收軌道電路信息并通過串行接口傳給安全計(jì)算機(jī)。

（4）測速測距單元：根據(jù)速度傳感器和多普勒雷達(dá)測量列車的速度，并根據(jù)速度信息實(shí)時(shí)計(jì)算列車的走行距離。

（5）人機(jī)界面：實(shí)時(shí)顯示列車的速度、公里標(biāo)、等級(jí)、運(yùn)行模式等信息，并允許司機(jī)輸入司機(jī)ID、報(bào)警確認(rèn)等。

（6）GSM-R無線通信單元：與GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)與RBC之間的雙向連續(xù)通信。

（7）列車接口：將車載安全計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)命令發(fā)送給列車操縱控制器。

2 車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法

車載系統(tǒng)的核心功能是生成目標(biāo)距離模式曲線，CTCS-3級(jí)列控車載系統(tǒng)共生成5條模式曲線，分別為緊急制動(dòng)曲線（EB）、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線（EBI）、常用制動(dòng)觸發(fā)曲線（SBI）、報(bào)警曲線（W）、允許速度曲線（P）。目標(biāo)距離模式下的速度監(jiān)控曲線的關(guān)系如圖2所示。

圖2 目標(biāo)距離模式下的速度監(jiān)控曲線

2.1 曲線含義[5]

（1）EB曲線：列車運(yùn)行發(fā)生危險(xiǎn)的臨界速度，它是列車在最不利條件下觸發(fā)緊急制動(dòng)后列車速度的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）EBI曲線：如果列車速度超過了該曲線，將實(shí)施緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)觸發(fā)后，只有在列車停車且司機(jī)按壓緩解按鍵后，緊急制動(dòng)才能緩解，是列車最高級(jí)別的制動(dòng)也是防護(hù)列車安全的最后一道防線。

（3）SBI曲線：列車速度超過該曲線觸發(fā)常用制動(dòng)，常用制動(dòng)觸發(fā)后當(dāng)列車速度低于緩解允許速度時(shí)可緩解常用制動(dòng)，它是列車的主用制動(dòng)方式。

（4）W曲線：列車速度超過該曲線觸發(fā)報(bào)警，提醒司機(jī)采取措施以避免設(shè)備制動(dòng)。

（5）P曲線：要求司機(jī)遵循的速度曲線，是行車的參考速度。

2.2 曲線計(jì)算原理[6～7]

2.2.1 EB曲線

EB曲線不向司機(jī)顯示，但它是計(jì)算其它曲線的基礎(chǔ)，它的計(jì)算分為頂棚速度監(jiān)控區(qū)（CSM）和目標(biāo)速度監(jiān)控區(qū)（TSM）， 其示意圖如圖3所示，其中CSM是指速度為常數(shù)的區(qū)段，它由最限制速度曲線來定義，即在數(shù)值上CSM=MRSP，TSM根據(jù)EOA點(diǎn)反推計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

其中a為緊急制動(dòng)加速度， s為列車車頭到EOA的距離，計(jì)算出來的速度和MRSP取最小值，即為最終的EB動(dòng)態(tài)監(jiān)控速度。

圖3 EB 曲線計(jì)算示意圖

2.2.2 EBI曲線

EBI曲線的計(jì)算以EB曲線為基礎(chǔ)，在實(shí)施緊急制動(dòng)的過程中有3個(gè)階段：（1）車載系統(tǒng)響應(yīng)和切除牽引延時(shí)階段。當(dāng)列車速度到達(dá)EBI曲線時(shí)，車載系統(tǒng)要實(shí)施緊急制動(dòng)，必須先切除列車的牽引再施加制動(dòng)，這個(gè)過程會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，考慮到最不利情況，列車在這個(gè)階段采用最大牽引加速度運(yùn)行。（2）緊急制動(dòng)建立過程。列車緊急制動(dòng)是加速從零開始增到緊急制動(dòng)率的過程，需要一定的時(shí)間，考慮到最不利條件，在計(jì)算的過程認(rèn)定此階段的加速度為零。（3）緊急制動(dòng)實(shí)施階段。在這個(gè)階段列車以緊急制動(dòng)率制動(dòng)直到停車。列車實(shí)施緊急制動(dòng)的過程如圖4所示，可分為CSM和TSM兩段，在CSM區(qū)EBI曲線必須滿足公式（2），其中a為列車的最大牽引加速度， t為車載系統(tǒng)響應(yīng)和切除牽引時(shí)間。

EBI的TSM監(jiān)控速度計(jì)算公式如下：

整理可得：

其中v0表示實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)列車的速度，a1表示列車的最大牽引加速度，t0表示緊急制動(dòng)車載系統(tǒng)響應(yīng)和切除牽引時(shí)間，v1表示緊急制動(dòng)建立階段的初始速度，t1表示緊急制動(dòng)過程建立的響應(yīng)時(shí)間，a2表示緊急制動(dòng)的加速度，S表示列車車頭到EOA點(diǎn)的距離。上面的二元一次方程只有v0未知，由此可以求解出TSM階段的初始速度v0，再和計(jì)算出的CSM速度做比較，較小的值就是最終的EBI動(dòng)態(tài)監(jiān)控速度。

圖4 EBI曲線速度生成原理

2.2.3 SBI曲線

SBI曲線的計(jì)算以EBI曲線為基礎(chǔ)，其計(jì)算過程和EBI曲線類似。W曲線、P曲線都是以SBI曲線為基礎(chǔ)。W曲線列車經(jīng)過twarn碰撞到SBI曲線，P曲線列車經(jīng)過triver碰撞到SBI曲線，其計(jì)算公式如下：

當(dāng)列車運(yùn)行的速度碰撞到報(bào)警曲線，車載系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警提醒司機(jī)采取制動(dòng)措施；若司機(jī)沒有采取制動(dòng)，列車運(yùn)行的速度碰撞到常用制動(dòng)曲線，列車將產(chǎn)生常用制動(dòng)；若常用制動(dòng)失效列車運(yùn)行的速度碰撞到緊急制動(dòng)曲線，列車將產(chǎn)生緊急制動(dòng)，整個(gè)過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

3 區(qū)間兩車追蹤Simulink/Stateflow模型

3.1 Simulink/Stateflow仿真環(huán)境介紹

Stateflow以有限狀態(tài)機(jī)為理論基礎(chǔ)，一般直接嵌入在Simulink中，在仿真的初始化階段，Simulink會(huì)把Stateflow繪制的邏輯圖形通過編譯程序轉(zhuǎn)化為C語言，使兩者有機(jī)的結(jié)合在一起。Stateflow采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄磳傩?、事件和方法，可以很好地描述離散系統(tǒng)。一個(gè)Stateflow圖由圖形對(duì)象和非圖形對(duì)象組成。圖形對(duì)象包括狀態(tài)、轉(zhuǎn)移、真值表等，非圖形對(duì)象包括數(shù)據(jù)、事件等。Stateflow中的方框代表狀態(tài)，根據(jù)需要每個(gè)狀態(tài)可以有entry，during ，exit和on event_name共4種動(dòng)作，分別表示進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)，處于該狀態(tài)期間，離開狀態(tài)和期間發(fā)生某件事時(shí)所進(jìn)行的活動(dòng)。

圖5 車載控車狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.2 場景介紹

行車許可是列控系統(tǒng)14個(gè)主要運(yùn)營場景中的一個(gè)。整個(gè)行車許可場景分為接發(fā)車進(jìn)路、通過進(jìn)路和區(qū)間閉塞分區(qū)3種模式。本文以區(qū)間閉塞分區(qū)兩車追蹤為例運(yùn)用Simulink/Stateflow對(duì)列控系統(tǒng)進(jìn)行建模。無線閉塞中心作為CTCS-3級(jí)列控地面系統(tǒng)的核心設(shè)備，根據(jù)從聯(lián)鎖獲取的進(jìn)路信息和聯(lián)鎖轉(zhuǎn)發(fā)列控中心(TCC)的軌道占用信息，臨時(shí)限速服務(wù)器獲取的限速信息，車載系統(tǒng)獲取的列車位置信息，綜合自身數(shù)據(jù)庫里面的線路信息等生成行車許可，并將MA發(fā)送給車載系統(tǒng)。車載系統(tǒng)根據(jù)MA以及從測速測距單元獲取的速度、距離信息結(jié)合數(shù)據(jù)生成制動(dòng)模式曲線，監(jiān)督列車的運(yùn)行。其信息傳遞如圖6所示。

3.3 模型假設(shè)

3.3.1 線路

整個(gè)區(qū)間只有兩輛列車，沒有道岔，區(qū)間等長且長度為2 km，不考慮線路的坡度、彎度等情況對(duì)列車運(yùn)行的影響。

圖6 區(qū)間兩車追蹤示意圖

3.3.2 牽引模型

機(jī)車牽引力與列車運(yùn)行方向相同并可由司機(jī)根據(jù)需要調(diào)節(jié)外力。在本模型中主要考慮的是列車制動(dòng)，所以對(duì)牽引考慮的比較粗略，假定列車的最大牽引加速度為0.6 m/s2。

3.3.3 制動(dòng)模型

不考慮空氣阻力、軌道粘著力，且兩輛車的車型相同，設(shè)定車長為400 m，列車緊急制動(dòng)的平均加速度為-1.1 m/s2，最大常用制動(dòng)為-0.8 m/s2。

3.3.4 MA更新

假定前車的MA不再更新，運(yùn)行完自身的MA后停車，只有后車更新MA。

3.3.5 反應(yīng)時(shí)間

列車常用制動(dòng)的空走時(shí)間為2.3 s，緊急制動(dòng)的空走時(shí)間為1.5 s，切除牽引后ATP的響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)觸發(fā)后切除牽引的時(shí)間和為1.2 s。

3.4 車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法模型

車載系統(tǒng)超速防護(hù)算法主要用于生成制動(dòng)模式曲線，包含一些連續(xù)變量，可以用Simulink的常規(guī)模塊配合Embedded MATLAB建立，編寫M語言完成一些Simulink常規(guī)模塊不容易完成的功能，完整的超速防護(hù)算法模型如圖7所示，模塊都是分層的由于5條曲線的建模思路比較類似，這里只對(duì)EBI曲線的模型進(jìn)行介紹。雙擊EBISpd模塊可以看到建立好的EBI曲線模型如圖8所示。

在圖8中，min是一個(gè)取最小值邏輯模塊，完成頂棚速度監(jiān)控和目標(biāo)速度監(jiān)控的最小值運(yùn)算；CSMEBI模塊代表EBI曲線的頂棚監(jiān)控速度，它是一個(gè)Embedded MATLAB模塊，完成公式（2）的計(jì)算。EBI_a、EBI_b、EBI_c分別代表公式（4）的二次項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，模塊TSMEBI完成其運(yùn)算。

圖7 完整的超速防護(hù)算法模型

3.5 兩車追蹤場景在Simulink/Stateflow環(huán)境下的模型

圖8 EBI速度曲線模型

圖9 兩車追蹤場景的Simulink模型

模型的連續(xù)部分主要是車載系統(tǒng)生成制動(dòng)模式曲線的部分，用Simulink的常規(guī)模塊配合Embedded MATLAB建立，模型的離散部分用Stateflow進(jìn)行建模，建立的完整Simulink模型如圖9所示。其中First_Train模塊、CBI模塊、RBC模塊主要是給后車生成行車許可；SDU模塊為列車提供測速測距；EOA模塊顯示RBC為后車提供的行車許可終點(diǎn)；DMI模塊顯示列車運(yùn)行的4條速度距離曲線；Follow_Train模塊主要負(fù)責(zé)生成模式曲線并負(fù)責(zé)在幾種控車模式中的轉(zhuǎn)換；SimDriver模塊為仿司機(jī)駕駛模塊，執(zhí)行車載系統(tǒng)的控車指令，其Stateflow模型如圖10所示。

圖10 仿司機(jī)駕駛的Stateflow模型

3.6 兩車追蹤場景在Simulink/Stateflow環(huán)境下的仿真

Simulink模型若出現(xiàn)閉環(huán)回路，仿真時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，其有效的解決方法之一就是在反饋回路中加入延時(shí)單元。由于在仿真過程中Stateflow模塊的仿真時(shí)間步長和Simulink模塊的時(shí)間步長不一致，為了實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步，必須對(duì)離散部分附加一個(gè)輸入用以啟動(dòng)離散模塊，為此在離散部分引入一個(gè)脈沖發(fā)生器，并適當(dāng)設(shè)置脈沖發(fā)生器的周期。車載系統(tǒng)的工作周期是200 ms，所以設(shè)置仿真求解器為定步長求解，仿真步長設(shè)定為200 ms。針對(duì)前后車不同的初始位置和初始速度進(jìn)行多次仿真，結(jié)果表明前后兩車都是避撞的，能滿足列控系統(tǒng)的安全需求。

這里假定仿真開始時(shí)前后兩車的間隔為16 km，以后車的車頭為坐標(biāo)原點(diǎn)，前車以200 km/h的速度運(yùn)行，行車許可終點(diǎn)為24 km。后車的初速度為250 km/h，列車在區(qū)間正向運(yùn)行，最高運(yùn)行速度310 km/h，按照RBC發(fā)送的MA生成制動(dòng)模式曲線監(jiān)督列車運(yùn)行。后車的DMI模塊輸出結(jié)果如圖11所示，兩車追蹤的距離曲線如圖12所示。

由圖11可以看出后車實(shí)際運(yùn)行的速度一直圍繞允許速度波動(dòng)，且一直沒有超過EBI曲線，即列車在運(yùn)行的過程中沒有出現(xiàn)緊急制動(dòng)。由圖12可以看出前車運(yùn)行一段時(shí)間后停在了22 km～24 km的閉塞分區(qū)中，后車的行車許可終點(diǎn)隨著前車的運(yùn)動(dòng)不斷變化，最終后車停在了22 km處，也就是前車停車位置的前一個(gè)閉塞分區(qū)入口，兩車在追蹤運(yùn)行的過程中列車超速防護(hù)系統(tǒng)始終保證了列車的安全運(yùn)行。

圖11 后車模擬DMI輸出

圖12 前后車的追蹤曲線圖

4 結(jié)束語

本文介紹了CTCS-3級(jí)列控車載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各模塊功能，結(jié)合高速列車的動(dòng)力學(xué)模型、延時(shí)特性和混雜特性，提出了車載超速防護(hù)算法及車載系統(tǒng)的混雜建模方法。針對(duì)列控系統(tǒng)的混雜特性選定區(qū)間兩車追蹤場景為例，應(yīng)用Simulink/Stateflow對(duì)列車的超速防護(hù)算法行建模仿真，在仿真過程中系統(tǒng)連續(xù)部分可以用Simulink進(jìn)行描述，離散部分采用Stateflow進(jìn)行描述，仿真結(jié)果表明區(qū)間運(yùn)行的前后兩車是避撞的，有效地驗(yàn)證了列車超速防護(hù)算法的正確性。

[1]唐 濤.高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載設(shè)備安全性設(shè)計(jì)[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（5）：83-87.

[2]Golli A，Varaiya P.Hybrid dynamical systems[C]. In:Proc.of the 28th IEEE Con- ference on Decision and Control，1989: 2708-2712.

[3]宋永華，孫元章，秦世引，等.混成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)引論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007（12）：3-7.

[4]張曙光.CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[5]鐵道部科技司.CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范-CTCS- 3級(jí)列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）[S].北京：中國鐵道出版社，2009．

[6]IEEE Std 1474. 1-2004(R2009).IEEE Standard for Communications-Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements[S].2004：6-33.

[7]邊 遠(yuǎn).基于混成自動(dòng)機(jī)的主防護(hù)式CBTC車載系統(tǒng)開發(fā)方法[D].北京：北京交通大學(xué)，2011（12）.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Over-speed protection algorithm for Onboard System of CTCS of High-speed Railway

YI Chenglong
( China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China )

As a core system in CTCS-3(Chinese Train Control System Level 3), the Onboard System was a typical safety-critical system, the over-speed protection algorithm had an important inf l uence on Train Control System. Based on high-speed train dynamics model, time delay characteristics, and mixed features, the paper proposed vehicle overspeed protection algorithm and hybrid modeling method. The simulation of over-speed protection algorithm was implemented by using Simulink/Statef l ow mixed technology. The interval two train tracking scenario was taken as an example to validate the algorithm. The simulation showed that this over-speed protection algorithm was verif i ed, collision avoidance of two trains running in a block section could be implemented.

Onboard System; automatic train protection; Simulink/Statef l ow; two train tracing; simulation

U284.482∶TP39

A

1005-8451（2015）08-0050-07

2014-12-21

易承龍，助理工程師。