列控車載設(shè)備的控車核心算法

賀廣宇

(中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081)

列控車載設(shè)備是保障動車組列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其核心技術(shù)是生成模式曲線的控車核心算法，即根據(jù)動車組制動性能、線路條件和移動授權(quán)等因素計(jì)算生成模式曲線，車載設(shè)備根據(jù)模式曲線實(shí)時(shí)監(jiān)控動車組運(yùn)行速度，保障列車安全運(yùn)行[1]。

國內(nèi)的列控車載設(shè)備均采用連續(xù)式一次制動的速度控制方式，即根據(jù)移動授權(quán)、線路數(shù)據(jù)及列車本身的制動性能計(jì)算生成模式曲線[2]。法國的高速鐵路TVM300系統(tǒng)，采用滯后式分級速度控制方式，監(jiān)控列車在本閉塞分區(qū)不超過給定的入口速度值；法國北部線TGV采用TVM430系統(tǒng)，改為分級速度曲線控制模式，支持的最高速度達(dá)到320 km·h-1。日本新干線自動列車控制系統(tǒng)ATC，采取超前式分級速度控制模式，采用快速制動和自動緩解的控制方式[3]，從1991年日本鐵路方面開始試驗(yàn)數(shù)字式ATC，數(shù)字式ATC采用目標(biāo)距離一次制動模式曲線方式，綜合線路數(shù)據(jù)、制動性能和允許速度等計(jì)算出列車運(yùn)行允許速度。ERTMS系統(tǒng)是為了適應(yīng)歐洲鐵路互聯(lián)互通的目的，符合兼容性要求而開發(fā)的，速度監(jiān)控方式采用一次連續(xù)速度曲線控制模式[4]。IEEE 1474.1TM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過CBTC系統(tǒng)安全制動模型管理ATP曲線的創(chuàng)建、監(jiān)督和實(shí)施，采用目標(biāo)距離一次制動模式曲線，模型劃分為CBTC車載設(shè)備響應(yīng)時(shí)間、切除牽引響應(yīng)時(shí)間、惰行時(shí)間、緊急制動建立時(shí)間和緊急制動執(zhí)行過程5部分[5]。綜上所述，目前列控車載設(shè)備普遍采用目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式，采用先進(jìn)的技術(shù)手段對高速條件下的列車運(yùn)行速度、運(yùn)行間隔等實(shí)施監(jiān)控和超速防護(hù)，相對于分級速度控制，縮短了制動距離，提高了運(yùn)輸效率。

模式曲線優(yōu)化是列控車載設(shè)備中較突出的共性問題。由于模式曲線涉及核心安全，且多為底層邏輯，任何微小的變化都可能帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，所以長期以來相關(guān)的變更極少，且慎之又慎。既有研究主要針對列車制動模型[6-7]和控制曲線計(jì)算方法[8]進(jìn)行概要設(shè)計(jì)[9]，沒有對控車曲線生成的核心算法進(jìn)行詳細(xì)描述和真實(shí)設(shè)備對比驗(yàn)證。為了全面掌握列控車載設(shè)備控車核心算法，降低模式曲線優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)，本文研究列控車載設(shè)備控車曲線生成的核心算法，提出控車曲線計(jì)算公式，采用真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室對控車模型算法進(jìn)行驗(yàn)證，最后將該算法成功應(yīng)用于新建鐵路客運(yùn)專線閉塞分區(qū)的符合性驗(yàn)證。

1 控車核心算法總體架構(gòu)

列控車載設(shè)備控車曲線生成的核心算法總體架構(gòu)如圖1所示，包括動車組制動參數(shù)導(dǎo)入、線路數(shù)據(jù)輸入、安全距離預(yù)留、模式曲線生成和速度監(jiān)控處理5部分。

(1)動車組制動參數(shù)導(dǎo)入：將動車組廠家提供的制動參數(shù)導(dǎo)入列控車載設(shè)備，不同型號動車組具備不同的制動參數(shù)，包括不同速度檔位下的緊急制動、不同的常用制動減速度以及不同的制動延時(shí)。

(2)線路數(shù)據(jù)輸入：通過地面應(yīng)答器或無線閉塞中心獲取線路數(shù)據(jù)，包括前方線路允許速度、線路坡度、軌道區(qū)段長度和移動授權(quán)信息。

(3)安全距離預(yù)留：不同廠家列控車載設(shè)備的安全距離取值不同，如CTCS2-200C車載設(shè)備，其出站信號機(jī)安全距離取30 m，區(qū)間信號機(jī)安全距離取100 m；CTCS2-200H和CTCS3-300S車載設(shè)備，其出站信號機(jī)安全距離取40 m，區(qū)間信號機(jī)安全距離取110 m。

(4)模式曲線生成：根據(jù)動車組制動性能、線路條件和移動授權(quán)等因素計(jì)算生成模式曲線，其中列車常用制動和緊急制動參數(shù)分別對應(yīng)生成常用制動模式曲線和緊急制動模式曲線。

(5)速度監(jiān)控處理：列控車載設(shè)備控車核心算法負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行速度并實(shí)施超速防護(hù)措施，當(dāng)列車速度超過模式曲線控制速度時(shí)觸發(fā)制動，在控車過程中需考慮測速測距誤差和制動延時(shí)的影響，其中最大測距偏差用于計(jì)算列車最大安全前端，最大測速偏差用于計(jì)算測速誤差對控車的影響，制動延時(shí)用于給出制動指令后產(chǎn)生的動車組空走距離計(jì)算。

圖1 列控車載設(shè)備控車核心算法總體架構(gòu)示意圖

2 算法模塊設(shè)計(jì)

列控車載設(shè)備控車核心算法功能模塊包括制動參數(shù)處理模塊、線路數(shù)據(jù)處理模塊、模式曲線處理模塊和速度監(jiān)控處理模塊，如圖2所示。

(1)制動參數(shù)處理模塊：包括緊急制動參數(shù)、常用制動參數(shù)和制動延時(shí)參數(shù)處理。在動車組廠家提供的車輛制動參數(shù)基礎(chǔ)上，按照用戶要求以不大于75%的優(yōu)化系數(shù)生成緊急制動減速度和最大常用制動減速度，將最大常用制動減速度、緊急制動減速度、切除牽引和制動延時(shí)等參數(shù)導(dǎo)入車載設(shè)備，用于空走距離和制動曲線的計(jì)算。列控車載設(shè)備配置的CRH1型動車組制動參數(shù)詳見表1和表2。

(2)線路數(shù)據(jù)處理模塊：包括線路速度、臨時(shí)限速、線路坡度和移動授權(quán)等數(shù)據(jù)處理。CTCS-2級列控車載設(shè)備通過地面應(yīng)答器組和軌道電路碼序獲取控車信息，CTCS-3級列控車載設(shè)備通過無線閉塞中心獲取控車數(shù)據(jù)，在地面設(shè)備提供的線路速度、臨時(shí)限速和控車信息基礎(chǔ)上生成最限制速度曲線和移動授權(quán)終點(diǎn)EOA。

表1 CRH1型動車組制動減速度

(3)模式曲線處理模塊：包括預(yù)留安全余量、制動曲線生成、控車延時(shí)處理和制動觸發(fā)曲線生成。安全距離取值與信號機(jī)類型相關(guān)，當(dāng)信號機(jī)類型為出站信號機(jī)時(shí)，CTCS2-200C車載設(shè)備安全距離取30 m，區(qū)間信號機(jī)安全距離取100 m；制動曲線需綜合考慮最限制速度曲線、線路坡度以及常用制動和緊急制動減速度等參數(shù)的影響，制動減速度分為6檔，不同檔位減速度和線路坡度合并生成制動曲線減速度；控車延時(shí)用于計(jì)算列控車載設(shè)備給出制動指令后的空走距離；最后在制動曲線基礎(chǔ)上綜合考慮測速測距誤差和控車延時(shí)的影響生成制動觸發(fā)曲線。

圖2 列控車載設(shè)備控車核心算法模塊劃分

參數(shù)名稱參數(shù)含義參數(shù)取值單位amax列車最大加速度0.850m·s-2amin緊急制動減速度中的最小值0.581m·s-2tr制動指令鏈路延遲時(shí)間0.620st1緊急制動切除牽引時(shí)間常用制動切除牽引時(shí)間0 0.1sst2緊急制動反應(yīng)時(shí)間常用制動反應(yīng)時(shí)間3.53.0sst3緊急制動建立時(shí)間常用制動建立時(shí)間3.53.0ss

(4)速度監(jiān)控處理模塊：包括超速報(bào)警提示、常用制動處理和緊急制動處理。當(dāng)列車速度超過報(bào)警速度觸發(fā)超速報(bào)警提示；當(dāng)列車速度超過最大常用制動觸發(fā)速度時(shí)施加最大常用制動；當(dāng)列車速度超過緊急制動觸發(fā)速度時(shí)施加緊急制動，實(shí)現(xiàn)超速安全防護(hù)。

3 生成模式曲線的計(jì)算公式

列控車載設(shè)備控車核心算法的關(guān)鍵為建立生成模式曲線的計(jì)算公式，模式曲線包括緊急制動曲線、常用制動曲線、緊急制動觸發(fā)曲線和常用制動觸發(fā)曲線，以下分別描述各個(gè)曲線對應(yīng)的計(jì)算公式。

1)緊急制動曲線

緊急制動曲線由分段連續(xù)的曲線組成，每段曲線生成的計(jì)算公式為

B1S2+B2S+B3=0

(1)

其中，

(2)

(3)

(4)

式中：S為緊急制動曲線中的制動距離，m；g為重力加速度，取9.81 m·s-2；H1為變坡點(diǎn)參數(shù)，計(jì)算方法見式(5)或式(7)；L為列車長度，CRH1型車短編組時(shí)L=215 m；γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，γ=0.06；aEj為表1中的速度檔位為j(j=0，1，2，3，4，5)時(shí)的緊急制動減速度，m·s-2；H0為坡度參數(shù)，計(jì)算方法見式(6)或式(8)；vk和vk+1為分段制動的初速度、末速度，m·s-1。

H0和H1的取值與坡度(上坡取正值，下坡取負(fù)值)相關(guān)，實(shí)際線路由連續(xù)的不同坡度值的區(qū)段組成，列控車載設(shè)備需考慮前方變坡點(diǎn)前后的路段對控車曲線的影響，因此分為車頭和車尾在同一個(gè)坡度區(qū)段和不在同一個(gè)坡度區(qū)段2種情況，計(jì)算方法分別如下。

(1)車頭和車尾在同一個(gè)坡度區(qū)段上

H1=0

(5)

(6)

式中：i為坡道的坡度，‰。

(2)車頭和車尾不在同一個(gè)坡度區(qū)段上

(7)

(8)

式中：ifront和irear為車頭、車尾所在坡道的坡度，‰；dfront和drear分別為車頭、車尾所在的位置，m；df為車頭所在坡度區(qū)段的起始位置，m；dr+1為車尾所在坡度區(qū)段的終點(diǎn)位置，即下一段坡度區(qū)段的起點(diǎn)位置，m；dn為從車尾至車頭遍歷過程中索引為n的坡度區(qū)段的起始位置，m；in為從車尾至車頭遍歷過程中索引為n的坡度區(qū)段的坡度，‰。

針對上述2種情況，通過求解式(1)可得到緊急制動曲線中距離與速度的關(guān)系，分別如下。

當(dāng)車頭和車尾不在同一個(gè)坡度區(qū)段上時(shí)，設(shè)s1和s2為求解二次方程式的根，則有

當(dāng)s1和s2均不小于0時(shí)，S取值為min{s1，s2}；否則S取值為max{s1，s2}。

2)常用制動曲線

常用制動曲線生成的原理與緊急制動曲線相同，其他公式保持一致，只是系數(shù)B2的計(jì)算公式(3)改為

(9)

式中：aCj為表1中的速度檔位為j(j=0，1，2，3，4，5)時(shí)的常用制動減速度，m·s-2。

3)緊急制動觸發(fā)曲線

緊急制動觸發(fā)曲線為列控車載設(shè)備的核心監(jiān)控曲線，當(dāng)列車速度超過曲線速度時(shí)，將觸發(fā)緊急制動超速防護(hù)，這與動車組的安全緊密相關(guān)。因此，在控車過程中要求實(shí)時(shí)更新緊急制動觸發(fā)曲線，綜合考慮制動延時(shí)空走、測速測距誤差、制動特性和線路條件等因素的影響，基于緊急制動曲線實(shí)時(shí)計(jì)算緊急制動觸發(fā)速度的公式分別如下。

vEBI(dfront)=vEBD(d1)-veb_delay

(10)

其中，

d1=Dmax_safe+Ddelay(v)

(11)

Dmax_safe=dfront+dodo_dmax+dodo_vmax

(12)

(13)

Ddelay(v)=v(t1+t3+tr)+amax(t1+tr)×

(14)

(15)

式中：vEBD(d1)為緊急制動曲線中位置d1對應(yīng)的速度，m·s-1；vEBI(dfront)為緊急制動觸發(fā)曲線中列車位置dfront對應(yīng)的速度，m·s-1；veb_delay為切除牽引和緊急制動建立過程中的速度變化量，m·s-1；Dmax_safe為列車最大安全前端考慮測速誤差的走行距離，m；Ddelay(v)為空走距離，m；d1為列車最大安全前端考慮測速誤差和制動延時(shí)的走行距離，m；v為列車當(dāng)前的速度，m·s-1；dodo_dmax為測距最大誤差，m；dodo_vmax為測速誤差對應(yīng)的距離誤差，m；verr_sup為測速最大偏差，m·s-1；imax為車尾至EOA最不利坡道的坡度，‰；t1，t2和t3取緊急制動延時(shí)參數(shù)。

由式(10)—式(15)可知，列控車載設(shè)備實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的緊急制動觸發(fā)速度，需綜合考慮列車的當(dāng)前位置和當(dāng)前速度、測距最大誤差、測速最大誤差和最不利坡度等因素。

4)常用制動觸發(fā)曲線

常用制動觸發(fā)曲線可由緊急制動觸發(fā)曲線和常用制動曲線實(shí)時(shí)計(jì)算生成，當(dāng)列車速度超過曲線速度時(shí)，將觸發(fā)最大常用制動超速防護(hù)，常用制動觸發(fā)曲線生成的計(jì)算公式為

vSBI(dfront)=min(vSBI1(dfront)，vSBI2(dfront))

(16)

其中，

vSBI1(dfront)=vSBD(d1)-vsb_delay

(17)

vSBI2(dfront)=vEBD(d2)-veb_delay-vsb_delay

(18)

d2=Dmax_safe+Ddelay(v)+Ddelay(v+veb_delay)

(19)

式中：vSBI1(dfront)為基于常用制動曲線計(jì)算生成的常用制動觸發(fā)曲線SBI1中列車位置dfront對應(yīng)的速度，m·s-1；vSBI2(dfront)為基于緊急制動曲線計(jì)算生成的常用制動觸發(fā)曲線SBI2中列車位置dfront對應(yīng)的速度，m·s-1；vSBD(d1)為常用制動曲線中位置d1對應(yīng)的速度，m·s-1；vsb_delay為常用制動速度容限值，取5 km·h-1；vEBD(d2)為緊急制動曲線中位置d2對應(yīng)的速度，m·s-1；Dmax_safe的計(jì)算方法見式(12)，Ddelay(v)的計(jì)算方法見式(14)，但其中t1，t2和t3取常用制動延時(shí)參數(shù)；d2為列車最大安全前端考慮測速誤差和制動延時(shí)的走行距離，m。

5)允許速度和報(bào)警速度

允許速度的計(jì)算公式為

vpermit(dfront)=min(vSBI1(dfront)-veb_delay-

vsb_delay,vSBI2(dfront)-vsb_delay)

(20)

式中：vpermit(dfront)為列車位置dfront對應(yīng)的允許速度，m·s-1。

報(bào)警速度的計(jì)算公式為

(21)

4 仿真分析

采用Matlab軟件，對上述核心算法編制仿真算法軟件。取線路坡度i=0‰，限制速度vpermit=250 km·h-1，制動參數(shù)取值見表1中的CRH1型動車組制動參數(shù)，采用編制的算法軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，生成列控車載設(shè)備制動曲線，如圖3所示。

由圖3可知：列控車載設(shè)備控車核心算法通過關(guān)鍵點(diǎn)保存緊急制動和常用制動曲線數(shù)據(jù)，控車時(shí)通過關(guān)鍵點(diǎn)對應(yīng)的一元二次方程計(jì)算控制速度，不僅滿足控車實(shí)時(shí)性要求，而且減少了數(shù)據(jù)存儲空間?；诰o急制動曲線生成緊急制動觸發(fā)曲線，常用制動觸發(fā)曲線基于常用制動曲線和緊急制動曲線生成，允許速度曲線根據(jù)常用制動觸發(fā)曲線動態(tài)計(jì)算生成。

圖3 列控車載設(shè)備制動曲線對比分析

為了驗(yàn)證控車核心算法的正確性，在真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行不同線路坡度和線路速度條件下的動車組制動實(shí)驗(yàn)，測得200C列控車載設(shè)備模式曲線的制動距離，將其與本文提出的控車核心算法仿真軟件計(jì)算的距離進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果見表3，其中，誤差率等于制動距離偏差與200C車載設(shè)備制動距離的比值。

表3列控車載設(shè)備控車核心算法仿真制動距離與200C車載設(shè)備制動距離對比(模式曲線起模點(diǎn))

坡度/‰允許速度/(km·h-1)仿真制動距離/m200C車載設(shè)備制動距離/m制動距離偏差/m誤差率/%0250.06152.76 155.22.50.04080.0861.6861.30.30.04-10250.07 544.47 550.76.30.08-1080.01 067.81 067.50.30.03-20250.09 723.59 727.94.40.05-2080.11 317.11 316.90.20.01-30250.013 516.613 517.00.40.01-3080.41 772.81 772.800

由表3可知：誤差率不大于0.08%；其中當(dāng)線路坡度為-10‰，允許速度為250 km·h-1時(shí)，列控車載設(shè)備控車核心算法仿真制動距離為7 544.4 m，200C車載設(shè)備實(shí)際制動距離為7 550.7 m，兩者偏差為6.3 m，誤差率為0.08%。由此驗(yàn)證了列控車載設(shè)備控車核心算法的合理性和有效性。

5 算法應(yīng)用

依據(jù)鐵總辦函【2014】584號《中國鐵路總公司關(guān)于明確新建鐵路客運(yùn)專線大于20‰坡道區(qū)段列車限速有關(guān)問題的通知》，要求列控車載設(shè)備廠家驗(yàn)證新建鐵路客運(yùn)專線的閉塞分區(qū)長度符合性。為了減少仿真數(shù)據(jù)配置和測試工作量，縮短檢算周期，及時(shí)反饋閉塞分區(qū)長度符合性檢算結(jié)果，將本文提出的列控車載設(shè)備控車核心算法應(yīng)用于閉塞分區(qū)符合性驗(yàn)證，驗(yàn)證新建鐵路客運(yùn)專線相鄰7個(gè)閉塞分區(qū)長度能否滿足CTCS2-200C車載設(shè)備正向250 km·h-1控車要求，其中銀西鐵路閉塞分區(qū)符合性驗(yàn)證結(jié)果如圖4和表4所示。

由圖4和表4可知：根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的銀西鐵路閉塞分區(qū)長度設(shè)計(jì)以及坡度數(shù)據(jù)，銀西鐵路正線通過信號機(jī)位置相鄰7個(gè)閉塞分區(qū)長度滿足CTCS2-200C車載設(shè)備正向250 km·h-1控車要求。列控車載設(shè)備制動距離受坡度影響較大，銀西鐵路相鄰7個(gè)閉塞分區(qū)長度均大于列控車載設(shè)備滿足250 km·h-1監(jiān)控的制動距離要求，在長大坡度下可采用不限速方案，滿足鐵總辦函【2014】584號文的要求[10]。

圖4 銀西鐵路閉塞分區(qū)符合性驗(yàn)證結(jié)果曲線

信號點(diǎn)里程信號點(diǎn)類型軌道區(qū)段長度/m相鄰7個(gè)閉塞分區(qū)長度/m最不利坡度值/‰200C車載設(shè)備滿足250 km·h-1監(jiān)控的制動距離/m閉塞分區(qū)長度設(shè)計(jì)是否滿足模式曲線制動距離要求DK234+702通過信號機(jī)2 44016 396-15.36 560滿足DK232+263通過信號機(jī)2 38417 953-257 362滿足DK229+878通過信號機(jī)2 39719 558-259 291滿足DK227+481通過信號機(jī)2 35021 151-2511 324滿足DK225+131通過信號機(jī)2 46022 109-2511 157滿足DK222+671通過信號機(jī)2 17822 670-2510 111滿足DK220+493通過信號機(jī)2 18721 633-258 937滿足DK218+306通過信號機(jī)3 99721 263-257 475滿足DK214+309通過信號機(jī)3 98920 658-255 938滿足DK210+320通過信號機(jī)3 99018 570-256 310滿足DK206+330通過信號機(jī)3 30816 580-206 257滿足DK203+022通過信號機(jī)3 02115 422-206 471滿足DK200+001進(jìn)站信號機(jī)1 14114 60106 084滿足

6 結(jié) 語

本文提出了列控車載設(shè)備的控車核心算法，由制動參數(shù)、線路數(shù)據(jù)、模式曲線和速度監(jiān)控4個(gè)處理模塊組成。其中模式曲線處理模塊是列控車載設(shè)備控車核心算法的關(guān)鍵部分，建立了生成包括緊急制動曲線、常用制動曲線、緊急制動觸發(fā)曲線和常用制動觸發(fā)曲線的計(jì)算公式。在具有真實(shí)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行不同線路坡度和線路速度條件下的動車組制動實(shí)驗(yàn)，測得200C列控車載設(shè)備模式曲線的制動距離，并將其與本文提出的控車核心算法仿真軟件計(jì)算的制動距離進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文提出的控車核心算法仿真結(jié)果與真實(shí)列控車載設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果的誤差率不大于0.08%。

將本論文提出的列控車載設(shè)備控車曲線生成的核心算法應(yīng)用于新建鐵路客運(yùn)專線閉塞分區(qū)符合性驗(yàn)證可知，該算法簡化了仿真數(shù)據(jù)配置，減少了測試工作量，有利于縮短檢算周期，并能及時(shí)反饋閉塞分區(qū)符合性檢算結(jié)果，具有理論和實(shí)用價(jià)值。

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