柏卓彤,柏 赟*,李佳杰,杜慎旭
(1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,北京 100044;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線路站場(chǎng)設(shè)計(jì)研究處,武漢 430063)
列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP)作為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的核心子系統(tǒng),是保證列車運(yùn)行安全和提高運(yùn)輸效率的重要基礎(chǔ)。其核心是車載ATP自動(dòng)防護(hù)曲線計(jì)算模型,模型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到列車運(yùn)行安全和效率[1]。自動(dòng)防護(hù)曲線[2]主要包括緊急制動(dòng)曲線、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線、常用制動(dòng)曲線、常用制動(dòng)觸發(fā)曲線和報(bào)警曲線。其中,常用制動(dòng)曲線是ATP自動(dòng)防護(hù)曲線的核心,其余曲線都可在其基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單推導(dǎo)得到[1]。因此,對(duì)于ATP常用制動(dòng)曲線計(jì)算模型的研究至關(guān)重要。
國(guó)內(nèi)外已有不少有關(guān)ATP制動(dòng)曲線計(jì)算模型的研究成果[3-8]。文獻(xiàn)[1]將ATP常用制動(dòng)曲線計(jì)算方法歸納為兩種:基于減速度和基于制動(dòng)距離表的常用制動(dòng)曲線計(jì)算方法。后者是指列車在運(yùn)行過(guò)程中,車載設(shè)備根據(jù)實(shí)時(shí)接受到的信息,把數(shù)據(jù)歸納到預(yù)先儲(chǔ)存在車載計(jì)算機(jī)里的制動(dòng)距離表中進(jìn)行查表遞推計(jì)算的方法。文獻(xiàn)[9]中將靜態(tài)限速和臨時(shí)限速考慮在內(nèi),并用遞推方法生成制動(dòng)曲線。文獻(xiàn)[10]基于有色Prtri網(wǎng)建立城市軌道交通CBTC中的ATP模型,并通過(guò)模型仿真找出其在保證安全方面的缺陷。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)單限速以及多限速區(qū)段ATP制動(dòng)曲線的建模仿真,研究因故障切除部分制動(dòng)力對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。
上述既有研究大多僅為對(duì)ATP控制機(jī)理和邏輯的定性描述或基于理論條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的定量研究。理論條件下,車載設(shè)備需根據(jù)列車的制動(dòng)性能以及運(yùn)行過(guò)程中速度、坡道等數(shù)據(jù)的變化,實(shí)時(shí)計(jì)算ATP常用制動(dòng)曲線。然而,受限于車載計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,理論計(jì)算方法難以直接應(yīng)用于實(shí)際情形。因此,須在兼顧安全和效率的條件下,對(duì)ATP常用制動(dòng)曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。
本文根據(jù)列控實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)防護(hù)曲線計(jì)算原理及既有理論研究,建立基于制動(dòng)距離表的ATP常用制動(dòng)曲線計(jì)算模型,并通過(guò)列控實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性。同時(shí),以鄭州—武漢高鐵線路許昌東站為例,對(duì)比基于制動(dòng)距離表的計(jì)算模型與理論計(jì)算模型的計(jì)算效率、安全余量和通過(guò)能力,從而對(duì)基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法進(jìn)行分析與評(píng)估。
ATP常用制動(dòng)曲線理論計(jì)算模型是基于列車牽引計(jì)算原理,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式建立的模型。理論計(jì)算模型的ATP防護(hù)距離包括空走距離、有效制動(dòng)距離和安全距離[12]。由于根據(jù)列車速度以及《牽規(guī)》規(guī)定的空走時(shí)間,空走距離可以通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得出,并且對(duì)于制動(dòng)曲線仿真的精度沒(méi)有影響,所以主要對(duì)從起模點(diǎn)到行車許可終點(diǎn)的制動(dòng)曲線進(jìn)行研究。有效制動(dòng)距離是指列車從制動(dòng)有效時(shí)刻始至達(dá)到目標(biāo)速度止這段時(shí)間內(nèi)走行的距離,須根據(jù)列車制動(dòng)性能、線路參數(shù)等數(shù)據(jù),應(yīng)用力學(xué)原理計(jì)算得到。安全距離是考慮到車載設(shè)備計(jì)算、定位的誤差而保留的裕量。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,既有的理論計(jì)算多采用單質(zhì)點(diǎn)模型[13-14],即將列車簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)尺寸的質(zhì)點(diǎn)。但實(shí)際上,動(dòng)車組是一個(gè)非剛性連接的多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng),單質(zhì)點(diǎn)模型由于忽略了列車在變坡點(diǎn)處所受多個(gè)坡道阻力的影響,導(dǎo)致計(jì)算精度的下降。基于此,本文建立多質(zhì)點(diǎn)模型,即將每節(jié)列車看作單個(gè)質(zhì)點(diǎn)、動(dòng)車組視為多個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的質(zhì)點(diǎn)鏈,由鏈上各質(zhì)點(diǎn)所受縱向力的合力決定列車的運(yùn)行狀態(tài),從而更為精確描述列車制動(dòng)過(guò)程。
列車制動(dòng)過(guò)程中受到的外力主要包括3部分:制動(dòng)力、基本阻力和附加阻力。其中,制動(dòng)力是由制動(dòng)裝置引起的阻礙列車運(yùn)行的力;基本阻力是列車與車輛零部件、空氣等之間由于摩擦和沖擊而形成的,在運(yùn)行過(guò)程中始終受到的力;附加阻力是由于線路、橋梁或隧道等原因產(chǎn)生的阻力[15]。
1.1.1 制動(dòng)力
動(dòng)車組列車運(yùn)行時(shí),在確定的手柄級(jí)位和速度下,制動(dòng)減速度可以通過(guò)《列車運(yùn)行監(jiān)控裝置(LKJ)控制模式設(shè)定規(guī)范》[16]提供的動(dòng)車組速度-減速度函數(shù)確定。如圖1為CRH380A型動(dòng)車組列車第7級(jí)手柄位對(duì)應(yīng)的速度-減速度曲線。
圖1 CRH380A型動(dòng)車組列車制動(dòng)減速度
根據(jù)制動(dòng)減速度與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以得到列車在對(duì)應(yīng)速度下的減速度(公式(1))以及列車制動(dòng)力(公式(2))。其中,M為列車質(zhì)量,t。β為列車制動(dòng)減速度,m/s2。B為列車制動(dòng)力,kN。
β=f(v)
(1)
B=β·M
(2)
1.1.2 基本阻力
基本阻力是指列車在空曠的平直軌道上運(yùn)行時(shí),由于列車內(nèi)部與外界接觸相互摩擦和沖擊而引起的阻力。單位基本阻力的經(jīng)驗(yàn)性公式為
w0=a+b·v+c·v2
(3)
式中,w0為單位列車基本阻力,N/kN;v為列車速度,km/h;a,b,c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。
1.1.3 附加阻力
列車附加阻力由運(yùn)輸線路條件所決定,主要包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力。
列車在坡道上運(yùn)行時(shí),重力沿軌道方向的分力被稱為坡道附加阻力。當(dāng)動(dòng)車組在變坡段運(yùn)行時(shí),基于多質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算附加阻力的計(jì)算公式為[17]
(4)
式中,wi為單位坡道附加阻力,N/kN;L為列車長(zhǎng)度,m;la為跨過(guò)變坡點(diǎn)列車長(zhǎng),m;ia,ib分別為變坡點(diǎn)前、后坡度,‰。
曲線附加阻力指當(dāng)列車通過(guò)曲線時(shí),由于離心力引起摩擦的增加,以及車輪在軌面上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)等因素產(chǎn)生的附加阻力。其計(jì)算公式為
(5)
式中,wr為單位曲線附加阻力,N/kN;R為曲線半徑,m;Sr為曲線長(zhǎng)度,m,當(dāng)列車長(zhǎng)度小于曲線長(zhǎng)度時(shí),取列車長(zhǎng)度L。
隧道附加阻力指列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí),由于壓力差和摩擦等因素產(chǎn)生的附加阻力,其計(jì)算公式為
ws=0.000 13LS
(6)
式中,ws為單位隧道附加阻力,N/kN;LS為列車在隧道中長(zhǎng)度,m。
將以上3種單位附加阻力wi、wr、ws合并計(jì)算,即為單位加算附加阻力wj
wj=wi+wr+ws
(7)
圖2 曲線反推法計(jì)算原理
主要通過(guò)從目標(biāo)停車點(diǎn)反推迭代的方法計(jì)算制動(dòng)曲線,即從已知列車目標(biāo)停車點(diǎn)及目標(biāo)速度向列車最高限速進(jìn)行反向計(jì)算(圖2)。將制動(dòng)過(guò)程的速度平均分成n個(gè)等長(zhǎng)的小區(qū)段Δv,在列車制動(dòng)過(guò)程中盡管減速度隨速度連續(xù)變化,但在一個(gè)較小的速度間隔Δv內(nèi),可以將其簡(jiǎn)化為勻減速運(yùn)動(dòng)。以第i個(gè)區(qū)段的末速度作為i+1個(gè)區(qū)段的初速度,對(duì)每個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)間、距離進(jìn)行迭代計(jì)算,直至推算到最高限速vLimit。
根據(jù)以上列車運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)力學(xué)公式和列車制動(dòng)距離計(jì)算方法,可得列車每一速度步長(zhǎng)內(nèi)的走行時(shí)間Δt和距離增量Δs
(8)
(9)
式中,γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù),通常取0.06;Δt為走行時(shí)間,s;Δs單位為m;v0,Δv單位為km/h。
由于列車制動(dòng)模型參數(shù)以及速度、位置測(cè)量等存在誤差,列車行車許可終點(diǎn)與目標(biāo)停車點(diǎn)之間必須要加入一段安全距離,以確保列車不越過(guò)前方目標(biāo)點(diǎn),保證運(yùn)行安全。中國(guó)鐵路總公司規(guī)定,減速控制模式距離計(jì)算的安全距離S安全取60 m。
綜上,基于理論計(jì)算模型的ATP常用制動(dòng)防護(hù)距離S的計(jì)算公式為
(10)
列車運(yùn)行時(shí)減速度受到基本阻力和坡道等多種因素的影響而實(shí)時(shí)改變,但實(shí)時(shí)的仿真計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和內(nèi)存提出了更高的要求。受限于列車車載計(jì)算機(jī)的能力,理論計(jì)算模型難以適用,因此有必要對(duì)復(fù)雜的理論計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在實(shí)際的應(yīng)用中,通常采用基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法。方法的計(jì)算過(guò)程分為地面計(jì)算和運(yùn)行計(jì)算兩部分。
地面計(jì)算主要是指根據(jù)動(dòng)車組特性建立列車在不同坡道、不同速度下的制動(dòng)距離表。為了保證安全,地面計(jì)算只考慮坡道阻力,忽略其余阻力并將之作為裕量。將坡道劃分為六檔,坡度值取為10‰、5‰、0‰、-5‰、-10‰、-20‰,速度間隔取5 km/h,分別計(jì)算每一坡度條件下,不同速度對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離,得到制動(dòng)距離表{T1,T2,T3,T4,T5,T6}。
運(yùn)行計(jì)算指列車在運(yùn)行過(guò)程中,基于植入車載計(jì)算機(jī)的制動(dòng)距離表,根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù),從停車參考點(diǎn)S0的目標(biāo)速度vtarg et開(kāi)始進(jìn)行查表計(jì)算,反推ATP常用制動(dòng)曲線,車載計(jì)算機(jī)的計(jì)算流程如圖3所示。
圖3 基于制動(dòng)距離表的運(yùn)行計(jì)算流程
運(yùn)行計(jì)算時(shí),曲線計(jì)算的初始參數(shù)如公式(11)、公式(12)所示,其中,S安全為安全距離,m;S0為目標(biāo)停車點(diǎn)里程,m;S停車為停車許可終點(diǎn),m;v0為初速度,km/h。讀取的數(shù)據(jù)包括線路數(shù)據(jù)(坡度、坡道長(zhǎng)度等)以及速度數(shù)據(jù)(限速信息vLimit等)。
S0=S停車-S安全
(11)
v0=vtarg et
(12)
計(jì)算過(guò)程主要分為:確定初始參數(shù)、迭代計(jì)算以及結(jié)束判斷3部分。
(1)設(shè)備接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)根據(jù)由行車許可終點(diǎn)和安全距離計(jì)算得出的目標(biāo)停車點(diǎn)里程和目標(biāo)速度確定曲線反推起點(diǎn),據(jù)此進(jìn)行迭代。
(2)在每次迭代計(jì)算過(guò)程中,以當(dāng)前位置為基準(zhǔn),以此時(shí)速度為初速度,查找下一段坡道坡度i對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離表Tk,并檢索Tk中對(duì)應(yīng)初速度v0的距離S。接著,以距離S更新制動(dòng)距離表,得到本次迭代計(jì)算過(guò)程中使用的制動(dòng)距離表Tk′。檢索Tk′中對(duì)應(yīng)此坡道長(zhǎng)度l的速度v,得到曲線上一點(diǎn)(v,S0-l),完成本次迭代。
(3)每次迭代結(jié)束后判斷是否達(dá)到限制速度vLimit,若未達(dá)到,則進(jìn)行數(shù)據(jù)更新,執(zhí)行下次迭代。
根據(jù)以上步驟,直至輸出完整的v-S曲線。
迭代計(jì)算的整體步驟也可用公式(13)、公式(14)概括。每次迭代過(guò)程中,本區(qū)段內(nèi)的末速度vi+1作為下一區(qū)段內(nèi)的初速度vi,每步迭代分別計(jì)算得到曲線上點(diǎn)(vi+1,Si+1)直至限速vLimit。
(13)
Si+1=Si-li
(14)
式中,vi為第i區(qū)間的初速度,km/h;Si為第i區(qū)間起始位置里程,m;li為第i個(gè)區(qū)間的坡長(zhǎng),m。
(15)
(16)
(17)
為了驗(yàn)證基于制動(dòng)距離表的ATP常用制動(dòng)曲線計(jì)算模型的效果,在Matlab仿真平臺(tái)上,以鄭州—武漢高速鐵路線上許昌東站為例,推算列車常用制動(dòng)曲線,與實(shí)際列控?cái)?shù)據(jù)以及理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示??梢钥闯?,理論計(jì)算條件的制動(dòng)減速度最大,基于制動(dòng)距離表方法和列控實(shí)際情況在考慮到實(shí)際因素后,均降低了制動(dòng)減速度,增加了常用制動(dòng)距離,保證列車即使在最不利條件下也能夠在行車許可終點(diǎn)前制動(dòng)停車。
圖4 許昌東站常用制動(dòng)曲線
應(yīng)用公式(18)對(duì)基于制動(dòng)距離表計(jì)算方法和列控實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合情況進(jìn)行分析,式中,v代表列控實(shí)際速度,v*代表制動(dòng)距離表方法的計(jì)算速度。二者的擬合系數(shù)達(dá)到96.06%,可以看出,基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法與列控的實(shí)際數(shù)據(jù)有較好的擬合度,說(shuō)明基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法與列控實(shí)際計(jì)算方法基本一致。
(18)
以下將分別從運(yùn)行效率、安全余量以及通過(guò)能力的角度,對(duì)基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法進(jìn)行分析。
為驗(yàn)證基于制動(dòng)距離表方法的計(jì)算效率,在Matlab仿真程序中,以許昌東站為例,分別統(tǒng)計(jì)本文方法和理論計(jì)算方法推算ATP常用制動(dòng)曲線所用的計(jì)算時(shí)分,結(jié)果如表1所示。
表1 兩種方法計(jì)算時(shí)分對(duì)比
由表1可知,基于制動(dòng)距離表的計(jì)算時(shí)分僅為理論計(jì)算方法的22.02%,單位時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行效率提高了354.1%。因此,基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法,有效提高了ATP超速防護(hù)曲線的計(jì)算效率,能更好地適應(yīng)車載計(jì)算機(jī)容量和速度的限制。
理論計(jì)算方法是基于力學(xué)分析并進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立的理想制動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。盡管理論計(jì)算方法已經(jīng)保留了安全距離,但考慮到計(jì)算過(guò)程的化簡(jiǎn)、設(shè)備的精度以及實(shí)際應(yīng)用的各種突發(fā)狀況和不利因素,為了確保列車運(yùn)行安全,實(shí)際往往會(huì)在理論計(jì)算模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步保留一部分速度裕量。這部分速度裕量的主要來(lái)源是:計(jì)算制動(dòng)距離表過(guò)程中保存的裕量以及查表計(jì)算過(guò)程遵循的“向下取值”的原則。這部分預(yù)留的速度與理論計(jì)算速度的比值稱為安全余量
(19)
式中,R為安全余量;v理論為理論計(jì)算速度,km/h;vi為制動(dòng)距離表方法的計(jì)算速度,km/h。
安全余量是平衡列車運(yùn)行效率與行車安全的關(guān)鍵。當(dāng)整體預(yù)留安全余量過(guò)大時(shí),列車運(yùn)行速度低,追蹤時(shí)間長(zhǎng),通過(guò)能力低。反之,安全余量過(guò)小,高速鐵路行車安全就會(huì)存在潛在隱患。特別的,當(dāng)安全余量為零甚至為負(fù)數(shù),即計(jì)算速度大于理論計(jì)算速度時(shí),在選定手柄級(jí)位下極有可能出現(xiàn)無(wú)法在行車許可終點(diǎn)停車情況,輕則觸發(fā)緊急制動(dòng)影響運(yùn)行平穩(wěn),重則造成列車相撞甚至顛覆。根據(jù)上述計(jì)算公式,可得出基于減速度制動(dòng)計(jì)算方法的安全余量波動(dòng)曲線(圖5)。
圖5 許昌東站安全余量曲線
可以看出,基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法的安全余量波動(dòng)以靜態(tài)限速區(qū)段為間隔分為3部分,在整體上安全余量波動(dòng)較為均勻。起模點(diǎn)至靜態(tài)限速區(qū)段作為整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的主體部分,安全余量穩(wěn)定在6%左右。曲線安全余量為0的曲線對(duì)應(yīng)靜態(tài)限速區(qū)段部分,該部分由于列車運(yùn)行限度已經(jīng)確定,無(wú)需保留安全余量。在進(jìn)站停車的最終時(shí)段,為了保證列車停車有較好的舒適度和平穩(wěn)度,保留了較大的安全余量。整體的安全余量在8%左右,可以說(shuō)明,基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法在運(yùn)行效率和行車安全之間保持較好的平衡。
通過(guò)優(yōu)化高速鐵路ATP防護(hù)曲線,從而挖掘繁忙干線上運(yùn)輸潛力、提高通過(guò)能力是我國(guó)高速鐵路的重要課題??s小列車追蹤間隔,從而增加單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)車數(shù)量是提高線路通過(guò)能力的有效途徑。追蹤間隔是自動(dòng)閉塞區(qū)段同一方向追蹤運(yùn)行的兩列車的最小時(shí)間,由區(qū)間追蹤間隔時(shí)間、出發(fā)追蹤間隔時(shí)間、進(jìn)站到達(dá)追蹤間隔時(shí)間和通過(guò)追蹤間隔時(shí)間中的最大值決定。研究表明,進(jìn)站到達(dá)追蹤間隔時(shí)間是追蹤間隔時(shí)間的最大限制,直接影響到線路的通過(guò)能力[18]。以下對(duì)基于制動(dòng)距離表計(jì)算方法的進(jìn)站到達(dá)追蹤時(shí)間進(jìn)行分析。
進(jìn)站到達(dá)追蹤間隔時(shí)間I到指自前行列車到達(dá)車站時(shí)起,至同方向后行列車到達(dá)該站時(shí)止的最小時(shí)間,其計(jì)算原理如圖6所示。
圖6 進(jìn)站到達(dá)追蹤間隔時(shí)間計(jì)算原理示意
進(jìn)站到達(dá)最小間隔時(shí)間的計(jì)算公式如下
(20)
(21)
式中,S咽喉為咽喉區(qū)長(zhǎng)度,為出站信號(hào)機(jī)至反向進(jìn)站信號(hào)機(jī)間的距離,本文根據(jù)實(shí)際均值取600 m;S列車
為列車長(zhǎng)度,根據(jù)實(shí)際CRH380A型動(dòng)車組,取為203 m;t作業(yè)為列車到達(dá)作業(yè)時(shí)分,一般取36 s;t制動(dòng)為列車制動(dòng)過(guò)程時(shí)間,s。
基于以上算法,得到許昌東站理論計(jì)算方法下的列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間為243 s,基于制動(dòng)距離表方法的列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間為267 s。二者都小于現(xiàn)階段高速鐵路常用的5 min追蹤間隔時(shí)間,為確保列車運(yùn)行作業(yè)的安全和準(zhǔn)確保留了一定時(shí)分。盡管基于制動(dòng)距離表的ATP曲線計(jì)算方法為了在簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí)保證安全,較理論計(jì)算損失了9.88%的列車追蹤間隔時(shí)間,但仍然滿足5 min的追蹤間隔要求,說(shuō)明方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
本文通過(guò)對(duì)ATP常用制動(dòng)曲線的理論計(jì)算方法和基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法進(jìn)行深入研究,建立了兩種計(jì)算方法的模型。許昌東站的實(shí)例驗(yàn)證中,基于制動(dòng)距離表模型的計(jì)算曲線與列控實(shí)際曲線的擬合優(yōu)度達(dá)到96.06%,驗(yàn)證了本文模型的有效性。在計(jì)算效率方面,基于制動(dòng)距離表的計(jì)算方法顯著高于理論計(jì)算方法,計(jì)算時(shí)分減少了77.98%。并且,本文方法與理論計(jì)算方法間的安全余量較為均勻,整體約為8%。最后,由于基于制動(dòng)距離表計(jì)算方法簡(jiǎn)化了理論計(jì)算模型,導(dǎo)致列車追蹤間隔時(shí)間的一定損失(9.88%),但總體令人滿意,有較好的實(shí)用性。