旅客捷運(yùn)系統(tǒng)在超短安全防護(hù)距離下的列車(chē)停站信號(hào)控制方案

王之峰 陸惠豐

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司， 200092， 上海//第一作者，高級(jí)工程師)

1 研究背景

1.1 工程條件

上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本工程”)采用鋼輪鋼軌地鐵A型車(chē)，設(shè)計(jì)規(guī)范基本參照現(xiàn)行的《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》。具體的車(chē)站及線(xiàn)路布置如圖1所示。其中，T2航站樓站的工程條件為：列車(chē)總長(zhǎng)度94.4 m，在軌道東線(xiàn)準(zhǔn)確停站時(shí)(列車(chē)中心線(xiàn)與車(chē)站中心線(xiàn)對(duì)齊)，北端車(chē)頭距軌道端頭18.3 m。列車(chē)在T2航站樓站準(zhǔn)確停站位置示意如圖2所示。

1.2 面臨的問(wèn)題

上述工程條件中，站后安全距離僅為18.3 m，與現(xiàn)行GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、STB/ZH-000001-2012《上海城市軌道交通工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于安全防護(hù)距離與安全線(xiàn)的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值(50 m或40 m)差值較大。因此，必須對(duì)本工程信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的特殊設(shè)計(jì)，才可確保捷運(yùn)列車(chē)運(yùn)行(進(jìn)站、停車(chē))的安全性。

1.3 研究思路

鑒于上述情況，為確保捷運(yùn)列車(chē)運(yùn)行(進(jìn)站、停車(chē))的安全性，并盡可能兼顧旅客舒適度和列車(chē)運(yùn)行效率，本工程信號(hào)系統(tǒng)在實(shí)施前需要考慮：

(1) 信號(hào)系統(tǒng)需在土建實(shí)際條件下，結(jié)合行車(chē)、車(chē)輛、軌道等參數(shù)對(duì)列車(chē)進(jìn)入T2航站樓站的減速-停車(chē)控制方案做特殊設(shè)計(jì)。

(2) 需要結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商的具體系統(tǒng)做進(jìn)站-停車(chē)的仿真計(jì)算，初步確定信號(hào)系統(tǒng)控制方案原理及其可行性。

(3) 相關(guān)信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商需在實(shí)際的軌道交通線(xiàn)路上做進(jìn)站-停車(chē)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)軟件仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

(4) 以上研究獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)論，可作為后續(xù)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備招投標(biāo)、深化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安裝調(diào)試、竣工驗(yàn)收等工作的技術(shù)支撐文件。

2 標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)模型

IEEE 1474.1—2004中對(duì)移動(dòng)閉塞下的安全制動(dòng)模型做出規(guī)定，如圖3所示。

注：ATP—列車(chē)自動(dòng)防護(hù)； GEBR—緊急制動(dòng)保障率

圖3 IEEE 1474.1安全制動(dòng)模型

IEEE 1474.1安全制動(dòng)模型要求，在充分考慮速度不確定性、位置不確定性的安全前提下，車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)需根據(jù)車(chē)輛的最不利反應(yīng)對(duì)列車(chē)前方的授權(quán)終點(diǎn)進(jìn)行緊急制動(dòng)(EB)防護(hù)，以保護(hù)行駛中的列車(chē)，包括觸發(fā)安全防護(hù)后靜止的列車(chē)都不會(huì)越過(guò)移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)。本工程信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同樣需要基于IEEE 1474.1安全制動(dòng)模型。

3 本工程安全制動(dòng)模型

本工程信號(hào)系統(tǒng)將不可撞擊的車(chē)擋位置處的列車(chē)速度設(shè)為0進(jìn)行防護(hù)，即不可越過(guò)的位置。根據(jù)車(chē)輛相關(guān)參數(shù)，將IEEE 1474.1安全制動(dòng)模型按最不利的安全側(cè)方向簡(jiǎn)化為失控加速三階段，進(jìn)行安全制動(dòng)模型的安全防護(hù)，如圖4所示。

(1) 本工程信號(hào)系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量列車(chē)的速度、位置，測(cè)速測(cè)距為安全功能。當(dāng)對(duì)終端進(jìn)行安全防護(hù)時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)向安全側(cè)考慮列車(chē)最不利情況，即最大可能速度(當(dāng)前車(chē)速+速度不確定性)和最遠(yuǎn)的車(chē)頭位置(當(dāng)前車(chē)頭位置+位置不確定性)。

(2) 最不利情況下，判斷觸發(fā)EB后，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證了最長(zhǎng)的EB繼電器落下時(shí)間為t0；

(3) 最不利情況下，列車(chē)處于全牽引工況，判斷觸發(fā)EB后，車(chē)輛最長(zhǎng)牽引切除時(shí)間t1為t0+最不利車(chē)輛牽引切除時(shí)間。

圖4 三階段安全制動(dòng)模型

(4) 最不利情況下，判斷觸發(fā)EB后，車(chē)輛最長(zhǎng)制動(dòng)施加時(shí)間為牽引切除后的t2；

(5) 最不利情況下，車(chē)輛施加的緊急制動(dòng)率為列車(chē)保證的緊急制動(dòng)率。

基于上述安全制動(dòng)模型，本工程信號(hào)系統(tǒng)編制了相應(yīng)的算法軟件，由于涉及信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，本文在此不做具體說(shuō)明。

4 安全防護(hù)下的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行(ATO)控制策略

當(dāng)列車(chē)以ATP或ATO方式運(yùn)行時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)時(shí)刻防護(hù)列車(chē)冒進(jìn)終端。

當(dāng)列車(chē)以ATO方式行車(chē)時(shí)，將時(shí)刻受ATP的保護(hù)，ATO更關(guān)注調(diào)整列車(chē)速度，以避免頻繁觸及ATP EB制動(dòng)觸發(fā)曲線(xiàn)，導(dǎo)致EB，進(jìn)而產(chǎn)生系統(tǒng)可用性較差問(wèn)題。

如圖5所示，在充分考慮信號(hào)系統(tǒng)的性能、車(chē)輛的性能、命令反應(yīng)時(shí)間等因素的基礎(chǔ)上，在EB觸發(fā)曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上減去一個(gè)ATO控制門(mén)限(可調(diào)，典型值不大于1 m/s)作為允許速度-距離曲線(xiàn)，使ATO能將車(chē)速控制在此允許速度-距離曲線(xiàn)范圍內(nèi)而不觸發(fā)EB。即允許速度-距離曲線(xiàn)為ATO的可控速度頂棚。

ATO將車(chē)速控制在允許速度-距離曲線(xiàn)下方則不會(huì)觸發(fā)EB。其也可采用比該曲線(xiàn)更低的速度曲線(xiàn)使列車(chē)停靠在允許速度-距離曲線(xiàn)下方的目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)，但會(huì)造成：① 列車(chē)過(guò)早以較慢速度進(jìn)站，不必要地犧牲了效率；② 進(jìn)站時(shí)間拉長(zhǎng)，乘客需要更加耐心等待；③ 列車(chē)先降至低速，再以低速進(jìn)站(如圖5中普通站臺(tái)的ATO停車(chē)曲線(xiàn))，停站的環(huán)節(jié)中造成更多的加速度變化而影響舒適度。

因此，本工程不推薦過(guò)早降速進(jìn)站的方案，而推薦采用允許速度-距離曲線(xiàn)作為ATO停車(chē)曲線(xiàn)的控制依據(jù)，以使進(jìn)站效率最大化。

圖5 ATO行車(chē)曲線(xiàn)示意圖

該方案能在終端防護(hù)距離一定(即ATP防護(hù)速度一定)時(shí)，使ATO最大限度地利用行車(chē)速度的空間，將效率最大化。當(dāng)ATO停車(chē)點(diǎn)位于允許速度-距離曲線(xiàn)下方時(shí)，該停車(chē)點(diǎn)即可認(rèn)為是可控的ATO停準(zhǔn)位置。根據(jù)本工程的線(xiàn)路情況和安全參數(shù)條件，經(jīng)仿真計(jì)算，本方案支持極限情況下低至9.112 m防護(hù)距離的ATO進(jìn)站停車(chē)。如圖6所示。

圖6 極限情況下的ATO進(jìn)站曲線(xiàn)圖

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

相關(guān)信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商利用在線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，模擬本工程實(shí)際條件，在特定的系統(tǒng)參數(shù)值設(shè)置條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位及信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商全程參與、見(jiàn)證了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程。

(1) 主要系統(tǒng)參數(shù)值：與仿真計(jì)算條件一致。

· 車(chē)輛切牽引時(shí)間：0.5 s(暫定)；

· 車(chē)輛切牽引后至施加90%緊急制動(dòng)時(shí)間：1.2 s(暫定)；

· 車(chē)輛失控加速度：1 m/s2(車(chē)輛典型參數(shù))；

· 緊急制動(dòng)保障率：0.95 m/s2(暫定)；

· 信號(hào)系統(tǒng)最不利的EB時(shí)間：0.53 s(含車(chē)輛接口繼電器落下時(shí)間)；

· 加加速度限制：0.75 m/s3；

· 站臺(tái)最高限速：40 km/h(可運(yùn)行達(dá)到的速度，命令速度)。

(2) 測(cè)試目的：對(duì)列車(chē)的ATO精準(zhǔn)對(duì)站與ATP超速防護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試；對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

(3) 主要測(cè)試結(jié)果：見(jiàn)表1。

① 列車(chē)以正常的ATO方式進(jìn)站時(shí)：存在進(jìn)站停車(chē)對(duì)位的“欠”與“過(guò)”情況，但差值不大，均在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)；采用緩沖車(chē)擋與采用固定車(chē)擋沒(méi)有太大區(qū)別。

② 列車(chē)以一定速度(29 km/h)觸發(fā)EB后：進(jìn)站停車(chē)對(duì)位的情況基本為“欠”；采用固定車(chē)擋優(yōu)于采用緩沖車(chē)擋。

③ 列車(chē)以低速(4 km/h)觸發(fā)EB后：進(jìn)站停車(chē)對(duì)位的情況為“過(guò)”，但停車(chē)位置均未超過(guò)本工程車(chē)擋(按距離測(cè)算)；采用緩沖車(chē)擋優(yōu)于采用固定車(chē)擋。

表1 列車(chē)進(jìn)站停車(chē)的主要測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

分析信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商的仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，可以初步確定：針對(duì)本工程的特定安全防護(hù)距離條件，信號(hào)系統(tǒng)基于IEEE 1474.1安全制動(dòng)模型進(jìn)行特殊的列車(chē)進(jìn)站控制方案設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)捷運(yùn)列車(chē)運(yùn)行(進(jìn)站、停車(chē))的安全性，并能適當(dāng)兼顧旅客舒適度和列車(chē)運(yùn)行效率。