城市軌道交通特定安全防護(hù)距離下的極限進(jìn)站方案研究*

孔令發(fā)

(上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上海//工程師)

在城市軌道交通信號(hào)領(lǐng)域，為了保證列車能夠安全進(jìn)站，在線路終端站臺(tái)后方需預(yù)留一定的安全防護(hù)距離。線路終端的安全防護(hù)距離由土建建設(shè)的客觀條件決定，同時(shí)應(yīng)兼顧建設(shè)成本來進(jìn)行確定。因此，在特定(較短)的安全防護(hù)距離下，研究如何保證列車安全且高效進(jìn)站具有十分重要的意義。

目前，我國通用的進(jìn)站技術(shù)方案采用常用制動(dòng)率進(jìn)站方案。即在接近站臺(tái)區(qū)域時(shí)，通過一個(gè)固定的常用制動(dòng)率控制列車進(jìn)站停靠站臺(tái)。該方案無論對于車載ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)控車還是人工駕駛均有易控、易操作的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在以下問題：①為了保證進(jìn)站效率，所需的站后安全防護(hù)距離較長；②在特定的安全防護(hù)距離下，只能通過降低進(jìn)站效率來達(dá)到安全進(jìn)站的目的。因此，研究一個(gè)兼顧行車安全、運(yùn)營效率及建設(shè)成本的進(jìn)站方案就顯得頗為重要。

1 安全防護(hù)距離計(jì)算模型

安全防護(hù)距離是指在IEEE 1474.1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的列車安全制動(dòng)模型中緊急制動(dòng)曲線對應(yīng)的目標(biāo)停車點(diǎn)與常用制動(dòng)曲線對應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)停車點(diǎn)之間的距離。其本質(zhì)是附加在常用制動(dòng)距離之上的安全富裕量，是CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)制動(dòng)模型中的關(guān)鍵。它能保證列車在最不利的情況下發(fā)生緊急制動(dòng)，也可停靠在安全停車點(diǎn)之前。安全防護(hù)距離模型如圖1所示。

由以上模型，可以得到Sd的計(jì)算方法如下：

Sd=max(Sdi)

(1)

Sdi=deb(vi)-dsb(vi)

(2)

式中：

deb(vi)——在列車允許速度為vi處觸發(fā)緊急制動(dòng)，經(jīng)過安全制動(dòng)模型三階段制動(dòng)計(jì)算得出的緊急制動(dòng)距離；

dsb(vi)——在列車允許速度為vi處觸發(fā)常用制動(dòng)，經(jīng)過常用制動(dòng)率制動(dòng)停車的常用制動(dòng)距離。

通過以上計(jì)算模型可以看出：為了減小安全防護(hù)距離，可以通過減小常用制動(dòng)率，使常用制動(dòng)距離增大，這樣緊急制動(dòng)距離與常用制動(dòng)距離的差值減小，從而達(dá)到減小安全防護(hù)距離的目的。

注：Sd表示安全防護(hù)距離; Peb表示緊急制動(dòng)曲線上的目標(biāo)停車點(diǎn)，即安全停車點(diǎn)；Psb表示常用制動(dòng)曲線上的目標(biāo)停車點(diǎn)，即運(yùn)營停車點(diǎn)；vtrain表示列車運(yùn)行速度

2 線路終端站臺(tái)進(jìn)站策略分析

當(dāng)線路的終端位置及終端站臺(tái)位置固定時(shí)，列車的進(jìn)站示意如圖2所示。

圖2 線路終端位置及終端站臺(tái)位置固定情況下的列車進(jìn)站示意圖

2.1 常用制動(dòng)率進(jìn)站分析

當(dāng)線路終端和終端站臺(tái)位置確定時(shí)，線路的安全防護(hù)距離長度一定，此時(shí)為了滿足站臺(tái)精確停車的運(yùn)營需求，需要計(jì)算常用制動(dòng)率。由上述分析可知，當(dāng)安全防護(hù)距離較短時(shí)，只能通過減小常用制動(dòng)率來滿足列車能在站臺(tái)停車點(diǎn)停車。然而，常用制動(dòng)率的降低可帶來進(jìn)站速度降低、進(jìn)站時(shí)間過長及乘客體驗(yàn)變差等諸多問題。

2.2 變制動(dòng)率進(jìn)站分析

當(dāng)列車采用變制動(dòng)率進(jìn)站時(shí)，列車停站模型如圖3所示。車載ATO控制列車沿著ATO允許速度曲線行駛，考慮在ATO允許速度的基礎(chǔ)上疊加速度不確定性和超速容限后觸發(fā)緊急制動(dòng)，在安全制動(dòng)模型規(guī)定的三階段制動(dòng)停車后，列車可安全地?？吭诰€路終端。

考慮極限情況，若要求運(yùn)營停車點(diǎn)盡量靠近車檔時(shí)，兼顧停站效率及舒適度，設(shè)計(jì)進(jìn)站方案需考慮以下幾個(gè)方面：

圖3 列車采用變制動(dòng)率進(jìn)站示意圖

(1) 計(jì)算并繪制緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線。該曲線為安全曲線，當(dāng)車輛特性參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響最終的停站距離(計(jì)算中已考慮了位置的不確定性)。

(2) 考慮站臺(tái)區(qū)域速度不確定性和ATO控制范圍，在緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的基礎(chǔ)上，減去超速容限，得到允許速度-距離曲線。該曲線為ATO可控制行車曲線。

(3) 當(dāng)列車進(jìn)站靠近終端時(shí)，列車速度和加速度均已很小，車輛特性決定此時(shí)通過ATO控制已很難調(diào)整，此時(shí)ATO保持當(dāng)前加速度進(jìn)站并對準(zhǔn)站臺(tái)進(jìn)行?？?。

(4) 列車停站過程中，需考慮乘客舒適性及沖擊極限的要求。

3 上海某軌道交通線路變制動(dòng)率進(jìn)站方案仿真分析

3.1 仿真參數(shù)選取

為了驗(yàn)證列車采用變制動(dòng)率進(jìn)站策略的可行性，以及將其與常用制動(dòng)率進(jìn)站策略進(jìn)行對比，選取上海某軌道交通線路的典型參數(shù)對該方案進(jìn)行仿真分析。選取的參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 列車采用常用制動(dòng)率進(jìn)站方案

圖4為安全防護(hù)距離與常用制動(dòng)率關(guān)系圖。由圖4可知，當(dāng)滿足11.8 m的安全防護(hù)距離時(shí)，常用制動(dòng)率為0.3 m/s2。

此時(shí)列車在站臺(tái)邊緣的進(jìn)站速度為7.53 m/s，列車從到達(dá)站臺(tái)邊緣至完全停止所用的時(shí)間為25.09 s。

3.2.2 列車采用變制動(dòng)率的極限進(jìn)站方案

圖5為采用變制動(dòng)率的極限進(jìn)站方案時(shí)列車運(yùn)行速度與安全防護(hù)距離關(guān)系圖。由圖5可知，當(dāng)ATO控制列車完全按照ATO允許速度曲線行駛時(shí)，經(jīng)仿真可得列車最近可?？吭诰嚯x安全停車點(diǎn)8.01 m的位置。但實(shí)踐表明，當(dāng)ATO允許速度較低時(shí)，由于車輛特性的影響，會(huì)導(dǎo)致ATO控車精度變差。

表1 上海某軌道交通線路變制動(dòng)率進(jìn)站方案參數(shù)表

圖4 安全防護(hù)距離與常用制動(dòng)率關(guān)系圖

圖5 列車運(yùn)行速度與安全防護(hù)距離關(guān)系圖

通過仿真可得ATO允許速度-距離曲線上對應(yīng)的加速度(見圖6)。由圖6可知，當(dāng)列車靠近停車點(diǎn)時(shí)， ATO控車的加速度也逐漸減小，此時(shí) ATO采用變制動(dòng)率控車的難度變大，相應(yīng)精度變差。因此，采用優(yōu)化的控車策略，即列車在接近停車點(diǎn)時(shí)采用固定制動(dòng)率進(jìn)行對準(zhǔn)停車。

圖6 ATO控車加速度-距離曲線

為了讓列車準(zhǔn)確地停靠在站臺(tái)停車點(diǎn)處，即滿足安全防護(hù)距離為11.8 m的要求，此時(shí)可以在ATO允許速度-距離曲線上選取一個(gè)點(diǎn)，ATO控制列車行駛至該點(diǎn)時(shí)，采用該點(diǎn)固定的制動(dòng)率將列車停下。假設(shè)該點(diǎn)的速度為vs，加速度為as，則該點(diǎn)的選取需滿足Ssbm與Sser的差值為11.8 m。其中，Ssbm表示在當(dāng)前vs下，按照安全制動(dòng)模型三階段停車的制動(dòng)距離；Sser表示在當(dāng)前vs下，按照固定制動(dòng)率停車的制動(dòng)距離。

通過仿真可得“變制動(dòng)率+固定制動(dòng)率”下的速度-距離曲線，如圖7所示。

圖7 “變制動(dòng)率+固定制動(dòng)率”下的速度-距離曲線

圖7中，當(dāng)列車距安全防護(hù)點(diǎn)的距離為17.16 m時(shí)，可按照此刻的固定加速度-0.3 m/s2將列車停下。此時(shí)計(jì)算得出列車在站臺(tái)邊緣處的速度為10.61 m/s，列車從站臺(tái)邊界至完全停車所用的時(shí)間為20.9 s。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)列車采用變制動(dòng)率進(jìn)站的方案時(shí)，在極限情況下，可縮短站后的安全防護(hù)距離，適應(yīng)土建建設(shè)的客觀條件，降低土建建設(shè)成本。

(2) 采用變制動(dòng)率進(jìn)站的方案，在終端安全防護(hù)距離一定時(shí)，可提高進(jìn)站效率，同時(shí)在考慮效率、旅客舒適度的平衡時(shí)，可在速度較低時(shí)選用更為平滑的固定制動(dòng)率進(jìn)站，此時(shí)速度曲線更為平滑，提高了旅客舒適度。