城市軌道交通CBTC系統(tǒng)車載ATP仿真研究

董凱霞 劉曉娟 朱耘燕

列車超速防護(hù)子系統(tǒng) (Automatic Train Protection，ATP)是各種 CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列車控制)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)列車安全運(yùn)行功能的部分，是CBTC系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)。列車超速防護(hù)功能是ATP子系統(tǒng)的核心功能，由車載ATP實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種車載ATP的超速防護(hù)模型，闡述了其原理及計(jì)算方法，并以上海軌道交通10號(hào)線的相關(guān)數(shù)據(jù)為例對模型進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。

1 車載ATP仿真子系統(tǒng)

車載ATP仿真子系統(tǒng)是蘭州交通大學(xué)《基于無線的城市軌道交通CBTC系統(tǒng)仿真平臺(tái)》項(xiàng)目中的一個(gè)子系統(tǒng)。它以CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備為對象，主要包括車載ATP、駕駛及運(yùn)行計(jì)算、軌旁ATP接口、報(bào)警記錄等模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各個(gè)模塊的主要功能如下:

1．駕駛及運(yùn)行計(jì)算模塊。初始化列車及線路參數(shù)、駕駛列車、計(jì)算列車速度及位置、向車載ATP模塊發(fā)送列車的速度及位置信息。

2．軌旁ATP接口模塊。與軌旁ATP通信，接收來自軌旁ATP的移動(dòng)授權(quán)及臨時(shí)限速信息，將其發(fā)送給車載ATP模塊;接收來自車載ATP的列車位置及速度信息，將其發(fā)送給軌旁ATP。

圖1 車載ATP仿真子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3．車載ATP模塊。根據(jù)移動(dòng)授權(quán)、列車性能及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前線路參數(shù)等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線、最限制速度觸發(fā)曲線，并以此為標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督列車速度，列車一旦超速，立即實(shí)施緊急制動(dòng);向軌旁ATP接口模塊發(fā)送列車的位置及速度信息。

4．報(bào)警記錄模塊。記錄各種報(bào)警信息，包括常用制動(dòng)報(bào)警、緊急制動(dòng)報(bào)警等。

該仿真系統(tǒng)可以模擬在各種線路條件下各種類型的動(dòng)車組啟動(dòng)、牽引、惰行、制動(dòng)等工況下的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算各種速度曲線，一旦列車超速，立即實(shí)施相應(yīng)制動(dòng)，并記錄各種報(bào)警信息。

2 車載ATP超速防護(hù)模型

2.1 緊急制動(dòng)過程

圖2 車載ATP超速防護(hù)模型原理圖

列車的緊急制動(dòng)過程分為3個(gè)階段，如圖2中A-B-C-D、A1-B1-C1-D1所示。

第1階段 (A-B)，列車在當(dāng)前牽引力下繼續(xù)加速，對應(yīng)于啟動(dòng)緊急制動(dòng)前，車載ATP設(shè)備和列車設(shè)備響應(yīng)時(shí)間造成的延遲。

第2階段 (B-C)，牽引力得到抑制，但由于列車延遲不能立即制動(dòng)，列車進(jìn)行惰性運(yùn)行。

第3階段 (C-D)，進(jìn)行有效緊急制動(dòng)。

2.2 超速防護(hù)模型

在CBTC系統(tǒng)中，超速防護(hù)確保實(shí)現(xiàn)以下功能。

1．確保列車速度不超過線路限速 (與線路曲線、橋梁、隧道等有關(guān))。

2．確保列車速度不超過臨時(shí)限速。

3．確保列車速度不超過列車最高持續(xù)運(yùn)行速度和模式限速。

4．確保列車通過道岔時(shí)，不超過道岔允許通過速度。

5．確保列車進(jìn)站或跳停時(shí)，速度不超過站臺(tái)限速。

本模型通過對最限制速度觸發(fā)曲線和緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的監(jiān)督實(shí)現(xiàn)以上超速防護(hù)功能，如圖2所示。防護(hù)點(diǎn)代表列車絕對不允許以高于目標(biāo)速度的速度越過的限制，它取決于采用的運(yùn)行模式，在移動(dòng)閉塞模式下，防護(hù)點(diǎn)位于前行列車的尾部，包括位置不確定因素和后退誤差。本模型中，以防護(hù)點(diǎn)處目標(biāo)速度為零為例，進(jìn)行計(jì)算。由于城市軌道交通中列車的基本阻力、曲線附加阻力以及隧道附加阻力對速度曲線的影響相對較小，本模型暫未考慮。

最限制速度曲線是線路的靜態(tài)限速、臨時(shí)限速、列車最高持續(xù)運(yùn)行速度、模式限速等速度限制的最小值。其中，線路的靜態(tài)限速與線路曲線、橋梁、隧道、道岔、站臺(tái)等條件有關(guān)。臨時(shí)限速通常是由于軌道上的工作而設(shè)置的，為線路上的某一段地理位置 (速度限制的起始點(diǎn)和終點(diǎn))定義一個(gè)臨時(shí)的速度限制，它由控制中心的操作員或者是設(shè)有本地ATS車站的操作員來設(shè)置。列車最高持續(xù)運(yùn)行速度由列車的構(gòu)造決定。模式限速是由ATP所處的工作模式?jīng)Q定的列車最大速度，在ATP模式下，列車的最大速度是自動(dòng)授權(quán)的;在其他限制模式下，列車的最大速度受到限制。

列車的運(yùn)行速度不能超過最限制速度曲線，考慮實(shí)際車載設(shè)備的延時(shí)，需要設(shè)計(jì)最限制速度觸發(fā)曲線來保證此安全限制。正常情況下，列車以低于最限制速度觸發(fā)曲線的速度運(yùn)行，一旦列車速度超過該位置的最嚴(yán)格限速觸發(fā)速度，列車實(shí)施緊急制動(dòng)，按照圖2中曲線A1-B1-C1-D1規(guī)律運(yùn)行。

緊急制動(dòng)保證曲線用來確保列車在安全性停車點(diǎn)前停車。緊急制動(dòng)保證曲線的起始點(diǎn)后增設(shè)保護(hù)距離，保護(hù)距離不是一個(gè)固定值，它根據(jù)列車性能、線路參數(shù)、列車當(dāng)前牽引加速度的不同而發(fā)生變化，從而使列車能夠更接近防護(hù)點(diǎn)停車。

根據(jù)緊急制動(dòng)保證曲線計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線，車載ATP連續(xù)地監(jiān)控緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線，正常情況下，列車以低于緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的速度運(yùn)行，在正常的ATO停車點(diǎn)處停車。一旦列車速度超過該位置的緊急制動(dòng)觸發(fā)速度，列車實(shí)施緊急制動(dòng)，按照圖2中曲線A-B-C-D規(guī)律運(yùn)行，最終在安全性停車點(diǎn)前停車。

另外，由于緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的計(jì)算因素之一是列車的當(dāng)前牽引加速度，在車載ATP的計(jì)算周期內(nèi)，如果列車加速度加大，或者當(dāng)前編碼里程計(jì)的傳感器剛好少計(jì)一齒數(shù)，致使所測列車速度小于列車實(shí)際速度，列車則可能會(huì)超過限速，所以當(dāng)采用當(dāng)前列車牽引加速度計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的時(shí)候，要預(yù)留余量，以保證即使發(fā)生這種情況，列車也不會(huì)超速。同樣，最限制速度觸發(fā)曲線的計(jì)算也預(yù)留了余量。

因此，此超速防護(hù)模型能夠保證列車不會(huì)超過最限制速度曲線，而且列車在防護(hù)點(diǎn)前停車。在本超速防護(hù)模型中，為了留有更為充足的緊急制動(dòng)距離，列車緊急制動(dòng)的惰行階段暫時(shí)按切斷牽引力(牽引力為0)、但考慮坡度產(chǎn)生的加速度來處理。

2.3 超速防護(hù)曲線

2.3.1 超速防護(hù)曲線計(jì)算

1)保護(hù)距離的計(jì)算。保護(hù)距離根據(jù)列車性能、線路參數(shù)、列車當(dāng)前加速度的不同而發(fā)生變化，其計(jì)算公式如下。

Sp為保護(hù)距離的對應(yīng)速度 (m/s);Dp為保護(hù)距離 (m);act為當(dāng)前列車牽引加速度 (m/s2);ai為當(dāng)前坡度產(chǎn)生的加速度 (m/s2);i為當(dāng)前坡度值，上坡為正，下坡為負(fù)，在本模型中當(dāng)i＞0時(shí)，按i=0處理;t1為產(chǎn)生緊急制動(dòng)命令到切斷牽引之間產(chǎn)生的時(shí)延 (s);t2為切斷牽引到緊急制動(dòng)實(shí)施之間產(chǎn)生的時(shí)延 (s);E為編碼里程計(jì)計(jì)數(shù)誤差產(chǎn)生的速度 (m/s);b為可以保證的最小的緊急制動(dòng)率(m/s2);g為重力加速度 (m/s2);r為最小旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);D為車輪直徑 (m);N為編碼里程計(jì)的齒數(shù) (個(gè));t為車載ATP的計(jì)算周期 (s)。

2)最限制速度曲線的計(jì)算。最限制速度曲線通過比較線路的靜態(tài)限速、臨時(shí)限速、列車最高持續(xù)運(yùn)行速度、模式限速等速度限制，然后取它們的最小值得到。在實(shí)際應(yīng)用中，最限制速度曲線需要考慮列車長度，以確保列車尾部能安全通過限速區(qū)段，如圖3所示 (為了清楚顯示各曲線間的關(guān)系，列車車長校正前的速度曲線和列車車長校正后的速度曲線都向下進(jìn)行了平移)。

3)最限制速度觸發(fā)曲線的計(jì)算。公式如下。

SZXT為最限制速度觸發(fā)曲線對應(yīng)的觸發(fā)速度(m/s);Szx為最限制速度曲線對應(yīng)的速度 (m/s);Sy為速度余量 (m/s);DZXT為最限制速度觸發(fā)曲線對應(yīng)的觸發(fā)距離 (m);Dzx為最限制速度曲線對應(yīng)的距離 (m);Dy為距離余量 (m);atmax為可提供的最大牽引加速度 (m/s2);Sc為列車當(dāng)前運(yùn)行速度 (m/s);其他參數(shù)同上。

圖3 最限制速度曲線的計(jì)算

4)緊急制動(dòng)保證曲線的計(jì)算。由于保護(hù)距離設(shè)計(jì)在防護(hù)點(diǎn)后，而緊急制動(dòng)保證曲線從點(diǎn)(Dp，0)處開始計(jì)算。其計(jì)算公式如下。

SEBG為緊急制動(dòng)保證曲線對應(yīng)的速度 (m/s);DEBG為緊急制動(dòng)保證曲線對應(yīng)的距離 (m);DOBJ為目標(biāo)距離 (m);n為步進(jìn)步數(shù);△S為步進(jìn)長度(m);其他參數(shù)同上。

5)緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的計(jì)算。計(jì)算公式如下。

SEBT為緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線對應(yīng)的速度 (m/s);DEBT為緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線對應(yīng)的距離 (m);其他參數(shù)同上。

6)緊急制動(dòng)距離的計(jì)算。列車速度超過最限制速度觸發(fā)曲線或緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線上的對應(yīng)速度，列車都進(jìn)行緊急制動(dòng)，觸發(fā)緊急制動(dòng)后的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律 (緊急制動(dòng)曲線)如下。

第一階段 (t1時(shí)間段內(nèi))，列車做加速度為(act+ai)的勻加速或勻速直線運(yùn)動(dòng)。

第二階段 (t2時(shí)間段內(nèi))，列車做加速度為ai的勻加速或勻速直線運(yùn)動(dòng)。

第三階段 (有效緊急制動(dòng))，列車做減速率為(b－ai)的勻減速直線運(yùn)動(dòng)。

緊急制動(dòng)距離DEB為3段距離之和:

如果列車速度超過的是最限制速度觸發(fā)曲線，緊急制動(dòng)距離的計(jì)算只需把上式中的SEBT改為SZXT。

2.3.2 超速防護(hù)曲線計(jì)算步驟

1.最限制速度觸發(fā)曲線。以線路的靜態(tài)限速、臨時(shí)限速、列車最高持續(xù)運(yùn)行速度、模式限速、列車長度等信息為基礎(chǔ)計(jì)算最限制速度曲線。以最限制速度曲線為基礎(chǔ)，按照公式 (2)計(jì)算最限制速度觸發(fā)曲線。

2.緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線。采用逆推法計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線，仿真步長取0.01m。從安全性停車點(diǎn)往速度增大的方向 (圖2中橫坐標(biāo)的反方向)計(jì)算，步驟如下:

3 車載ATP超速防護(hù)模型的仿真實(shí)現(xiàn)

以上海軌道交通10號(hào)線的列車及線路數(shù)據(jù)為例，對提出的模型進(jìn)行仿真計(jì)算。(計(jì)算參數(shù)取自《上海軌道交通10號(hào)線RTI文件》)。圖4是在最高限速為85km/h，列車牽引加速度為1.134 m/s2、最大線路坡度為－3.72%條件下的仿真模型，其他的仿真數(shù)據(jù)見表1。

表1 緊急制動(dòng)仿真結(jié)果對比

圖4 超速防護(hù)模型仿真

通過對比，可見本模型中緊急制動(dòng)距離的仿真結(jié)果基本符合廠商提供的數(shù)據(jù)，由于模型中預(yù)留了余量，所以緊急制動(dòng)觸發(fā)速度會(huì)偏低，緊急制動(dòng)距離會(huì)有所變小。坡度的變化對制動(dòng)距離的影響很大，所以超速防護(hù)曲線的計(jì)算應(yīng)該采用當(dāng)前坡度。

由于采用了緊急制動(dòng)保證曲線，即在不利情況下，也可以保證列車在安全性停車點(diǎn)停車，所以防護(hù)距離不必很大，也不必是一個(gè)固定值。本模型中防護(hù)距離是動(dòng)態(tài)的，列車當(dāng)前的牽引加速度越大、當(dāng)前坡度越大，制動(dòng)條件越不利，防護(hù)距離越大。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)列車性能參數(shù)、列車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前線路條件計(jì)算的超速防護(hù)模型，并以上海軌道交通10號(hào)線的相關(guān)參數(shù)為例，使用VC++6.0對模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果符合實(shí)際。

［1］ 卡斯柯信號(hào)有限公司．上海軌道交通10號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格說明書［R］．2008，10．

［2］ 卡斯柯信號(hào)有限公司．上海軌道交通10號(hào)線 RTI文件［R］．2008，10．

［3］ 郭寧．CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)超速防護(hù)仿真研究［D］．西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文．2008，3．

［4］ 宋芹，陳凱，催熟妮等．城市軌道交通國產(chǎn)ATP車載設(shè)備超速防護(hù)功能的仿真實(shí)現(xiàn)［J］．中國鐵道科學(xué)，2002(4)．

(責(zé)任編輯:張 利)