工程車加裝車載ATP方案分析

佘路軍、李惠欣、楊智

（1.中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310004；2.杭州杭港地鐵五號(hào)線有限公司，浙江 杭州 310000；3.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 研究背景

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化速度的加快，大型城市呈現(xiàn)出多中心或放射狀的發(fā)展趨勢(shì)。地鐵作為城市軌道交通的中堅(jiān)力量，加強(qiáng)了主中心與各副中心的聯(lián)系。在各大城市發(fā)展的進(jìn)程中，單條地鐵線路延伸為長(zhǎng)大線路的情況越來(lái)越普遍。北京、上海、廣州、成都、杭州等大城市的部分地鐵單條線路已超過(guò)50km。

工程車是地鐵運(yùn)營(yíng)單位夜間線路施工及維護(hù)的運(yùn)輸工具，國(guó)內(nèi)地鐵系統(tǒng)要求，在人工駕駛模式下，工程車的最高運(yùn)行速度為40km/h（部分城市僅為25km/h），對(duì)于長(zhǎng)大地鐵線路，工程車需要2～4h完成全線運(yùn)行；且在人工駕駛模式下，工程車會(huì)存在超速、脫軌等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在工程車中加裝車載ATP設(shè)備，對(duì)提高工程車的運(yùn)行效率，保證運(yùn)行安全是非常必要的。

2 系統(tǒng)的主要功能

根據(jù)工程車的實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，裝載了車載ATP設(shè)備的工程車可以實(shí)現(xiàn)CBTC模式下的ATP防護(hù)功能，司機(jī)可在連續(xù)的ATP防護(hù)下人工駕駛列車運(yùn)行。

ATP系統(tǒng)的主要功能包括：

一是列車速度和位置測(cè)定，在CBTC區(qū)域內(nèi)能夠確定列車的速度、位置和運(yùn)行方向。

二是基于連續(xù)的速度-距離曲線安全制動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)列車速度控制，防止列車超速，保證追蹤列車之間的行車間隔。

三是處理移動(dòng)授權(quán)（MA）。

四是列車完整性監(jiān)督。

五是工程車以非通信的RM或EUM模式與載客列車聯(lián)掛，以便展開(kāi)救援。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

3.1 工程車編組建議方案

因運(yùn)營(yíng)救援、夜間施工的需要，工程車存在解編、重編、混編等需求，這也使得每列工程車的車長(zhǎng)不固定。一般情況下，ATP對(duì)車輛的超速防護(hù)是針對(duì)整列車的包絡(luò)設(shè)計(jì)，若無(wú)法獲取準(zhǔn)確的列車長(zhǎng)度，或?qū)嶋H車長(zhǎng)與系統(tǒng)內(nèi)定義的車長(zhǎng)不一致，就可能造成CBTC列車互相追蹤時(shí)發(fā)生追尾事故。

在CBTC模式下，每個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的供應(yīng)商在進(jìn)行列車篩選時(shí)均有一定的長(zhǎng)度要求。

在進(jìn)行列車篩選時(shí)主要考慮如下因素：計(jì)軸響應(yīng)時(shí)間，包括軌道區(qū)段由空閑到占用的響應(yīng)時(shí)間及聯(lián)鎖設(shè)備響應(yīng)時(shí)間；車載計(jì)算機(jī)處理時(shí)間、車地通信傳輸及延遲時(shí)間。

出段列車若以20km/h的速度進(jìn)行列車篩選，則至少要求25m的篩選距離，若考慮到定位誤差、車輪到車鉤之間的距離，則還需要更長(zhǎng)的篩選距離。

基于以上因素，考慮到工程車長(zhǎng)度為13～15m，所以工程車編組應(yīng)不少于3列,建議以3～6列進(jìn)行編組。

此外，考慮到工程的可實(shí)施性，在保證系統(tǒng)要求的最小列車車長(zhǎng)的前提下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)工程車存在的多種編組形式，可以考慮只進(jìn)行列車車頭篩選。目前，列車通過(guò)車地?zé)o線通信獲取前方線路參數(shù)、移動(dòng)授權(quán)等，實(shí)現(xiàn)列車追蹤。系統(tǒng)可將其后編組的平板車、磨軌車等作業(yè)車輛和尾部的工程車，視為非通信車，后續(xù)列車按照固定閉塞方式進(jìn)行追蹤。

綜上所述，為了方便工程車的站后折返、站前折返、站間施工等作業(yè)需求，保證列車正常篩選，建議在進(jìn)行工程車編組時(shí)，可采用前端的工程車（加裝車載ATP設(shè)備）+中部的被牽引車列或平板車+后端的工程車（加裝車載ATP設(shè)備）的方式，中部的被牽引車列或平板車宜為1～4列平板車或其他類型工程車。

3.2 工程車重聯(lián)方案

列車完整性信息是車輛設(shè)備提供給信號(hào)車載設(shè)備的關(guān)鍵信息之一，列車完整性信息的丟失，將直接導(dǎo)致列車緊急制動(dòng)。

國(guó)內(nèi)工程車一般不會(huì)對(duì)列車完整性的功能提出要求，首尾工程車之間也無(wú)通信需要。為確保列車完整性，同時(shí)滿足工程車解編、混編的需求，需在編組中間的每節(jié)工程車車底均鋪設(shè)列車線，并在每節(jié)工程車兩端均配置重聯(lián)插座，通過(guò)車端重聯(lián)線和車底列車線實(shí)現(xiàn)前后牽引機(jī)車的重聯(lián)功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重聯(lián)后的整列工程車完整性檢查功能。

3.3 影響列控系統(tǒng)的工程車性能參數(shù)

3.3.1 車輛性能參數(shù)的影響分析

相關(guān)車輛因素包括：車輛從切除牽引到緊急制動(dòng)的施加及生效前的最大響應(yīng)時(shí)間（包括從牽引系統(tǒng)收到EB指令到牽引力開(kāi)始切除的時(shí)間、從牽引力開(kāi)始切除到牽引力完全切除的時(shí)間、從牽引系統(tǒng)收到制動(dòng)指令到牽引力開(kāi)始切除的時(shí)間、從制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作到制動(dòng)力完全建立的時(shí)間等），列車可保證的緊急制動(dòng)率（GEBR），列車的最大加速度、列車最大常用制動(dòng)等[1]。

由于工程車與運(yùn)營(yíng)列車的列車參數(shù)不同，因而導(dǎo)致在同一套信號(hào)車載軟件控制下，工程車的自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度、安全防護(hù)距離、保護(hù)區(qū)段等工程參數(shù)也有所不同。下文將根據(jù)工程實(shí)例計(jì)算自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度，進(jìn)一步闡明車輛性能參數(shù)對(duì)列控系統(tǒng)的影響。

3.3.2 自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度計(jì)算工程示例

（1）自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度計(jì)算原則

計(jì)算自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度，分為CBTC控制模式和聯(lián)鎖控制模式兩種場(chǎng)景。處于CBTC模式時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為：聯(lián)鎖觸發(fā)辦理進(jìn)路至行車憑證開(kāi)放期間，列車運(yùn)行的最大距離+車載獲取前方進(jìn)路開(kāi)放的移動(dòng)授權(quán)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離+列車緊急制動(dòng)距離+安全閾量。處于聯(lián)鎖模式時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為：從進(jìn)路建立至信號(hào)開(kāi)放時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離+司機(jī)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離+列車緊急制動(dòng)距離。

（2）緊急制動(dòng)距離的計(jì)算

（a）計(jì)算依據(jù)：由上述自動(dòng)觸發(fā)計(jì)算原則可知，緊急制動(dòng)距離是自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度的一部分。緊急制動(dòng)距離的計(jì)算模型如圖1所示。國(guó)內(nèi)外信號(hào)系統(tǒng)供貨商CBTC系統(tǒng)的緊急制動(dòng)距離均按此研發(fā)，此次研究也將以此為依據(jù)，計(jì)算緊急制動(dòng)距離。

(b)緊急制動(dòng)距離的計(jì)算：根據(jù)以上安全制動(dòng)模式，列車以80km/h的目標(biāo)速度在正線上運(yùn)行時(shí)，各階段的安全防護(hù)距離計(jì)算方式如式（1）（暫不考慮坡度、曲線半徑、實(shí)際載重和計(jì)算載重之間誤差等）。

階段A走行的距離：

式（1）中：VA0為緊急制動(dòng)觸發(fā)速度，取85km/h；TA為ATP響應(yīng)時(shí)間，取500ms；aA為85km/h的運(yùn)行速度下產(chǎn)生的加速度率，取0.35m/s2（杭州地鐵5號(hào)線車輛參數(shù)，按AW2工況下取值）。將以上數(shù)據(jù)代入式（1）中可得：SA=11.810m，VB0=VA0+aA×TA=23.786m/s。

階段B走行的距離：

式（2）中：TB為牽引切除時(shí)間，取250ms；aB與aA取值一致；VB0為階段B的初始速度。將以上數(shù)據(jù)代入式（2）中可得：SB=5.948m，VC0=VB0+aB×TB=23.934m/s。

階段C走行的距離：

式（3）中：VC0為階段C的初始速度；TC為緊急制動(dòng)命令相應(yīng)時(shí)間，取200ms。將以上數(shù)據(jù)代入式（3）中可得：SC=4.787m。

階段D走行的距離：

式（4）中：TD為緊急制動(dòng)建立時(shí)間，根據(jù)車輛提供的數(shù)據(jù)，制動(dòng)力達(dá)到10%的時(shí)間為200ms，制動(dòng)力由10%達(dá)到90%的時(shí)間為1300ms；TD取1500ms；aD取GEBR值乘以系數(shù)0.5；VD0與VC0一致。將以上數(shù)據(jù)代入式（4）中可得：SD=35.435m，VE0=VD0-aD×TD=23.312m/s。

式（5）中：aE取0.829m/s2，將該數(shù)據(jù)代入式（5）中可得：SE=327.774m。

綜上所述，列車以80km/h的速度在正線運(yùn)行時(shí)，在AW2工況下，緊急制動(dòng)距離SEB-80=SA+SB+SC+SD+SE=385.754m。

由于當(dāng)蓄電池工程車在接觸網(wǎng)模式下時(shí)，列車切除牽引的速度為78km/h，因此此次研究取工程車以60km/h的速度在正線運(yùn)行，根據(jù)上述安全制動(dòng)模型及步驟，從牽引力開(kāi)始切除到牽引力完全切除的時(shí)間取2576ms，從制動(dòng)系統(tǒng)收到EB指令到制動(dòng)力達(dá)90%的時(shí)間取6000ms，列車可保證的緊急制動(dòng)率取0.713m/s2，計(jì)算可得，工程車緊急制動(dòng)距離S＇EB-60=291.668m。

（3）自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度計(jì)算

（a）CBTC模式下，自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為：從聯(lián)鎖觸發(fā)辦理進(jìn)路至行車憑證開(kāi)放期間列車運(yùn)行的最大距離+車載獲取前方進(jìn)路開(kāi)放的移動(dòng)授權(quán)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離+列車緊急制動(dòng)距離+安全閾量，即式（6）：

式（6）中：進(jìn)路的開(kāi)放時(shí)間取3s（無(wú)岔時(shí)）、13s（有岔時(shí)），CC獲取移動(dòng)授權(quán)的最大允許時(shí)間取6s，安全閾量取20m，運(yùn)營(yíng)列車的最高運(yùn)行速度取80km/h，工程車的最高運(yùn)行速度取60km/h。代入式（6）中可得：

CBTC模式下，運(yùn)營(yíng)列車自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為Sauto-運(yùn)營(yíng)列車=80/3.6×13+80/3.6×6+SEB-80+20=827.976m。

工程車自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為Sauto-工程車=60/3.6×13+60/3.6×6+S＇EB-60+20=628.335m。

（b）聯(lián)鎖模式下，自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為：從進(jìn)路建立至信號(hào)機(jī)開(kāi)放時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離+司機(jī)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離+列車緊急制動(dòng)距離。根據(jù)式（6）的計(jì)算原理，司機(jī)反應(yīng)時(shí)間取3s，聯(lián)鎖模式下運(yùn)營(yíng)列車的最大運(yùn)行速度取60km/h，工程車的最高運(yùn)行速度取40km/h。

則當(dāng)處于聯(lián)鎖模式下時(shí)，運(yùn)營(yíng)列車自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為S＇auto-運(yùn)營(yíng)列車=60/3.6×13+80/3.6×3+SEB-60=505.499m。

工程車自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度為S＇auto-工程車=40/3.6×13+40/3.6×3+S＇EB-40=392.048m。

3.3.3 小結(jié)

綜上所述，正線的最高運(yùn)行速度為80km/h的線路，在CBTC模式下，當(dāng)工程車的最高運(yùn)行速度取60km/h，根據(jù)計(jì)算所得的工程車緊急制動(dòng)距離、自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度均小于運(yùn)營(yíng)列車計(jì)算長(zhǎng)度。在聯(lián)鎖模式下，當(dāng)工程車的最高運(yùn)行速度取40km/h時(shí)，根據(jù)計(jì)算所得的工程車自動(dòng)觸發(fā)長(zhǎng)度小于運(yùn)營(yíng)列車計(jì)算長(zhǎng)度。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可按此方式設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)性能不受工程車參數(shù)的約束。

4 工程車加裝車載ATP方案

目前，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)大多采用基于通信的移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)（CBTC）；載客列車通常采用動(dòng)力分散式列車，固定編組，列車的車載設(shè)備采用頭尾兩端分別設(shè)置1套車載ATP/ATO設(shè)備，車載設(shè)備冗余方式采用單端2乘2取2或3取2的方式。工程車一般只在非運(yùn)營(yíng)時(shí)段進(jìn)入正線，考慮到前期工程投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本以及實(shí)際的運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求，1輛工程車可只配置1套車載ATP設(shè)備，如圖2所示。

同時(shí)，考慮到每輛工程車有雙方向駕駛的需求，每輛工程車可配置2臺(tái)車載顯示器，均設(shè)置應(yīng)答器天線、測(cè)速設(shè)備、無(wú)線天線等設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)線路越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)地鐵高效及安全運(yùn)營(yíng)的要求也越來(lái)越高。工程車加裝車載ATP設(shè)備，能有效減少運(yùn)營(yíng)、維護(hù)過(guò)程中人為因素造成的事故（如工程車超速、脫軌），使夜間施工時(shí)間得到充分利用。由于目前國(guó)內(nèi)軌道交通工程車加裝車載ATP設(shè)備的城市和項(xiàng)目比較少，工程建設(shè)及應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)尚不成熟，且信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備供貨商、工程車供貨商對(duì)設(shè)備的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，因此，在實(shí)際的工程中，需結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)信號(hào)供應(yīng)商系統(tǒng)的特點(diǎn)、工程車參數(shù)及接口信息等進(jìn)行綜合分析，制定滿足用戶需求的實(shí)施方案。