基于車輛制動(dòng)延時(shí)的列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)距離優(yōu)化

布登兵 陳紹文

(卡斯柯信號(hào)有限公司，200071, 上?！蔚谝蛔髡?，工程師)

在全自動(dòng)運(yùn)行線路的自動(dòng)化停車場(chǎng)或車輛段(以下簡(jiǎn)為“場(chǎng)段”)中，若要實(shí)現(xiàn)列車在停車列檢庫(kù)內(nèi)自動(dòng)準(zhǔn)確停車，則停車列檢庫(kù)長(zhǎng)度應(yīng)能滿足列車防護(hù)距離的要求。由于前期規(guī)劃時(shí)尚未確定車輛型號(hào)及信號(hào)制式，故停車場(chǎng)停車列檢庫(kù)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)中會(huì)考慮常規(guī)性預(yù)留。然而，在設(shè)計(jì)后期：如停車列檢庫(kù)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)造成浪費(fèi)；如停車列檢庫(kù)長(zhǎng)度不能滿足信號(hào)防護(hù)距離的要求，則會(huì)降低軌道的使用效率，并給實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程增加了諸多限制。因此，應(yīng)在規(guī)劃前確定最小列車防護(hù)距離，可在滿足信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)距離的基礎(chǔ)上，使線路規(guī)劃更加精確。本文以自動(dòng)化場(chǎng)段為例，對(duì)列車的ATP(列車自動(dòng)防護(hù))系統(tǒng)防護(hù)距離進(jìn)行優(yōu)化，為提前精確確定最小停車列檢庫(kù)長(zhǎng)度提供依據(jù)。

1 ATP防護(hù)原理

在信號(hào)系統(tǒng)中，ATP系統(tǒng)是保障列車安全的重要子系統(tǒng)，主要為線路上的列車提供安全防護(hù)。ATP系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于線路中的ZC(區(qū)域控制器)為每列列車計(jì)算其在最不利條件下也不會(huì)突破的ATP包絡(luò)線。在列車實(shí)際運(yùn)行中，如果列車運(yùn)行速度曲線緊貼著ATP包絡(luò)線，則會(huì)經(jīng)常觸發(fā)緊急制動(dòng)，降低列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。由于車輛制動(dòng)存在延時(shí)，故可能出現(xiàn)超出前方限制點(diǎn)的危險(xiǎn)場(chǎng)景。為了提高安全運(yùn)行效率和舒適性，信號(hào)系統(tǒng)以ATP防護(hù)曲線為基礎(chǔ)，根據(jù)列車能夠輸出的最小牽引制動(dòng)加速度和制動(dòng)延時(shí)，計(jì)算ATP緊急制動(dòng)曲線、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)最佳命令曲線和ATO接近曲線，如圖1所示。

圖1 ATP防護(hù)速度-距離曲線圖

1.1 ATP緊急制動(dòng)保證曲線

信號(hào)系統(tǒng)提供的列車安全運(yùn)行保障，主要是防護(hù)列車在最不利條件下不能越過(guò)前方列車末端、禁止信號(hào)、未受控制的道岔及線路末端的車擋等限制點(diǎn)。假設(shè)車輛提供的保障制動(dòng)加速度為a1，列車經(jīng)過(guò)緊急制動(dòng)后確保最終停在限制點(diǎn)前方，則ATP緊急制動(dòng)保證曲線為：

(1)

式中：

v1——緊急制動(dòng)時(shí)的初速度，一般等于線路最高限速；

D1——列車的緊急制動(dòng)距離；

a2——線路坡度產(chǎn)生的加速度。

1.2 列車緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線

1.2.1 列車緊急制動(dòng)延時(shí)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，列車執(zhí)行緊急制動(dòng)的過(guò)程可以劃分為3個(gè)階段：①列車響應(yīng)切除牽引命令延時(shí)階段，列車仍按照最高加速度運(yùn)行，該階段延時(shí)t1約為0.18 s；②列車施加制動(dòng)延時(shí)的惰行階段，列車處于惰行狀態(tài)，該階段延時(shí)t2約為0.35 s；③列車施加制動(dòng)階段，該階段延時(shí)t3約為1.50 s，主要為車輛制動(dòng)力從0增至90%最大制動(dòng)力Fmax時(shí)的延時(shí)時(shí)間。

1.2.2 緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線計(jì)算

緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線以ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)速度為上限。根據(jù)前文分析，從緊急制動(dòng)命令發(fā)出至車輛牽引切除這段時(shí)間內(nèi)，列車速度增加值為：

v2=t1(a1+a2)

(2)

式中：

v2——車輛響應(yīng)緊急制動(dòng)命令延時(shí)時(shí)間后的列車速度。

列車從牽引切除到開始施加制動(dòng)的過(guò)程中，列車處于減速運(yùn)行狀態(tài)，故僅考慮線路坡度帶來(lái)的加速度a2，則這段時(shí)間列車速度增加值為：

v3=t3a2

(3)

式中：

v3——車輛施加制動(dòng)過(guò)程中列車速度。

為保證列車在延時(shí)時(shí)間內(nèi)雖列車速度增加，卻不觸發(fā)緊急制動(dòng)速度，結(jié)合式(1)、式(2)及式(3)，設(shè)定列車緊急制動(dòng)觸發(fā)速度為：

v4=v1-(a1+a2)t1-a2t3

(4)

式中：

v4——列車緊急制動(dòng)觸發(fā)速度。

為保證列車不觸發(fā)緊急制動(dòng)，如列車速度達(dá)到v4，則ATP系統(tǒng)將先發(fā)出緊急制動(dòng)提示，而列車?yán)^續(xù)增速則將會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。由此，ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線為：

(5)

式中：

D2——列車制動(dòng)過(guò)程中行駛的距離。

1.2.3 ATO最佳命令曲線和ATO接近曲線

為提高列車運(yùn)行效率，改善列車運(yùn)行平穩(wěn)性和乘客舒適度，列車一般在ATO系統(tǒng)自動(dòng)駕駛模式下運(yùn)行。ATO系統(tǒng)根據(jù)ATP系統(tǒng)發(fā)送的緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線信息和來(lái)自車輛的實(shí)時(shí)速度信息，實(shí)時(shí)計(jì)算列車最優(yōu)ATO曲線，并給列車發(fā)送牽引制動(dòng)命令，控制列車在正常情況下緊貼著緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線運(yùn)行。

由于車輛對(duì)ATO命令的延時(shí)響應(yīng)，以及列車能輸出的最小牽引制動(dòng)加速度有限，故在列車自動(dòng)運(yùn)行中，ATO系統(tǒng)需要根據(jù)ATP緊急制動(dòng)曲線，計(jì)算出適合列車運(yùn)行的ATO接近曲線，即按ATP最高運(yùn)行速度減去因延時(shí)響應(yīng)帶來(lái)的列車增速。根據(jù)式(1)到式(5)計(jì)算，ATO接近曲線為：

(t1+t3){v1-t1(a1+a2)-t3a2}

(6)

其中,D3為ATO列車最小停車距離。

2 防護(hù)距離優(yōu)化

2.1 自動(dòng)化場(chǎng)段信號(hào)系統(tǒng)的最小防護(hù)距離要求

圖2為某停車列檢庫(kù)中雙列位停車線的布置圖，其中a、d分別為車1及車2在運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)的最小ATP防護(hù)距離，b、e分別為車1及車2的列車實(shí)際長(zhǎng)度，c、f分別為車1及車2車尾到折返信號(hào)機(jī)間最小距離。

注:S為信號(hào)燈;SSP為停車點(diǎn)。

為保證列車能在AG軌道上連續(xù)自動(dòng)精確停車，AG軌道長(zhǎng)度需滿足信號(hào)專業(yè)最低防護(hù)距離要求，即在自動(dòng)化停車場(chǎng)雙列位停車線上，能滿足列車在停車線上自動(dòng)停車要求的最小軌道長(zhǎng)度為：

L=2(D4+D5+D6)

(7)

式中:

L——停車線最小長(zhǎng)度;

D4——列車長(zhǎng)度；

D5——ATP防護(hù)距離;

D6——列車懸掛距離，取2.5 m。

2.2 實(shí)際項(xiàng)目的最小防護(hù)距離優(yōu)化

某全自動(dòng)運(yùn)行線路的列車長(zhǎng)度為140 m，場(chǎng)段內(nèi)均采用雙列位停車線配置。場(chǎng)段內(nèi)線路坡度為0，車輛提供的保障制動(dòng)加速度為0.85 m/s2，ATP系統(tǒng)最小防護(hù)距離為13.58 m，相關(guān)車輛延時(shí)參數(shù)見表1。

表1 某項(xiàng)目的車輛延時(shí)參數(shù)表

由表1、式(6)及式(7)可得，該項(xiàng)目雙列位停車線中單個(gè)股道長(zhǎng)度至少為312.16 m。在其他條件不變情況下，如果車輛的制動(dòng)延時(shí)優(yōu)化后縮短30%，則列車防護(hù)距離相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 制動(dòng)延時(shí)優(yōu)化前后的ATP防護(hù)距離計(jì)算相關(guān)參數(shù)

由表2、式(6)、式(7)可得，優(yōu)化后列車停車線軌道最小長(zhǎng)度為305.44 m。

綜上可知，在其他條件不變情況下，當(dāng)車輛制動(dòng)延時(shí)縮短30%時(shí)，ATP防護(hù)距離可降低24.7%，單條停車線長(zhǎng)度理論上能縮短6.72 m，實(shí)際可減少6 m。按照?qǐng)龆蝺?nèi)有55條停車線的規(guī)模計(jì)算，根據(jù)土建測(cè)量結(jié)果，場(chǎng)地寬度可減少約366 m，整個(gè)項(xiàng)目能節(jié)約占地面積約2 460 m2。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵建設(shè)尤其是車輛基地的建設(shè)，需占用大量土地資源。本文基于信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)距離原理，探討優(yōu)化車輛制動(dòng)延時(shí)參數(shù)對(duì)防護(hù)距離的影響。實(shí)際項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)車輛制動(dòng)延時(shí)減少30%時(shí)，基于ATP系統(tǒng)的列車防護(hù)距離縮短24.7%，單條停車線長(zhǎng)度實(shí)際可減少6 m。進(jìn)一步分析可知，在地鐵建設(shè)前期，提前優(yōu)化車輛制動(dòng)延時(shí)，進(jìn)而優(yōu)化列車防護(hù)距離，可有效減少項(xiàng)目占地面積，提高土地利用率，進(jìn)而有效緩解在地鐵建設(shè)中因線路長(zhǎng)度造成的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響。