現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)行速度管理研究

趙曉峰, 徐正良, 金建飛, 顧華強(qiáng), 劉宏祥

〔1.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125〕

0 引 言

現(xiàn)代有軌電車(chē)是與道路上其他交通方式共享路權(quán)的中低運(yùn)量城市軌道交通方式，線路通常設(shè)在地面，依靠司機(jī)瞭望駕駛[1]。這種情況下，速度是有軌電車(chē)運(yùn)行安全最關(guān)鍵性的風(fēng)險(xiǎn)因素，很多設(shè)計(jì)和功能都基于運(yùn)行速度來(lái)開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)。

1 運(yùn)行速度分類(lèi)

有軌電車(chē)運(yùn)行速度，按施工專業(yè)劃分有線路、軌道、車(chē)輛、供電和信號(hào)等類(lèi)別[2]。按使用方法分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，即有軌電車(chē)運(yùn)行過(guò)程中保持不變并直接使用的是靜態(tài)速度，而根據(jù)列車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)不斷變化并需計(jì)算的為動(dòng)態(tài)速度。軌道區(qū)段數(shù)據(jù)庫(kù)列于表1。

表1 軌道區(qū)段數(shù)據(jù)庫(kù)

線路等級(jí)速度是綜合運(yùn)營(yíng)需求、線路條件和投資效益等確定的有軌電車(chē)速度，不超過(guò)70 km/h。

道路等級(jí)速度是按道路網(wǎng)中地位、交通功能及沿線服務(wù)功能確定的機(jī)動(dòng)車(chē)速度,有軌電車(chē)共享路權(quán)時(shí)，相應(yīng)路段設(shè)計(jì)速度需比較該速度，取較小值。

路段設(shè)計(jì)速度是在確保行車(chē)安全和舒適性前提下，期望列車(chē)持續(xù)運(yùn)行的速度，包括：平直道取線路/道路等級(jí)速度；彎道由曲線半徑、緩和曲線及超高確定；道岔直向同平直段，側(cè)向按道岔型號(hào)規(guī)定，常用6號(hào)和3.26號(hào)側(cè)向通過(guò)速度20 km/h，而淺槽設(shè)計(jì)道岔為15 km/h；車(chē)站一般不設(shè)站臺(tái)門(mén)，通過(guò)速度40 km/h；平交路口通過(guò)速度不超過(guò)40 km/h，遇彎道或道岔，取相關(guān)限速最小值。

路段臨界速度是在確保行車(chē)安全前提下，列車(chē)不可超過(guò)的速度，包括：平直段取設(shè)計(jì)速度加7 km/h；曲線段取設(shè)計(jì)速度加10 km/h；道岔直向同平直段，側(cè)向取通過(guò)速度加3 km/h；車(chē)站和路口臨界速度均為45 km/h。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)速度是土建及附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的列車(chē)運(yùn)行速度，通常為設(shè)計(jì)速度加10 km/h。

旅行速度是列車(chē)在整個(gè)線路上正常運(yùn)行的平均速度，根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力性能、線路及車(chē)站和交叉口信號(hào)延誤等綜合確定，不宜小于20 km/h[3]。

車(chē)擋撞擊速度是軌道終端設(shè)備能承受的車(chē)輛撞擊產(chǎn)生沖擊荷載的換算速度，高架25 km/h，地下15 km/h；地面和車(chē)場(chǎng)5 km/h。

車(chē)輛構(gòu)造速度是受車(chē)輛安全及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等條件限定的，能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的最高速度不小于線路等級(jí)速度的1.1倍，取80 km/h。

車(chē)輛超速防護(hù)是因車(chē)輛限速失效，超出目標(biāo)速度而實(shí)施的控制，取線路等級(jí)速度加8 km/h。

車(chē)輛功能限速是在不同工況下的運(yùn)行速度。緊急牽引不超過(guò)30 km/h，洗車(chē)3～5 km/h，倒車(chē)10 km/h，牽車(chē)連掛不超過(guò)3 km/h。

車(chē)輛實(shí)際速度是通過(guò)電子制動(dòng)控制單元采集非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的多個(gè)速度傳感器數(shù)據(jù)得到的實(shí)時(shí)平均速度，同時(shí)進(jìn)行滑行檢測(cè)。

動(dòng)態(tài)取流速度需架空充電軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足儲(chǔ)能式有軌電車(chē)40 km/h進(jìn)出站動(dòng)態(tài)充電要求。

信號(hào)類(lèi)速度與安全駕駛密切相關(guān)，涉及在線動(dòng)態(tài)計(jì)算，過(guò)程和含義較為復(fù)雜。

2 實(shí)際速度管理

信號(hào)實(shí)際速度是信號(hào)車(chē)載主機(jī)通過(guò)各類(lèi)傳感器和外部接口等采集的實(shí)時(shí)速度，根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和工況綜合判定和補(bǔ)償。典型車(chē)載設(shè)備如圖1所示。

圖1 典型車(chē)載信號(hào)設(shè)備架構(gòu)圖

實(shí)際速度信號(hào)來(lái)源包括：車(chē)輛系統(tǒng)TCMS主機(jī)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和天線，障礙物檢測(cè)主機(jī)以及雷達(dá)天線[4]。

2.1 慣性導(dǎo)航速度

原始的慣性導(dǎo)航速度來(lái)自速度傳感器的脈沖數(shù)據(jù)。早期項(xiàng)目的信號(hào)專業(yè)往往單獨(dú)安裝測(cè)速設(shè)備，現(xiàn)在則采用車(chē)輛系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)速度。

車(chē)輛TCMS主機(jī)通過(guò)車(chē)載交換機(jī)承載的以太網(wǎng)與信號(hào)車(chē)載主機(jī)連接，使用UDP協(xié)議，通信周期100 ms。車(chē)輛發(fā)送的列車(chē)當(dāng)前速度是車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的綜合速度(km/h)，已經(jīng)過(guò)去噪濾波、防滑補(bǔ)償處理，信號(hào)能直接使用。但是當(dāng)車(chē)輛TCMS主機(jī)在與車(chē)載交換機(jī)連接前設(shè)置獨(dú)立遠(yuǎn)程處理模塊RIOM時(shí)，發(fā)送的速度有一定時(shí)延，此時(shí)需額外發(fā)送車(chē)輛行駛總里程作為信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)距的補(bǔ)充。

除上述信息外，車(chē)輛還發(fā)送司機(jī)室激活狀態(tài)、牽引/制動(dòng)/緊急制動(dòng)狀態(tài)、車(chē)門(mén)狀態(tài)、電池/電容狀態(tài)、設(shè)備故障和火災(zāi)報(bào)警等。

2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航速度

原始的衛(wèi)星導(dǎo)航速度來(lái)自車(chē)載安裝的接收機(jī)和天線，通過(guò)網(wǎng)口或串口與信號(hào)車(chē)載主機(jī)連接，通信周期設(shè)為100～1 000 ms。

兩者通信交互采用國(guó)家航海電子協(xié)會(huì)NMEA 0183協(xié)議，數(shù)據(jù)格式選用GPRMC，內(nèi)容包括時(shí)間戳、經(jīng)度、緯度、速度、方位角、磁偏角、工作模式和校驗(yàn)等。衛(wèi)星導(dǎo)航速度單位為kn(節(jié))，需乘以1.852轉(zhuǎn)換為km/h。

路測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，除啟動(dòng)后的初始尋星階段有少許偏差外，衛(wèi)星導(dǎo)航速度均較為準(zhǔn)確。

2.3 雷達(dá)檢測(cè)速度

障礙物檢測(cè)主機(jī)及毫米波雷達(dá)天線提供雷達(dá)檢測(cè)速度[5]，通過(guò)串口與信號(hào)車(chē)載主機(jī)連接，波特率115 200，列車(chē)速度格式如表2所示。

表2 雷達(dá)檢測(cè)速度格式

檢測(cè)主機(jī)的列車(chē)速度報(bào)文發(fā)送周期為500 ms，可用于慣性導(dǎo)航速度的校準(zhǔn)。

2.4 速度判定

車(chē)輛上電啟動(dòng)后，信號(hào)車(chē)載主機(jī)與車(chē)輛TCMS主機(jī)和障礙物檢測(cè)主機(jī)建立通信，獲取原始的列車(chē)實(shí)際速度。由于存在多個(gè)原始數(shù)據(jù)來(lái)源，還需進(jìn)行判定和處理如下。

(1) 當(dāng)兩個(gè)原始速度的較大者≥5 km/h，且兩者差值>4 km/h 時(shí)，原始速度無(wú)效。

(2) 當(dāng)兩個(gè)原始速度的較大者≥5 km/h，且兩者差值>2 km/h 并持續(xù)至少1 s時(shí)，原始速度無(wú)效。

(3) 當(dāng)兩個(gè)原始速度判定有效時(shí)，列車(chē)實(shí)際速度取兩者的平均值，即已處理速度。

(4) 當(dāng)本次應(yīng)用周期已處理速度大于10 km/h，且和上周期的差值≥0.28 m/s 時(shí)，已處理速度無(wú)效。

上述已處理速度還用于計(jì)算運(yùn)行距離，同時(shí)根據(jù)激活的司機(jī)室、控車(chē)手柄檔位和信標(biāo)讀取器檢測(cè)的兩個(gè)連續(xù)信標(biāo)及線路數(shù)據(jù)庫(kù)判定實(shí)際運(yùn)行方向。

3 目標(biāo)速度管理

信號(hào)目標(biāo)速度主要用于有軌電車(chē)的司機(jī)輔助駕駛，包括闖禁止信號(hào)機(jī)報(bào)警和超速提醒等，其計(jì)算的前提是安全授權(quán)速度。

3.1 安全授權(quán)速度

安全授權(quán)速度是司機(jī)應(yīng)當(dāng)按壓緊急制動(dòng)按鈕時(shí)的最高速度，通常大于等于運(yùn)營(yíng)目標(biāo)速度。安全頂蓬速度是緊急制動(dòng)觸發(fā)后達(dá)到的最高速度，考慮線路坡度、車(chē)輛牽引/制動(dòng)延時(shí)特性等因素，通常略高于安全授權(quán)速度。二者均基于軌道交通安全制動(dòng)模型計(jì)算得到，具體使用時(shí)安全授權(quán)速度還需和路段臨界速度、車(chē)輛功能限速比較，取最小值。

有軌電車(chē)的安全制動(dòng)模型[6]如圖2所示，分為五個(gè)階段：A為司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，取2～6 s；B為緊急制動(dòng)觸發(fā)后撤除牽引時(shí)間；C為牽引切除后到開(kāi)始施加緊急制動(dòng)的過(guò)渡保護(hù)時(shí)間，通常為1 s,在此階段，如果列車(chē)在下坡，實(shí)際速度還會(huì)稍有增加，此時(shí)達(dá)到安全頂蓬速度；D為緊急制動(dòng)0～100%建立時(shí)間；E為最大保證緊急制動(dòng)率施加時(shí)間。

圖2 有軌電車(chē)安全制動(dòng)模型

在確保安全頂蓬速度不會(huì)超過(guò)各專業(yè)限值后，扣除測(cè)速誤差和超速容限得到安全授權(quán)速度，這里測(cè)速誤差取3%～6%，超速容限為1 m/s。在司機(jī)反應(yīng)及時(shí)的前提下，計(jì)算得到的安全授權(quán)速度可保證有軌電車(chē)不會(huì)闖過(guò)安全停車(chē)點(diǎn)，如禁止信號(hào)機(jī)。

3.2 運(yùn)營(yíng)目標(biāo)速度

運(yùn)營(yíng)目標(biāo)速度是期望列車(chē)持續(xù)運(yùn)行的速度，司機(jī)控制列車(chē)在目標(biāo)速度上下小幅度波動(dòng)。

大多數(shù)情況下，運(yùn)營(yíng)目標(biāo)速度等于安全授權(quán)速度[7]，但有三種例外場(chǎng)景。

(1) 區(qū)間變速。區(qū)間彎道較多時(shí)，安全授權(quán)速度會(huì)按照路段設(shè)計(jì)速度不斷變化，當(dāng)出現(xiàn)高速段到低速段變化時(shí)，高速段的最后一部分運(yùn)營(yíng)目標(biāo)速度會(huì)低于安全授權(quán)速度，以防止列車(chē)駛?cè)氲退俣魏笠虺儆|發(fā)報(bào)警。

(2) 站臺(tái)變速有兩種：正常變速是有軌電車(chē)在站臺(tái)停站逐漸減速為零的過(guò)程，此時(shí)運(yùn)營(yíng)目標(biāo)速度會(huì)根據(jù)到停車(chē)點(diǎn)的距離按常用制動(dòng)率逐漸減小；跳停變速是在操作員設(shè)置站臺(tái)跳停后，列車(chē)在靠近站臺(tái)的區(qū)間提前減速至站臺(tái)段通過(guò)速度的過(guò)程。兩種情況的計(jì)算方法與區(qū)間變速類(lèi)似，不再贅述。

(3) 路口變速。有軌電車(chē)在路口和社會(huì)道路平交，需要通過(guò)讀取軌旁安裝的信標(biāo)，提前進(jìn)行優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)和確認(rèn)[8]。

圖3為有軌電車(chē)路口變速模型，路口附近區(qū)域會(huì)安裝若干信標(biāo)：距離路口最遠(yuǎn)的信標(biāo)用于觸發(fā)信號(hào)車(chē)載主機(jī)和軌旁路口優(yōu)先控制器及交通燈控制器的通信；P1點(diǎn)用于向路口交通燈控制器發(fā)送預(yù)告，即申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)，此時(shí)列車(chē)開(kāi)始減速，這里以線路最高運(yùn)營(yíng)速度70 km/h為例；P2點(diǎn)用于和路口交通燈控制器確認(rèn)優(yōu)先權(quán)，此時(shí)列車(chē)減速至45 km/h左右；緊急制動(dòng)提示牌的安裝位置沒(méi)有信標(biāo)，用于向司機(jī)提示最晚的觸發(fā)緊急制動(dòng)時(shí)機(jī)，即此點(diǎn)觸發(fā)緊急制動(dòng)，列車(chē)能停在平交路口入口停車(chē)線前，此時(shí)車(chē)速35 km/h；P3點(diǎn)用于判斷列車(chē)是否進(jìn)入路口；P4點(diǎn)用于釋放優(yōu)先權(quán)；路口通過(guò)速度按國(guó)內(nèi)常用的25 km/h考慮。

3.3 臨時(shí)限速

臨時(shí)限速是操作員向信號(hào)車(chē)載主機(jī)發(fā)送的人工限速命令，包括限速段開(kāi)始里程、結(jié)束里程和限速值，該限速屬于安全授權(quán)速度，一經(jīng)設(shè)置在使用中保持不變,直到操作員取消或修改。

4 障礙物速度管理

由于共享路權(quán)的特點(diǎn)，有軌電車(chē)速度管理還需注意障礙物的速度和距離，分列車(chē)和其他兩類(lèi)。

4.1 列車(chē)障礙物

有軌電車(chē)司機(jī)顯示單元會(huì)提示前后車(chē)距離，通常由中心調(diào)度管理系統(tǒng)收集線路上所有列車(chē)位置，根據(jù)相鄰兩列車(chē)的絕對(duì)位置和運(yùn)行交路，計(jì)算單行程內(nèi)的前后車(chē)距離。當(dāng)前列車(chē)在行程內(nèi)如果沒(méi)有前車(chē)，則該車(chē)與折返點(diǎn)的距離作為前后車(chē)距離。

圖3 有軌電車(chē)路口變速模型

前后車(chē)距離計(jì)算時(shí)還考慮前車(chē)的實(shí)際速度和運(yùn)行方向：如果是同方向前車(chē)，該距離增加前車(chē)實(shí)際速度下全常用制動(dòng)距離；如果是反方向前車(chē)，則減去全常用制動(dòng)距離。因此，司機(jī)顯示單元還提示前車(chē)實(shí)際速度。

4.2 其他障礙物

其他障礙物狀態(tài)是通過(guò)障礙物檢測(cè)主機(jī)進(jìn)行識(shí)別，包括障礙物的編號(hào)、類(lèi)別、縱向距離、側(cè)向距離和徑向速度等。這里的類(lèi)別有人、車(chē)和其他三類(lèi)；縱向距離是障礙物到列車(chē)延軌道方向的距離；側(cè)向距離是障礙物到軌道中心線的垂直距離；徑向速度是障礙物與列車(chē)的相對(duì)速度。

障礙物是否成為列車(chē)運(yùn)行危害源，需通過(guò)位置、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度來(lái)判定。通過(guò)對(duì)前后應(yīng)用周期收到側(cè)向距離和縱向距離對(duì)比判斷障礙物當(dāng)前位置是否侵入設(shè)備安裝限界，以及運(yùn)動(dòng)方向是否朝向車(chē)輛運(yùn)行限界，注意縱向距離需扣除列車(chē)本身單周期的運(yùn)行距離。在方向確定后，即可在縱向距離基礎(chǔ)上附加或扣除障礙物實(shí)際速度下的剎停距離，得到列車(chē)與障礙物之間的告警距離。

不同障礙物類(lèi)型的剎停距離也略有不同，取最大20 m可覆蓋絕大多數(shù)情況[9]，也可在車(chē)載加裝激光雷達(dá)或攝像頭識(shí)別區(qū)分更多障礙物類(lèi)型，從而更有效地計(jì)算障礙物速度和距離。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文借鑒專用路權(quán)軌道交通的速度管理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合道路交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范，圍繞運(yùn)行速度進(jìn)行系統(tǒng)化研究，全面分析線路、軌道、車(chē)輛和供電等專業(yè)的限速設(shè)計(jì)。從更安全的速度和更安全的速度變換兩個(gè)環(huán)節(jié)著手，探討信號(hào)專業(yè)的列車(chē)實(shí)際速度管理、目標(biāo)速度管理和障礙物速度管理的原理和實(shí)現(xiàn)，有助于提升有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)的整體安全性和效率最大化。該研究在北京冬奧會(huì)崇禮有軌電車(chē)項(xiàng)目得到良好應(yīng)用。