信號(hào)系統(tǒng)故障情況下的 RM 模式行車(chē)法研究

郭子興，馬寶奎，李 征

（1. 北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司運(yùn)營(yíng)四分公司，北京 102206；2. 北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司調(diào)度指揮中心，北京 100035）

1 引言

地鐵信號(hào)系統(tǒng)采用基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制（CBTC）方式，其主要由列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）等子系統(tǒng)組成，是行車(chē)組織和列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，具有超速防護(hù)、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)調(diào)整行車(chē)間隔等功能。地鐵信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，輕則使列車(chē)施加緊急制動(dòng)，重則導(dǎo)致故障區(qū)段列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間迫停區(qū)間無(wú)法運(yùn)營(yíng)，行車(chē)調(diào)度無(wú)法通過(guò)ATS確定列車(chē)位置、道岔狀態(tài)。

遇站間區(qū)間軌道區(qū)段故障，列車(chē)無(wú)法按進(jìn)路閉塞法行車(chē)時(shí)，為維持列車(chē)運(yùn)行，通常采用的措施為電話(huà)閉塞法，即相鄰車(chē)站通過(guò)電話(huà)進(jìn)行聯(lián)系，以電話(huà)記錄號(hào)碼為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)同一區(qū)段、同一時(shí)段只允許單獨(dú)一組列車(chē)運(yùn)行。由于行車(chē)調(diào)度從確認(rèn)、調(diào)整列車(chē)位置到完成調(diào)度命令發(fā)布的時(shí)間較長(zhǎng)、車(chē)站辦理人工接發(fā)車(chē)作業(yè)流程繁瑣、列車(chē)運(yùn)行速度不得超過(guò)50 km/h、同一區(qū)段只允許一組列車(chē)運(yùn)行等條件，導(dǎo)致執(zhí)行電話(huà)閉塞法后列車(chē)運(yùn)行延誤較大。

為減少延誤，快速開(kāi)通正線，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)取消電話(huà)閉塞法書(shū)面調(diào)度命令、優(yōu)化行車(chē)調(diào)度確認(rèn)列車(chē)位置過(guò)程、提高限制運(yùn)行速度等方式優(yōu)化通行能力，本文主要研究故障區(qū)段使用限制位人工駕駛模式（RM）行車(chē)法替代電話(huà)閉塞法的適用性及效果。

2 主要規(guī)則和實(shí)施流程

2.1 主要規(guī)則

RM行車(chē)法是在無(wú)法使用進(jìn)路閉塞法行車(chē)時(shí)，在確保安全系數(shù)的前提下，為維持連續(xù)運(yùn)營(yíng)，基于車(chē)載ATP和人工控制，最大化提高運(yùn)輸能力的行車(chē)方式，其主要規(guī)則如下。

（1）除調(diào)車(chē)、折返作業(yè)時(shí)，故障區(qū)段地面信號(hào)機(jī)需停用。

（2）對(duì)于無(wú)法建立RM的列車(chē)，司機(jī)須采用非限制人工駕駛模式（NRM）運(yùn)行，列車(chē)速度不得超過(guò)25 km/h。

（3）中心及車(chē)站無(wú)法通過(guò)信號(hào)設(shè)備確認(rèn)故障區(qū)段內(nèi)的道岔位置時(shí)，列車(chē)運(yùn)行中遇道岔，應(yīng)在道岔前一度停車(chē)，確認(rèn)道岔開(kāi)通方向正確后，以不超過(guò)15 km/h越過(guò)該道岔。

（4）使用RM行車(chē)，需保證安全行車(chē)間隔，為便于司機(jī)觀察，根據(jù)線路百米標(biāo)設(shè)置列車(chē)運(yùn)行間隔不得小于100 m，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行間距小于100 m時(shí)應(yīng)立即停車(chē)。如遇緊急情況時(shí)應(yīng)及時(shí)采取緊急制動(dòng)措施，并向行車(chē)調(diào)度報(bào)告。

2.2 實(shí)施流程

行車(chē)調(diào)度在判斷無(wú)法按進(jìn)路閉塞法行車(chē)后，會(huì)同故障區(qū)段內(nèi)設(shè)備集中站綜控人員確認(rèn)故障情況及影響范圍，并與列車(chē)司機(jī)確認(rèn)車(chē)載設(shè)備情況。向司機(jī)、綜控人員發(fā)布執(zhí)行RM行車(chē)調(diào)度命令，命令車(chē)站綜控人員確認(rèn)區(qū)間道岔位置正確且鎖閉，令迫停故障末端區(qū)段列車(chē)降級(jí)NRM或RM駛出故障區(qū)段。

3 行車(chē)間隔的確定

使用RM行車(chē)，需保證列車(chē)的安全行車(chē)距離，以確保當(dāng)遇前方線路有停留車(chē)輛時(shí)能夠避讓且不發(fā)生相撞，因此判斷車(chē)輛、線路條件是否滿(mǎn)足RM安全行車(chē)要求，需計(jì)算分析各區(qū)段可視距離是否大于列車(chē)最小安全間隔。

3.1 列車(chē)最小安全間隔計(jì)算

3.1.1 計(jì)算方法

列車(chē)制動(dòng)過(guò)程大致分為2部分：第一部分是從開(kāi)始實(shí)施制動(dòng)到全列閘瓦壓上車(chē)輪這一瞬間的空走過(guò)程，列車(chē)在此過(guò)程中靠慣性力運(yùn)行所走的距離即空走距離；第二部分是閘瓦壓上車(chē)輪到列車(chē)停止的過(guò)程，即有效制動(dòng)距離。

使用“相撞模型”計(jì)算列車(chē)最小安全間隔，如圖1所示，假設(shè)前方列車(chē)停止于運(yùn)營(yíng)線上，后方列車(chē)采取緊急制動(dòng)停車(chē)，后方列車(chē)從發(fā)現(xiàn)并施加緊急制動(dòng)到列車(chē)停止時(shí)兩車(chē)剛好相觸碰，則有：

圖1 列車(chē)緊急制動(dòng)“相撞模型”

式（1）中，V0為后方列車(chē)初速度，m/s；T為司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，s；Sn為空走距離，m；Sk為有效制動(dòng)距離，m。

3.1.2 計(jì)算實(shí)例

司機(jī)反應(yīng)時(shí)間是指從潛在危險(xiǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻到司機(jī)開(kāi)始采取措施的時(shí)間段。研究表明，司機(jī)危機(jī)感知時(shí)刻是影響緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的重要因素，司機(jī)感知到危險(xiǎn)的緊急制動(dòng)平均反應(yīng)時(shí)間為0.5～1 s。

地鐵車(chē)輛按照《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》（GB/T 7928-2003）相關(guān)技術(shù)規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為A、B 2種車(chē)輛類(lèi)型，其最大常用制動(dòng)平均減速度不低于1.0 m/s2，緊急制動(dòng)平均減速度不低于1.2 m/s2。實(shí)際制動(dòng)距離需考慮列車(chē)制動(dòng)缸性能、線路曲線半徑、坡道等多種影響因素。以北京地鐵15號(hào)線車(chē)輛為試驗(yàn)對(duì)象，該車(chē)為B型DKZ31列車(chē)，初速度25 km/h條件下，按照GB/T 7928-2003中減速度的規(guī)定，平直區(qū)段緊急制動(dòng)距離約為25 m，考慮坡度條件，下行孫河至馬泉營(yíng)區(qū)段，坡度26.073‰，緊急制動(dòng)距離約為35 m。

為確保運(yùn)行安全，取司機(jī)平均反應(yīng)時(shí)間2 s，代入公式（1），列車(chē)最小間隔為54.32 m時(shí)，兩車(chē)剛好相觸碰，即為列車(chē)最小安全間隔。

實(shí)際RM行車(chē)中，當(dāng)列車(chē)實(shí)際速度超過(guò)25 km/h時(shí)將自動(dòng)施加最大常用制動(dòng)，故列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度平均保持在20～22 km/h，緊急制動(dòng)距離將會(huì)相應(yīng)縮短。

3.2 各區(qū)段可視距離計(jì)算

3.2.1 計(jì)算方法

列車(chē)在直線區(qū)段運(yùn)行時(shí)，視距大于200 m，能夠保障列車(chē)安全運(yùn)行。列車(chē)在隧道曲線區(qū)段運(yùn)行時(shí)，受空間結(jié)構(gòu)及曲線半徑影響目視范圍減小，又因疏散平臺(tái)設(shè)置在線路左側(cè)，故司機(jī)視距最不利點(diǎn)為列車(chē)在單線隧道最小曲線半徑區(qū)段右轉(zhuǎn)時(shí)，視線相切于隧道內(nèi)壁所能看到的距離，此時(shí)視距若大于列車(chē)最小安全間隔，則判定線路、車(chē)輛條件滿(mǎn)足RM行車(chē)法。

單線隧道建筑結(jié)構(gòu)分為矩形、圓形和馬蹄形，司機(jī)視野隨列車(chē)速度提高而變窄，當(dāng)車(chē)速為40 km/h時(shí)，視野范圍為90～100°，可滿(mǎn)足司機(jī)在單線隧道內(nèi)的視線夾角。不同隧道視距如圖2、圖3所示。

圖2 矩形隧道司機(jī)視野

圖3 圓形、馬蹄形隧道司機(jī)視野

根據(jù)《城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 11/995-2013），單線矩形隧道直線區(qū)段建筑限界如表1所示。曲線區(qū)段行車(chē)方向左側(cè)建筑限界通常通過(guò)減小疏散平臺(tái)寬度來(lái)滿(mǎn)足要求，不再調(diào)整隧道的寬度，右側(cè)建筑限界以直線隧道列車(chē)設(shè)備限界控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)算偏移量進(jìn)行加寬。

表1 單線矩形隧道直線區(qū)段建筑限界 mm

單線圓形隧道建筑限界直徑宜為5 200 mm，馬蹄形隧道建筑限界需結(jié)合地質(zhì)條件、管線設(shè)備布置位置確定，曲線區(qū)段均通過(guò)隧道中心向線路中心線內(nèi)側(cè)偏移的方法代替隧道加寬。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50107-2013）中加寬、偏移算法，測(cè)算不同隧道建筑結(jié)構(gòu)曲線內(nèi)側(cè)建筑限界寬度。

單線矩形隧道曲線區(qū)段司機(jī)視距：

式（2）～式（5）中，h為軌道超高值，mm；s為滾動(dòng)圓間距，mm，取值1 500 mm；（YK，ZK）為列車(chē)設(shè)備限界各控制點(diǎn)坐標(biāo)值，mm；Ymax為列車(chē)設(shè)備限界控制點(diǎn)橫坐標(biāo)最大值，mm；WR為行車(chē)右側(cè)限界至線路中心線距離，mm；ΔBi為曲線隧道內(nèi)側(cè)加寬值，mm；S為司機(jī)視距，m；R為區(qū)段曲線半徑，m。

單線圓形、馬蹄形隧道曲線區(qū)段司機(jī)視距：

式（6）中，d為隧道中線水平移動(dòng)量，mm；h0為區(qū)段曲線半徑，m。

3.2.2 計(jì)算實(shí)例

按照北京地鐵15號(hào)線車(chē)輛設(shè)備限界、隧道建筑限界，列車(chē)設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示，矩形隧道行車(chē)方向右側(cè)隧道寬2 100 mm，圓形隧道直徑5 200 mm。為便于分析，R取困難地段最小值250 m，h取最大值120 mm，h0取隧道半徑，設(shè)司機(jī)處于列車(chē)司機(jī)室中點(diǎn)位置，代入公式（2）～（8）。

表2 設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)值 mm

表3 電話(huà)閉塞法故障區(qū)段各流程用時(shí)及延誤 min

計(jì)算得出，矩形最小曲線半徑隧道視距為68.49 m，圓形最小曲線半徑隧道視距為72.11 m。由計(jì)算結(jié)果可知，15號(hào)線曲線區(qū)段可視距離大于列車(chē)最小安全間隔，適用RM模式行車(chē)。

當(dāng)出現(xiàn)可視距離不滿(mǎn)足列車(chē)最小安全間隔的曲線區(qū)段時(shí)，為保證運(yùn)營(yíng)安全，按照道岔防護(hù)模式，在駛?cè)朐撉€區(qū)段前停車(chē)，確認(rèn)前方無(wú)停止列車(chē)后通過(guò)。

4 延誤時(shí)間的計(jì)算

分析2種行車(chē)組織模式相較于圖定運(yùn)行時(shí)刻的延誤，能夠直觀反映線路阻塞程度和通行服務(wù)能力。

4.1 計(jì)算方式

故障區(qū)段示意如圖4所示。

圖4 故障區(qū)段示意圖

相較列車(chē)在車(chē)站x的圖定發(fā)出時(shí)刻，執(zhí)行電話(huà)閉塞法或RM行車(chē)法后，列車(chē)通過(guò)故障區(qū)段的延誤分為列車(chē)到達(dá)故障區(qū)段時(shí)延誤、運(yùn)行延誤及站停延誤，相應(yīng)的計(jì)算公式有：

式（9）～式（12）中，Dsum為列車(chē)通過(guò)故障區(qū)段總延誤，s；Darr為列車(chē)到達(dá)故障區(qū)段時(shí)的延誤，s；Drun為列車(chē)在故障區(qū)段的運(yùn)行延誤，s；Dstop為列車(chē)在故障區(qū)段的站停延誤，s；n為自運(yùn)行方向起，故障區(qū)段內(nèi)車(chē)站編號(hào)；tn，I、tn，L、tn，S為列車(chē)在第n站實(shí)際到達(dá)、發(fā)車(chē)、站停時(shí)間，s；Tn，I、Tn，L、Tn，S為列車(chē)在第n站圖定到達(dá)、發(fā)車(chē)、站停時(shí)間，s；tn-1，R為列車(chē)在第n- 1區(qū)段實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，s；Tn-1，R為列車(chē)在第n- 1區(qū)段圖定運(yùn)行時(shí)間，s。

4.2 算例驗(yàn)證

選取北京地鐵15號(hào)線下行石門(mén)至花梨坎（站間平均長(zhǎng)度3.55 km），崔各莊至望京西（站間平均長(zhǎng)度1.90 km）2區(qū)段，區(qū)段示意如圖5、圖6所示，模擬計(jì)算列車(chē)出清故障區(qū)段延誤和后續(xù)列車(chē)間隔。

圖5 石門(mén)-花梨坎區(qū)段示意圖

圖6 崔各莊-望京西區(qū)段示意圖

為便于計(jì)算，將人工作業(yè)延誤設(shè)為定值，具體數(shù)值如下：

（1）兩站一區(qū)段行車(chē)調(diào)度從確認(rèn)、調(diào)整列車(chē)位置到完成電話(huà)閉塞發(fā)令延誤時(shí)長(zhǎng)為6 min，故障影響每增加一區(qū)段，發(fā)令延誤時(shí)長(zhǎng)則增加1 min；

（2）行車(chē)調(diào)度從確認(rèn)故障范圍到完成發(fā)布RM行車(chē)發(fā)令延誤時(shí)長(zhǎng)為1 min；

（3）車(chē)站綜控員能夠在列車(chē)站停時(shí)間內(nèi)完成接發(fā)車(chē)流程，人工接發(fā)車(chē)作業(yè)延誤為0；

（4）電話(huà)閉塞法和RM行車(chē)法區(qū)間最大運(yùn)行速度分別為45 km/h、20 km/h。

如圖7所示，設(shè)信號(hào)系統(tǒng)故障突發(fā)時(shí)列車(chē)2在望京站/后沙峪站，故障前各次列車(chē)均無(wú)延誤，區(qū)間防護(hù)信號(hào)機(jī)故障。

圖7 故障突發(fā)時(shí)各次列車(chē)位置示意圖

以2 min運(yùn)營(yíng)間隔，崔各莊至望京西、四站三區(qū)段故障為例，按照延誤計(jì)算公式，各次列車(chē)運(yùn)行過(guò)程如表 3、表4所示。

表4 RM行車(chē)法故障區(qū)段各流程用時(shí)及延誤 min

按照同樣模擬方式計(jì)算，代入2 min運(yùn)行間隔和15號(hào)線運(yùn)營(yíng)圖TS2004、列車(chē)最小間隔3 min13 s，分別模擬兩站一區(qū)段、三站兩區(qū)段、四站三區(qū)段故障，采用不同行車(chē)組織方式，延誤如表5、表6所示。

表5 運(yùn)行間隔3 min13 s時(shí)各次列車(chē)延誤分析 min

4.3 時(shí)間延誤分析

分析延誤時(shí)間可知：

（1）RM行車(chē)法無(wú)需行車(chē)調(diào)度確認(rèn)列車(chē)位置，響應(yīng)時(shí)間快，首輛列車(chē)駛出故障區(qū)段延誤??；

（2）電話(huà)閉塞法發(fā)令時(shí)間長(zhǎng)，后續(xù)列車(chē)因需等待前方列車(chē)出清，會(huì)持續(xù)增加延誤時(shí)間，若發(fā)生行車(chē)調(diào)度無(wú)法快速確認(rèn)列車(chē)位置，或車(chē)站人工作業(yè)無(wú)法在圖定站停時(shí)間內(nèi)完成等情況，延誤將進(jìn)一步擴(kuò)大；

（3）RM行車(chē)法對(duì)運(yùn)行間隔小于5 min、故障區(qū)段平均間隔小于3 km的區(qū)段延誤減緩明顯，且運(yùn)行間隔越短，延誤減緩效果越大；

（4）對(duì)于長(zhǎng)、大區(qū)段故障，RM行車(chē)法因限速較低導(dǎo)致效果不明顯，故障長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)時(shí)，行車(chē)調(diào)度將采取抽車(chē)、故障區(qū)段前折返等方式，延長(zhǎng)故障區(qū)段發(fā)車(chē)間隔，使RM模式行車(chē)通行效率降低，迫停列車(chē)可按照RM模式運(yùn)行至前方站，到站列車(chē)改按電話(huà)閉塞法組織行車(chē)。

5 結(jié)語(yǔ)

在信息系統(tǒng)故障情況下，RM行車(chē)法能夠避免行車(chē)調(diào)度確認(rèn)列車(chē)位置耗時(shí)，維持列車(chē)運(yùn)行，緩解乘客情緒，并有效降低運(yùn)行延誤。在實(shí)施應(yīng)用階段，一方面，要研判線路曲線半徑、車(chē)輛技術(shù)參數(shù)、道岔位置等邊界條件。另一方面，要針對(duì)行車(chē)調(diào)度發(fā)令、車(chē)輛操縱、手信號(hào)要求等各項(xiàng)作業(yè)環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)管控。與此同時(shí)，RM模式行車(chē)法主要基于車(chē)載ATP系統(tǒng)和人工控制方式進(jìn)行運(yùn)行，缺少技術(shù)防范措施。結(jié)合智慧地鐵發(fā)展模式，未來(lái)可融合司機(jī)行為感知監(jiān)測(cè)、地鐵導(dǎo)航輔助等先進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)采用監(jiān)測(cè)感知、人工智能、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行信息輔助等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中列車(chē)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警提示、處置決策支持和人工遠(yuǎn)程支援等功能，從源頭降低安全風(fēng)險(xiǎn)。