盧 軍，武曉春，潘長(zhǎng)玉

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)設(shè)計(jì)處，西安 710043)

近年來(lái)，隨著合寧、合武、溫福、甬臺(tái)溫、福廈等時(shí)速200～250 km客運(yùn)專線陸續(xù)開(kāi)通，我國(guó)在CTCS-2級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)集成、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂、設(shè)備引進(jìn)和研發(fā)、列控試驗(yàn)、工程建設(shè)等各項(xiàng)技術(shù)上已經(jīng)逐步由實(shí)踐走向成熟，其中，車載ATP系統(tǒng)是保證列車安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。正在建設(shè)中的蘭新第二雙線，由于線路所處環(huán)境惡劣，站間距大，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重等特點(diǎn)［1]，致使本線列控系統(tǒng)配置方案有諸多特點(diǎn)，其中普速列車上客運(yùn)專線運(yùn)行技術(shù)方案之一是研發(fā)針對(duì)普速客運(yùn)列車的車載ATP系統(tǒng)。

本文提出一種基于CTCS-2級(jí)列控車載ATP設(shè)備的超速防護(hù)系統(tǒng)低速適應(yīng)性改造方案，并對(duì)方案進(jìn)行可行性研究，最后，對(duì)車載ATP系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 CTCS-2級(jí)列控車載ATP設(shè)備應(yīng)用于普速機(jī)車的改造方案原理及構(gòu)成

系統(tǒng)采用基于CTCS-2級(jí)列控車載ATP設(shè)備的2×2取2安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，核心部件由車載安全計(jì)算機(jī)(VC)、軌道信息接收單元(STM)、應(yīng)答器信息接收單元(BTM)、制動(dòng)接口單元(RLU)、記錄單元(DRU)、測(cè)速測(cè)距單元(SDP)、人機(jī)界面(DMI)、軌道信息接收天線、應(yīng)答器信息接收天線等組成。工作方式采用車載主機(jī)方式:從應(yīng)答器取得線路固定工程數(shù)據(jù)(如軌道電路長(zhǎng)度、坡度、靜態(tài)限速和道岔限速等)，軌道電路顯示信息告知前方空閑閉塞數(shù)、停車軌道電路和準(zhǔn)許運(yùn)行位置，然后車載計(jì)算核心從當(dāng)前位置計(jì)算目標(biāo)-距離模式曲線，并依據(jù)自己當(dāng)前位置與模式速度值的關(guān)系，輸出制動(dòng)，最大限度地使控制符合運(yùn)行實(shí)際。列車在制動(dòng)到紅燈前將留有一個(gè)安全防護(hù)距離，以防止由于計(jì)算機(jī)取用離散性參數(shù)而產(chǎn)生的誤差［2]。

人機(jī)界面系統(tǒng)以動(dòng)態(tài)圖方式預(yù)示運(yùn)行前方線路的彎道、坡道、橋梁、隧道、道岔以及信號(hào)機(jī)布置情況，隨列車運(yùn)行滾動(dòng)顯示控制模式限速曲線。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 車載ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2 普速車車載ATP系統(tǒng)適應(yīng)性研究

依據(jù)蘭新第二雙線設(shè)計(jì)批復(fù)意見(jiàn)，開(kāi)通初期部分普速列車將會(huì)分段在不同等級(jí)的線路上運(yùn)行，屆時(shí)將會(huì)有裝載ATP設(shè)備的動(dòng)車在非C2線路區(qū)段運(yùn)行，未加裝ATP設(shè)備的普速列車也會(huì)在C2區(qū)段運(yùn)行的情形，這就要求，車載設(shè)備要與地面設(shè)備盡可能匹配［2]，目前我國(guó)在普速列車機(jī)車上僅安裝了LKJ系統(tǒng)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行狀況，不具備主體化機(jī)車信號(hào)功能，且該系統(tǒng)不能滿足列控系統(tǒng)安全性SIL4等級(jí)要求，故普速車無(wú)法在客運(yùn)專線上按照C2級(jí)列控模式運(yùn)行。如果要實(shí)現(xiàn)普速車上客運(yùn)專線運(yùn)行，則需要進(jìn)一步提高普速車LKJ設(shè)備的可靠性和安全性，并在機(jī)車上增加BTM天線接收應(yīng)答器數(shù)據(jù)，增加實(shí)時(shí)更新線路信息和限速信息的功能，這樣就面臨兩大問(wèn)題:其一，對(duì)LKJ設(shè)備的改造工作量很大，LKJ設(shè)備既有結(jié)構(gòu)和軟件框架能否支持，尚無(wú)定論;其二，在沒(méi)有裝載車載ATP的情況下，以車載信號(hào)作為行車憑證，與目前的鐵路行車規(guī)定不相符［1]。

CTCS-2級(jí)車載ATP設(shè)備技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于時(shí)速200～250 km動(dòng)車組，普速列車在時(shí)速160 km下的運(yùn)行指標(biāo)(如機(jī)車、車輛基本阻力計(jì)算公式，制動(dòng)距離、列車制動(dòng)換算率、換算摩擦系數(shù)等)在《牽引計(jì)算規(guī)程》(TBT1407—1998)中已有具體規(guī)定，所以列車控制曲線計(jì)算不存在難點(diǎn)，所以暫時(shí)保留LKJ系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上研究C2列控車載ATP設(shè)備與普速機(jī)車間的適應(yīng)性，并根據(jù)車輛的具體情況進(jìn)行接口開(kāi)發(fā)，如為其提供一個(gè)由繼電器接點(diǎn)條件給出的緊急制動(dòng)接口/全常用制動(dòng)接口與現(xiàn)有車載制動(dòng)接口匹配，同時(shí)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，理論上可行。

3 普速車車載ATP關(guān)鍵技術(shù)研究

針對(duì)普速機(jī)車車長(zhǎng)、車重、制動(dòng)性能特點(diǎn)，從系統(tǒng)模塊化集成角度，提煉出車載ATP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行深入研究，形成車載ATP系統(tǒng)分析的基本流程，為仿真系統(tǒng)編程提供方法。

3.1 測(cè)速測(cè)距接口設(shè)計(jì)

為保證ATP系統(tǒng)正常運(yùn)行，必須隨時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)列車速度和位置，為此，系統(tǒng)采用多個(gè)測(cè)速子系統(tǒng)互補(bǔ)運(yùn)行，共同完成列車測(cè)速及定位。

在機(jī)車兩側(cè)不同的車軸上各安裝2個(gè)速度傳感器，使用脈沖信號(hào)計(jì)算列車運(yùn)行速度，可以降低共模故障的風(fēng)險(xiǎn)性［3]。

安裝2部非接觸式多普勒雷達(dá)系統(tǒng)補(bǔ)充測(cè)量車速，其通過(guò)RS485串口與ATP主機(jī)通信，可以校正滑力和阻力造成的影響。

在測(cè)速測(cè)距過(guò)程中，車輪的直徑是一個(gè)可以調(diào)整的值，通過(guò)人機(jī)接口設(shè)備，由維護(hù)人員輸入輪徑值，然后主機(jī)板將該值保存下來(lái)，直到下次修改，這種修改一般只能在設(shè)備處于維修工況時(shí)才能進(jìn)行［4]。

3.2 地面ATP信息接收設(shè)計(jì)

BTM模塊是采用2×2取2故障-安全技術(shù)的安全模塊，1個(gè)BTM模塊包含電源板、接口板、接收板、傳輸板，其負(fù)責(zé)接收、解調(diào)符合CTCS-2標(biāo)準(zhǔn)的地面應(yīng)答器信息并提供精確定位。

STM模塊也是安全模塊，其通過(guò)STM天線接收到ZPW2000系列軌道電路及4信息、8信息、18信息等傳統(tǒng)移頻軌道電路信息后，會(huì)選擇出電平最高的載頻并解調(diào)該載頻中低頻(VLF)信號(hào)，判斷信號(hào)碼，最后將碼序傳輸給安全計(jì)算機(jī)(VC)和LKJ監(jiān)控裝置。

4 ATP系統(tǒng)仿真

4.1 超速防護(hù)算法原理

首先，車載設(shè)備通過(guò)地面信息傳輸、解碼，得到前方停車點(diǎn)或限速點(diǎn)信息;其次，車載設(shè)備根據(jù)速度采集模塊的支持計(jì)算出列車至前方目標(biāo)點(diǎn)距離，并以此為基點(diǎn)，依據(jù)線路數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及列車性能參數(shù)計(jì)算出目標(biāo)距離模式曲線［5]。系統(tǒng)制動(dòng)原理如圖2所示。

圖2 列車制動(dòng)原理

目標(biāo)距離制動(dòng)模式曲線采用2條:一條為常用全制動(dòng)模式曲線，另一條為純空氣緊急制動(dòng)模式曲線，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)超速預(yù)警及實(shí)施正常的常用制動(dòng)或者緊急制動(dòng)。

目標(biāo)距離速度模式曲線計(jì)算的核心是制動(dòng)距離的計(jì)算［6]，根據(jù)《牽引計(jì)算規(guī)程》，普速列車動(dòng)態(tài)制動(dòng)距離計(jì)算公式為

式中 Sl——普速列車實(shí)際制動(dòng)距離;

Sk——普速列車制動(dòng)空走距離;

Se——普速列車制動(dòng)有效距離。

本文考慮天線安裝位置K及列車位置不確定模糊距離M

式中 K——懸垂距離(ATP安裝天線與列車前部距離)，取 3 m;

M——安全裕量，取50 m+0.5v0。

總延時(shí)時(shí)間內(nèi)，列車作勻速運(yùn)動(dòng)，則可以根據(jù)公式(3)計(jì)算出總延遲時(shí)間內(nèi)走行距離

式中 v0——制動(dòng)初始速度;

td——列車制動(dòng)總延時(shí)時(shí)間。

根據(jù)《牽引計(jì)算設(shè)計(jì)原則》，普速旅客列車制動(dòng)總延時(shí)時(shí)間td按以下公式計(jì)算:

緊急制動(dòng)總延時(shí)時(shí)間

常用制動(dòng)總延時(shí)時(shí)間

式中 ts——ATP設(shè)備切斷牽引力的延遲時(shí)間;

tq——啟動(dòng)常用/緊急制動(dòng)延遲時(shí)間;

tk——列車純空氣緊急和常用(復(fù)合)制動(dòng)空走時(shí)間。

有效制動(dòng)距離計(jì)算公式

式中 vn-i-1、vn-i——速度間隔段的初速度和末速度;

φh——換算摩擦系數(shù);

θh——列車換算制動(dòng)率;

βa——制動(dòng)系數(shù)，常用制動(dòng)時(shí) βc=0.8，緊急制動(dòng)時(shí)βc=1;

w0——列車運(yùn)行單位基本阻力;

ij——制動(dòng)地段加算坡度。

在已知制動(dòng)末速度情況下由公式(6)推得制動(dòng)初速度的計(jì)算公式為系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)流程

4.2 車載ATP算法實(shí)現(xiàn)步驟

由于一次制動(dòng)距離的計(jì)算涉及線路、列車編組、車況等數(shù)據(jù)，需要采用迭代法分段進(jìn)行速度-距離計(jì)算并累加計(jì)算結(jié)果［7]，考慮計(jì)算精度，采取步長(zhǎng)為Δs，安全制動(dòng)曲線計(jì)算步驟:

(1)確定有效制動(dòng)距離S;

(3)截取從制動(dòng)末速度vn(速度目標(biāo)點(diǎn))到制動(dòng)初速度vn-1(速度較大點(diǎn))的一段長(zhǎng)度為Δs的曲線作為目標(biāo)曲線，根據(jù)公式(7)算出vn-1;

(4)判斷vn-1是否超出線路限速vlim，如果vn-1＜vlim，v［n-k]=vn-1;否則，v［n-k]=vlim;

(5)根據(jù)vn，vn-1計(jì)算本段平均速度

(6)利用平均速度 vi校正參數(shù) θh，φh，βa，w0，ij;

(7)利用公式(6)計(jì)算本段有效制動(dòng)距離si，j;

(8)令 k=k+1，判斷計(jì)數(shù)器 k，如果 k＜ n，則 v［n-k]=vn-i-1，設(shè)置下一小區(qū)段的制動(dòng)末速 vn-i-2=vn-i-1，轉(zhuǎn)步驟3;如果k=n，則完成計(jì)算;

(9)將所有個(gè)離散點(diǎn)(si，j，vi)連起來(lái)。便構(gòu)成制動(dòng)距離曲線。

4.3 部分功能函數(shù)定義

部分功能函數(shù)定義如表1所示。

表1 函數(shù)定義

5 仿真結(jié)果

以SS8型機(jī)車為例進(jìn)行仿真計(jì)算，采用18節(jié)列車編組，牽引及制動(dòng)計(jì)算參數(shù)取自《軌道車運(yùn)行控制設(shè)備技術(shù)規(guī)范》［2];線路數(shù)據(jù)取自蘭新第二雙線初步設(shè)計(jì)文檔［8]，人機(jī)交互界面依據(jù)《CTCS-2級(jí)列控車載設(shè)備人機(jī)界面(DMI)顯示規(guī)范》等［9-10]設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 人機(jī)交互界面

圖5 速度-距離曲線

圖6 列車運(yùn)行防護(hù)曲線

6 結(jié)語(yǔ)

普速列車加載ATP理論和技術(shù)方面的研究，國(guó)內(nèi)僅有1～2篇相關(guān)文獻(xiàn)，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也只有2～3家，并且近年來(lái)未見(jiàn)進(jìn)一步報(bào)道，由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)在這方面的理論和方法研究基本處于一種空白狀態(tài)，沒(méi)有形成完整的理論和技術(shù)的支撐體系，但國(guó)外已有很多普速列車裝備ATP應(yīng)用的案例，代表了技術(shù)發(fā)展的方向。根據(jù)工程進(jìn)展情況，結(jié)合普速客車裝備ATP上線運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果，詳細(xì)研究適用于我國(guó)國(guó)情及部分工程的列控車載系統(tǒng)實(shí)施方案，可在繁忙路段實(shí)行客貨分線運(yùn)輸［11]，最大限度提升既有線貨運(yùn)能力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合交通最優(yōu)化，也利于我國(guó)鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施［12]。

將CTCS-2級(jí)列控車載ATP設(shè)備應(yīng)用于普速列車機(jī)車的應(yīng)用是個(gè)新課題，本文僅以實(shí)驗(yàn)室仿真的角度提出適應(yīng)性改造方案有一定的局限性，同時(shí)，限于作者水平有限，文中必有疏漏之后，望更多信號(hào)及行車專業(yè)人員進(jìn)一步批評(píng)指正。

［1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線修改初步設(shè)計(jì)(第三篇)/信號(hào)［Z].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

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