楊靜（南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司通號中心，江蘇 南京 210012）

地鐵的運(yùn)營速度設(shè)計解析

楊靜（南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司通號中心，江蘇 南京 210012）

不同的地鐵列車控制系統(tǒng)，采用控制模式不同，監(jiān)督曲線不同，速度限制也有差異，但是設(shè)計原理都是類似的，本文以CBTC系統(tǒng)為例，解析地鐵運(yùn)營中列車重要的速度曲線的設(shè)計原理。

速度限制；緊急制動；緊急制動干預(yù)曲線；推薦速度曲線；告警速度曲線；人機(jī)界面；危險點

1 引言

近年來，我國城市軌道交通事業(yè)迅速發(fā)展，為市民的出行帶來了極大的便利，帶動了地鐵沿線經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，備受市民青睞。地鐵列車運(yùn)行的最高時速、列車的旅行速度，在規(guī)劃設(shè)計聯(lián)絡(luò)的最初就已經(jīng)規(guī)定下來。比如，南京地鐵的列車最高運(yùn)行速度是80km/h，旅行速度約35km/h。此外，特殊的區(qū)段有各自的速度限制，需要進(jìn)行精密測量，完善的計算方式來確定。本文以基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)（以下簡稱CBTC系統(tǒng)）為例，解析幾種重要的速度曲線的設(shè)計原理。

2 速度設(shè)計需要考慮的因素

城市軌道交通中速度限制分為兩種：（1）固定速度限制。在設(shè)計階段，根據(jù)車輛參數(shù)、線路參數(shù)（坡度、曲線半徑、道岔位置、地理條件等）和保護(hù)區(qū)段等信息，設(shè)置線路的速度固定信息。例如區(qū)間最大允許速度、列車最大允許速度；列車車載設(shè)備和軌旁設(shè)備都儲存著整條線路上的固定限速區(qū)信息。（2）臨時性速度限制。例如線路在維修時臨時設(shè)置速度限制。臨時速度限制區(qū)段范圍總是限制在一個或者多個軌道區(qū)段。

危險點（POP）：在任何情況下，越過這點都會導(dǎo)致危險情況發(fā)生。例如，車站內(nèi)有列車時，車站起點必須是停車點。在停車點前方通常還設(shè)置一段防護(hù)區(qū)段。ATP系統(tǒng)通過計算得出緊急制動曲線（下文將會詳細(xì)講述）。即以該防護(hù)區(qū)段入口點為基礎(chǔ)，保證列車不超越入口點。有時也可在入口點處設(shè)置列車滑行速度值（如5km/h）。一旦需要，列車可在此基礎(chǔ)上加速或者停在危險點前方。[1]危險點一定是停車點。

保護(hù)區(qū)段：用來確保列車不會越過危險點，每一個可能的危險點都受到一個停車點的保護(hù)，停車點的位置將發(fā)送給列車。該停車點位于危險點后部被稱為“保護(hù)區(qū)段”的一段距離內(nèi)。[2]保護(hù)區(qū)段的距離將在系統(tǒng)設(shè)計階段分別針對每個危險點進(jìn)行計算，并存儲在ATP 軌旁設(shè)備之中。每趟列車經(jīng)過之時，都會調(diào)用該信息。

3 CBTC系統(tǒng)速度設(shè)計原理與計算

目前國內(nèi)采用比較多的CBTC系統(tǒng)是基于移動閉塞 (Moving Block)設(shè)計的，它利用高精度的列車定位，雙向連續(xù)、大容量的車-地數(shù)據(jù)通信，車載、地面的安全功能處理器實現(xiàn)的一種連續(xù)自動列車控制系統(tǒng)。

相比基于軌道電路的ATC系統(tǒng)，CBTC更為先進(jìn)，通訊要求、設(shè)備要求更高。地鐵線路沒有被固定劃分的閉塞分區(qū)，車-地通信不依賴于軌道電路，CBTC中的通信必須是連續(xù)的，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動列車控制，利用軌間電纜、漏泄電纜和空間無線都可以實現(xiàn)車、地雙向信息的連續(xù)傳輸。列車間的間隔是動態(tài)的，并隨前一列車的移動而移動，列車位置的分辨率一般為10m范圍內(nèi)，該間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下的所需制動距離、加上安全裕量計算和控制的，確保不追尾，制動的起始和終點是動態(tài)的，對列車的控制一般采用一次拋物線制動曲線的方式，軌旁設(shè)備的數(shù)量與列車運(yùn)行間隔關(guān)系不大。

3.1 ATC系統(tǒng)速度設(shè)計原理

ATC系統(tǒng)設(shè)計時，列車的最大運(yùn)行速度被連續(xù)監(jiān)督。列車從軌旁單元接受最大安全運(yùn)行速度(設(shè)計速度曲線) VG，以使其能夠計算速度曲線。如圖1所示。這些速度曲線有兩種：

圖1 列車最大運(yùn)行速度的速度曲線

VNE， 是絕對不可超過的速度曲線。該曲線由用戶確定，并根據(jù)線路的地形特征得來。

VPR，是監(jiān)視速度曲線。它比VS 高4km/h 的固定速度。當(dāng)車載識別到列車實際速度超過監(jiān)視速度（VPR）時，將實施緊急制動。

VS，是給司機(jī)的信號化的速度。它以推薦速度的形式顯示給列車駕駛員。速度顯示值的計算是根據(jù)ATP 報文中的速度曲線、制動號以及坡道等獲得的。

VG，是一條傳給列車的設(shè)計速度曲線，以5km/h 為間隔。它是車載設(shè)備計算VPR和VS 的基礎(chǔ)。[3]

3.2 CBTC系統(tǒng)速度設(shè)計原理

車載子系統(tǒng)的應(yīng)答器天線、OPG、雷達(dá)在速度測量上體現(xiàn)了重要的作用。應(yīng)答器天線，結(jié)合軌旁應(yīng)答器，計算列車的絕對位置；OPG天線，確定列車的安全速度及相對走行距離；雷達(dá)，利用多普勒原理，提供車輛的進(jìn)路位置和速度信號。持續(xù)測量速度以獲得列車的當(dāng)前速度。列車當(dāng)前速度在 HMI 上顯示。

圖2介紹了Trainguard MT 的原理，即安全距離是由車載子系統(tǒng)動態(tài)計算的。EBIC 從未達(dá)到緊急制動減速曲線EBDC，其曲線圖位于危險點POP 前。車載子系統(tǒng)計算用于安全相關(guān)速度監(jiān)督和非安全相關(guān)速度控制的數(shù)個速度監(jiān)督曲線。車載子系統(tǒng)計算下列速度監(jiān)督曲線：

（1）緊急制動干預(yù)曲線（EBIC）；

（2）推薦速度曲線（RSPC）；

（3）告警速度曲線（WSPC）。

圖2 Trainguard MT速度監(jiān)督曲線

當(dāng)前推薦的速度和當(dāng)前緊急制動干預(yù)曲線EBIC 速度都顯示在HMI 上。如果超過了告警速度曲線WSPC，就會產(chǎn)生音響報警。本文著重講述EBIC曲線的設(shè)計原理，如圖3所示。

由于 EBIC 計算總考慮安全速度限制，所以對于平坦監(jiān)督而言，列車也不能突破安全速度限制。EBIC 總是由車載計算，同時考慮列車的具體特性和實際坡度。通過這種方式，Trainguard MT 系統(tǒng)能夠保證不同列車特性的安全速度限制。推薦的速度曲線顯示給司機(jī)以便在 SM 模式下與OSP 或其它限制點的制動曲線一起指導(dǎo)司機(jī)，同時不違反EBIC。

圖3 EBIC曲線設(shè)計原理

安全制動模式描述了 EB （緊急制動）觸發(fā)時，從超速發(fā)生直至EB 以保證的制動率真正生效時最不利情況下的列車性能。如圖4所示。安全制動模式包括下述部分：

圖4 安全制動模式原理

（1）緊急制動輸出的反應(yīng)時間 Toutput

（列車輸出緊急制動的時間，它包括車載子系統(tǒng)的反應(yīng)時間，牽引考慮為最大）

（2）解除列車牽引的反應(yīng)時間 Ttraction

（列車解除牽引的反應(yīng)時間，在此階段，牽引考慮為最大）

（3）建立保證的 EB 制動率的反應(yīng)時間

（在建立時間內(nèi)，假定列車惰行，因為EB 的力量不足以使列車真正制動）

相比ATC系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)速度監(jiān)督曲線略有不同。原則上，速度監(jiān)督必須考慮兩種情況：平坦監(jiān)督，制動曲線監(jiān)督。前者受區(qū)段速度曲線限制；后者受制動曲線限制。本文著重闡述EBIC曲線的計算原理。

3.2.1 緊急制動干預(yù)曲線（EBIC）計算和監(jiān)督

EBIC 用于速度安全監(jiān)督，用來檢查列車當(dāng)前速度是否符合所有安全限制，否則就會觸發(fā)緊急制動。如果當(dāng)前的列車安全速度超過EBIC，車載子系統(tǒng)會因為超速觸發(fā)緊急制動。如果列車當(dāng)前安全速度降至EBIC 下，車載子系統(tǒng)就會解除緊急制動。EBIC的生成考慮如下兩個因素的疊加：來自安全速度曲線的 EBIC和來自制動曲線（EBDC）至POR 或POP 的EBIC，如圖5所示。

圖5 緊急制動干預(yù)曲線（EBIC）計算原理

平坦速度監(jiān)督下的 EBIC，如圖6所示。

EBIC 來自安全速度曲線。同時在考慮坡度曲線的情況下，使用安全制動模型產(chǎn)生EBIC。

圖6 平坦速度監(jiān)督下EBIC

制動曲線監(jiān)督下的EBIC，如圖7所示。

除了安全速度曲線，EBIC 計算時還需考慮POR（限速起始點）或POP（危險點）。POR 或POP 定義為具有安全速度限制的、不能侵犯的限制點。車載子系統(tǒng)從POP 或POR 的EB 速率開始計算EB 減速度曲線（EBDC）。車載子系統(tǒng)可以使用安全制動模型從EBDC 導(dǎo)出EBIC。需考慮實際的坡度曲線。

圖7 EBDC導(dǎo)出EBIC的原理

3.2.2 推薦速度曲線RSPC

推薦的速度曲線顯示給司機(jī)以便在 SM 模式下與OSP 或其他限制點的制動曲線一起指導(dǎo)司機(jī)，同時不違反EBIC。

推薦速度曲線將考慮以下三個因素的疊加：

（1）來自運(yùn)行速度曲線的 RSPC；

（2）從制動曲線到 POR 或POP 導(dǎo)出的RSPC；

（3）低于 EBIC 的RSPC。

在平坦速度監(jiān)督下，RSPC 的運(yùn)行速度曲線滿足條件：RSPC和EBIC 之間的距離足夠大以便司機(jī)可以以SM 模式駕駛列車，而不侵犯EBIC即可。

制動曲線監(jiān)督下，RSPC 計算除了要考慮運(yùn)行速度曲線，還要考慮POR 或OSP。這時RSPC 的目標(biāo)點在POR 或OSP。POR 或POP 定義的目標(biāo)速度和目標(biāo)距離顯示在HMI 上。計算中，OSP 可能是非安全的運(yùn)營停車點。RSPC 和EBIC 之間的距離足夠大以便司機(jī)可以以SM 模式駕駛列車，而不侵犯EBIC。

3.2.3 告警速度曲線WSPC

車載子系統(tǒng)計算告警速度曲線以便司機(jī)駕駛。如果列車當(dāng)前速度超過 WSPC，車載子系統(tǒng)會給HMI發(fā)出一個音響報警。在SM模式下，司機(jī)可以以低于安全速度曲線駕駛列車。

4 結(jié)語

不同的列車控制系統(tǒng)，采用控制模式不同，計算方法也不同。但是，不同的控制系統(tǒng)，設(shè)計原理都是類似的，都是監(jiān)控運(yùn)行速度，超速之后緊制?？傮w來講，通過科學(xué)、合理的原理設(shè)計，精確的實地測量，縝密的計算方法，得出準(zhǔn)確的速度數(shù)據(jù)，保證地鐵良好的運(yùn)營秩序。

[1] 王瑞峰. 鐵路信號運(yùn)營基礎(chǔ)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2008.5.

[2] 李映紅. 高速鐵路信號系統(tǒng)[M]. 四川: 西南交通出版社, 2009.6.

[3] 南京地鐵內(nèi)部技術(shù)文檔[M]. 南京: 南京地鐵公司, 2008.2.

The Design Principle of Subway Speed

Different subway train control systems have different control modes, different monitoring-profles, and different speed-limits .. However, their design principles are similar. Taking the CBTC system for example, this article explains principles of speed design in subway design.

Speed limit; Emergency-brake (EB); Emergency brake intervention curve (EBIC); Recommended speed curve (RSPC); Warning speed curve (WSPC) ; Human Machine Interface (HMI) ; Point of protection (POP)

楊靜（1983-），女，四川資陽人，本科，助理工程師，現(xiàn)就職于南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司，主要研究方向為鐵路信號。

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1003-0492(2014)03-0064-03

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