孟 軍，尹遜政，李 亮

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

計算機(jī)與通信信號

CBTC系統(tǒng)中保護(hù)區(qū)段的計算與優(yōu)化

孟 軍，尹遜政，李 亮

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

本文描述了CBTC系統(tǒng)中保護(hù)區(qū)段的作用和設(shè)置原則，并結(jié)合ATP/ATO速度控制曲線推導(dǎo)了保護(hù)區(qū)段的長度計算模型。最后，結(jié)合工程實施中的實際情況提出了2個優(yōu)化保護(hù)區(qū)段設(shè)置的解決方案。

CBTC；保護(hù)區(qū)段；ATO制動曲線；站臺保護(hù)距離優(yōu)化

隨著自動化控制技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC系統(tǒng)）已經(jīng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流技術(shù)制式。目前已經(jīng)開通或即將開通的使用 CBTC 系統(tǒng)的線路已達(dá) 70余條。CBTC 系統(tǒng)的大量應(yīng)用，提高了列車控制的自動化水平，降低了列車的運(yùn)行間隔，是列車控制技術(shù)的一次重大進(jìn)步。

傳統(tǒng)的基于軌道電路的信號系統(tǒng)，受限于列車位置分辨率，保護(hù)區(qū)段的劃分只能以軌道電路為單位。在 CBTC 系統(tǒng)中，保護(hù)區(qū)段的設(shè)置建立在列車精確定位的基礎(chǔ)上，可根據(jù)列車的運(yùn)行曲線和線路條件進(jìn)行精確的計算。

1 保護(hù)區(qū)段的設(shè)置原則

在CBTC中，保護(hù)區(qū)段的設(shè)置是為了實現(xiàn)以下功能。

1.1 列車過沖保護(hù)

在CBTC的后備模式下，司機(jī)以信號機(jī)顯示為行車憑證。為了防止列車無法在信號機(jī)前正常停車而沖過信號機(jī)，需要設(shè)置保護(hù)區(qū)段。

區(qū)間信號機(jī)一般都會設(shè)置保護(hù)區(qū)段，保護(hù)區(qū)段的起點在信號機(jī)處，終點在信號機(jī)后一定距離內(nèi)。該距離綜合考慮了信號機(jī)的顯示距離、司機(jī)的反應(yīng)時間和列車制動率等因素。區(qū)間信號機(jī)的保護(hù)區(qū)段設(shè)置一般不涉及土建設(shè)計，對其長度無嚴(yán)格要求，在滿足列車追蹤間隔情況下，可根據(jù)線路設(shè)備布置情況適當(dāng)延長。

1.2 列車高速接近信號機(jī)

為了提高后備模式的運(yùn)行效率，CBTC系統(tǒng)會根據(jù)站間閉塞原則設(shè)置出站信號機(jī)。在進(jìn)站過程中，需要在保證不觸發(fā)ATP保護(hù)速度曲線的前提下，按照制動速度曲線平穩(wěn)地控制列車運(yùn)行，并準(zhǔn)確停站。為了保證 ATO 或司機(jī)控制列車能夠不受 ATP 保護(hù)速度影響正常進(jìn)站停車，需要將安全停車點放置于站臺停車點后方一定距離處，而這個距離就是保證列車高速接近信號機(jī)的保護(hù)區(qū)段。

出站信號機(jī)和折返軌信號機(jī)都需要設(shè)置保護(hù)區(qū)段，保護(hù)區(qū)段的起點在信號機(jī)處，終點為列車移動授權(quán)中的安全停車點。保護(hù)區(qū)段的長度由ATP的保護(hù)速度曲線模型、ATO的列車控制曲線計算模型、站臺限速等條件決定。

過短的保護(hù)距離會導(dǎo)致ATO系統(tǒng)在控車過程中觸發(fā) ATP保護(hù)速度引起緊急制動。過長的保護(hù)距離則會影響站后岔區(qū)和盡頭線的設(shè)計，會降低運(yùn)營效率并增加土建成本。在工程實施中，該保護(hù)區(qū)段的長度是 CBTC系統(tǒng)的一個重要的性能指標(biāo)。本文將就如何計算最優(yōu)的保護(hù)距離進(jìn)行討論，并針對站場設(shè)計中無法滿足該距離的情況提出合理的解決方案。

2 保護(hù)區(qū)段的計算原理

保護(hù)區(qū)段的設(shè)置實際上就是通過把安全停車點和正常制動停車點拉開合理的距離來保證ATO制動速度曲線始終處于ATP保護(hù)速度曲線下方，并間隔一定的速度緩沖區(qū)（設(shè)為 ΔV）。因此，計算站臺保護(hù)距離首先要得到ATP保護(hù)速度曲線和 ATO制動速度曲線模型，之后針對兩條曲線模型進(jìn)行分析，推導(dǎo)出最小保護(hù)距離計算的方法。

2.1 速度曲線計算模型

ATP系統(tǒng)根據(jù)安全制動模型，在最不利條件下（考慮ATP系統(tǒng)在施加緊急制動時，列車在切除牽引前以當(dāng)時最大加速度行駛產(chǎn)生的速度增量，以及有效制動施加前在最大下坡上行駛產(chǎn)生的速度增量）計算保護(hù)速度曲線，如式（1）：

其中：

ATO系統(tǒng)根據(jù)能量守恒原理使用恒定減速度計算制動速度曲線，如式（2）：

式（1）、式（2）中的變量如表 1 所示。

2.2 站臺保護(hù)距離計算模型

由速度模型可以得到 ATP保護(hù)速度曲線和 ATO站臺制動速度曲線，當(dāng)安全停車點和站臺停車點重合時，會導(dǎo)致 ATO 制動速度曲線全部或部分處于 ATP保護(hù)速度曲線上方，如圖 1 所示。圖中 ATO 觸發(fā)制動曲線是通過將 ATP的保護(hù)速度降低ΔV（速度緩沖區(qū)）之后得到的，該曲線將作為ATO制動速度曲線的上限。

表1 速度曲線模型變量說明

圖1 站臺保護(hù)距離計算

在不同速度下，可以得到ATO制動速度曲線和 ATO 觸發(fā)制動曲線間的一組距離差，即圖 1 中的ΔS1，ΔS2…ΔSn,設(shè)其中最大的一個為 ΔSx。如果將 ATO 制動速度曲線向左平移 ΔSx，可以使 ATO制動速度曲線處于ATO觸發(fā)制動曲線下方，移動的距離 ΔSx即為保護(hù)區(qū)段的長度。

因此，計算最小站臺保護(hù)距離長度的問題就轉(zhuǎn)換為：計算相同速度下 ATO 制動速度曲線與 ATO觸發(fā)制動曲線間最大距離差的問題。

2.3 站臺保護(hù)距離的計算

根據(jù)速度曲線模型，考慮最不利情況下（車在下坡上）高度差 hATP和 hATO可表示坡度 α 和距離 S的關(guān)系，當(dāng) VATP_S=VATO_S+ΔV 時，由式（1）、式（2）可得到 SATP和 SATO的差，如式（3）：

化簡后可以得到式（4）：

求式（4）的極值，令 y=SATP–SATO，x=C+DSATP即得到式（5）：

求式（5）的極值點即得到式（6）：

帶入 SATP即可得到式（7）：

對式（5）求二次導(dǎo)，即得到式（8）：

將各參數(shù)帶入式（8），即可得到該值小于 0，因此滿足式（7）的極值點為極大值。

將式（8）帶入式（4）即可得到 SATP和 SATO差的極大值，若該值為正數(shù)，即為ATO保護(hù)區(qū)段的長度。

如圖 2 所示，根據(jù)計算結(jié)果將 ATO 制動速度曲線向左移動最小保護(hù)區(qū)段的長度后，ATO制動速度曲線不再受ATP保護(hù)速度曲線的影響。

3 工程應(yīng)用中的保護(hù)區(qū)段優(yōu)化策略

在實際站場設(shè)計中，某些車站受制于站后道岔位置、盡頭線長度、土建情況等因素，實際可用的站臺保護(hù)距離無法滿足理論計算結(jié)果的要求，因此需要根據(jù)計算模型分析出影響站臺保護(hù)距離長度的因素，針對實際需求提出合理的解決方案。

圖2 站臺保護(hù)距離計算

通過對計算模型和數(shù)據(jù)的分析，可以得到保護(hù)距離的長度主要受到 ATP 與 ATO 兩條曲線的貼合程度影響，由圖 1 可知，ATP 保護(hù)速度曲線不變的情況下 ATO 制動速度曲線越平緩，ΔSx越短，即最小站臺保護(hù)距離越短。由圖 2 可知，若將計算范圍限定在一定的速度下時，站臺保護(hù)距離還可以進(jìn)一步減小。

因此有以下兩種解決方案可以用來降低站臺保護(hù)距離長度的要求：

（1）減小某些車站的進(jìn)站制動率；（2）降低某些車站的站臺限速。

3.1 減小進(jìn)站制動率

ATP保護(hù)速度曲線模型的相關(guān)參數(shù)是基于最不利情況下導(dǎo)向安全而設(shè)定的，是不可改變的。而ATO 制動速度曲線模型中的制動率 abrake主要考慮車輛參數(shù)、控制精度、運(yùn)營效率以及乘坐舒適性，該參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計在一定范圍內(nèi)是可變的。減小ATO停車制動率能夠使圖 1 中的兩條曲線更加貼合，這樣做雖然會在一定程度上降低系統(tǒng)的運(yùn)營效率，但是可以顯著地降低保護(hù)區(qū)段長度的要求。如圖 3 所示，ATO 系統(tǒng)采用 -0.8 m/s2制動率時要求保護(hù)距離為 S1，使用 -0.7 m/s2制動率時要求保護(hù)距離為 S2，S2 較 S1 有明顯的縮短。

3.2 降低站臺保護(hù)速度

由圖2的數(shù)據(jù)可以看到ATO制動速度曲線與ATO 觸發(fā)制動曲線在大約 90 km/h 處相交，隨著速度降低，兩條曲線相距越遠(yuǎn)，因此當(dāng)限速值小于交叉點速度值時可以縮短站臺保護(hù)距離，限速越低要求的保護(hù)距離越小。如圖 4 所示，站臺限速為 65 km/h時要求保護(hù)距離為 S1，站臺限速為 50 km/h 時要求保護(hù)距離為 S2，S2 較 S1 有所縮短。

圖3 不同制動率的保護(hù)距離

圖4 不同站臺限速的保護(hù)距離

3.3 方案對比

如表 2 所示，兩種方案都是通過降低運(yùn)營效率來減小對站臺保護(hù)距離的要求，但是降低站臺制動率的方案效果更加明顯（運(yùn)營效率降低較小，最小保護(hù)距離減少較多），并且降低進(jìn)站制動率更加有利于控車的準(zhǔn)確性和列車運(yùn)行的舒適性。因此在實際工程應(yīng)用中可以優(yōu)先考慮降低某些站臺制動率的方案，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文針對CBTC系統(tǒng)下保護(hù)區(qū)段的設(shè)置原則進(jìn)行了論述，并重點對站臺區(qū)域的保護(hù)距離計算原理、計算方法進(jìn)行了詳細(xì)計算，最終得出站臺保護(hù)距離的計算模型。通過對保護(hù)距離計算結(jié)論的分析，針對實際站場設(shè)計中無法滿足理論保護(hù)距離的問題提出了合理的解決方案。

表2 方案比較

本模型的提出，為保護(hù)區(qū)段長度、線路限速設(shè)計和列車運(yùn)行曲線選擇等相互影響的因素提供了量化評估方法。在工程實施中，可使用本模型對站臺區(qū)域的保護(hù)區(qū)段長度進(jìn)行評估和優(yōu)化，有利于在保證運(yùn)營質(zhì)量的前提下合理地規(guī)劃線路設(shè)計、降低土建成本。

[1] Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society. IEEE 1474.1TM-2004 IEEE Standard for Communication-based Train Control(CBTC) Performance and Functional Requirements[S].the United States of America: the Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2005 (2): 32-34.

責(zé)任編輯 方 圓

Computing and optimization of protection section in CBTC System

MENG Jun, YIN Xunzheng, LI Liang
( Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The paper described the function and principle of settings for protection section in CBTC System. Combined with ATP/ATO speed control curve, it was inferred the length calculation model. Considering the actual situation in engineering construction, two solutions were proposed for optimizing the settings of protection section.

CBTC; protection section; ATO brake curve; optimization of platform protection distance

U284.482∶TP39

：A

1005-8451（2015）03-0050-04

2014-08-20

孟 軍，助理研究員；尹遜政，助理研究員。