沈 拓 潘亦欣 鄧 奇

（1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804，上海；2.上海軌道交通維護(hù)保障有限公司車輛分公司，200444，上海；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上?！蔚谝蛔髡?，工程師）

在正常的行車組織方式下，列車自動(dòng)控制（ATC）按照自動(dòng)閉塞方式進(jìn)行運(yùn)行，控制列車的安全間隔和運(yùn)行速度。常用的列車追蹤方式以移動(dòng)閉塞、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞或固定閉塞為主。以上海軌道交通為例，在正常情況下，列車行車安全主要由信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）進(jìn)行保障。上海軌道交通開(kāi)通運(yùn)營(yíng)較早的1～5號(hào)線都采用基于軌道電路的列車控制（TBTC）系統(tǒng)，之后由于技術(shù)的進(jìn)步，6～11號(hào)線逐步實(shí)施了基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)。

當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)降級(jí)采用后備模式對(duì)列車進(jìn)行運(yùn)行控制，例如采用點(diǎn)式ATP（IATP）的固定閉塞方式，此時(shí)仍然要求信號(hào)系統(tǒng)能夠滿足在此模式下正常工作。但是當(dāng)遭遇更嚴(yán)重的災(zāi)害或設(shè)備失效時(shí)，此時(shí)ATC 系統(tǒng)發(fā)生故障或閉塞設(shè)備無(wú)法滿足列車運(yùn)行要求時(shí)，系統(tǒng)必須降至最低等級(jí)，依靠人工方式確保運(yùn)營(yíng)安全，通常采用電話閉塞法進(jìn)行行車組織。此種行車組織方法因列車運(yùn)行間隔較大，具有一定的安全隱患［1］。

1 電話閉塞法簡(jiǎn)介

電話閉塞法是一種依靠車站行車值班員利用電話聯(lián)系、記錄的方式辦理閉塞、接發(fā)列車的行車組織方式。與正常情況下行車組織方式相比，可靠性與運(yùn)輸效率均有所下降。

常用的電話閉塞方式在空間間隔的劃分上為一站一區(qū)間、兩站兩區(qū)間或者多站多區(qū)間等［2］。列車占用區(qū)間的憑證為路票，司機(jī)移動(dòng)列車的依據(jù)為車站人員顯示的發(fā)車手信號(hào)，列車在區(qū)間完全依靠司機(jī)經(jīng)驗(yàn)與目視瞭望來(lái)進(jìn)行列車控制，司機(jī)在行車過(guò)程中需要遵守一定的運(yùn)行限速。這就是限速的手動(dòng)駕駛運(yùn)行方式，包括采用不受限制的人工模式（Unrestricted Manual，簡(jiǎn)為 URM ），限速60 km／h；采用限制人工駕駛模式 （Restricted Manual，簡(jiǎn)為RM），限速25 km／h等。在國(guó)內(nèi)城市中，目前北京地鐵、深圳地鐵、廣州地鐵等采用“一站一區(qū)間”的運(yùn)行間隔模式；南京地鐵、沈陽(yáng)地鐵、西安地鐵等采用“兩站兩區(qū)間”的運(yùn)行間隔模式［3］。

此種方式是在沒(méi)有機(jī)械、電氣設(shè)備控制的條件下，僅憑站間行車電話聯(lián)系來(lái)保證列車行車間隔。由于該種方法安全程度較低，列車發(fā)車間隔較大，運(yùn)輸能力較正常運(yùn)營(yíng)明顯下降。采用電話閉塞法時(shí)列車追蹤間隔通常在10 min左右［4］，而在正常運(yùn)營(yíng)條件下采用自動(dòng)閉塞時(shí)列車追蹤間隔為2 min左右，運(yùn)輸能力下降33%以上。因此，本文提出一種基于列車測(cè)距的追蹤預(yù)警設(shè)備，是對(duì)目前城市軌道交通在非正常情況下行車組織方式（電話閉塞法）的一種改進(jìn)方案。

2 追蹤預(yù)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在非正常情況下，司機(jī)作為直接操控列車運(yùn)行的人員，成為了控制前后列車之間車距的最直接影響者。而如何在非正常情況下讓司機(jī)知曉前后列車之間的距離就顯得尤為重要，所以需要另外一套不依賴現(xiàn)有城市軌道交通設(shè)備的給司機(jī)提示前后列車之間距離的設(shè)備。于是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)前后列車之間的距離測(cè)量就成為了非正常情況下輔助安全防護(hù)的關(guān)鍵所在。

2.1 系統(tǒng)工作原理

采用射頻探測(cè)技術(shù)中的擴(kuò)頻通信測(cè)距技術(shù)完成前后列車之間的車距測(cè)量，使得后方列車的司機(jī)能夠知曉與前方列車之間的距離。測(cè)距示意圖如圖1所示。

圖1 追蹤預(yù)警系統(tǒng)測(cè)距示意圖

在列車兩端司機(jī)室各裝一套追蹤預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備。后車車頭向前車車尾發(fā)送用偽隨機(jī)序列對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制后的射頻呼叫信號(hào)，前車車尾收到后車呼叫信號(hào)后，進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)發(fā)；后車車頭設(shè)備接收到前車變頻轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)后，通過(guò)處理恢復(fù)出偽隨機(jī)序列。然后經(jīng)過(guò)相位調(diào)整，使本地參考的偽隨機(jī)序列同步跟蹤從接收到的射頻信號(hào)中恢復(fù)出來(lái)的偽隨機(jī)序列，從而得到兩偽隨機(jī)序列之間的相位差；由于所用偽隨機(jī)序列的周期是已知的，由此即可通過(guò)相位差乘以偽隨機(jī)序列周期獲得傳播延時(shí)（TDOA），再通過(guò)計(jì)算獲得車距。這就是利用擴(kuò)頻通信測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)前后列車之間車距測(cè)量的基本原理。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示［5］。

表1 追蹤預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

在城市軌道交通運(yùn)行組織中，列車運(yùn)行分為上行與下行兩個(gè)方向。一般情況下列車的運(yùn)行不會(huì)進(jìn)行掉頭的方式改變運(yùn)行方向，而是采用折返的方式。系統(tǒng)為了區(qū)分上下行，采用了上下行列車使用不同頻點(diǎn)的方式。系統(tǒng)運(yùn)行的示意圖如圖2所示。

圖2 追蹤預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

2.2 系統(tǒng)安全性與可靠性分析

故障導(dǎo)向安全是軌道交通信號(hào)的重要概念，即當(dāng)系統(tǒng)、設(shè)備以及元器件故障時(shí)，可能會(huì)造成安全側(cè)或危險(xiǎn)側(cè)兩種后果，如果故障后導(dǎo)向安全側(cè)的概率大于故障后導(dǎo)向危險(xiǎn)側(cè)的概率，就認(rèn)為該系統(tǒng)、設(shè)備以及元器件符合故障導(dǎo)向安全特性。故障導(dǎo)向安全原則是軌道交通信號(hào)必須貫徹的基本原則。

輔助防撞系統(tǒng)在軟硬件方面均按照上述原則進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括：輸入輸出接口采用高電位有效的故障導(dǎo)向安全技術(shù)；采用多輸入冗余以提高可靠性；采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)光電隔離，構(gòu)成動(dòng)態(tài)輸入輸出接口，提高系統(tǒng)對(duì)電磁干擾的抵抗性能。系統(tǒng)嵌入式設(shè)備具有自診斷程序，能夠進(jìn)行開(kāi)機(jī)自診斷、運(yùn)行實(shí)時(shí)自診斷等系統(tǒng)自我監(jiān)控與診斷功能，采用安全通信協(xié)議保障數(shù)據(jù)傳輸安全與可靠性，系統(tǒng)的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）達(dá)到2×105h以上。

3 電話閉塞法的改進(jìn)方法

在運(yùn)營(yíng)中增加追蹤預(yù)警設(shè)備之后，后車可以測(cè)量本車車頭與相鄰前車尾車的距離，因此列車司機(jī)可以獲知與前方相鄰列車尾部的距離（駕駛室顯示屏上有此數(shù)據(jù)）。與僅憑目視行車相比，此種方法獲得距離的準(zhǔn)確性得到大幅度增加。因此，基于追蹤預(yù)警設(shè)備，對(duì)此時(shí)電話閉塞行車方法進(jìn)行改進(jìn)，以提升運(yùn)能。

3.1 正常情況下列車追蹤行車

電話閉塞法以站間區(qū)間作為閉塞分區(qū)，行車間隔同使用自動(dòng)閉塞條件下的固定閉塞法較為類似。三顯示固定閉塞方式下列車的追蹤過(guò)程如圖3所示［6］。

圖3 三顯示自動(dòng)閉塞列車追蹤示意圖

列車間隔距離

其追蹤時(shí)間

式中：

0.06——單位換算為分鐘的系數(shù)；

v——列車平均速度，km／h；

l分——閉塞分區(qū)長(zhǎng)度，m；

l列——列車長(zhǎng)度，m。

因此，全線列車追蹤間隔

式中：

t折—列車折返時(shí)間；

ti—列車在區(qū)間i的運(yùn)行時(shí)間；

tstop，i—列車在i站的停站時(shí)間。

僅考慮正線運(yùn)營(yíng)，不考慮折返時(shí)，在安全范圍內(nèi)提高列車在區(qū)間運(yùn)行速度可以有效減小列車追蹤間隔［7］。

通常，考慮列車在目標(biāo)點(diǎn)停車的一次制動(dòng)控制曲線［8］以及列車間隔如圖4所示。

圖4 列車目標(biāo)點(diǎn)停車一次制動(dòng)控制曲線示意圖

設(shè)前行列車與后續(xù)列車的最小間隔距離為L(zhǎng)Z，后車的速度、加速度及空走時(shí)間分別為v2、β2、τ2，停車安全距離為L(zhǎng)s，則：

即，等價(jià)于：

式中：

Lτ2——后續(xù)列車在司機(jī)或者車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間τ2內(nèi)走過(guò)的距離，m；

Lβ2—后續(xù)列車的制動(dòng)距離，m。

追蹤時(shí)間間隔

從式（6）可以看出，后續(xù)列車的司機(jī)或者車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間τ2、列車制動(dòng)減速度β2通常為列車固有參數(shù)，隨列車型號(hào)而確定。列車長(zhǎng)度l列一般在列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變化。停車安全距離Ls雖然隨線路條件不同而變化，但是一般對(duì)于同一條線路通常為定值。因此，列車運(yùn)行追蹤速度對(duì)最小追蹤時(shí)間有著較大影響。

根據(jù)追蹤時(shí)間間隔函數(shù)，追蹤時(shí)間間隔滿足：

而在人工駕駛情況下，司機(jī)依靠視覺(jué)感知前車尾部距離，因此還要求追蹤距離與能夠感知的前后車最大車距滿足如下關(guān)系：

即：

式中，Le為感知距離，其余參數(shù)同上。易知：

追蹤間隔

隨著感知距離Le的增大，追蹤間隔t隨之減小。

3.2 基于追蹤預(yù)警設(shè)備的電話閉塞法

根據(jù)實(shí)際情況，取參數(shù)：β2＝0.8 m／s2，τ2＝1.2 s，Ls＝30 m。上海軌道交通在采用電話閉塞時(shí)候，采用目視距離Le＝300 m 時(shí)，得到列車運(yùn)行允許最大速度為v2＝11.320 m／s≈40 km／h。

采用追蹤預(yù)警設(shè)備，司機(jī)可以通過(guò)設(shè)備顯示屏獲得本車與前車尾部距離，等價(jià)于上式中增加了司機(jī)行車的感知距離Le。以設(shè)備測(cè)量距離600 m 計(jì)算，司機(jī)需要采取制動(dòng)的距離為L(zhǎng)e＝600 m，得到列車運(yùn)行允許最大速度為v2＝16.666 m／s≈60 km／h。

3.3 算例驗(yàn)證

算例采用上海軌道交通7號(hào)線實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行。該線從寶山區(qū)美蘭湖站至浦東新區(qū)花木路站，線路全長(zhǎng)約44.35 km，共有33 座車站。線路坡度－28‰～29‰，變化范圍大；最小曲線半徑350 m。該線目前采用6節(jié)A 型車編組。

算例采用“一站一區(qū)間”行車組織方法。改進(jìn)前，電話閉塞行車組織方法按照RM 模式行車速度，根據(jù)《上海地鐵電話閉塞法（1.0版）》［9］規(guī)定目視行車運(yùn)行限速為40 km／h。列車停站時(shí)間由①列車到站，匯報(bào)列車位置（1 min）；②列車開(kāi)門上下客：（2 min）；③列車關(guān)門，請(qǐng)求發(fā)車許可：2（min）；④列車發(fā)車：（1 min）共4個(gè)部分組成，最小理論停站時(shí)間＝6 min。考慮在非正常情況下的突發(fā)情況，部分時(shí)間可能會(huì)有所延遲，故在計(jì)算過(guò)程中設(shè)定列車停站時(shí)間為8 min。

改進(jìn)后電話閉塞法根據(jù)計(jì)算改進(jìn)后采用限速為60 km／h運(yùn)行，其余線路條件、列車參數(shù)、停站時(shí)間等參數(shù)與改進(jìn)前電話閉塞法相同。改進(jìn)前后電話閉塞法牽引計(jì)算結(jié)果如表2所示。圖5是該線部分區(qū)段的仿真結(jié)果。

圖5 列車速度－距離曲線圖

從表2易知，全線最長(zhǎng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)分在潘廣路站至羅南新村站之間，全線追蹤間隔瓶頸也是在此區(qū)間內(nèi)。當(dāng)采用追蹤預(yù)警設(shè)備，提高了使用電話閉塞法組織行車的車速，可以減少追蹤間隔108 s，運(yùn)能提升13.33%。

4 結(jié)語(yǔ)

電話閉塞法依靠運(yùn)營(yíng)人員人工監(jiān)督系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)輸系統(tǒng)能力與可靠性大幅度下降。本文在列車ATP切除狀態(tài)下使用追蹤預(yù)警設(shè)備提升列車能夠感知前車的距離，從而提升列車在區(qū)間運(yùn)行速度，在一定的 安全條件與可靠性下，提升了系統(tǒng)的運(yùn)輸效率。

表2 上海軌道交通7號(hào)線改進(jìn)前后電話閉塞法牽引計(jì)算結(jié)果

［1］地鐵10號(hào)線“9·27”事故調(diào)查組·地鐵10號(hào)線“9·27”事故調(diào)查報(bào)告［R］.上海：上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，2011.

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