唐世軍 徐 意 王 鯤

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，100081，北京∥第一作者，副研究員）

隨著城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)的快速發(fā)展，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)尤其是CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。這類系統(tǒng)有效地縮短了列車的追蹤間隔，提高了城市軌道交通的運(yùn)行效率。實(shí)現(xiàn)ATP（自動(dòng)列車防護(hù)）防護(hù)下的ATO（自動(dòng)列車運(yùn)行）自動(dòng)駕駛是CBTC系統(tǒng)的特點(diǎn)，如何在保證安全的前提下提高運(yùn)行效率是CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵問題之一。在CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了匹配超速防護(hù)與列車正常減速運(yùn)行之間的關(guān)系而引入保護(hù)區(qū)段機(jī)制。保護(hù)區(qū)段是為實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)、保證安全停車而延伸的閉塞區(qū)段［4］。CBTC系統(tǒng)中設(shè)置保護(hù)區(qū)段的目的是為了使列車在ATP防護(hù)下能夠盡量靠近預(yù)定停車點(diǎn)停車。過短的保護(hù)區(qū)段會(huì)導(dǎo)致ATO系統(tǒng)在制動(dòng)過程中觸發(fā)ATP保護(hù)速度曲線引起緊急制動(dòng)；過長(zhǎng)的保護(hù)區(qū)段則會(huì)影響車站道岔區(qū)和盡頭線的設(shè)計(jì)，使得運(yùn)營(yíng)效率降低，土建成本增加。在工程實(shí)施中，保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度是CBTC系統(tǒng)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。文獻(xiàn)［2］論述了保護(hù)區(qū)段的計(jì)算模型和設(shè)置原則，文獻(xiàn)［3］通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法確定保護(hù)區(qū)段的長(zhǎng)度。但是，在CBTC設(shè)計(jì)中存在模型構(gòu)建的差異，系統(tǒng)參數(shù)也不相同，對(duì)于ATP及ATO目標(biāo)速度曲線的計(jì)算公式也存在不同的簡(jiǎn)化方式，文獻(xiàn)中的既有方法在適用性方面存在局限性。本文通過計(jì)算機(jī)仿真的方法揭示保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度的變化規(guī)律，提出了一種確定保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度的方法。

1 問題描述

1.1 制動(dòng)距離模型

為了保證列車在最不利情況下的運(yùn)行安全，需要考慮列車施加緊急制動(dòng)停車過程中的各種最不利的情況。根據(jù)IEEE Std 1471.1—2004《基于通信的列車控制（CBTC）性能和功能需求》標(biāo)準(zhǔn)中典型安全制動(dòng)模型，對(duì)ATP緊急制動(dòng)停車過程的描述如圖1所示。

圖1描述了在最不利情況下，ATP實(shí)施緊急制動(dòng)停車過程的4個(gè)階段。T1為牽引切除延遲時(shí)間，T2為牽引切除到制動(dòng)施加的延遲時(shí)間，T3為制動(dòng)建立時(shí)間，T4為以最大制動(dòng)率減速到停車的時(shí)間；列車在各階段所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行距離分別為 S1、S2、S3、S4。

圖1 ATP緊急制動(dòng)停車過程示意圖

第一階段，列車速度的增加是考慮在最不利情況下，牽引力切除之前，車輛仍在執(zhí)行牽引命令，導(dǎo)致列車以最大故障加速度加速運(yùn)行；第二階段，牽引已經(jīng)切除，制動(dòng)尚未施加，在該階段，列車既沒有施加牽引也沒有實(shí)施制動(dòng)；第三階段，制動(dòng)力從無到有，直至增加到最大值，體現(xiàn)了車輛制動(dòng)力變化的特性；第四階段，列車以最大制動(dòng)減速度減速直至停車。

根據(jù)以上安全制動(dòng)距離模型，緊急制動(dòng)停車距離S通過公式（1）以積分方式進(jìn)行描述。

式（1）中，制動(dòng)過程中的速度變化通過公式（2）進(jìn)行描述。

式中：

a——列車在平直軌道上的制動(dòng)加速度；

MP——列車的靜態(tài)質(zhì)量；

M——列車的動(dòng)態(tài)或慣性質(zhì)量；

g——重力加速度；

i——列車質(zhì)心所在的坡度。

公式（1）和（2）同樣適用于ATO制動(dòng)停車過程，但是由于ATO速度控制的連續(xù)性，其制動(dòng)過程沒有前3個(gè)階段，只有第4個(gè)階段。從以上模型的公式描述可以看出，計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)滿足制動(dòng)停車距離求算的要求，只要仿真時(shí)采用的時(shí)間步長(zhǎng)足夠小，就可以滿足計(jì)算精度的要求?；谠撃Ｐ?，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真軟件，在仿真時(shí)根據(jù)設(shè)置的時(shí)間步長(zhǎng)，實(shí)時(shí)計(jì)算列車的加速度、速度、位移，并累計(jì)制動(dòng)距離，直至列車停車，從而得到要求的制動(dòng)停車距離。

1.2 制動(dòng)曲線特性

由于ATP安全制動(dòng)距離模型與ATO制動(dòng)模型在制動(dòng)輸出延時(shí)及制動(dòng)減速率方面存在差異，對(duì)于相同的目標(biāo)停車點(diǎn)，兩者的制動(dòng)觸發(fā)速度目標(biāo)距離曲線也存在差異，具體差異如圖2所示。

圖2 制動(dòng)觸發(fā)速度-目標(biāo)距離曲線

從圖2中可以看出：

（1）ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線的整體斜率大于ATO常用制動(dòng)曲線，原因是ATP緊急制動(dòng)恒定制動(dòng)率大于ATO常用制動(dòng)率。

（2）ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線在接近目標(biāo)點(diǎn)0的附近觸發(fā)速度會(huì)小于0，表明ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)速度在接近目標(biāo)點(diǎn)之前一段距離就降為0，原因是ATP超速防護(hù)機(jī)制為了抵消牽引切除階段及制動(dòng)施加階段在列車加速及可能下坡的影響下列車速度的上沖。

（3）ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線與ATO常用制動(dòng)曲線存在交點(diǎn)，原因是以上2條特性導(dǎo)致的結(jié)果。

基于以上特性，為了將ATO制動(dòng)曲線完全處于ATP制動(dòng)曲線的保護(hù)之下，或者避免ATO系統(tǒng)在正常制動(dòng)停車過程中觸發(fā)緊急制動(dòng)，必須要求這兩條曲線不能相交，因此要求在圖示方向上向右平移ATO制動(dòng)曲線，直至ATO制動(dòng)曲線完全處于ATP緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線之下。保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度必須至少大于該平移距離才能保證ATO運(yùn)行的效率。而該平移距離實(shí)際上是基于線路上某一目標(biāo)停車點(diǎn)的ATP緊急制動(dòng)停車距離與ATO常用制動(dòng)停車距離之差的最大值。

2 解決方案

2.1 仿真思路

對(duì)于線路的不同位置、不同的制動(dòng)觸發(fā)速度，由于牽引切除階段的車輛故障加速率不同，實(shí)施制動(dòng)直至停車過程列車途經(jīng)的線路狀況不同，導(dǎo)致ATP緊急制動(dòng)停車距離與ATO常用制動(dòng)停車距離也各不相同，所以對(duì)于保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度的要求也不相同。因此，考慮根據(jù)具體的線路參數(shù)、車輛參數(shù)及ATP/ATO模型利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算線路不同位置、不同速度下的保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度，然后取其最大值作為該線路特定條件下的保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度。基于這種思路進(jìn)行仿真軟件的設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證方法的可行性。

2.2 仿真軟件設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊。用于保存與運(yùn)行仿真相關(guān)的車站、線路、列車等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為其他模塊提供計(jì)算參數(shù)及基本信息。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表包括：①仿真參數(shù)表（包含列車參數(shù)、信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)、仿真參數(shù)）；②列車加速度性能參數(shù)表（包含不同速度下的故障加速度）；③坡度信息表（包含坡度值、坡度起終點(diǎn)）；⑤限速信息表（包含限速值、限速起終點(diǎn)）；⑥仿真結(jié)果存儲(chǔ)表（包含列車位置、速度、時(shí)間及制動(dòng)距離）。以上數(shù)據(jù)表構(gòu)成了仿真平臺(tái)運(yùn)算所需的所有基礎(chǔ)信息，并保存仿真計(jì)算結(jié)果。

（2）列車運(yùn)行仿真模塊。由ATP限速邏輯和ATO速度控制邏輯組成。作為運(yùn)行仿真的結(jié)果，該模塊可提供全線運(yùn)行時(shí)間、位置、速度等信息，產(chǎn)生列車運(yùn)行的位置速度曲線。

（3）制動(dòng)距離仿真計(jì)算模塊。根據(jù)ATP和ATO制動(dòng)模型，完成ATP及ATO制動(dòng)距離的計(jì)算。根據(jù)設(shè)置的距離步長(zhǎng)，對(duì)位置速度曲線上的每一點(diǎn)進(jìn)行ATP及ATO制動(dòng)距離的仿真計(jì)算，在對(duì)每一點(diǎn)進(jìn)行具體仿真時(shí)按設(shè)置的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算加速度、速度、位移，并累計(jì)制動(dòng)距離，直至列車停車。

（4）保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)模塊。根據(jù)制動(dòng)距離仿真計(jì)算模塊提供的ATO制動(dòng)距離、ATP制動(dòng)距離計(jì)算統(tǒng)計(jì)全線不同位置、不同速度等級(jí)下的保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度，并統(tǒng)計(jì)最大值作為線路的保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度參考值。

3 實(shí)例分析

以國(guó)內(nèi)2條地鐵線路的實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，其中線路A長(zhǎng)度為22.1 km，線路B長(zhǎng)度為45.3 km，最高限速設(shè)置都為85 km/h。利用開發(fā)的仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真，具體步驟如下：①完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置；②啟動(dòng)運(yùn)行仿真模塊進(jìn)行列車運(yùn)行仿真，仿真時(shí)從最高限速至25 km/h，按每隔10 km/h一檔進(jìn)行限速設(shè)置，目的是獲取不同速度工況下的運(yùn)行曲線；③啟動(dòng)制動(dòng)距離仿真計(jì)算模塊，按設(shè)定的距離步長(zhǎng)完成運(yùn)行曲線上每一點(diǎn)的ATP緊急制動(dòng)停車距離及ATO常用制動(dòng)停車距離的求算，并存入數(shù)據(jù)庫；④啟動(dòng)保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)模塊，完成全線保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)最大值。

兩條線路的仿真結(jié)果分別見表1。

另外，還通過設(shè)置不同的牽引切除延時(shí)參數(shù)進(jìn)行了仿真并統(tǒng)計(jì)了仿真結(jié)果，由于受篇幅所限文中沒有列出所有統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。總之，根據(jù)以上2條線路的仿真結(jié)果，分析總結(jié)如下：

表1 不同條件下線路A、B保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

（1）在其它參數(shù)相同的情況下，ATO制動(dòng)率（減速率）越大，保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度越大。原因是ATO制動(dòng)率越大，ATO制動(dòng)停車距離越小，ATP緊急制動(dòng)停車距離與ATO常用制動(dòng)停車距離之差越大。

（2）在其它參數(shù)相同的情況下，牽引切除延時(shí)越大，保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度越大。原因是牽引切除延時(shí)越大，ATP緊急制動(dòng)停車距離越大，ATP緊急制動(dòng)停車距離與ATO常用制動(dòng)停車距離之差越大。

（3）在其它參數(shù)相同的情況下，限速不同，保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度有差異。原因是不同限速設(shè)置導(dǎo)致列車的正常速度曲線不同，導(dǎo)致制動(dòng)觸發(fā)速度不同，從而牽引切除階段的車輛故障加速率不同；制動(dòng)過程不同，導(dǎo)致實(shí)施制動(dòng)直至停車過程列車途經(jīng)的線路坡度也不同，從而又影響到制動(dòng)停車距離。因此，導(dǎo)致保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度的差異，由于情況復(fù)雜且互相關(guān)聯(lián)，結(jié)果沒有明顯的規(guī)律性。

（4）在車輛及信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，不同線路保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度不同。原因是線路限速、坡度情況不同，制動(dòng)距離存在差異。

基于以上結(jié)果及分析可以得出以下結(jié)論：保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度的影響因素眾多，與ATO制動(dòng)率、牽引切除延時(shí)存在一定的相關(guān)性，但是與其它條件的相關(guān)性不明顯，沒有規(guī)律可循，很難推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型。因此，基于具體工程項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性仿真，根據(jù)仿真結(jié)果確定保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度是比較實(shí)際的方法。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高及并行計(jì)算的可行性，采用文中描述的計(jì)算機(jī)仿真的方法計(jì)算CBTC保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度，在時(shí)效上完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，能夠解決復(fù)雜情況下的參數(shù)估計(jì)問題，而避免采用基于假設(shè)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)可能帶來的系統(tǒng)性錯(cuò)誤或誤差。本文提到的仿真方法能夠針對(duì)具體線路計(jì)算不同技術(shù)參數(shù)下保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度，能夠評(píng)估信號(hào)及車輛相關(guān)性能參數(shù)對(duì)保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度的影響，為指導(dǎo)保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度相關(guān)的方案比選及工程設(shè)計(jì)提供了有效的手段。

［1］ 梁東升，徐意.CBTC列控方式下列車最小追蹤間隔分析及模擬算法的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011（4）：5.

［2］ 王繼男.CBTC系統(tǒng)保護(hù)區(qū)段設(shè)置的控制策略探討［J］.鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2014（8）：56.

［3］ 孟軍，尹遜政，李亮.CBTC系統(tǒng)中保護(hù)區(qū)段的計(jì)算與優(yōu)化［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2015（3）：50.

［4］ 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通用技術(shù)條件：GB/T12758—2004）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［5］ IEEE.IEEE Standard for Communications-Based Train Control（CBTC）Performance and Functional Requirements：IEEE Std 1474.1-2004［S］.New York：IEEE，2004.

（Continued from Commentary）

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In order to realize the goal of“a traffic-powerful country”，it is necessary to have the first-class innovative traffic professional talents.This would require us to establish a good traffic college in universities because it is the foundation and precondition of establishing a world's first-class traffic discipline and cultivating the first-rate traffic talents.The college management mainly embodies the high-level teaching quality，the teacher-team innovative quality and the college′s hardware conditions.

Traffic and transportation mainly includes 5 aspects of highways and city roads，railways，waterways，aviation and pipeline transportation，etc.Therefore，the domestic traffic and transportation specialty category mainly includes major specialty direction of highways，railways，aviation，waterways and so on.Traffic and transportation as a whole belongs to the Engineering Discipline category （Discipline Code：08）.According to the training goal of each specialty of traffic and transportation and the training emphases of each university and college，the other specialty categories that at present，the Traffic and Transportation Discipline category in our country contains and involves mainly have Civil Engineering （Discipline Code 0810），Water Conservancy（Discipline Code 0811），Machinery （Discipline Code：0802），etc.The specialties that the Traffic and Transportation Discipline category contains and involves mainly have Traffic and Transportation （Discipline Code：081801），Traffic Engineering（Discipline Code：081802），Traffic Equipment and Control Engineering （Discipline Code：081806T），Road-bridge and River-crossing Engineering（Discipline Code：081006T），Urban Underground Space Engineering（Discipline Code：081005 T），Port Waterway and Coastal Engineering （Discipline Code：081103），Civil Engineering （Discipline Code：081001） and so on.At present，China's universities and colleges generally adopt the specialty enrollment policy.College students would be trained by their specialty after 1 or 2 years′basic course study.

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