周 茂

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315000）

1 列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)即ATP （Auto matic Train Protection）系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可分為三大部分：第一部分是車(chē)載ATP速度監(jiān)督與控制，主要實(shí)現(xiàn)ATP曲線的生成，然后實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)速度的功能。第二部分是車(chē)載ATP對(duì)相關(guān)信息的采集 （列車(chē)參數(shù)、線路信息、ZC送來(lái)的信息等），主要為第一部分提供ATP曲線生成的重要信息。第三部分是軌旁ZC的信息采集和計(jì)算，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)相應(yīng)ZC所轄區(qū)域內(nèi)的列車(chē)位置、障礙物位置、臨時(shí)限速點(diǎn)、ATS控制中心的調(diào)度信息的采集，然后通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)傳送給第一部分，為ATP曲線生成提供重要依據(jù)，除此之外，軌旁還與ATS控制站通信反饋軌旁設(shè)備的狀態(tài)信息等。城市軌道交通ATP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ATP系統(tǒng)列車(chē)超速防護(hù)功能通過(guò)11大模塊協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)，各模塊功能如下：

（1） 列車(chē)定位與測(cè)速模塊 ；（2） 列車(chē)與線路模塊 ；（3）列車(chē)超速防護(hù)模塊；（4） 超速報(bào)警與記錄模塊；（5） 列車(chē)制動(dòng)模塊 ；（6） 列車(chē)跨區(qū)域運(yùn)行模塊 ；（7） 車(chē)地通信模塊 ；（8）設(shè)備控制與采集模塊；（9） 移動(dòng)授權(quán)生成模塊；（10） 相鄰ZC模塊 ；（11） 與ATS通信模塊。

1.2 ATP系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

ATP系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，才能完成保障列車(chē)安全運(yùn)行的各種具體功能，如列車(chē)曲線生成、列車(chē)超速防護(hù)等，其各模塊及模塊之間的數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 ATP系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

列車(chē)駛?cè)雲(yún)^(qū)間后，將會(huì)通過(guò)信標(biāo)處接收或者無(wú)線網(wǎng)接收到線路的靜態(tài)參數(shù)如： 線路坡度、 線路曲線、 道岔數(shù)量等，然后將線路參數(shù)和在車(chē)載數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元內(nèi)的列車(chē)參數(shù)發(fā)送到列車(chē)和線路參數(shù)處理模塊，進(jìn)行列車(chē)的注冊(cè)。

司機(jī)可以手動(dòng)切換列車(chē)的駕駛模式，并且將駕駛模式的信息發(fā)送給防護(hù)曲線生成的模塊。

軌旁ZC通過(guò)列車(chē)位置、距離、速度信息和ATS中心指令等信息計(jì)算出所轄區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)授權(quán)和臨時(shí)限速，發(fā)送到ATP防護(hù)曲線生成模塊。

在車(chē)載ATP收到以上信息后 （駕駛模式、移動(dòng)授權(quán)、臨時(shí)限速、線路參數(shù)、列車(chē)參數(shù)），將會(huì)計(jì)算出列車(chē)的ATP速度曲線，即最基礎(chǔ)速度限制、緊急制動(dòng)曲線、常用制動(dòng)曲線、常用制動(dòng)警告曲線。

在生成ATP速度曲線以后，車(chē)載ATP將會(huì)對(duì)列車(chē)速度和曲線速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督，一旦列車(chē)超速，將會(huì)報(bào)警進(jìn)行相應(yīng)的制動(dòng)，并且記錄。當(dāng)速度經(jīng)過(guò)制動(dòng)降低以后，才能根據(jù)各種制動(dòng)方式的要求進(jìn)行制動(dòng)的解除。當(dāng)列車(chē)超過(guò)常用制動(dòng)警告曲線或者常用制動(dòng)曲線后，啟動(dòng)相應(yīng)的制動(dòng)方式，在列車(chē)降速后不用停車(chē)便可解除制動(dòng)；但當(dāng)列車(chē)超過(guò)緊急制動(dòng)曲線以后，列車(chē)必須停下來(lái)才能解除制動(dòng)。

2 ATP曲線生成

2.1 ATP曲線確定的理論模型

在城市軌道交通CBTC系統(tǒng)中，ATP曲線的確定需要滿足以下要求：

（1） 列車(chē)速度必須低于線路限速 （與線路曲線、橋梁、隧道等有關(guān)）；

（2） 列車(chē)速度必須低于臨時(shí)限速；

（3） 列車(chē)速度必須低于列車(chē)構(gòu)造限制速度；

（4） 列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)，速度必須低于道岔允許通過(guò)的速度；

（5） 列車(chē)進(jìn)站或跳停時(shí)，速度必須低于站臺(tái)限速；

（6） 確保列車(chē)之間 （追蹤列車(chē)與前行列車(chē)） 的安全間隔，防止列車(chē)沖撞。

ATP曲線模型的曲線主要有：最基礎(chǔ)限速觸發(fā)曲線、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線、緊急制動(dòng)警告曲線。由這三大曲線模型對(duì)列車(chē)進(jìn)行超速防護(hù)，確保其運(yùn)行安全，其原理圖如圖3所示。

圖3 ATP曲線模型原理

2.2 ATP曲線計(jì)算模型

ATP速度曲線模型由最基礎(chǔ)限速曲線、緊急制動(dòng)曲線、緊急制動(dòng)警告曲線3部分組成，車(chē)載ATP實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)速度，再根據(jù)生成的ATP曲線進(jìn)行邏輯判斷，對(duì)列車(chē)實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)的功能。

2.2.1 保護(hù)距離

CBTC中，危險(xiǎn)點(diǎn)是前行列車(chē)的尾部，它是列車(chē)超過(guò)后可能發(fā)生危險(xiǎn)的點(diǎn)，因此，需要根據(jù)危險(xiǎn)點(diǎn)定義一個(gè)安全停車(chē)點(diǎn)，而安全停車(chē)點(diǎn)到危險(xiǎn)點(diǎn)之間的距離即是保護(hù)距離。保護(hù)距離的長(zhǎng)短是根據(jù)列車(chē)性能 （列車(chē)結(jié)構(gòu)、列車(chē)最高速度等）、線路參數(shù) （線路坡度、隧道、橋梁等）、列車(chē)運(yùn)行條件 （列車(chē)當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度等） 的不同而發(fā)生變化的。保護(hù)距離的確定根據(jù)：

式中：VB—保護(hù)距離處的列車(chē)速度 （m/s）；DB—保護(hù)段的長(zhǎng)度 （m）；ac—列車(chē)的當(dāng)前牽引加速度；由于本文考慮了線路參數(shù)，所以，af—當(dāng)前坡度加速度；i—當(dāng)前坡度值，上坡時(shí)為負(fù)，下坡時(shí)為正；r—最小旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

2.2.2 最基礎(chǔ)限速曲線

如果說(shuō)緊急制動(dòng)曲線、緊急制動(dòng)警告曲線是保證列車(chē)之間安全間隔運(yùn)行的限速曲線，那么最基礎(chǔ)限速曲線則是列車(chē)能在區(qū)段內(nèi)運(yùn)行的最根本條件，如果最基礎(chǔ)限速曲線都無(wú)法滿足，列車(chē)連運(yùn)行都無(wú)法進(jìn)行，所以，上述的2種曲線是在最基礎(chǔ)限速曲線防護(hù)以下確定的。最基礎(chǔ)限速曲線是根據(jù)列車(chē)所在軌道區(qū)段范圍內(nèi)提供的線路靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)、列車(chē)參數(shù)等信息所得出的線路的靜態(tài)限速、臨時(shí)限速 （ATS提供）、列車(chē)構(gòu)造最大允許運(yùn)行速度等速度限制的最小值。所以，這是列車(chē)運(yùn)行的最基礎(chǔ)前提，要想列車(chē)能運(yùn)行起來(lái)，必須首要保證列車(chē)在最基礎(chǔ)限速曲線下運(yùn)行。

（1） 模式限速是根據(jù)列車(chē)所處的駕駛模式?jīng)Q定的，駕駛模式包括BY （Bypass，旁路模式）、RM （Restricted Manual mode，限制人工駕駛模式）、ATPM （Manual mode with ATP，ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式）、AR （Auto matic Reversal，自動(dòng)折返）、ATO （Auto matic Train Operation mode，列車(chē)自動(dòng)駕駛模式）。

（2） 列車(chē)構(gòu)造最大允許速度由列車(chē)的結(jié)構(gòu)或性能決定。

（3） 線路的靜態(tài)限速與列車(chē)所在軌道區(qū)段的線路曲線、線路坡度、橋梁、隧道、道岔型號(hào)、站臺(tái)等多方面條件有關(guān)。

（4） 臨時(shí)限速是由ATS控制中心過(guò)ATS車(chē)站控制室的操作員設(shè)置的，一般是在線路進(jìn)行施工或者發(fā)生臨時(shí)事故、災(zāi)害時(shí)設(shè)置的。

（5） 根據(jù)上述的信息可以得到一條車(chē)長(zhǎng)校正以前的限速曲線，它是模式限速、列車(chē)構(gòu)造最大允許速度、線路靜態(tài)限速、臨時(shí)限速等曲線的最小值合成的，為了清楚顯示它與以上曲線的關(guān)系，將其向下進(jìn)行了平移。

（6） 列車(chē)車(chē)長(zhǎng)校正后曲線，是在列車(chē)車(chē)長(zhǎng)校正以前曲線的基礎(chǔ)上考慮了列車(chē)車(chē)長(zhǎng)生成的。當(dāng)列車(chē)從低限速區(qū)向高限速區(qū)行駛時(shí)，為了保證列車(chē)尾部能夠安全通過(guò)限速區(qū)，車(chē)載設(shè)備需要在低限速區(qū)末端補(bǔ)上一個(gè)車(chē)長(zhǎng)。

2.2.3 緊急制動(dòng)曲線

緊急制動(dòng)曲線是保證列車(chē)于安全停車(chē)點(diǎn)以前停車(chē)的最高級(jí)的限速曲線，如果觸發(fā)緊急制動(dòng)曲線，證明列車(chē)處于很危險(xiǎn)的境地，如果不馬上采取緊急制動(dòng)，發(fā)生事故的概率會(huì)很高，所以，需要?jiǎng)佑昧熊?chē)所有的制動(dòng)力，以使列車(chē)在最短時(shí)間內(nèi)降速，而且一旦進(jìn)行了緊急制動(dòng)，必須在列車(chē)停車(chē)后才能解除制動(dòng)。本文設(shè)計(jì)ATP緊急制動(dòng)曲線時(shí)，先設(shè)計(jì)了一條緊急制動(dòng)保證曲線，然后根據(jù)緊急制動(dòng)保證曲線在考慮到線路因素，ATP設(shè)備響應(yīng)延時(shí)等因素的情況下生成ATP緊急制動(dòng)曲線。緊急制動(dòng)曲線生成的計(jì)算公式：

式中：VEBG—緊急制動(dòng)保障曲線對(duì)應(yīng)的速度；DEBG—緊急制動(dòng)保障曲線對(duì)應(yīng)的距離。

得到VEBG和DEBG以后，VEBT緊急制動(dòng)曲線對(duì)應(yīng)的速度和DEBT緊急制動(dòng)曲線對(duì)應(yīng)的距離就能得出。

2.2.4 緊急制動(dòng)警告曲線

在ATP防護(hù)的人工駕駛模式下，牽引和制動(dòng)指令由駕駛員按照速度表上的目標(biāo)速度指示進(jìn)行控制，為防止緊急制動(dòng)，當(dāng)列車(chē)速度低于緊急制動(dòng)速度5 km/h時(shí)，人機(jī)界面上將顯示告警。由此，得出緊急制動(dòng)警告曲線，警告曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度均比緊急制動(dòng)曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)低5 km/h。

ATP曲線模型內(nèi)3種限速曲線共同協(xié)作對(duì)列車(chē)進(jìn)行超速防護(hù)，保障列車(chē)安全運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

ATP系統(tǒng)是CBTC的一個(gè)關(guān)鍵性子系統(tǒng)，它承擔(dān)著列車(chē)安全運(yùn)行的重要職責(zé) （列車(chē)狀態(tài)監(jiān)督、列車(chē)速度曲線生成與監(jiān)督、門(mén)監(jiān)督等）。ATP曲線的計(jì)算是實(shí)現(xiàn)列車(chē)自動(dòng)防護(hù)運(yùn)行的關(guān)鍵，本文對(duì)ATP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，提出ATP速度曲線計(jì)算模型，對(duì)ATP子系統(tǒng)的研究具有一定參考意義。