鄧 潔

在城市軌道交通信號系統(tǒng)中，列車在最不利條件下的可保證緊急制動率（Guaranteed Emergency Brake Rate， GEBR）作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心參數(shù)，直接影響了列車在緊急制動情況下的制動距離與制動時間，是安全間隔防護(hù)和安全速度防護(hù)的基礎(chǔ)［1］。但是在項(xiàng)目實(shí)踐中，這一參數(shù)的確定往往存在著技術(shù)與管理上的多重困難。本文從研究這些困難出發(fā)，通過分析當(dāng)前項(xiàng)目實(shí)踐以及關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種GEBR 值確定的過程方法，一方面可實(shí)現(xiàn)對早期設(shè)計(jì)階段GEBR 估算值的驗(yàn)證和確認(rèn)，另一方面利用該方法可以在多條線路積累證據(jù)，指導(dǎo)后續(xù)項(xiàng)目執(zhí)行初期GEBR 值的確定。

1 GEBR的定義

在IEEE 1474.1 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全制動模型，是線路閉塞設(shè)計(jì)和列車自動防護(hù)（Automatic Train Protection， ATP）功能實(shí)現(xiàn)的核心。安全制動模型按照最不利條件假設(shè)，將列車實(shí)施緊急制動的過程分成 A 至 E 的 5 個階段［2］，分別為：車載ATP 反應(yīng)階段（A）、緊急制動觸發(fā)后牽引切除階段（B）、施加緊急制動所需的額外時間（C）、緊急制動建立階段（D）以及在可保證緊急制動率下的緊急制動階段（E）。再加上實(shí)施之前的系統(tǒng)延遲反應(yīng)階段，共6 個階段。CBTC 系統(tǒng)列車安全制動模型見圖1。安全制動模型的6 個階段決定了最不利條件下列車的制動距離。其中的E階段是整個制動過程的主要階段，列車以恒定的GEBR 減速度制動至停車（實(shí)際的制動過程是非線性的，此處為簡化考慮）。列車施加緊急制動時刻的初速度越高，E 階段持續(xù)的時間就越長，同時GEBR 值也決定了E階段持續(xù)的時間以及相應(yīng)的列車制動距離。

圖1 CBTC系統(tǒng)列車安全制動模型

對于GEBR 值的確定，IEEE 1474.1 標(biāo)準(zhǔn)中做出了如下規(guī)定：“GEBR 是指在一系列環(huán)境條件以及最差情況可能存在的潛在制動設(shè)備故障模式下，列車在平直軌道上所能達(dá)到的最低緊急制動率，其中制動設(shè)備故障模式在特定應(yīng)用中是能夠預(yù)期存在的。GEBR應(yīng)由有裁定權(quán)的權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定，其值應(yīng)包含對最大載客重量（加上冰雪負(fù)載）、最小預(yù)期的粘著等級和最大設(shè)計(jì)尾風(fēng)的考慮?！憋@然，GEBR值需要根據(jù)具體線路和車輛的條件由權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行確定。

在具體項(xiàng)目執(zhí)行過程中，GEBR 值作為CBTC信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)輸入，應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的早期提供。然而，從多年的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)來看，GEBR 值的確定一直都是項(xiàng)目執(zhí)行早期最困難的任務(wù)之一，其主要原因是這一參數(shù)涉及到列車運(yùn)營安全責(zé)任，確定該參數(shù)又需要考慮多重最不利條件，不確定因素多，預(yù)期最小粘著條件的設(shè)定尤其困難，相關(guān)各方難以就系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的GEBR 值順利達(dá)成共識。

2 確定GEBR值的困難

確定GEBR 值既有技術(shù)上的困難也有管理上的困難。

2.1 技術(shù)方面

制動力，尤其是緊急制動，產(chǎn)生于閘瓦制動。制動缸的空氣壓力通過基礎(chǔ)制動裝置的傳遞和擴(kuò)大，使閘瓦以大小為K的壓力作用于滾動的車輪踏面，引起與車輪回轉(zhuǎn)方向相反的摩擦力K·φ（其中φ為閘瓦摩擦系數(shù)）。列車制動力是由輪瓦間摩擦力引起的鋼軌對車輪的縱向水平反作用力B，見圖2。為了保證正常的制動過程，反作用力B的大小不應(yīng)超過輪軌間粘著力A＝q·μ（其中，q為垂直載荷，μ為粘著系數(shù)）［3］，即

圖2 閘瓦制動力的形成示意

一旦制動力超過粘著力，輪軌間將會出現(xiàn)相對滑動，輪對被抱死，車輪的靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動摩擦力，車輛發(fā)生打滑，其制動力將會減小，相應(yīng)的列車制動率降低。

粘著系數(shù)作為列車制動設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，其取值直接影響了列車的制動性能?？紤]制動效率和系統(tǒng)性能，一般地鐵項(xiàng)目中要求達(dá)到的緊急制動平均減速度不小于1.2 m/s2（合同要求）。要達(dá)到這一設(shè)計(jì)值，所需的制動粘著系數(shù)不能低于0.14［4］。制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于這一前提條件，列車運(yùn)行過程中通過控制制動力的上邊界不超過粘著力來防止打滑。但實(shí)際粘著是動態(tài)變化的，導(dǎo)致輪軌粘著系數(shù)降低的環(huán)境因素很多，包括天氣情況（雨、雪、冰、霜）引起的軌面狀況變化、軌面油污、落葉等，具有相當(dāng)?shù)碾S機(jī)性與離散性［5］。當(dāng)車輛暴露在上述環(huán)境中時，其實(shí)際輪軌粘著將會顯著降低。當(dāng)實(shí)際粘著系數(shù)小于制動所需要的計(jì)算粘著時，車輛發(fā)生打滑，制動系統(tǒng)的防滑功能將會介入。一旦介入，防滑功能會逐漸減少列車的制動力，直到制動力合力小于等于粘著力，恢復(fù)輪軌間的粘著狀態(tài)為止。在這一過程中，列車的制動距離和最小緊急制動率無法達(dá)到計(jì)算預(yù)期要求，因此無法保證列車在正常制動距離內(nèi)停車。

許多線路都發(fā)生過地鐵列車打滑的危害。例如，在南京某項(xiàng)目正線信號動車調(diào)試過程中，列車由于超速引起ATP系統(tǒng)施加緊急制動，以77 km/h的初始速度開始緊急制動。此時在小雨天氣的作用下，輪軌粘著性變差，列車出現(xiàn)嚴(yán)重打滑，防滑功能介入，導(dǎo)致最終列車的制動距離達(dá)到654.94 m，平均緊急制動率僅為0.349 m/s2。這一實(shí)際值遠(yuǎn)低于此前車輛信號接口會上所確定的可保證緊急制動率（干軌為1.09 m/s2，濕軌為0.85 m/s2）［6］。

可見，在GEBR 值確定時，非濕滑軌道環(huán)境下的GEBR 是相對易得和能夠保證的，但濕滑軌道環(huán)境下的GEBR 考慮到制動粘著下降、制動力不足等客觀因素，難以確認(rèn)并在實(shí)際應(yīng)用中保證，這是確定一個可用、可信的GEBR 值所面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)和風(fēng)險。

2.2 管理方面

雖然在IEEE 1474.1 標(biāo)準(zhǔn)中提到：“GEBR 值的確定需要根據(jù)具體線路和車輛的條件由權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行確定?！比欢瑢τ跈?quán)威機(jī)構(gòu)由哪些主體擔(dān)任，需要具備怎樣的能力和資質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確定義。國外的軌道交通實(shí)踐中有過先例，在1993 年，美國舊金山城市鐵路（MUNI）組建的一個獨(dú)立安全咨詢委員會曾對其運(yùn)營的輕軌列車的GEBR 值的取值2.5 mphps（約1.12 m/s2）提出質(zhì)疑，并領(lǐng)導(dǎo)包括制動系統(tǒng)、車輛集成商、信號系統(tǒng)等相關(guān)組織的專家展開調(diào)查與分析，最終驗(yàn)證了該緊急制動率的計(jì)算是安全的［7］。

但是，在國內(nèi)城市軌道交通的項(xiàng)目實(shí)踐中，事實(shí)上并沒有這樣的專門部門或組織來行使這一職能。軌道交通車輛設(shè)計(jì)中并沒有最不利條件下保證緊急制動率的概念，其制動率要求基于干燥、清潔、平直的軌道進(jìn)行計(jì)算［7］。而IEEE 1474.1標(biāo)準(zhǔn)為CBTC 標(biāo)準(zhǔn)，僅規(guī)定了信號專業(yè)如何使用這一參數(shù)，一般對于車輛專業(yè)和軌道維護(hù)專業(yè)的約束力較弱。標(biāo)準(zhǔn)適用性上的不對等，責(zé)任主體不明確，導(dǎo)致最后標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)和執(zhí)行上的困難。

3 當(dāng)前項(xiàng)目實(shí)踐

國內(nèi)CBTC 項(xiàng)目中，一般由車輛和制動供應(yīng)商依據(jù)最低給定的輪軌粘著系數(shù)計(jì)算最小緊急制動率，計(jì)算中考慮最大載重、丟失一節(jié)車的制動或2 個轉(zhuǎn)向架的制動的最差條件。某城市地鐵線路車輛制動供應(yīng)商在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期提供的GEBR 值見表1。由于沒有一個按IEEE 1474.1 所規(guī)定的權(quán)威機(jī)構(gòu)，車輛制動供應(yīng)商依據(jù)牽引計(jì)算的粘著系數(shù)以及按運(yùn)營規(guī)程允許丟失一個車的制動力時的處理規(guī)定，基于車輛、信號和地鐵業(yè)主三方同意的計(jì)算假設(shè)條件得出計(jì)算數(shù)據(jù)，由三方確認(rèn)后簽訂。

表1 某線路GEBR值示例

在該線路的ATP 功能測試過程中，列車以ATP模式由人工駕駛在接近站臺停車點(diǎn)時采用最大常用制動停車，此時由于車速很低（小于5 km/h），列車制動系統(tǒng)已完成電空轉(zhuǎn)換，采用與緊急制動機(jī)制一致的空氣制動，瞬時最大常用制動率與GEBR制動率接近。列車制動過程中的加速度及速度變化見圖3。圖中的時間單位為該CBTC 系統(tǒng)車載控制器的采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)周期為70 ms。由位移、速度和加速度數(shù)據(jù)可以反推出發(fā)生了微量的打滑情況。以此推斷，實(shí)際的緊急制動過程中存在潛在的微量打滑情況，在使用GEBR 值進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)時必須考慮一定的安全余量。

圖3 某線路列車制動過程中的加速度及速度變化示例

為此，在CBTC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，對于車輛和制動供應(yīng)商提供的GEBR 值的使用，一般都需要乘以一個安全折算系數(shù)，以補(bǔ)償前述的微量打滑、車輛計(jì)算中未考慮的尾風(fēng)等因素。對于多數(shù)線路，尤其是南方的線路而言，冰雪重量在實(shí)踐中一般不疊加。但對于一些北方線路，且有露天線路例如地面高架存車線、試車線等特殊路段有長期停車需求的情況，冰雪重量應(yīng)予以考慮。

4 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定

4.1 IEEE 1698標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

在IEEE 1698 標(biāo)準(zhǔn)中，也定義了一個制動模型［8］，這個制動模型主要針對的是安全制動系統(tǒng)的制動過程，如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)明確了CBTC 的應(yīng)用場景，因此可以直接對應(yīng)到IEEE 1474.1的安全制動模型。

圖4 IEEE 1698—2009中的制動模型

表2將IEEE 1474.1標(biāo)準(zhǔn)與IEEE 1698標(biāo)準(zhǔn)中的制動模型各階段進(jìn)行了對比。對應(yīng)于IEEE 1474.1的安全制動模型E階段，在IEEE 1698中是I階段制動距離。I階段執(zhí)行的制動距離是在H階段以最小制動率制動的距離基礎(chǔ)上增加一個安全因子得到。標(biāo)準(zhǔn)中推薦的典型因子為35%，即增加35%的制動距離。安全因子中考慮了對粘著等級、故障制動單元百分比、運(yùn)營規(guī)程和列車控制流程、設(shè)備（例如制動系統(tǒng)）容忍度、空轉(zhuǎn)打滑防護(hù)系統(tǒng)各個因素的組合影響。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用概率的方法來評估這些因素組合凈效果，以確定合適的安全因子，避免過于保守而不實(shí)用的安全因子。例如，在美國舊金山城市鐵路（MUNI）安全咨詢委員會的調(diào)查分析中，基于其運(yùn)營車輛制動系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)與維護(hù)數(shù)據(jù)，應(yīng)用故障樹分析法，計(jì)算出不同緊急制動失效場景（由不同的制動系統(tǒng)部件失效形成的組合）的發(fā)生概率及其對應(yīng)的可保證緊急制動率［5］。

表2 IEEE 1474.1—2004與IEEE 1698—2009標(biāo)準(zhǔn)制動模型對比

H階段的最小制動率按照實(shí)驗(yàn)即經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法獲取。標(biāo)準(zhǔn)建議采用車隊(duì)中最差工況的列車在干燥平直軌上進(jìn)行測試，乘客重量通過合適的載荷來模擬。實(shí)驗(yàn)中列車以不同速度通過固定點(diǎn)施加緊急制動，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)：列車速度、加速度/減速度、制動管壓力、制動缸壓力、控制網(wǎng)絡(luò)延時、制動距離、機(jī)車信號、時間日期等。

4.2 國家鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

按照《列車牽引計(jì)算第1部分：機(jī)車牽引式列車》（TB/T 1407.1—2018）［9］中的規(guī)定，在機(jī)車車輛速度≤160 km/h 條件下，制動粘著系數(shù)的計(jì)算公式為

式中，μz-d、μz-w、μz-a分別為干燥軌面、潮濕軌面下未使用防滑裝置及潮濕軌面下使用防滑裝置三種情況下的制動粘著系數(shù)，v為列車速度。

從以上3 個公式可以看出，制動粘著與車速成反比，例如速度為160 km/h 時，干軌的粘著系數(shù)為0.17，濕軌未使用防滑裝置的粘著系數(shù)為0.15，而當(dāng)速度降為20 km/h 時，干軌的粘著系數(shù)為0.23，濕軌未使用防滑裝置的粘著系數(shù)為0.2。

因此，在實(shí)際測試過程中，按不同初始速度對最小緊急制動率進(jìn)行觀察是必要的，以此獲得的數(shù)據(jù)可以靈活應(yīng)用以適應(yīng)不同限速路段的設(shè)計(jì)要求。

5 GEBR值確定的過程方法

結(jié)合上述的項(xiàng)目實(shí)踐、IEEE 1698 標(biāo)準(zhǔn)以及TB/T 1407.1—2018 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，本文提出按以下的過程確定經(jīng)驗(yàn)GEBR值。

1） 按照IEEE 1698 標(biāo)準(zhǔn)中確定H 階段最小制動率的方法，在線路選取幾個平直路段，至少包括隧道和露天線路，使用不同車輪磨損狀態(tài)的列車進(jìn)行測試并收集數(shù)據(jù)。若線路有不同編組列車，也需要對不同編組列車進(jìn)行單獨(dú)測試。平直路段條件不足時，可以考慮有坡道直線路段，在進(jìn)行制動率計(jì)算時補(bǔ)償坡道影響。

2） 對切除一定比例制動單元的列車重復(fù)上述測試，收集數(shù)據(jù)。

3） 按當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，在不同的天氣條件下重復(fù)進(jìn)行上述測試。

4） 對于不同限速路段可以重復(fù)上述測試，以確定不同限速路段的GEBR值。

5） 日常運(yùn)營中收集載重、乘客分布、車輛設(shè)備狀態(tài)、緊急制動等數(shù)據(jù)，并對發(fā)生打滑的路段進(jìn)行標(biāo)記，由司乘人員記錄發(fā)生打滑后緊急制動停車的標(biāo)記位置，可按100 m間隔標(biāo)記位置。

6） 對于有長期在露天停車線停車的北方地區(qū)線路，增加冰雪重量的影響。

7） 結(jié)合IEEE 1698推薦的35%安全因子，將過程1至4獲得的制動距離數(shù)據(jù)與過程5獲取的制動距離進(jìn)行計(jì)算比較，考慮CBTC系統(tǒng)和車輛制動系統(tǒng)響應(yīng)延時及設(shè)計(jì)原則，確定折算后的經(jīng)驗(yàn)GEBR值。

按以上步驟獲得的經(jīng)驗(yàn)GEBR 值可以對項(xiàng)目建設(shè)期確定的設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，確保運(yùn)營安全。以上步驟可以納入到日常運(yùn)營管理規(guī)程中，對GEBR 值進(jìn)行維護(hù)監(jiān)督管理。若在運(yùn)營后發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)GEBR 值小于設(shè)計(jì)值，應(yīng)及時采取安全限制措施并進(jìn)行系統(tǒng)升級糾正。同時多條運(yùn)營線路通過多年的數(shù)據(jù)積累可以為新建線路提供GEBR值參考，在項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施初期就能按照一個比較可信的經(jīng)驗(yàn)GEBR 值進(jìn)行信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而提升設(shè)計(jì)規(guī)范性和效率。

對于某一新建或改造線路項(xiàng)目、線路增車項(xiàng)目等需要確定GEBR 值的情況，以上的過程方法可以歸納為圖5的流程。

圖5 GEBR值確定流程

上述過程方法基于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，結(jié)合預(yù)設(shè)最不利條件下的緊急制動率計(jì)算，是更為合理、可操作性強(qiáng)的方法，易于標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)和項(xiàng)目執(zhí)行。

6 總結(jié)

城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，可保證緊急制動率GEBR 歷來都是需要反復(fù)討論才能給出的一個關(guān)鍵安全參數(shù)。由于制動力的產(chǎn)生受到許多環(huán)境因素的影響，而且各種因素都存在較大的非線性和隨機(jī)性特點(diǎn)，難以完全依靠計(jì)算獲得，因此基于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集，再采用概率估計(jì)的方法對最差條件下的緊急制動率進(jìn)行測算，能夠避免采用過于保守的計(jì)算值，從而降低對系統(tǒng)效率的影響。本文在研究相關(guān)項(xiàng)目實(shí)踐以及國內(nèi)和國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了確定GEBR 值的過程方法，適用于不同類型的工程應(yīng)用，而且由于是基于大量工程實(shí)踐的方法，因此由此確定的GEBR 可信度高。不同于傳統(tǒng)的全線單一GEBR 值設(shè)計(jì)方法，本文給出的方法也能夠用于CBTC 系統(tǒng)的完善，實(shí)現(xiàn)在不同限速（包括臨時限速）路段采用不同GEBR值，以達(dá)到進(jìn)一步提高CBTC 系統(tǒng)的智能化程度、改善系統(tǒng)運(yùn)行性能和安全性的目的［10］。