王延峰 謝澤會(huì)

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院, 450002, 鄭州)

隨著城市交通運(yùn)行需求不斷提高,CBTC(基于通信的列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)逐步從以地面為中心的控制模式向以列車為中心的列車控制模式轉(zhuǎn)變。目前,法國阿爾斯通公司提出的下一代CBTC解決方案Urbalis Fluence,能克服現(xiàn)有基于地面無線通信的列車控制系統(tǒng)之局限性,可將列車間隔縮短到60 s[1]。我國的交控科技股份有限公司[2]、中國中車股份有限公司[3]、中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司[4-5]等科研企業(yè)對(duì)列車自主控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)踐。列車自主控制系統(tǒng)成為我國城市軌道交通領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容之一[6]。

列車在接近或行駛到一個(gè)道岔區(qū)段時(shí),道岔的轉(zhuǎn)動(dòng)可能產(chǎn)生列車脫軌等風(fēng)險(xiǎn)事故。CBTC系統(tǒng)對(duì)道岔的操作控制由安全完整性等級(jí)為SIL4級(jí)的聯(lián)鎖系統(tǒng)完成。聯(lián)鎖系統(tǒng)在辦理進(jìn)路過程中,對(duì)道岔區(qū)段須采用嚴(yán)苛的檢查、邏輯判斷和鎖閉等一系列復(fù)雜的安全控制程序,存在對(duì)道岔區(qū)段資源分配效率不高的現(xiàn)象。列車自主控制系統(tǒng)取消了地面聯(lián)鎖系統(tǒng),使列車自主控制系統(tǒng)成為道岔的控制主動(dòng)發(fā)起者。合理劃分道岔區(qū)段和安全高效地控制道岔轉(zhuǎn)動(dòng)成為列車自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

本文對(duì)以列車自主控制系統(tǒng)為對(duì)象,根據(jù)道岔轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)和需求,定義道岔安全區(qū)域,采用新的道岔區(qū)段控制算法,在保證列車安全通過前提下進(jìn)一步提升道岔區(qū)段通行效率。

1 列車自主控制系統(tǒng)的架構(gòu)

列車自主控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以列車為中心,由列車在行駛過程自主控制所需的進(jìn)路資源,如軌道區(qū)段和道岔區(qū)段,系統(tǒng)架構(gòu)圖車載系統(tǒng)包括OR(車載天線)、ATP(列車自動(dòng)保護(hù))子系統(tǒng)、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)子系統(tǒng)、里程計(jì)和應(yīng)答器;地面系統(tǒng)包括RM(資源控制器)和軌旁設(shè)備。各部分功能如表1所示。

圖1 列車自主控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖

表1 列車自主控制系統(tǒng)的組成及功能

2 道岔安全區(qū)域控制算法

2.1 道岔安全區(qū)域

CBTC系統(tǒng)中的道岔區(qū)段根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制需求,采用以地面為中心的安全防護(hù)邏輯,其劃分的道岔區(qū)段安全范圍過大。列車自主控制系統(tǒng)取消了地面安全防護(hù)系統(tǒng),將安全防護(hù)功能轉(zhuǎn)移到列車自主控制系統(tǒng),因此道岔區(qū)段可根據(jù)列車長度進(jìn)行精準(zhǔn)分割,將道岔轉(zhuǎn)動(dòng)部分減少至道岔安全區(qū)域。

將道岔SA(安全區(qū)域)作為RM中的一個(gè)信號(hào)量區(qū)域進(jìn)行管理,其長度控制為一列列車的長度,如圖2所示。其中,SA起點(diǎn)坐標(biāo)為PPB,終點(diǎn)坐標(biāo)為PRSFP和PNSFP(PRSFP和PNSFP處為警沖標(biāo)在兩邊鋼軌的投影垂直點(diǎn)),Dp為警沖標(biāo)距離軌道中心線距離。

注:DSL—道岔叉心到道岔區(qū)段絕緣節(jié)的長度;DFP—道岔叉心到PRSFP或PNSFP的長度;AFROG—道岔角度。

結(jié)合圖2可知:

(1)

式中:

DT——列車寬度;

DC、DD、DE——在道岔安全區(qū)域內(nèi)的前、后和側(cè)面的列車動(dòng)態(tài)輪廓界限值。

道岔安全區(qū)域長度可用PPB-PRSFP和PPB-PNSFP表示,即:

(2)

式中:

DSWA——道岔安全區(qū)域長度;

DTRW——軌道寬度。

2.2 道岔安全區(qū)域邏輯向量

道岔安全區(qū)域的邏輯向量由6個(gè)變量構(gòu)成,表示為[道岔 ID,參考TAG ID,道岔位置定/反位,道岔區(qū)域起始長度,道岔反位長度,道岔定位長度]。

不同道岔類型的道岔安全區(qū)域如圖3所示。圖3中,S、X、Y、Z為道岔的不同軌編號(hào),P1、P2為轉(zhuǎn)轍機(jī)編號(hào),TAG#M、TAG#K、TAG#N為道岔的不同接入點(diǎn),d1、d2、d3分別為道岔安全區(qū)域SA1的起始長度、道岔反位長度及道岔定位長度、d4、d5、d6分別為道岔安全區(qū)域SA2的起始長度、道岔反位長度及道岔定位長度。

a) 單動(dòng)道岔

以圖3 a)的單動(dòng)道岔為例,根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)P1的操作,可能產(chǎn)生S?P1?Y或S?P1?Z方向的進(jìn)路。S?P1?Y為道岔反位,S?P1?Z為道岔定位。由上文結(jié)合圖3 a)可知,SA1的邏輯模型表示為[P1,TAG #K,定位,d1,d2,d3]。道岔定位和反位的SA1分別定義為TAG#K?P1?TAG#N和TAG#K?P1?TAG#M。

圖3 b)為雙動(dòng)道岔。列車自主控制系統(tǒng)可對(duì)單個(gè)道岔進(jìn)行操作。SA2的邏輯模型表示為[P2,TAG#L,反位,d4,d5,d6]。道岔定位和反位的SA2分別定義為TAG#L?P2?TAG#U和TAG#L?P2?TAG#M。

2.3 道岔安全區(qū)域控制算法

圖4為交叉道岔區(qū)段列車自主控制系統(tǒng)在道岔安全區(qū)域的信息交互。圖4中,列車T1在站臺(tái)N出發(fā)后改變方向,準(zhǔn)備沿Z→P3→P4→S方向進(jìn)路運(yùn)行(P3、P4為轉(zhuǎn)轍機(jī)編號(hào)),T2在X→P1→P2→Y方向進(jìn)路運(yùn)行并準(zhǔn)備?？空九_(tái)M。圖4中列車自主控制系統(tǒng)的控制算法如下:

圖4 交叉道岔區(qū)段列車自主控制系統(tǒng)在道岔安全區(qū)域的信息交互

1) 列車T2檢查通過RM運(yùn)行X→P1→P2→Y路線所需的資源狀態(tài)。然后,鎖閉軌道區(qū)段O、Q、E和道岔安全區(qū)域SA1和SA2,并向轉(zhuǎn)轍機(jī)P1和P2發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)到反位的控制命令。

2) RM收到列車T2的操縱道岔指令,將轉(zhuǎn)轍機(jī)P1、P2轉(zhuǎn)動(dòng)到反位。

3) RM向列車T2發(fā)送轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換到位以及資源占用狀態(tài)。

4) 列車T2沿X→P1→P2→Y行駛。

5) 列車T1檢查通過RM運(yùn)行Z→P3→P4→S路線所需的資源狀態(tài)——道岔安全區(qū)域SA3及SA4,以及軌道區(qū)段R及C,并記錄在RM中。列車T1向RM發(fā)送轉(zhuǎn)轍機(jī)P3及P4轉(zhuǎn)動(dòng)到反位的操作命令。

6) RM接收列車T1的操作道岔指令,將轉(zhuǎn)轍機(jī)P3及P4轉(zhuǎn)動(dòng)到反位。

7) RM向列車T1發(fā)送道岔P3轉(zhuǎn)換完成信息及資源占用狀態(tài)信息。

8) 列車T1行駛到SA3的終點(diǎn),須等待列車T2解除軌道交叉區(qū)段Q的占用狀態(tài)。

9) 列車T1向RM查詢交叉區(qū)段Q狀態(tài)。

10) RM向列車T1發(fā)送軌道交叉區(qū)段Q資源占用狀態(tài)和安全狀態(tài)信息。

11) 列車T1通過交叉區(qū)段Q行駛到區(qū)段R。

3 列車自主控制系統(tǒng)的道岔區(qū)段場景

3.1 單開道岔運(yùn)行場景

列車T1和列車T2,以相同速度運(yùn)行到單開道岔區(qū)間后分離行駛。單開道岔區(qū)段運(yùn)行場景如圖5所示。列車T1和列車T2沿S→Y方向以最小間隔運(yùn)行。為了與CBTC系統(tǒng)比較控制算法的性能,假設(shè)CBTC和列車自主控制系統(tǒng)的列車具有相同控制參數(shù),以相同的最小間隔運(yùn)行。

注:DMSD—列車間最小距離;DTL—列車長度;DTRL—道岔區(qū)段長度;DTS—兩條軌道中心線的間距。

在CBTC系統(tǒng)控制的運(yùn)行場景下,從列車T1進(jìn)入道岔區(qū)段DTRL開始,直到列車T1尾部完全離開道岔區(qū)段,列車T2無法進(jìn)入道岔區(qū)段。當(dāng)列車T1完全出清道岔區(qū)段后,列車T2才可進(jìn)入道岔區(qū)段。

在列車自主控制系統(tǒng)控制的運(yùn)行場景下,列車T1進(jìn)入道岔安全區(qū)域SA1后,列車T2則無法使用資源道岔安全區(qū)域SA1。當(dāng)列車T1的尾部完全出清SA1后,列車T2才可進(jìn)入道岔安全區(qū)域SA1。由圖可知,列車自主控制系統(tǒng)控制資源單位——道岔安全區(qū)域SA1的范圍要小于CBTC系統(tǒng)聯(lián)鎖安全防護(hù)的道岔區(qū)段長度DTRL。

DMSD同列車T2的緊急制動(dòng)加速度aGT2相關(guān),可以表示為:

DMSD=[(vT2+ve+aT2teGEBR)2-(vT2+ve)2]/2aT2+

(vT2+ve+aT2teGEBR)2/2aGT2+DPU

(3)

式中:

vT2——列車T2當(dāng)前速度;

ve——車速傳感器的速度誤差;

aT2——列車T2的最大加速度;

teGEBR——GEBR(緊急制動(dòng)率)等效制動(dòng)的延遲輸出時(shí)間;

DPU——列車的不確定性距離。

在CBTC系統(tǒng)控制情況下,列車 T1和列車T2之間的安全距離DCBTC為列車T1尾部完全離開道岔區(qū)段時(shí)2列列車間距離最大值,即:

DCBTC=DMSD+DTL+DTRL-(vT2-ve)2/2aT2-[vT2-

ve-aFT2(DTRL+DTL)/(vT1-ve)]2/2aT2

(4)

式中:

vT1——列車T1當(dāng)前速度;

aFT2——列車T2的全制動(dòng)加速度。

在列車自主控制系統(tǒng)控制情況下,列車T1和T2的安全間隔DATCS表示為:

DATCS=DMSD+DTL+DSWA-(vT2-ve)2/2aT2-[vT2-

ve-aFT2(DTRL+DTL)/(vT1-ve)]2/2aT2

(5)

3.2 交叉道岔運(yùn)行場景

交叉道岔區(qū)段運(yùn)行場景如圖6所示。列車T1往Z→P3→P4→S方向行駛,列車T2行駛進(jìn)路為X→P1→P2→Y。

注:DPL—站臺(tái)長度;DX2P—安裝彎道到站臺(tái)的軌道段長度;DXM—彎道末端至末端的長度。

在CBTC系統(tǒng)控制的運(yùn)行場景中, 在列車T1的尾部完全離開長度為DTRL的道岔區(qū)段前,列車T2只能在道岔區(qū)段外的軌道區(qū)段等待。只有列車T1完全出清道岔區(qū)段后,列車T2才可進(jìn)入道岔區(qū)段,并最終?？吭谡九_(tái)M。列車T1行駛距離DeT1為:

DeT1=DPL+DX2P+2DXM+DCX

(6)

式中:

DCX——從P3到P4的對(duì)角線方向長度。

DCX和DXM分別表示為:

DCX=csc(AFROG)DTS

(7)

DXM=[DTRL-cos(AFROG)DCX]/2

(8)

列車T1的道岔通過時(shí)間teT1CBTC為:

(9)

式中:

aT1——列車T1的加速度。

列車T2行駛停靠到站臺(tái)M所需時(shí)間teT2CBTC為:

(10)

式中:

aT2——列車T2的加速度;

DaT2——列車T2的行駛里程;

adT2——列車T2的制動(dòng)加速度;

tthrow——道岔轉(zhuǎn)動(dòng)并鎖閉的時(shí)間。

列車自主控制系統(tǒng)控制過程如2.3節(jié)所述,列車T1進(jìn)路可以分為兩部分:從站臺(tái)N到道岔安全區(qū)段SA4的距離DeT1ATCS-1和經(jīng)過交叉段Q后到達(dá)終點(diǎn)S經(jīng)過的距離DeT1ATCS-2,分別表示為:

DeT1ATCS-1=DX2P+DXM+DSWA

(11)

DeT1ATCS-2=DB+DSWA+DXM+DTL

(12)

式中:

DB——軌道交叉段B的長度。

列車T1的道岔通過時(shí)間teT1ATCS可以表示為:

(13)

式中:

twait——列車T2完全通過軌道交叉段Q期間,列車T1在交匯區(qū)SA3末端等待的時(shí)間;

adT1——列車T1的制動(dòng)加速度。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 仿真參數(shù)

為了對(duì)比CBTC系統(tǒng)和列車自主控制系統(tǒng)在單開道岔區(qū)段和交叉道岔區(qū)段兩個(gè)場景的運(yùn)行性能,采用地鐵A型車規(guī)格[7]和9號(hào)道岔作為仿真對(duì)象,車輛和道岔仿真試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 車輛和道岔仿真試驗(yàn)參數(shù)

4.2 單開道岔運(yùn)行場景性能分析

對(duì)圖5中2列列車通過單開道岔的場景進(jìn)行仿真。在CBTC系統(tǒng)中,列車T1以最大速度通過道岔區(qū)段,列車T2須等待列車T1尾部完全出清道岔區(qū)段;而在列車自主控制系統(tǒng)中,列車T2只需在列車T1完全離開SA部分后即可繼續(xù)行駛。將列車T1和列車T2的安全間隔作為效率提升評(píng)價(jià)指標(biāo),列車自主控制系統(tǒng)在單開道岔區(qū)段運(yùn)行場景安全間隔提升效率如圖7所示。

圖7 列車自主控制系統(tǒng)在單開道岔區(qū)段運(yùn)行場景安全間隔提升效率

由圖7可知,安全間隔提升效率隨著列車緊急制動(dòng)加速度的增大而減小,而加速度對(duì)安全間隔提升效率影響較小。在列車常規(guī)參數(shù)下,自主控制系統(tǒng)相比CBTC系統(tǒng)的安全間隔提升效率都有所提升,最大提升74.5%。

4.3 交叉道岔運(yùn)行場景性能分析

對(duì)圖 6中2列列車通過交叉道岔的場景進(jìn)行仿真。將列車T1和列車T2從起始點(diǎn)出發(fā)到達(dá)目的點(diǎn)所需時(shí)間作為道岔通過時(shí)間提升效率評(píng)價(jià)指標(biāo),得到列車自主控制系統(tǒng)在交叉道岔區(qū)段運(yùn)行場景道岔通過時(shí)間的提升效率如圖8所示。通過圖8即可定量評(píng)估列車制動(dòng)加速度和加速度對(duì)道岔通過時(shí)間提升效率的影響。

圖8 列車自主控制系統(tǒng)在交叉道岔區(qū)段運(yùn)行場景效率提升率

由圖8可知,道岔通過時(shí)間的提升效率隨著列車加速度的增加而增長,而制動(dòng)加速度對(duì)道岔通過時(shí)間提升效率較小。在列車常規(guī)參數(shù)下,相比CBTC系統(tǒng),列車自主控制系統(tǒng)的道岔通過時(shí)間都有所提升,最大提升33.8%。

5 結(jié)語

為了安全高效的列車運(yùn)行,定義道岔安全區(qū)域?yàn)榱熊囎灾骺刂葡到y(tǒng)在道岔區(qū)段控制的資源,提出道岔控制算法,并在單開道岔區(qū)段和交叉道岔區(qū)段兩種常見的城市軌道交通運(yùn)營場景進(jìn)行了資源利用效率定量分析。

仿真結(jié)果證明,與現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)相比,列車自主控制系統(tǒng)的安全間隔和道岔通過時(shí)間效率有所提升。本研究可為列車自主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。在具體工程應(yīng)用過程中,應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性分析,實(shí)現(xiàn)效率安全可靠的提升。