CTCS-3系統中ATP子系統的仿真研究

黃秀玲，朱文良，原 萍

(上海工程技術大學城市軌道交通學院)

1 CTCS-3系統中ATP車載子系統的防護原理

在CTCS-3級系統中無線閉塞中心(Radio Block Center，以下簡稱RBC)通過GSM-R無線通信系統將行車許可和限速信息發送給車載ATP子系統。ATP子系統首先根據接收到的行車許可信息，列車位置信息，限速信息等動態信息，以及列車制動性能信息、線路信息、列車構造速度信息等靜態數據計算列車運行的安全防護曲線，列車安全防護曲線一般包括:最大允許速度曲線、報警速度曲線、常用制動曲線、緊急制動曲線，允許緩解曲線。接著車載ATP系統根據接收到的列車位置信息、行車許可終點信息、當前運行速度信息等判斷列車當前運行是否安全:若根據當前的運行速度計算的制動距離大于行車許可的終點，則車載設備啟動緊急制動，使列車以最大的減速度停止，從而最大程度地減少事故的發生。然后根據車載ATP系統生成的防護曲線判斷列車是否超速運行:在正常情況下，列車按小于等于最大允許速度安全運行，此時ATP不輸出任何制動指令;當列車速度超過最大允許速度，并且超過報警速度值時，車載設備向司機發出報警，報警持續到實際速度低于允許速度后，再持續報警2S時間;當列車速度繼續超速，并且達到常用制動速度值時，車載設備實施常用制動直到實際速度低于緩解速度，由設備或司機選擇緩解常用制動;當列車因常用全制動失效或者前有突發事件使列車的行車許可縮短導致列車當前速度超出緊急制動曲線，車載設備實施緊急制動，此時必須待列車停穩后司機才能實施緩解緊急制動操作。

2 CTCS-3系統中ATP子系統的相關規定

在300 km/h及以上線路，CTCS-3級列控系統車載設備速度容限規定為超速2 km/h報警、超速5 km/h觸發常用制動、超速15 km/h觸發緊急制動。

為保障列車安全運行，ATP生成的常用制動模式曲線終點與列車獲得的行車許可界限間有一定的安全防護距離，以防止列車因特殊原因超出ATP防護曲線，確保列車在危險點之前停車。即根據文獻2在設計列車的制動模式曲線時，站內列車安全防護距離最大值控制在小于等于60m、區間控制在小于等于110 m內。

3 列車防護曲線模型的計算

根據《牽規》列車在制動過程中的合力為C

其中:B為列車的制動力，kN;W0為列車運行過程中的基本阻力，如風對列車造成的阻力，kN;W附為附加阻力，包括由于坡度，曲線，隧道等原因造成的阻力，kN。

根據牛頓等二定律:F=ma。列車在制動過程中的減速度為:

其中:M為列車總重量，包括列車車輛的質量以及列車轉動質量，t。

當考慮回轉質量時:

其中:γ為質量回轉系數。

根據式(1)，式(2)，式(3)即可得到列車在制動過程中的減速度。

列車在發生緊急制動過程中采用氣電混合制動(本文以CRH3為例)，如圖1所示，其制動力B的大小在整個制動過程中并非一直不變，而是隨著速度的變化而變化，因此緊急過程中制動力B的大小為:

圖1 CRH3列車制動力-速度圖

6，可得列車在空氣中的運行阻力為W0，如式(5)所示:

其中:W0為列車阻力，N;M為列車質量，t;n為軸數;N為車輛數;ν為列車運行速度，km/h;A為正面的截面積，m2。

4 仿真分析

根據圖1以及式(1)及式(5)可知，列車在制動過程中制動力的大小隨速度大小改變而變化，因此列車在制動過程中負加速度也在變化，使列車作非勻減速運動，而這給列車防護曲線的計算造成一定的難度。為解決這難題，本仿真系統采用等步長法，即將距離均勻地劃分成若干，并假設列車在每段中作勻速運動。為使仿真結果更接近實際，本仿真系統借助matlab強大的計算功能設:。

ATP防護曲線的計算需要行車許可終點以及相應的限速信息。在CTCS-3系統中，RBC通過GSM-R系統循環發送給車載設備行車許可信息以及限速信息，列車根據獲得的行車許可終點減去防護距離作為本列車此次的停車點，車載ATP需根據此停車點判斷列車運行是否安全，并計算此行車許可終點內的安全防護曲線。根據式(1)～式(5)，并假設一列8編組的CRH3型列車側線出站，道岔限速為80 km/h，坡道為6‰，發車進路為1 600 m，其出站過程的防護曲線如圖2所示。

圖2 列車出站過程防護曲線

圖3 列車出站示意圖

根據CTCS-3列控系統的要求，列車在發車前即在圖4中位置1獲得行車許可終點，為121站界標處，并生成如圖3所示的防護曲線。根據仿真結果得其制動距離(即從起模點到列車停穩的距離)為527 m，因此列車在距離行車許可終點即121站界標前大于:制動距離527 m+安全防護距離60 m+附加距離(制動響應時間3.5 s+信息傳輸及處理時間內行走的距離)內方發送給車載ATP新的行車許可終點，否則將會造列車實施常用制動甚至是緊急制動。

當列車行車許可終點得到更新后，行車許可向前延伸到區間中，此時生成防護曲線如圖5所示。其中設區間限速為300 km/h，一次行車許可終點包括15個閉塞分區，每個閉塞分區為2 000 m。此時列車的制動距離由圖4可得為7 037 m。因此當列車在區間運行時，行車許可必須在當障礙物在列車前方大于:制動距離7 037 m+安全防護距離110 m+附加距離(制動響應時間3.5 s+信息傳輸及處理時間內行走的距離)的距離得到更新。

圖4 列車區間運行防護曲線

5 結論

本仿真軟件主要針對CRH3型列車的ATP子系統，通過仿真可清楚直觀地得到列車的制動距離，并可以計算得出列車行車許可更新的時間要求，從而有助于提高列車運行的安全性和舒適性。由于列車運行環境非常復雜，并且不同的車型相關的參數不同，但是在本仿真系統中只需給出不同列車的牽引、制動特性，以及線路的坡度、曲率等相關數據，即可得出相應的防護曲線、列車的制動距離以及行車許可的更新時間等重要信息。而RBC發送給車載的行車許可信息的更新時間是直接關系列車運行的安全性和運營效率，因此本仿真軟件對提高鐵路運輸的安全性和運營效率具有一定的參考價值。

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［1］中華人民共和國鐵道部科學技術司.CTCS技術規范總則(暫行)［S］.科技運函，2004，14.

［2］中華人民共和國鐵道部科學技術司.CTCS-3級列控系統需求功能規范(FRS)(V1.0)［S］.科技運函，2008，113

［3］中華人民共和國鐵道部科學技術司.CTCS-3級列控系統總體技術方案(V1.0)［S］.科技運函，2008，34.

［4］饒忠.列車牽引計算［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］朱幗蓉，陳慧民.CRH3高速動車組牽引特性分析［J］.上海鐵道科技，2010，(4):97-99.