城市軌道交通列車打滑對CBTC信號系統的影響

李衛娟 徐 燁

（卡斯柯信號有限公司，200071，上海∥第一作者，高級工程師）

近年來，基于通信的列車控制（CBTC）系統已成為城市軌道交通的主流信號系統。相比于傳統的固定閉塞或準移動閉塞信號系統，CBTC系統采用主動定位技術以更精確地定位列車，并借助實時雙向的車地無線通信技術實現后方列車始終以前方列車的車尾為目標點進行追蹤，從而大大縮短了列車間的追蹤間隔，提高了城市軌道交通的效率。然而，城市軌道交通中列車在運行中存在打滑現象，當列車出現打滑時，會由于降低了列車制動率而對列車的安全控制產生相應的影響，也會影響到列車的主動定位。本文將從這兩個方面闡述列車打滑對CBTC系統的影響。

1 列車打滑及防滑

設列車運行速度為vF，列車車輪輪周的速度為vR，則列車的蠕滑率δ為：

當δ超過一定值時，可認為列車已出現了空轉或打滑。列車發生打滑，意味著列車的實際走行速度大于輪周的運動速度。列車打滑通常出現在列車制動階段，會導致列車在制動時的運行距離遠大于設計值。

由于列車打滑對列車車輪及鋼軌的損傷很大，還會影響到列車制動效率，為保證最佳的運行效率，列車均會配置防滑系統以降低列車打滑的影響，最大限度地利用輪軌間的粘著力。當列車由于軌道狀態異常或外界環境因素等影響在制動時發生滑行，此時列車的防滑系統啟動，修正車輪的打滑狀態。防滑系統的基本工作原理是：出現滑行的瞬間，車輪的減速度超出列車本身的減速度，發生“抱死”現象，防滑系統通過相應的傳感器檢測到此現象后，防滑制動裝置立即做出相應反應，降低車輪制動力，緩解滑行；滑行現象緩解后，再重新恢復車輪的制動力。此過程如圖1所示。

圖1 列車滑行時防滑系統工作原理

2 列車打滑對信號系統測速定位的影響

CBTC信號系統使用移動閉塞原理防護列車，需要及時獲得列車當前位置，以確保列車在防護的列車安全包絡之內；同時，根據列車的運行實時更新其安全包絡，保證列車在發生空轉或打滑時仍處于其列車安全包絡內。

2.1 信號系統的測速方式

目前，信號系統測速通常采用測速電機加輔助設備如雷達、加速度計等方式。

普通測速電機的故障模式不確定，對故障無法實時檢測。例如：當傳感器腔內有油或灰塵堵住光柵槽時，會出現掉速的情況，即測量的速度比列車的實際值偏低；當傳感器插頭受外力沖擊接觸不良時，顯示速度會出現忽高忽低的情況。由于僅依靠普通測速電機無法獲取列車的真實速度，而列車的速度測量又直接影響到信號系統對列車速度和距離的計算及在此基礎上進行的安全防護，因此，普通測速電機達不到信號系統所要求的SIL4安全等級，為滿足安全的要求，在測速時需要采用測速裝置異構的方式，如安裝2個速度傳感器甚至增加額外的輔助測速設備（加速度計或雷達等），并通過相互檢查和比較來保證測速的安全。

測速電機輔以加速度計和測速電機輔以雷達的測速系統的測速原理是：對測速電機獲取的數據和加速度計／雷達獲取的數據不斷進行比較，當兩種方式測得的速度數據的差值超過允許的差異范圍時，系統自行判斷列車處于打滑狀態，并進行相應的處理。該測速系統在實際使用中存在以下問題：

（1）測速電機通常采用MEMS（微機電系統）器件，不是安全設備，精度不高，且有故障率高、安裝困難、MTBF（平均無故障時間）指標不達標等缺點，一列列車上需安裝3～4個加速度計，與測速電機組合使用，提高可靠性。在使用加速度計測速時，還需通過額外補償計算確保列車實際速度在所測速度范圍內。

（2）雷達不是安全設備，受天氣和軌道環境的影響較大，其采用的多普勒效應也導致了雷達在列車低速時的精度不高，所以使用雷達測速時，也需要通過額外補償計算確保列車實際速度在所測速度范圍之內。

（3）加速度計和雷達均屬于傳感器類設備，其可靠性會隨使用時間而下降，進而降低整個系統的安全性。

通過多種測速裝置實現安全獲取列車速度信息的方式，需要安裝更多的測速裝置并通過異構方式來達到安全等級。更多的測速裝置意味著更多的運營和維護成本，而測速裝置的異構則對測速裝置的可靠性提出了很高的要求，也加大了生產、安裝和維護的難度。為避免這一問題，部分信號系統提供了另外一種測速解決方案：通過一個編碼里程計完成安全測速的功能。圖2所示為編碼里程計的內部結構，其齒盤分為外圈和內圈，齒盤外圈是100個排列規則的齒，內圈是以偽隨機函數排列的齒，在外圈和內圈的齒處可安裝數個傳感器。

圖2 編碼里程計內部結構示意圖

編碼里程計內部有4個傳感器，其中3個位于齒盤的外圈，兩兩相隔120°，用于檢測車輪的轉動速度和轉動方向；第4個傳感器位于內圈，采用安全的偽隨機函數編碼，對另外3個傳感器產生的脈沖序列進行編碼校驗，任意一個齒的漏讀和錯讀，都能通過編碼校驗查出，并立即中斷速度輸出。該測速方案能避免一般速度傳感器可能出現的速度忽高忽低的情況，并通過這種編碼技術及時檢測出某一傳感器可能的檢測錯誤，使單個設備即能達到SIL4的安全等級，確保測得的有效速度與列車實際的速度是一致的；對編碼里程計的故障，又能實時檢測發現并按故障安全原則進行處理，滿足信號系統的要求。

2.2 列車打滑時信號系統的處理方式

由信號系統的測速方式可知，信號系統是基于車輪的轉動來確定列車速度的。然而，當列車發生打滑時，基于車輪轉動測得的運運速度小于列車的實際運動速度，如果直接采用該值進行列車安全防護，會導致實際列車不能被信號系統的室外車安全包絡所防護，進而導致安全事故。為防止這種情況的發生，信號系統采取了相關措施：當加速度計／雷達測得的速度與測速電機測得速度間的差值超過允許范圍，或編碼里程計檢測到的車輪減速度異常時，即判斷列車進入打滑或嚴重打滑狀態，并按故障－安全原則對列車速度和位置進行補償計算。即對測得的列車速度和距離進行過估。其原理如圖3所示。由于是按故障－安全方式進行過估，信號系統根據過估值進行安全防護時，可能會出現對正常情況下無需保護的場景進行保護的情況，從而影響運營效率。

圖3 信號系統對列車速度進行補償計算

2.3 小結

分析比較測速電機輔以加速度計／雷達測速與編碼里程計測速的原理及其在列車發生打滑時的處理方式可知，單個編碼里程計即能實現速度傳感器加加速度計／雷達的測速功能，并在檢測到列車發生打滑時，對列車的速度和位置進行補償，確保列車位置在閉塞分區之內。其使用的編碼技術，不會隨著設備的可靠性下降而降低安全性，也減少了設備在列車上的安裝空間，從而有效減少系統的故障點。

3 列車打滑對運行安全的影響

CBTC信號系統在進行列車運行安全防護時采用的制動模型如圖4所示。在該模型中，GEBR（緊急保障制動率）是重要的設計輸入參數之一，用于計算列車運行的緊急制動曲線，以保證列車的安全距離和控制列車間的安全間隔。GEBR在IEEE 1474中的定義為：GEBR是列車在預計可能出現的環境條件范圍下和最差的制動設備故障模式下，在軌道水平切線方向上能夠實現的最小緊急制動率。GEBR的取值應由權威機構定義，并應考慮最大乘客載重（加上冰雪條件（如有））、最小期望黏著和最大設計風力。

圖4 CBTC安全制動模型

GEBR處于安全制動模型中的E階段，在此階段，列車觸發緊急制動后，以GEBR的減速度制動，直到停車。

如果實際運營時出現緊急制動率比GEBR設計值小，即緊急制動率不足，意味著列車將偏離安全制動模型，列車從制動至停下的運行距離超出系統設計的安全保證距離，這將產生安全問題。如緊急制動率不能滿足GEBR設計值的要求，則后車與前車的安全間隔不能得到保障，將會發生追尾安全事故。

列車發生打滑時，列車的緊急制動率會下降，當其低于GEBR時，會對城市軌道交通的所有列車而不僅僅是CBTC列車運行產生安全影響。

一般來說，緊急制動率降低，多數來自于輪軌間的低黏著。當黏著系數下降時，列車的防滑系統（即黏著控制系統）應發揮作用，通過一定的措施進行控制和改善，保持最佳的黏著利用，使列車的緊急制動率達到GEBR的值。如果列車的防滑系統失效或沒有及時修正打滑狀態，信號系統應輸出緊急制動使列車停車。因為此時列車長期處于滑行狀態，緊急制動率很可能已經無法達到GEBR的值。

因此，應在設計階段，由熟悉當地環境、天氣、軌道等條件的機構（如線路總體設計）和熟悉列車制動性能的機構（如車輛供貨商）定義一個適用于該線路運營的GEBR，作為信號系統安全制動模型的輸入參數。如果出現環境、天氣、軌道條件惡劣（如油污、落葉、臺風、雨雪天氣），或出現列車制動系統故障（如多個轉向架制動故障切除），導致緊急制動率低于GEBR設計值所能適用的條件時，則需采取一定的運營措施，人為增加列車的安全間隔，嚴重時，則需要故障列車退出服務，甚至全線停止運營。

4 結語

列車發生打滑時，列車的防滑系統應及時有效地修正打滑狀態，使列車的緊急制動率不低于GEBR的值，信號系統在此基礎上確保列車運行的安全間隔。在列車打滑期間，無論信號系統采用的是何種測速系統，都需通過一定的補償計算確保列車實際速度在所測速度范圍之內，確保列車位置處于安全的閉塞分區內。列車打滑帶來的真正問題，在于緊急制動率的降低導致列車所需的緊急制動距離的增加，若其超出了系統設計的安全距離，就會導致脫軌、撞車等嚴重安全事故的發生。為解決列車打滑對信號系統帶來的影響，避免安全事故的發生，應在設計之初由相關單位考慮各種運營最低適用環境下的黏著情況及其對應的GEBR，以確保安全。

［1］IEEE Std 1474.1－2004IEEE Standard for Communications－Based Train Control（CBTC）［S］.