基于列車測距的城市軌道交通非正常情況運輸能力提升方法研究＊

沈 拓 潘亦欣 鄧 奇

（1.同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，201804，上海；2.上海軌道交通維護保障有限公司車輛分公司，200444，上海；3.上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，201103，上?！蔚谝蛔髡?，工程師）

在正常的行車組織方式下，列車自動控制（ATC）按照自動閉塞方式進(jìn)行運行，控制列車的安全間隔和運行速度。常用的列車追蹤方式以移動閉塞、準(zhǔn)移動閉塞或固定閉塞為主。以上海軌道交通為例，在正常情況下，列車行車安全主要由信號系統(tǒng)通過列車自動防護系統(tǒng)（ATP）進(jìn)行保障。上海軌道交通開通運營較早的1～5號線都采用基于軌道電路的列車控制（TBTC）系統(tǒng)，之后由于技術(shù)的進(jìn)步，6～11號線逐步實施了基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)。

當(dāng)信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將會降級采用后備模式對列車進(jìn)行運行控制，例如采用點式ATP（IATP）的固定閉塞方式，此時仍然要求信號系統(tǒng)能夠滿足在此模式下正常工作。但是當(dāng)遭遇更嚴(yán)重的災(zāi)害或設(shè)備失效時，此時ATC 系統(tǒng)發(fā)生故障或閉塞設(shè)備無法滿足列車運行要求時，系統(tǒng)必須降至最低等級，依靠人工方式確保運營安全，通常采用電話閉塞法進(jìn)行行車組織。此種行車組織方法因列車運行間隔較大，具有一定的安全隱患［1］。

1 電話閉塞法簡介

電話閉塞法是一種依靠車站行車值班員利用電話聯(lián)系、記錄的方式辦理閉塞、接發(fā)列車的行車組織方式。與正常情況下行車組織方式相比，可靠性與運輸效率均有所下降。

常用的電話閉塞方式在空間間隔的劃分上為一站一區(qū)間、兩站兩區(qū)間或者多站多區(qū)間等［2］。列車占用區(qū)間的憑證為路票，司機移動列車的依據(jù)為車站人員顯示的發(fā)車手信號，列車在區(qū)間完全依靠司機經(jīng)驗與目視瞭望來進(jìn)行列車控制，司機在行車過程中需要遵守一定的運行限速。這就是限速的手動駕駛運行方式，包括采用不受限制的人工模式（Unrestricted Manual，簡為 URM ），限速60 km／h；采用限制人工駕駛模式 （Restricted Manual，簡為RM），限速25 km／h等。在國內(nèi)城市中，目前北京地鐵、深圳地鐵、廣州地鐵等采用“一站一區(qū)間”的運行間隔模式；南京地鐵、沈陽地鐵、西安地鐵等采用“兩站兩區(qū)間”的運行間隔模式［3］。

此種方式是在沒有機械、電氣設(shè)備控制的條件下，僅憑站間行車電話聯(lián)系來保證列車行車間隔。由于該種方法安全程度較低，列車發(fā)車間隔較大，運輸能力較正常運營明顯下降。采用電話閉塞法時列車追蹤間隔通常在10 min左右［4］，而在正常運營條件下采用自動閉塞時列車追蹤間隔為2 min左右，運輸能力下降33%以上。因此，本文提出一種基于列車測距的追蹤預(yù)警設(shè)備，是對目前城市軌道交通在非正常情況下行車組織方式（電話閉塞法）的一種改進(jìn)方案。

2 追蹤預(yù)警系統(tǒng)簡介

在非正常情況下，司機作為直接操控列車運行的人員，成為了控制前后列車之間車距的最直接影響者。而如何在非正常情況下讓司機知曉前后列車之間的距離就顯得尤為重要，所以需要另外一套不依賴現(xiàn)有城市軌道交通設(shè)備的給司機提示前后列車之間距離的設(shè)備。于是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下實現(xiàn)前后列車之間的距離測量就成為了非正常情況下輔助安全防護的關(guān)鍵所在。

2.1 系統(tǒng)工作原理

采用射頻探測技術(shù)中的擴頻通信測距技術(shù)完成前后列車之間的車距測量，使得后方列車的司機能夠知曉與前方列車之間的距離。測距示意圖如圖1所示。

圖1 追蹤預(yù)警系統(tǒng)測距示意圖

在列車兩端司機室各裝一套追蹤預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備。后車車頭向前車車尾發(fā)送用偽隨機序列對載波進(jìn)行相位調(diào)制后的射頻呼叫信號，前車車尾收到后車呼叫信號后，進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)發(fā)；后車車頭設(shè)備接收到前車變頻轉(zhuǎn)發(fā)信號后，通過處理恢復(fù)出偽隨機序列。然后經(jīng)過相位調(diào)整，使本地參考的偽隨機序列同步跟蹤從接收到的射頻信號中恢復(fù)出來的偽隨機序列，從而得到兩偽隨機序列之間的相位差；由于所用偽隨機序列的周期是已知的，由此即可通過相位差乘以偽隨機序列周期獲得傳播延時（TDOA），再通過計算獲得車距。這就是利用擴頻通信測距技術(shù)實現(xiàn)前后列車之間車距測量的基本原理。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示［5］。

表1 追蹤預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

在城市軌道交通運行組織中，列車運行分為上行與下行兩個方向。一般情況下列車的運行不會進(jìn)行掉頭的方式改變運行方向，而是采用折返的方式。系統(tǒng)為了區(qū)分上下行，采用了上下行列車使用不同頻點的方式。系統(tǒng)運行的示意圖如圖2所示。

圖2 追蹤預(yù)警系統(tǒng)運行示意圖

2.2 系統(tǒng)安全性與可靠性分析

故障導(dǎo)向安全是軌道交通信號的重要概念，即當(dāng)系統(tǒng)、設(shè)備以及元器件故障時，可能會造成安全側(cè)或危險側(cè)兩種后果，如果故障后導(dǎo)向安全側(cè)的概率大于故障后導(dǎo)向危險側(cè)的概率，就認(rèn)為該系統(tǒng)、設(shè)備以及元器件符合故障導(dǎo)向安全特性。故障導(dǎo)向安全原則是軌道交通信號必須貫徹的基本原則。

輔助防撞系統(tǒng)在軟硬件方面均按照上述原則進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)，包括：輸入輸出接口采用高電位有效的故障導(dǎo)向安全技術(shù)；采用多輸入冗余以提高可靠性；采用光電耦合器實現(xiàn)光電隔離，構(gòu)成動態(tài)輸入輸出接口，提高系統(tǒng)對電磁干擾的抵抗性能。系統(tǒng)嵌入式設(shè)備具有自診斷程序，能夠進(jìn)行開機自診斷、運行實時自診斷等系統(tǒng)自我監(jiān)控與診斷功能，采用安全通信協(xié)議保障數(shù)據(jù)傳輸安全與可靠性，系統(tǒng)的MTBF（平均故障間隔時間）達(dá)到2×105h以上。

3 電話閉塞法的改進(jìn)方法

在運營中增加追蹤預(yù)警設(shè)備之后，后車可以測量本車車頭與相鄰前車尾車的距離，因此列車司機可以獲知與前方相鄰列車尾部的距離（駕駛室顯示屏上有此數(shù)據(jù)）。與僅憑目視行車相比，此種方法獲得距離的準(zhǔn)確性得到大幅度增加。因此，基于追蹤預(yù)警設(shè)備，對此時電話閉塞行車方法進(jìn)行改進(jìn)，以提升運能。

3.1 正常情況下列車追蹤行車

電話閉塞法以站間區(qū)間作為閉塞分區(qū)，行車間隔同使用自動閉塞條件下的固定閉塞法較為類似。三顯示固定閉塞方式下列車的追蹤過程如圖3所示［6］。

圖3 三顯示自動閉塞列車追蹤示意圖

列車間隔距離

其追蹤時間

式中：

0.06——單位換算為分鐘的系數(shù)；

v——列車平均速度，km／h；

l分——閉塞分區(qū)長度，m；

l列——列車長度，m。

因此，全線列車追蹤間隔

式中：

t折—列車折返時間；

ti—列車在區(qū)間i的運行時間；

tstop，i—列車在i站的停站時間。

僅考慮正線運營，不考慮折返時，在安全范圍內(nèi)提高列車在區(qū)間運行速度可以有效減小列車追蹤間隔［7］。

通常，考慮列車在目標(biāo)點停車的一次制動控制曲線［8］以及列車間隔如圖4所示。

圖4 列車目標(biāo)點停車一次制動控制曲線示意圖

設(shè)前行列車與后續(xù)列車的最小間隔距離為LZ，后車的速度、加速度及空走時間分別為v2、β2、τ2，停車安全距離為Ls，則：

即，等價于：

式中：

Lτ2——后續(xù)列車在司機或者車載設(shè)備反應(yīng)時間τ2內(nèi)走過的距離，m；

Lβ2—后續(xù)列車的制動距離，m。

追蹤時間間隔

從式（6）可以看出，后續(xù)列車的司機或者車載設(shè)備反應(yīng)時間τ2、列車制動減速度β2通常為列車固有參數(shù)，隨列車型號而確定。列車長度l列一般在列車運營過程中不會發(fā)生變化。停車安全距離Ls雖然隨線路條件不同而變化，但是一般對于同一條線路通常為定值。因此，列車運行追蹤速度對最小追蹤時間有著較大影響。

根據(jù)追蹤時間間隔函數(shù)，追蹤時間間隔滿足：

而在人工駕駛情況下，司機依靠視覺感知前車尾部距離，因此還要求追蹤距離與能夠感知的前后車最大車距滿足如下關(guān)系：

即：

式中，Le為感知距離，其余參數(shù)同上。易知：

追蹤間隔

隨著感知距離Le的增大，追蹤間隔t隨之減小。

3.2 基于追蹤預(yù)警設(shè)備的電話閉塞法

根據(jù)實際情況，取參數(shù)：β2＝0.8 m／s2，τ2＝1.2 s，Ls＝30 m。上海軌道交通在采用電話閉塞時候，采用目視距離Le＝300 m 時，得到列車運行允許最大速度為v2＝11.320 m／s≈40 km／h。

采用追蹤預(yù)警設(shè)備，司機可以通過設(shè)備顯示屏獲得本車與前車尾部距離，等價于上式中增加了司機行車的感知距離Le。以設(shè)備測量距離600 m 計算，司機需要采取制動的距離為Le＝600 m，得到列車運行允許最大速度為v2＝16.666 m／s≈60 km／h。

3.3 算例驗證

算例采用上海軌道交通7號線實際數(shù)據(jù)進(jìn)行。該線從寶山區(qū)美蘭湖站至浦東新區(qū)花木路站，線路全長約44.35 km，共有33 座車站。線路坡度－28‰～29‰，變化范圍大；最小曲線半徑350 m。該線目前采用6節(jié)A 型車編組。

算例采用“一站一區(qū)間”行車組織方法。改進(jìn)前，電話閉塞行車組織方法按照RM 模式行車速度，根據(jù)《上海地鐵電話閉塞法（1.0版）》［9］規(guī)定目視行車運行限速為40 km／h。列車停站時間由①列車到站，匯報列車位置（1 min）；②列車開門上下客：（2 min）；③列車關(guān)門，請求發(fā)車許可：2（min）；④列車發(fā)車：（1 min）共4個部分組成，最小理論停站時間＝6 min。考慮在非正常情況下的突發(fā)情況，部分時間可能會有所延遲，故在計算過程中設(shè)定列車停站時間為8 min。

改進(jìn)后電話閉塞法根據(jù)計算改進(jìn)后采用限速為60 km／h運行，其余線路條件、列車參數(shù)、停站時間等參數(shù)與改進(jìn)前電話閉塞法相同。改進(jìn)前后電話閉塞法牽引計算結(jié)果如表2所示。圖5是該線部分區(qū)段的仿真結(jié)果。

圖5 列車速度－距離曲線圖

從表2易知，全線最長區(qū)間運行時分在潘廣路站至羅南新村站之間，全線追蹤間隔瓶頸也是在此區(qū)間內(nèi)。當(dāng)采用追蹤預(yù)警設(shè)備，提高了使用電話閉塞法組織行車的車速，可以減少追蹤間隔108 s，運能提升13.33%。

4 結(jié)語

電話閉塞法依靠運營人員人工監(jiān)督系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，運輸系統(tǒng)能力與可靠性大幅度下降。本文在列車ATP切除狀態(tài)下使用追蹤預(yù)警設(shè)備提升列車能夠感知前車的距離，從而提升列車在區(qū)間運行速度，在一定的 安全條件與可靠性下，提升了系統(tǒng)的運輸效率。

表2 上海軌道交通7號線改進(jìn)前后電話閉塞法牽引計算結(jié)果

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