城市軌道交通特定安全防護距離下的極限進站方案研究*

孔令發

(上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上海//工程師)

在城市軌道交通信號領域，為了保證列車能夠安全進站，在線路終端站臺后方需預留一定的安全防護距離。線路終端的安全防護距離由土建建設的客觀條件決定，同時應兼顧建設成本來進行確定。因此，在特定(較短)的安全防護距離下，研究如何保證列車安全且高效進站具有十分重要的意義。

目前，我國通用的進站技術方案采用常用制動率進站方案。即在接近站臺區域時，通過一個固定的常用制動率控制列車進站停靠站臺。該方案無論對于車載ATO(列車自動運行)控車還是人工駕駛均有易控、易操作的優點，但同時存在以下問題：①為了保證進站效率，所需的站后安全防護距離較長；②在特定的安全防護距離下，只能通過降低進站效率來達到安全進站的目的。因此，研究一個兼顧行車安全、運營效率及建設成本的進站方案就顯得頗為重要。

1 安全防護距離計算模型

安全防護距離是指在IEEE 1474.1標準中規定的列車安全制動模型中緊急制動曲線對應的目標停車點與常用制動曲線對應的目標點停車點之間的距離。其本質是附加在常用制動距離之上的安全富裕量，是CBTC(基于通信的列車控制)系統制動模型中的關鍵。它能保證列車在最不利的情況下發生緊急制動，也可停靠在安全停車點之前。安全防護距離模型如圖1所示。

由以上模型，可以得到Sd的計算方法如下：

Sd=max(Sdi)

(1)

Sdi=deb(vi)-dsb(vi)

(2)

式中：

deb(vi)——在列車允許速度為vi處觸發緊急制動，經過安全制動模型三階段制動計算得出的緊急制動距離；

dsb(vi)——在列車允許速度為vi處觸發常用制動，經過常用制動率制動停車的常用制動距離。

通過以上計算模型可以看出：為了減小安全防護距離，可以通過減小常用制動率，使常用制動距離增大，這樣緊急制動距離與常用制動距離的差值減小，從而達到減小安全防護距離的目的。

注：Sd表示安全防護距離; Peb表示緊急制動曲線上的目標停車點，即安全停車點；Psb表示常用制動曲線上的目標停車點，即運營停車點；vtrain表示列車運行速度

2 線路終端站臺進站策略分析

當線路的終端位置及終端站臺位置固定時，列車的進站示意如圖2所示。

圖2 線路終端位置及終端站臺位置固定情況下的列車進站示意圖

2.1 常用制動率進站分析

當線路終端和終端站臺位置確定時，線路的安全防護距離長度一定，此時為了滿足站臺精確停車的運營需求，需要計算常用制動率。由上述分析可知，當安全防護距離較短時，只能通過減小常用制動率來滿足列車能在站臺停車點停車。然而，常用制動率的降低可帶來進站速度降低、進站時間過長及乘客體驗變差等諸多問題。

2.2 變制動率進站分析

當列車采用變制動率進站時，列車停站模型如圖3所示。車載ATO控制列車沿著ATO允許速度曲線行駛，考慮在ATO允許速度的基礎上疊加速度不確定性和超速容限后觸發緊急制動，在安全制動模型規定的三階段制動停車后，列車可安全地停靠在線路終端。

考慮極限情況，若要求運營停車點盡量靠近車檔時，兼顧停站效率及舒適度，設計進站方案需考慮以下幾個方面：

圖3 列車采用變制動率進站示意圖

(1) 計算并繪制緊急制動觸發曲線。該曲線為安全曲線，當車輛特性參數發生變化時，會影響最終的停站距離(計算中已考慮了位置的不確定性)。

(2) 考慮站臺區域速度不確定性和ATO控制范圍，在緊急制動觸發曲線的基礎上，減去超速容限，得到允許速度-距離曲線。該曲線為ATO可控制行車曲線。

(3) 當列車進站靠近終端時，列車速度和加速度均已很小，車輛特性決定此時通過ATO控制已很難調整，此時ATO保持當前加速度進站并對準站臺進行停靠。

(4) 列車停站過程中，需考慮乘客舒適性及沖擊極限的要求。

3 上海某軌道交通線路變制動率進站方案仿真分析

3.1 仿真參數選取

為了驗證列車采用變制動率進站策略的可行性，以及將其與常用制動率進站策略進行對比，選取上海某軌道交通線路的典型參數對該方案進行仿真分析。選取的參數如表1所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 列車采用常用制動率進站方案

圖4為安全防護距離與常用制動率關系圖。由圖4可知，當滿足11.8 m的安全防護距離時，常用制動率為0.3 m/s2。

此時列車在站臺邊緣的進站速度為7.53 m/s，列車從到達站臺邊緣至完全停止所用的時間為25.09 s。

3.2.2 列車采用變制動率的極限進站方案

圖5為采用變制動率的極限進站方案時列車運行速度與安全防護距離關系圖。由圖5可知，當ATO控制列車完全按照ATO允許速度曲線行駛時，經仿真可得列車最近可停靠在距離安全停車點8.01 m的位置。但實踐表明，當ATO允許速度較低時，由于車輛特性的影響，會導致ATO控車精度變差。

表1 上海某軌道交通線路變制動率進站方案參數表

圖4 安全防護距離與常用制動率關系圖

圖5 列車運行速度與安全防護距離關系圖

通過仿真可得ATO允許速度-距離曲線上對應的加速度(見圖6)。由圖6可知，當列車靠近停車點時， ATO控車的加速度也逐漸減小，此時 ATO采用變制動率控車的難度變大，相應精度變差。因此，采用優化的控車策略，即列車在接近停車點時采用固定制動率進行對準停車。

圖6 ATO控車加速度-距離曲線

為了讓列車準確地停靠在站臺停車點處，即滿足安全防護距離為11.8 m的要求，此時可以在ATO允許速度-距離曲線上選取一個點，ATO控制列車行駛至該點時，采用該點固定的制動率將列車停下。假設該點的速度為vs，加速度為as，則該點的選取需滿足Ssbm與Sser的差值為11.8 m。其中，Ssbm表示在當前vs下，按照安全制動模型三階段停車的制動距離；Sser表示在當前vs下，按照固定制動率停車的制動距離。

通過仿真可得“變制動率+固定制動率”下的速度-距離曲線，如圖7所示。

圖7 “變制動率+固定制動率”下的速度-距離曲線

圖7中，當列車距安全防護點的距離為17.16 m時，可按照此刻的固定加速度-0.3 m/s2將列車停下。此時計算得出列車在站臺邊緣處的速度為10.61 m/s，列車從站臺邊界至完全停車所用的時間為20.9 s。

4 結論

(1) 當列車采用變制動率進站的方案時，在極限情況下，可縮短站后的安全防護距離，適應土建建設的客觀條件，降低土建建設成本。

(2) 采用變制動率進站的方案，在終端安全防護距離一定時，可提高進站效率，同時在考慮效率、旅客舒適度的平衡時，可在速度較低時選用更為平滑的固定制動率進站，此時速度曲線更為平滑，提高了旅客舒適度。