地鐵列車超速防護功能設計分析

周 茂

（寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000）

1 列車自動防護系統設計分析

1.1 系統結構分析

列車自動防護系統即ATP （Auto matic Train Protection）系統的總體結構可分為三大部分：第一部分是車載ATP速度監督與控制，主要實現ATP曲線的生成，然后實時監控列車速度的功能。第二部分是車載ATP對相關信息的采集 （列車參數、線路信息、ZC送來的信息等），主要為第一部分提供ATP曲線生成的重要信息。第三部分是軌旁ZC的信息采集和計算，主要實現了對相應ZC所轄區域內的列車位置、障礙物位置、臨時限速點、ATS控制中心的調度信息的采集，然后通過車地無線通信網傳送給第一部分，為ATP曲線生成提供重要依據，除此之外，軌旁還與ATS控制站通信反饋軌旁設備的狀態信息等。城市軌道交通ATP系統的結構設計如圖1所示。

圖1 ATP系統結構

ATP系統列車超速防護功能通過11大模塊協調工作實現，各模塊功能如下：

（1） 列車定位與測速模塊 ；（2） 列車與線路模塊 ；（3）列車超速防護模塊；（4） 超速報警與記錄模塊；（5） 列車制動模塊 ；（6） 列車跨區域運行模塊 ；（7） 車地通信模塊 ；（8）設備控制與采集模塊；（9） 移動授權生成模塊；（10） 相鄰ZC模塊 ；（11） 與ATS通信模塊。

1.2 ATP系統數據流分析

ATP系統的各個功能模塊之間需要進行數據交換，才能完成保障列車安全運行的各種具體功能，如列車曲線生成、列車超速防護等，其各模塊及模塊之間的數據流如圖2所示。

圖2 ATP系統數據流

列車駛入區間后，將會通過信標處接收或者無線網接收到線路的靜態參數如： 線路坡度、 線路曲線、 道岔數量等，然后將線路參數和在車載數據儲存單元內的列車參數發送到列車和線路參數處理模塊，進行列車的注冊。

司機可以手動切換列車的駕駛模式，并且將駕駛模式的信息發送給防護曲線生成的模塊。

軌旁ZC通過列車位置、距離、速度信息和ATS中心指令等信息計算出所轄區域內的移動授權和臨時限速，發送到ATP防護曲線生成模塊。

在車載ATP收到以上信息后 （駕駛模式、移動授權、臨時限速、線路參數、列車參數），將會計算出列車的ATP速度曲線，即最基礎速度限制、緊急制動曲線、常用制動曲線、常用制動警告曲線。

在生成ATP速度曲線以后，車載ATP將會對列車速度和曲線速度進行實時的監督，一旦列車超速，將會報警進行相應的制動，并且記錄。當速度經過制動降低以后，才能根據各種制動方式的要求進行制動的解除。當列車超過常用制動警告曲線或者常用制動曲線后，啟動相應的制動方式，在列車降速后不用停車便可解除制動；但當列車超過緊急制動曲線以后，列車必須停下來才能解除制動。

2 ATP曲線生成

2.1 ATP曲線確定的理論模型

在城市軌道交通CBTC系統中，ATP曲線的確定需要滿足以下要求：

（1） 列車速度必須低于線路限速 （與線路曲線、橋梁、隧道等有關）；

（2） 列車速度必須低于臨時限速；

（3） 列車速度必須低于列車構造限制速度；

（4） 列車通過道岔時，速度必須低于道岔允許通過的速度；

（5） 列車進站或跳停時，速度必須低于站臺限速；

（6） 確保列車之間 （追蹤列車與前行列車） 的安全間隔，防止列車沖撞。

ATP曲線模型的曲線主要有：最基礎限速觸發曲線、緊急制動觸發曲線、緊急制動警告曲線。由這三大曲線模型對列車進行超速防護，確保其運行安全，其原理圖如圖3所示。

圖3 ATP曲線模型原理

2.2 ATP曲線計算模型

ATP速度曲線模型由最基礎限速曲線、緊急制動曲線、緊急制動警告曲線3部分組成，車載ATP實時監控列車速度，再根據生成的ATP曲線進行邏輯判斷，對列車實現超速防護的功能。

2.2.1 保護距離

CBTC中，危險點是前行列車的尾部，它是列車超過后可能發生危險的點，因此，需要根據危險點定義一個安全停車點，而安全停車點到危險點之間的距離即是保護距離。保護距離的長短是根據列車性能 （列車結構、列車最高速度等）、線路參數 （線路坡度、隧道、橋梁等）、列車運行條件 （列車當前速度、當前加速度等） 的不同而發生變化的。保護距離的確定根據：

式中：VB—保護距離處的列車速度 （m/s）；DB—保護段的長度 （m）；ac—列車的當前牽引加速度；由于本文考慮了線路參數，所以，af—當前坡度加速度；i—當前坡度值，上坡時為負，下坡時為正；r—最小旋轉質量系數。

2.2.2 最基礎限速曲線

如果說緊急制動曲線、緊急制動警告曲線是保證列車之間安全間隔運行的限速曲線，那么最基礎限速曲線則是列車能在區段內運行的最根本條件，如果最基礎限速曲線都無法滿足，列車連運行都無法進行，所以，上述的2種曲線是在最基礎限速曲線防護以下確定的。最基礎限速曲線是根據列車所在軌道區段范圍內提供的線路靜態參數、動態參數、列車參數等信息所得出的線路的靜態限速、臨時限速 （ATS提供）、列車構造最大允許運行速度等速度限制的最小值。所以，這是列車運行的最基礎前提，要想列車能運行起來，必須首要保證列車在最基礎限速曲線下運行。

（1） 模式限速是根據列車所處的駕駛模式決定的，駕駛模式包括BY （Bypass，旁路模式）、RM （Restricted Manual mode，限制人工駕駛模式）、ATPM （Manual mode with ATP，ATP監督下的人工駕駛模式）、AR （Auto matic Reversal，自動折返）、ATO （Auto matic Train Operation mode，列車自動駕駛模式）。

（2） 列車構造最大允許速度由列車的結構或性能決定。

（3） 線路的靜態限速與列車所在軌道區段的線路曲線、線路坡度、橋梁、隧道、道岔型號、站臺等多方面條件有關。

（4） 臨時限速是由ATS控制中心過ATS車站控制室的操作員設置的，一般是在線路進行施工或者發生臨時事故、災害時設置的。

（5） 根據上述的信息可以得到一條車長校正以前的限速曲線，它是模式限速、列車構造最大允許速度、線路靜態限速、臨時限速等曲線的最小值合成的，為了清楚顯示它與以上曲線的關系，將其向下進行了平移。

（6） 列車車長校正后曲線，是在列車車長校正以前曲線的基礎上考慮了列車車長生成的。當列車從低限速區向高限速區行駛時，為了保證列車尾部能夠安全通過限速區，車載設備需要在低限速區末端補上一個車長。

2.2.3 緊急制動曲線

緊急制動曲線是保證列車于安全停車點以前停車的最高級的限速曲線，如果觸發緊急制動曲線，證明列車處于很危險的境地，如果不馬上采取緊急制動，發生事故的概率會很高，所以，需要動用列車所有的制動力，以使列車在最短時間內降速，而且一旦進行了緊急制動，必須在列車停車后才能解除制動。本文設計ATP緊急制動曲線時，先設計了一條緊急制動保證曲線，然后根據緊急制動保證曲線在考慮到線路因素，ATP設備響應延時等因素的情況下生成ATP緊急制動曲線。緊急制動曲線生成的計算公式：

式中：VEBG—緊急制動保障曲線對應的速度；DEBG—緊急制動保障曲線對應的距離。

得到VEBG和DEBG以后，VEBT緊急制動曲線對應的速度和DEBT緊急制動曲線對應的距離就能得出。

2.2.4 緊急制動警告曲線

在ATP防護的人工駕駛模式下，牽引和制動指令由駕駛員按照速度表上的目標速度指示進行控制，為防止緊急制動，當列車速度低于緊急制動速度5 km/h時，人機界面上將顯示告警。由此，得出緊急制動警告曲線，警告曲線上對應點的速度均比緊急制動曲線對應點低5 km/h。

ATP曲線模型內3種限速曲線共同協作對列車進行超速防護，保障列車安全運行。

3 結語

ATP系統是CBTC的一個關鍵性子系統，它承擔著列車安全運行的重要職責 （列車狀態監督、列車速度曲線生成與監督、門監督等）。ATP曲線的計算是實現列車自動防護運行的關鍵，本文對ATP結構設計進行了介紹，提出ATP速度曲線計算模型，對ATP子系統的研究具有一定參考意義。