ETCS開口速度研究

劉棟青，張 韋，田宏達

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

在信號設計時列控系統中對列車的制動曲線分為開口速度監控和不設開口速度監控兩種方式。CTCS 中采用不設置開口速度的監控方式，但城軌點式系統和ETCS 系統中均使用了開口速度監控方式。了解開口速度的設計與計算方式，可以加深對信號系統中列車制動曲線監控方式的理解。在討論開口速度前，需要先了解歐標行車許可的結構和特征。

2 定義

2.1 行車許可

行車許可也叫移動授權（Movement Authority，MA）。MA 包括以下信息：

1） 行 車 許 可 終 點（End of Authority ，EOA）；

2）從最近相關應答器（LRBG）開始到行車許可終點的軌道區段及其首次超時值。首次超時值用于判定區段是否超時，其設定和超時后列車未進入進路時聯鎖能及時解鎖相關進路以便提高效率有關。

3）末區段相關信息。末區段終點可能是危險點或保護區段(Overlap)終點。取決于聯鎖使用何種方式進行進路的安全防護。末區段超時后，能取消被列車占用的末區段。

4）開口速度實際上是一種特殊的列車頂棚速度限制，作用于EOA，速度值與EOA 和危險點或保護區段終點的距離有關。

車載設備在進行目標速度距離監控時，目標點通常有兩個：應用常用制動的EOA 和應用緊急制動的SvL。所謂的SvL（Supervised Location）按先后順序應該是以下的3 類：保護區段終點（如果存在保護區段并且保護區段鎖定未超時）；如果不存在保護區段，則為危險點；如果不存在危險點，則為EOA。

危險點即為列車在沒有安全風險前提下能達到的位置，通常為前方最近被占用的區段起點（固定閉塞或準移動閉塞）或前方最近列車最小安全后端（移動閉塞）或警沖標等可能造成道岔沖突的位置。

2.2 過走防護

過走防護是一種當列車在制動停車過程中如果因為某種原因越過行車許可終點后，由地面設置來保證列車安全的技術。

過走防護實現原理是在列車進路的末端事先設計一段固定區段，即保護區段。列控系統從聯鎖系統收到該進路信息后，發送給車載ATP 的行車許可能確保列車安全。

如果列車因故（司機有可能誤判列車停車點）越過EOA，車載ATP 設備采取緊急制動等措施，迫使列車緊急停車。保護區段的長度需保證在與保護區段有關的開口速度頂棚限制下（如果有的話）采取緊急制動后能保證列車不冒進最終的危險點，否則有可能引發撞車事故，保護區段的長度與工程、車輛配置及線路坡度等因素有關。

2.3 開口速度

開口速度的設置可能有以下兩種原因。

1）EOA 的允許速度為0，但這個速度限制在列車位置的置信區間比較大的情況下顯得過于嚴苛。

2）在ETCS1 級列控系統下，當信號清除行車許可耗盡時需要列車有能力越過應答器。

對于第一種原因來說，在CBTC 系統中，列車進站時，如果不在出站信號機外方設置保護區段將EOA 和危險點隔開，通常會因為ATO 在低速時遇到過于嚴苛的EOA 附近的速度限制而完成不了精確停車。

在CBTC 列控系統中，保護區段是為實現超速防護，保證安全停車而延伸的閉塞區段。城軌的CBTC 系統中設置保護區段的目的之一是為了使列車在 ATP 防護下能夠盡量靠近預定停車點實現精準停車。

ETCS 里的開口速度設置也和CBTC 系統中的保護區段設置有著異曲同工之妙，因為列車包絡而無法更可能的接近EOA，會從而降低列車進站效率。這也同樣是為了防止列車包絡在過于嚴格的速度限制中產生負作用。

對于第二種原因來說，如果應答器安裝在EOA附近，會因為列車包絡而無法接近EOA 讀取應答器，從而無法延伸MA 繼續前行。

3 措施

列車在越過EOA 后會采取冒進措施，設置SvL的目的在于即使列車越過了EOA，采取了冒進措施，列車也會因為緊急停車停在SvL 之前。采用開口速度的列車制動曲線舉例，如圖1 所示。

按照subset-026，列車在越過startRSM，即進入RSM 監控之后，如果列車速度小于開口速度，則車載ATP 不會進入干預狀態。如果列車速度高于開口速度，則車載ATP 進入干預狀態，采取緊急制動，這樣就能保證列車不越過SvL。

圖1 采用開口速度的列車制動曲線Fig.1 The train braking curve with release speed

也就是說，如果必須保證對SvL 的防護，則開口速度應由車載設備計算，并且當列車執行冒進防護時，將SvL 和列車最大安全前端之間的距離作為停車距離。或者軌旁設備給定的開口速度值應足夠低，以便執行冒進防護時，任何類型的列車都能在SvL 的后方停車。

在ETCS 列控系統中，開口速度的提供方式有3 種：

1）軌旁設備直接發送給車載設備；

2）軌旁設備指示車載設備使用國家值規定的開口速度；

3）軌旁設備指示車載設備自行計算開口速度。

這3 種方式如何選擇，需要根據線路條件、軌旁設備能力和車載設備能力，由軌旁設備通過MA相關字段的設置告知車載設備。如果由軌旁設備直接發送EOA 的開口速度或者使用國家值，則運營商需要確定列車使用這個固定的開口速度越過EOA不會有超過危險點的風險。

如果軌旁設備告知車載設備需自行計算開口速度，則需設計適當的算法根據車輛條件和線路條件計算。

4 算法設計

開口速度設置的背景就是因為列車有測速測距誤差，導致EOA 允許速度為0 的限制過于嚴格，因此開口速度的計算與停車精度、測速誤差、測距誤差和保護區段長度有關。

既然開口速度就是在EOA 處的最高速度限制，那么車載ATP 計算的開口速度必須滿足兩個條件：

1）列車估計前端到達EOA 后，與EOA 有關的冒進位置和以開口速度加上測速誤差、以切牽引時間和緊急制動生效時間前進的距離之和小于SvL點位置。

2）開口速度加上測速誤差應盡可能接近目標點速度。

以上兩個條件用subset-026 里的公式表示，即

其中冒進位置要考慮天線距離（等級1 下）和測距誤差，即

如果車載計算開口速度，因為公式有不等式，因此實現比較困難，有兩種實現方式。

4.1 查表法

如果制動曲線的實現是以查表法的形式，則可以輪詢檢查從startRSM（RSM 監控起點）到與EOA 有關冒進位置中間所有的位置，在該位置上與常用制動曲線的交點速度如果能夠滿足開口速度的兩個條件，則可以設置其為開口速度。

4.2 逼近法

如果制動曲線的實現是實時計算的形式，則可以通過逼近算法，不斷縮小速度區間，收斂兩端極限值，如果其逼近值能夠滿足開口速度的兩個條件，分辨率也滿足條件，則可以直接設置其為開口速度。其中速度區間可以根據具體工程靈活配置，如果設備性能足夠，則直接取線路最大速度即可。因為其分辨率在1 km/h 范圍內，因此查找逼近值次數是十分有限的，不會對計算效率造成影響。

以上兩種方式的使用場合取決于車載ATP 的計算性能和制動曲線的算法設計，并無絕對的優劣之分。

5 結論

目前我國的高速鐵路上并未設置保護區段和開口速度。取消保護區段能減少股道有效長度，縮短車站長度，減少車站建設成本。但根據前面的分析，采用過走防護技術可以提高列車運行的安全度，而采用開口速度則可以在過走防護技術的前提下提高效率。

在中國高鐵“走出去”的道路上，需要花力氣加大海外信號系統標準的研究力度，尤其是對CTCS列控體系借鑒的歐洲鐵路信號系統標準ETCS 體系中的關鍵子系統和關鍵概念的研究，有利于優化制動曲線監控模式，由此借鑒歐標信號系統對完善我國列控系統和信號制式也有著重要的意義。