FAO系統(tǒng)工程中提高列車旅行速度的方案研究

王國(guó)軍

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是近年來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)獲得大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)代背景下，城市軌道交通各系統(tǒng)特別是車輛、信號(hào)、通信、綜合監(jiān)控等機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備在目前基本配置的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其可用性、可靠性和安全性，為客戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，是今后列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)施除了減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員配置及其工作量外，從運(yùn)營(yíng)角度考慮，期望進(jìn)一步提高軌道交通旅行速度，而旅行速度的提高，意味著客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量的改善、滿載率降低的情況下運(yùn)量還可以維持較高水平、工程全壽命周期中列車運(yùn)用數(shù)量的減少[2]。

筆者擬對(duì)提高全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目中列車旅行速度進(jìn)行初步探討，提出提高列車旅行速度的設(shè)計(jì)方案，供工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

2 設(shè)計(jì)方案

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是基于現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)特別是人工智能、大數(shù)據(jù)等廣泛應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)軌道交通列車運(yùn)行全過(guò)程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通控制系統(tǒng)[3]。

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)各運(yùn)行等級(jí)已見(jiàn)諸于多個(gè)技術(shù)文件，共分5 個(gè)等級(jí)：GoA0 ～GoA4[4]。本文不再贅述各運(yùn)行等級(jí)說(shuō)明。

2.1 列車停靠車站作業(yè)全自動(dòng)化完成，縮短車站停車附加時(shí)間

列車停站時(shí)間是控制軌道交通系統(tǒng)和車站通過(guò)能力的重要因素。在一定程度上，列車停站時(shí)間越短，有助于提高系統(tǒng)通過(guò)能力，有效提高運(yùn)營(yíng)旅行速度。

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)采用GoA3 或GoA4 級(jí)列車自主運(yùn)行，全過(guò)程無(wú)需人工參與，較傳統(tǒng)的GoA2級(jí)以下的列車停靠車站作業(yè)，可以有效節(jié)省列車停靠車站時(shí)的作業(yè)時(shí)間進(jìn)而影響站停時(shí)間。具體分析如下。

列車在車站的停站時(shí)間由3 部分組成。

1）開(kāi)門時(shí)間

從列車進(jìn)站停穩(wěn)，到列車車門和站臺(tái)門打開(kāi)時(shí)間。

列車開(kāi)門過(guò)程由一系列動(dòng)作組成，列車停穩(wěn)后，ATO 向列車和站臺(tái)門發(fā)出開(kāi)門指令，信號(hào)系統(tǒng)首先檢查車速是否為0、停站位置是否正確，再經(jīng)過(guò)電氣傳動(dòng)時(shí)間，車門才能打開(kāi)。

2）乘客上下車時(shí)間

乘客上下車時(shí)間，主要取決于上、下車人數(shù)、列車的車門數(shù)量、車門寬度、乘客到達(dá)的不均衡系數(shù)，以及乘客上下車速度；車站上下車人數(shù)，取最大方向數(shù)值。

3）關(guān)門時(shí)間

從最后一名乘客走進(jìn)車廂，到車門、站臺(tái)門全部關(guān)閉的一段時(shí)間。

傳統(tǒng)GoA2 級(jí)列車控制模式下，列車?yán)碚撏Ｕ緯r(shí)間一般計(jì)算如下：每個(gè)車門平均上或下一名乘客的綜合時(shí)間按0.6 s 計(jì)算，考慮車門開(kāi)關(guān)動(dòng)作附加時(shí)間取17 s（其中開(kāi)門3 s、關(guān)閉車門（含預(yù)告）時(shí)間6 s、 各車門上下客不均衡延誤2 s 、關(guān)門后列車起動(dòng)反應(yīng)時(shí)間2 s 和站臺(tái)門開(kāi)關(guān)門延緩時(shí)間4 s）[5]。

GoA3 及GoA4 級(jí)列車控制模式下，由于全部由系統(tǒng)自動(dòng)完成，且在開(kāi)通運(yùn)營(yíng)前已經(jīng)過(guò)大量場(chǎng)景測(cè)試工作，可以不考慮運(yùn)營(yíng)管理人員因初期對(duì)系統(tǒng)不熟悉而導(dǎo)致的人為延時(shí)時(shí)間。在乘客數(shù)量、編組形式、車門數(shù)量、額外預(yù)留時(shí)間（一般按5 s 考慮）相同的情況下，GoA2 級(jí)下的關(guān)門時(shí)間（多數(shù)由司機(jī)按壓操作）可以減少4 s，僅留必須的系統(tǒng)設(shè)備處理時(shí)間，從而開(kāi)關(guān)門動(dòng)作附加時(shí)間可取值13 s。此項(xiàng)技術(shù)功效的貢獻(xiàn)，可有效提高GoA4 級(jí)列車正線運(yùn)營(yíng)旅行速度。在全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目工程可行性研究報(bào)告編制階段，可進(jìn)一步優(yōu)化旅行速度計(jì)算方案，提高旅行速度，使機(jī)電設(shè)備配置方案更加經(jīng)濟(jì)、合理。

2.2 重新審視正線運(yùn)行列車安全制動(dòng)模型

提高列車在線運(yùn)行的各種限制速度，也是縮短列車運(yùn)營(yíng)旅行時(shí)間的有效辦法，提速的代價(jià)是由于限制列車安全運(yùn)行最大速度的頂棚速度提高，導(dǎo)致限界放寬、曲線超高特殊處理、曲線內(nèi)外軌運(yùn)營(yíng)中列車運(yùn)行速度離散性導(dǎo)致的磨耗增加等。

為提高運(yùn)輸效率，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)以及城市軌道交通列車通信與運(yùn)行控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室組織各相關(guān)單位專業(yè)技術(shù)人員，對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中各速度參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。新建項(xiàng)目可據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)[6]。

但是，針對(duì)于特殊的既有線路，線路、軌道、限界等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)無(wú)法改變，改造升級(jí)為GoA4級(jí)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)工程的過(guò)程中，上述各專業(yè)基礎(chǔ)條件以及車輛等已經(jīng)限定了頂棚速度，此時(shí)需要尋求其他解決方案。

目前，各信號(hào)系統(tǒng)供貨商采用的安全制動(dòng)模型多數(shù)基于IEEE 的CBTC 系統(tǒng)性能和功能需求中提出的安全制動(dòng)模型[7]，該安全制動(dòng)模型如圖1 所示。

上述安全制動(dòng)模型已經(jīng)成熟應(yīng)用于多個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目，本文不對(duì)其做過(guò)多解讀。僅針對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注其中的部分參數(shù)，以便達(dá)到其他條件不變的情況下進(jìn)一步提速的目標(biāo)。

圖1 IEEE推薦的安全制動(dòng)模型Fig.1 Safety braking model recommended by IEEE

2.2.1 挖掘ATP超速容限的潛力

在常規(guī)CBTC 系統(tǒng)項(xiàng)目中，列車在信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)下運(yùn)行時(shí)，由于司機(jī)操作（GoA1 級(jí)）失誤或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（GoA2 級(jí)）故障時(shí)，都存在ATP 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到列車超速狀態(tài)后系統(tǒng)在采取緊急制動(dòng)前給予司機(jī)或系統(tǒng)設(shè)備一定的操作靈活度，以避免列車頻繁制動(dòng)，給列車正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的困擾。

在全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目中，可對(duì)ATP 超速容限進(jìn)一步降低，從而在頂棚速度一定的條件下盡可能接近頂棚速度，提高列車旅行速度。降低的值需結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備性能，綜合考慮信號(hào)系統(tǒng)核心處理器的CPU主頻、數(shù)據(jù)采集方式、安全表決方式和決策機(jī)制導(dǎo)致的系統(tǒng)處理周期等技術(shù)參數(shù)最終確定。

2.2.2 取消車載設(shè)備報(bào)警提示時(shí)間

在圖1 的安全制動(dòng)模型中，在ATP 曲線到觸發(fā)EB 這段時(shí)間范圍內(nèi)，考慮了響應(yīng)時(shí)間內(nèi)最不利情況的發(fā)生，包括：測(cè)速誤差；超速容限；ATP 系統(tǒng)失效，同時(shí)司控手柄或ATO 系統(tǒng)發(fā)出了最大牽引指令；列車運(yùn)行在線路最大下坡道；常用制動(dòng)失效，列車處于最大失控加速狀態(tài)。

考慮上述因素后，將會(huì)導(dǎo)致列車因司機(jī)人工駕駛或自動(dòng)駕駛功能失誤，在多重最不利條件發(fā)生時(shí)，運(yùn)行列車的緊急制動(dòng)觸發(fā)。

綜上所述，ATP 系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)列車最大允許速度，用戶在追求最高列車運(yùn)行速度時(shí)，都應(yīng)將車速控制在這個(gè)最大允許速度之下。根據(jù)圖1 的安全制動(dòng)模型，信號(hào)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 一種列車運(yùn)行控制曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of a train operation control curve

如圖2 所示，能夠看到一種典型的列控系統(tǒng)設(shè)定的安全制動(dòng)公式中，ΔV（即ΔV1+ΔV2+ΔV3）取值大致是10 km/h。為提高全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目旅行速度，設(shè)想全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ATP 系統(tǒng)刪除“速度報(bào)警”曲線（常態(tài)無(wú)人駕駛），直接定義為FSB 曲線，同時(shí)提高測(cè)速傳感器精度，進(jìn)一步降低系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，則可以使ΔV 取值大致是5 ～7 km/h，即在頂棚速度不變的情況下，ATP 允許速度提高了3 ～5 km/h。

2.2.3 其他

如果其他相關(guān)專業(yè)如軌道、限界、車輛等能夠?qū)?xiàng)目的頂棚速度給予重新審視，在信號(hào)系統(tǒng)給予足夠余量的條件下，不考慮本專業(yè)附加的余量，則可以實(shí)現(xiàn)工程最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[8]。工程項(xiàng)目中的路基、道床、軌道、車輛、限界綜合定義的頂棚速度能否在5 s 期間中忍受+5 km/h 的沖擊壓力；或者可以實(shí)現(xiàn)不對(duì)車輛造成損壞的可撞式車檔，則將對(duì)旅行速度的提高有決定性的影響。

另外，如果在相應(yīng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，信號(hào)專業(yè)能夠進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，仔細(xì)核查線路中是否存在下坡道中限速段或下坡道終末的限速段，則在該段限速范圍可不考慮坡道換算加速度，本項(xiàng)工程的旅行速度還能有所提高。

2.3 特殊設(shè)計(jì)入庫(kù)停車安全制動(dòng)模型

全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目中入庫(kù)采用設(shè)備控車方式，較常規(guī)的GoA2 級(jí)以RM 模式人工駕駛?cè)霂?kù)不同[9]。由于安全制動(dòng)模型中各類最不利條件的限制，庫(kù)線長(zhǎng)度在不滿足信號(hào)系統(tǒng)對(duì)保護(hù)距離要求前提下，只能以極低的速度入庫(kù)；另外，還要完成列車自動(dòng)喚醒后車載設(shè)備對(duì)列車的篩選、庫(kù)內(nèi)跳躍動(dòng)態(tài)自檢等功能[10]。

對(duì)于列檢庫(kù)長(zhǎng)度不滿足正常設(shè)計(jì)需求的全自動(dòng)運(yùn)行線路，可嘗試在庫(kù)線停車點(diǎn)附近安裝局部定位信標(biāo)，完成與本列位已停準(zhǔn)列車的雙線通信；喚醒后的車載設(shè)備通過(guò)局部定位設(shè)備確定列車位置，列車在局部定位設(shè)備通信范圍內(nèi)進(jìn)行跳躍測(cè)試[11]。

簡(jiǎn)化的安全制動(dòng)模型的另一種表達(dá)形式如圖3所示，考慮車載設(shè)備輸出響應(yīng)時(shí)間tout、牽引切除時(shí)間ttraction、惰行時(shí)間tcoasting。列車入庫(kù)時(shí)，車載設(shè)備接收到局部定位設(shè)備所傳輸?shù)男畔⒑筇崆扒谐隣恳熊囍煌ㄟ^(guò)惰行（場(chǎng)段內(nèi)一般坡度為0，可不考慮最大坡度的最不利條件）、制動(dòng)兩種工況運(yùn)行至系統(tǒng)指定停車位置精確停車。可以看出：在初始速度均為v0的前提下，曲線1 需要的保護(hù)距離小于標(biāo)準(zhǔn)安全制動(dòng)模型（曲線2）需要的保護(hù)距離。

圖3 入庫(kù)停車安全制動(dòng)模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of safety braking model for stopping in the depot

通過(guò)上述特殊設(shè)計(jì)，可在庫(kù)線長(zhǎng)度不滿足要求時(shí)提高入庫(kù)速度，并在庫(kù)內(nèi)完成篩選及跳躍測(cè)試。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)安全制動(dòng)模型及列車停靠車站時(shí)各項(xiàng)參數(shù)的分析，考慮全自動(dòng)化無(wú)人操作以及部分項(xiàng)目因城市用地資源緊張而導(dǎo)致庫(kù)線長(zhǎng)度不夠的實(shí)際情況，提出了提高全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目列車旅行速度的設(shè)計(jì)方案： 1）縮短車站停車附加時(shí)間；2）優(yōu)化安全制動(dòng)模型，減少超速容限值并取消系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警時(shí)間；3）特殊設(shè)計(jì)入庫(kù)停車安全制動(dòng)模型并布置局部定位設(shè)備。

上述方案是筆者在城市軌道交通項(xiàng)目提質(zhì)增效、挖掘潛力的背景下，結(jié)合自身項(xiàng)目實(shí)踐，對(duì)全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目提升旅行速度的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了初步探討，期望能為同行技術(shù)人員提供參考，為軌道交通建設(shè)提供有益的借鑒。