工程車加裝車載ATP方案分析

佘路軍、李惠欣、楊智

（1.中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江 杭州 310004；2.杭州杭港地鐵五號線有限公司，浙江 杭州 310000；3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 研究背景

隨著我國城鎮化速度的加快，大型城市呈現出多中心或放射狀的發展趨勢。地鐵作為城市軌道交通的中堅力量，加強了主中心與各副中心的聯系。在各大城市發展的進程中，單條地鐵線路延伸為長大線路的情況越來越普遍。北京、上海、廣州、成都、杭州等大城市的部分地鐵單條線路已超過50km。

工程車是地鐵運營單位夜間線路施工及維護的運輸工具，國內地鐵系統要求，在人工駕駛模式下，工程車的最高運行速度為40km/h（部分城市僅為25km/h），對于長大地鐵線路，工程車需要2～4h完成全線運行；且在人工駕駛模式下，工程車會存在超速、脫軌等安全風險。因此，在工程車中加裝車載ATP設備，對提高工程車的運行效率，保證運行安全是非常必要的。

2 系統的主要功能

根據工程車的實際運營需求，裝載了車載ATP設備的工程車可以實現CBTC模式下的ATP防護功能，司機可在連續的ATP防護下人工駕駛列車運行。

ATP系統的主要功能包括：

一是列車速度和位置測定，在CBTC區域內能夠確定列車的速度、位置和運行方向。

二是基于連續的速度-距離曲線安全制動模型，實現列車速度控制，防止列車超速，保證追蹤列車之間的行車間隔。

三是處理移動授權（MA）。

四是列車完整性監督。

五是工程車以非通信的RM或EUM模式與載客列車聯掛，以便展開救援。

3 設計難點及解決方案

3.1 工程車編組建議方案

因運營救援、夜間施工的需要，工程車存在解編、重編、混編等需求，這也使得每列工程車的車長不固定。一般情況下，ATP對車輛的超速防護是針對整列車的包絡設計，若無法獲取準確的列車長度，或實際車長與系統內定義的車長不一致，就可能造成CBTC列車互相追蹤時發生追尾事故。

在CBTC模式下，每個信號系統的供應商在進行列車篩選時均有一定的長度要求。

在進行列車篩選時主要考慮如下因素：計軸響應時間，包括軌道區段由空閑到占用的響應時間及聯鎖設備響應時間；車載計算機處理時間、車地通信傳輸及延遲時間。

出段列車若以20km/h的速度進行列車篩選，則至少要求25m的篩選距離，若考慮到定位誤差、車輪到車鉤之間的距離，則還需要更長的篩選距離。

基于以上因素，考慮到工程車長度為13～15m，所以工程車編組應不少于3列,建議以3～6列進行編組。

此外，考慮到工程的可實施性，在保證系統要求的最小列車車長的前提下，進行系統設計時，需根據工程車存在的多種編組形式，可以考慮只進行列車車頭篩選。目前，列車通過車地無線通信獲取前方線路參數、移動授權等，實現列車追蹤。系統可將其后編組的平板車、磨軌車等作業車輛和尾部的工程車，視為非通信車，后續列車按照固定閉塞方式進行追蹤。

綜上所述，為了方便工程車的站后折返、站前折返、站間施工等作業需求，保證列車正常篩選，建議在進行工程車編組時，可采用前端的工程車（加裝車載ATP設備）+中部的被牽引車列或平板車+后端的工程車（加裝車載ATP設備）的方式，中部的被牽引車列或平板車宜為1～4列平板車或其他類型工程車。

3.2 工程車重聯方案

列車完整性信息是車輛設備提供給信號車載設備的關鍵信息之一，列車完整性信息的丟失，將直接導致列車緊急制動。

國內工程車一般不會對列車完整性的功能提出要求，首尾工程車之間也無通信需要。為確保列車完整性，同時滿足工程車解編、混編的需求，需在編組中間的每節工程車車底均鋪設列車線，并在每節工程車兩端均配置重聯插座，通過車端重聯線和車底列車線實現前后牽引機車的重聯功能，從而實現對重聯后的整列工程車完整性檢查功能。

3.3 影響列控系統的工程車性能參數

3.3.1 車輛性能參數的影響分析

相關車輛因素包括：車輛從切除牽引到緊急制動的施加及生效前的最大響應時間（包括從牽引系統收到EB指令到牽引力開始切除的時間、從牽引力開始切除到牽引力完全切除的時間、從牽引系統收到制動指令到牽引力開始切除的時間、從制動系統開始動作到制動力完全建立的時間等），列車可保證的緊急制動率（GEBR），列車的最大加速度、列車最大常用制動等[1]。

由于工程車與運營列車的列車參數不同，因而導致在同一套信號車載軟件控制下，工程車的自動觸發長度、安全防護距離、保護區段等工程參數也有所不同。下文將根據工程實例計算自動觸發長度，進一步闡明車輛性能參數對列控系統的影響。

3.3.2 自動觸發長度計算工程示例

（1）自動觸發長度計算原則

計算自動觸發長度，分為CBTC控制模式和聯鎖控制模式兩種場景。處于CBTC模式時，自動觸發長度為：聯鎖觸發辦理進路至行車憑證開放期間，列車運行的最大距離+車載獲取前方進路開放的移動授權時間內的運行距離+列車緊急制動距離+安全閾量。處于聯鎖模式時，自動觸發長度為：從進路建立至信號開放時間內的運行距離+司機反應時間內的運行距離+列車緊急制動距離。

（2）緊急制動距離的計算

（a）計算依據：由上述自動觸發計算原則可知，緊急制動距離是自動觸發長度的一部分。緊急制動距離的計算模型如圖1所示。國內外信號系統供貨商CBTC系統的緊急制動距離均按此研發，此次研究也將以此為依據，計算緊急制動距離。

(b)緊急制動距離的計算：根據以上安全制動模式，列車以80km/h的目標速度在正線上運行時，各階段的安全防護距離計算方式如式（1）（暫不考慮坡度、曲線半徑、實際載重和計算載重之間誤差等）。

階段A走行的距離：

式（1）中：VA0為緊急制動觸發速度，取85km/h；TA為ATP響應時間，取500ms；aA為85km/h的運行速度下產生的加速度率，取0.35m/s2（杭州地鐵5號線車輛參數，按AW2工況下取值）。將以上數據代入式（1）中可得：SA=11.810m，VB0=VA0+aA×TA=23.786m/s。

階段B走行的距離：

式（2）中：TB為牽引切除時間，取250ms；aB與aA取值一致；VB0為階段B的初始速度。將以上數據代入式（2）中可得：SB=5.948m，VC0=VB0+aB×TB=23.934m/s。

階段C走行的距離：

式（3）中：VC0為階段C的初始速度；TC為緊急制動命令相應時間，取200ms。將以上數據代入式（3）中可得：SC=4.787m。

階段D走行的距離：

式（4）中：TD為緊急制動建立時間，根據車輛提供的數據，制動力達到10%的時間為200ms，制動力由10%達到90%的時間為1300ms；TD取1500ms；aD取GEBR值乘以系數0.5；VD0與VC0一致。將以上數據代入式（4）中可得：SD=35.435m，VE0=VD0-aD×TD=23.312m/s。

式（5）中：aE取0.829m/s2，將該數據代入式（5）中可得：SE=327.774m。

綜上所述，列車以80km/h的速度在正線運行時，在AW2工況下，緊急制動距離SEB-80=SA+SB+SC+SD+SE=385.754m。

由于當蓄電池工程車在接觸網模式下時，列車切除牽引的速度為78km/h，因此此次研究取工程車以60km/h的速度在正線運行，根據上述安全制動模型及步驟，從牽引力開始切除到牽引力完全切除的時間取2576ms，從制動系統收到EB指令到制動力達90%的時間取6000ms，列車可保證的緊急制動率取0.713m/s2，計算可得，工程車緊急制動距離S＇EB-60=291.668m。

（3）自動觸發長度計算

（a）CBTC模式下，自動觸發長度為：從聯鎖觸發辦理進路至行車憑證開放期間列車運行的最大距離+車載獲取前方進路開放的移動授權時間內的運行距離+列車緊急制動距離+安全閾量，即式（6）：

式（6）中：進路的開放時間取3s（無岔時）、13s（有岔時），CC獲取移動授權的最大允許時間取6s，安全閾量取20m，運營列車的最高運行速度取80km/h，工程車的最高運行速度取60km/h。代入式（6）中可得：

CBTC模式下，運營列車自動觸發長度為Sauto-運營列車=80/3.6×13+80/3.6×6+SEB-80+20=827.976m。

工程車自動觸發長度為Sauto-工程車=60/3.6×13+60/3.6×6+S＇EB-60+20=628.335m。

（b）聯鎖模式下，自動觸發長度為：從進路建立至信號機開放時間內的運行距離+司機反應時間內的運行距離+列車緊急制動距離。根據式（6）的計算原理，司機反應時間取3s，聯鎖模式下運營列車的最大運行速度取60km/h，工程車的最高運行速度取40km/h。

則當處于聯鎖模式下時，運營列車自動觸發長度為S＇auto-運營列車=60/3.6×13+80/3.6×3+SEB-60=505.499m。

工程車自動觸發長度為S＇auto-工程車=40/3.6×13+40/3.6×3+S＇EB-40=392.048m。

3.3.3 小結

綜上所述，正線的最高運行速度為80km/h的線路，在CBTC模式下，當工程車的最高運行速度取60km/h，根據計算所得的工程車緊急制動距離、自動觸發長度均小于運營列車計算長度。在聯鎖模式下，當工程車的最高運行速度取40km/h時，根據計算所得的工程車自動觸發長度小于運營列車計算長度。在進行系統設計時，可按此方式設計，確保系統性能不受工程車參數的約束。

4 工程車加裝車載ATP方案

目前，城市軌道交通信號系統大多采用基于通信的移動閉塞信號系統（CBTC）；載客列車通常采用動力分散式列車，固定編組，列車的車載設備采用頭尾兩端分別設置1套車載ATP/ATO設備，車載設備冗余方式采用單端2乘2取2或3取2的方式。工程車一般只在非運營時段進入正線，考慮到前期工程投資、運營維護成本以及實際的運營維護需求，1輛工程車可只配置1套車載ATP設備，如圖2所示。

同時，考慮到每輛工程車有雙方向駕駛的需求，每輛工程車可配置2臺車載顯示器，均設置應答器天線、測速設備、無線天線等設備。

5 結語

隨著地鐵運營線路越來越長，對地鐵高效及安全運營的要求也越來越高。工程車加裝車載ATP設備，能有效減少運營、維護過程中人為因素造成的事故（如工程車超速、脫軌），使夜間施工時間得到充分利用。由于目前國內軌道交通工程車加裝車載ATP設備的城市和項目比較少，工程建設及應用的經驗尚不成熟，且信號系統設備供貨商、工程車供貨商對設備的應用經驗不足，因此，在實際的工程中，需結合項目的實際情況，對信號供應商系統的特點、工程車參數及接口信息等進行綜合分析，制定滿足用戶需求的實施方案。