基于車輛制動延時的列車自動防護系統防護距離優化

布登兵 陳紹文

(卡斯柯信號有限公司，200071, 上海∥第一作者，工程師)

在全自動運行線路的自動化停車場或車輛段(以下簡為“場段”)中，若要實現列車在停車列檢庫內自動準確停車，則停車列檢庫長度應能滿足列車防護距離的要求。由于前期規劃時尚未確定車輛型號及信號制式，故停車場停車列檢庫長度設計中會考慮常規性預留。然而，在設計后期：如停車列檢庫長度過長，則會造成浪費；如停車列檢庫長度不能滿足信號防護距離的要求，則會降低軌道的使用效率，并給實際運營過程增加了諸多限制。因此，應在規劃前確定最小列車防護距離，可在滿足信號系統防護距離的基礎上，使線路規劃更加精確。本文以自動化場段為例，對列車的ATP(列車自動防護)系統防護距離進行優化，為提前精確確定最小停車列檢庫長度提供依據。

1 ATP防護原理

在信號系統中，ATP系統是保障列車安全的重要子系統，主要為線路上的列車提供安全防護。ATP系統通過設置于線路中的ZC(區域控制器)為每列列車計算其在最不利條件下也不會突破的ATP包絡線。在列車實際運行中，如果列車運行速度曲線緊貼著ATP包絡線，則會經常觸發緊急制動，降低列車運行的平穩性。由于車輛制動存在延時，故可能出現超出前方限制點的危險場景。為了提高安全運行效率和舒適性，信號系統以ATP防護曲線為基礎，根據列車能夠輸出的最小牽引制動加速度和制動延時，計算ATP緊急制動曲線、緊急制動觸發曲線、ATO(列車自動運行)最佳命令曲線和ATO接近曲線，如圖1所示。

圖1 ATP防護速度-距離曲線圖

1.1 ATP緊急制動保證曲線

信號系統提供的列車安全運行保障，主要是防護列車在最不利條件下不能越過前方列車末端、禁止信號、未受控制的道岔及線路末端的車擋等限制點。假設車輛提供的保障制動加速度為a1，列車經過緊急制動后確保最終停在限制點前方，則ATP緊急制動保證曲線為：

(1)

式中：

v1——緊急制動時的初速度，一般等于線路最高限速；

D1——列車的緊急制動距離；

a2——線路坡度產生的加速度。

1.2 列車緊急制動觸發曲線

1.2.1 列車緊急制動延時分析

根據文獻[1]，列車執行緊急制動的過程可以劃分為3個階段：①列車響應切除牽引命令延時階段，列車仍按照最高加速度運行，該階段延時t1約為0.18 s；②列車施加制動延時的惰行階段，列車處于惰行狀態，該階段延時t2約為0.35 s；③列車施加制動階段，該階段延時t3約為1.50 s，主要為車輛制動力從0增至90%最大制動力Fmax時的延時時間。

1.2.2 緊急制動觸發曲線計算

緊急制動觸發曲線以ATP緊急制動觸發速度為上限。根據前文分析，從緊急制動命令發出至車輛牽引切除這段時間內，列車速度增加值為：

v2=t1(a1+a2)

(2)

式中：

v2——車輛響應緊急制動命令延時時間后的列車速度。

列車從牽引切除到開始施加制動的過程中，列車處于減速運行狀態，故僅考慮線路坡度帶來的加速度a2，則這段時間列車速度增加值為：

v3=t3a2

(3)

式中：

v3——車輛施加制動過程中列車速度。

為保證列車在延時時間內雖列車速度增加，卻不觸發緊急制動速度，結合式(1)、式(2)及式(3)，設定列車緊急制動觸發速度為：

v4=v1-(a1+a2)t1-a2t3

(4)

式中：

v4——列車緊急制動觸發速度。

為保證列車不觸發緊急制動，如列車速度達到v4，則ATP系統將先發出緊急制動提示，而列車繼續增速則將會觸發緊急制動。由此，ATP緊急制動觸發曲線為：

(5)

式中：

D2——列車制動過程中行駛的距離。

1.2.3 ATO最佳命令曲線和ATO接近曲線

為提高列車運行效率，改善列車運行平穩性和乘客舒適度，列車一般在ATO系統自動駕駛模式下運行。ATO系統根據ATP系統發送的緊急制動觸發曲線信息和來自車輛的實時速度信息，實時計算列車最優ATO曲線，并給列車發送牽引制動命令，控制列車在正常情況下緊貼著緊急制動觸發曲線運行。

由于車輛對ATO命令的延時響應，以及列車能輸出的最小牽引制動加速度有限，故在列車自動運行中，ATO系統需要根據ATP緊急制動曲線，計算出適合列車運行的ATO接近曲線，即按ATP最高運行速度減去因延時響應帶來的列車增速。根據式(1)到式(5)計算，ATO接近曲線為：

(t1+t3){v1-t1(a1+a2)-t3a2}

(6)

其中,D3為ATO列車最小停車距離。

2 防護距離優化

2.1 自動化場段信號系統的最小防護距離要求

圖2為某停車列檢庫中雙列位停車線的布置圖，其中a、d分別為車1及車2在運營停車點的最小ATP防護距離，b、e分別為車1及車2的列車實際長度，c、f分別為車1及車2車尾到折返信號機間最小距離。

注:S為信號燈;SSP為停車點。

為保證列車能在AG軌道上連續自動精確停車，AG軌道長度需滿足信號專業最低防護距離要求，即在自動化停車場雙列位停車線上，能滿足列車在停車線上自動停車要求的最小軌道長度為：

L=2(D4+D5+D6)

(7)

式中:

L——停車線最小長度;

D4——列車長度；

D5——ATP防護距離;

D6——列車懸掛距離，取2.5 m。

2.2 實際項目的最小防護距離優化

某全自動運行線路的列車長度為140 m，場段內均采用雙列位停車線配置。場段內線路坡度為0，車輛提供的保障制動加速度為0.85 m/s2，ATP系統最小防護距離為13.58 m，相關車輛延時參數見表1。

表1 某項目的車輛延時參數表

由表1、式(6)及式(7)可得，該項目雙列位停車線中單個股道長度至少為312.16 m。在其他條件不變情況下，如果車輛的制動延時優化后縮短30%，則列車防護距離相關計算參數如表2所示。

表2 制動延時優化前后的ATP防護距離計算相關參數

由表2、式(6)、式(7)可得，優化后列車停車線軌道最小長度為305.44 m。

綜上可知，在其他條件不變情況下，當車輛制動延時縮短30%時，ATP防護距離可降低24.7%，單條停車線長度理論上能縮短6.72 m，實際可減少6 m。按照場段內有55條停車線的規模計算，根據土建測量結果，場地寬度可減少約366 m，整個項目能節約占地面積約2 460 m2。

3 結語

地鐵建設尤其是車輛基地的建設，需占用大量土地資源。本文基于信號系統防護距離原理，探討優化車輛制動延時參數對防護距離的影響。實際項目計算結果顯示，當車輛制動延時減少30%時，基于ATP系統的列車防護距離縮短24.7%，單條停車線長度實際可減少6 m。進一步分析可知，在地鐵建設前期，提前優化車輛制動延時，進而優化列車防護距離，可有效減少項目占地面積，提高土地利用率，進而有效緩解在地鐵建設中因線路長度造成的社會和經濟影響。