基線3 ETCS列控系統ATP制動減速度轉換模型研究

龍時丹

（國家鐵路局裝備技術中心，北京 100070）

1 概述

為解決歐洲鐵路各國列控系統互聯互通問題，降低運營成本，歐洲主要鐵路設備供應商參與制定了歐洲鐵路運輸管理系統/歐洲列車控制系統（ERTMS/ETCS）需求規范[1-5]。目前最為完善的基線為基線3發布版本2，其制定了通用的列車制動曲線模型。

列車制動曲線是列車自動防護系統（Automatic Train Protection，ATP）的核心控制單元，直接影響列車運行的安全性和高效性。緊急制動減速曲線（Emergency Brake Deceleration，EBD）和常用制動減速曲線（Service Brake Deceleration，SBD）是列車制動曲線的基本曲線，二者由列車固有減速性能即制動減速度確定。其他制動曲線，如緊急制動干預曲線（Emergency Brake Intervention，EBI）、常用制動干預曲線（Service Brake Intervention，SBI）、警告曲線（Warning，W）、允許速度曲線（Permitted speed，P）和指示曲線（Indication，I），均由EBD和SBD結合相應的延時時間推導而來[6-8]。

ETCS基線3以兩種方式規定了列車制動減速度的獲得方法。第一種為列車數據法，即根據以列車數據的形式從外部直接獲取制動減速度參數，其使用方式簡單但需要提前知道列車的制動性能。第二種為轉換模型法，該方法將列車信息以參數的方式輸入到轉換模型中，進而得到制動減速度。ETCS基線3對轉換模型進行詳細的描述，其中制動減速度是其最為關鍵的參數，本文對制動減速度的計算方法和特點進行研究與分析。

2 制動減速度計算方法

車載系統計算列車制動曲線時，為簡化計算量通常對列車制動減速度進行分段處理。根據ETCS車載規范可知，減速度最多可分為6段，其中列車第n段制動減速度ADn可使用公式（1）所示的三次多項式進行計算。

其中，λ0∈[30,250]為制動百分比，a3n～a0n統稱amn，為多項式系數。具體取值如表1所示。

表1 制動減速度多項式系數取值Tab.1 Polynomial coefficient value table of brake deceleration

減速度分段點包含固定分段點和動態分段點，其中固定分段點為100、120、150和180 km/h，動態分段點為Vlim，且最小的分段點為Vlim，小于Vlim的固定分段點劃分的速度段與第0段合并為一段，如表2所示。

表2 Vlim與速度分段的關系Tab.2 Relationship between Vlim and speed segmentation

Vlim的計算方法如公式（2）所示。

其中，x=16.85，y=0.428。

根據subset-026，常用制動和緊急制動的制動百分比λ0計算方法有所不同，如公式（3）所示。

根據公式（3）可知，緊急制動百分比λ0與列車制動百分比相同，常用制動百分比λ0最大為135。

3 制動百分比與制動減速度關系

根據公式（1）可知，第n個速度段的制動減速度ADn僅與制動百分比λ0的變化相關。令

推論1：滿足表1的n個速度段的制動減速度f(λ0)是λ0的增函數。

證明：

fn(λ0)的一階導數為

根據二次曲線性質可知，若滿足公式（6）的條件，即二次項系數為正、判別式為負，則fn′(λ0)恒大于零。

將表1中每個速度段的多項式系數amn帶入到不等式（6）中，如表3所示。

表3 制動減速度導數信息Tab.3 Derivative information of brake deceleration

由公式（5）和表3可知，n為0時，f0′(λ0)恒為正；n為2～5時，公式（6）的不等式關系成立，因此f2～5′(λ0)恒為正。

條件1：Vlim的最小值為72.25。

證明：

由于λ0的最小值為30，將λ0＝30帶入公式（2），容易得到Vlim的最小值為72.25。

條件2：當且僅當Vlim∈[0，100）時存在第1個速度段。

證明：根據表2易得此條件。

條件3：Vlim∈[0,116.16]時，f1′(λ0)為正值。

證明：

方程f1′(λ0)的根為

設正根為λ′0+，當λ0∈[0，λ′0+）時，f1′(λ0)為正值。

根據公式（2）和（7），容易得到Vlim∈[0，116.16]。

根據條件1，2和3可知，Vlim∈[72.25，100)時存在第1個速度段，且在此范圍內f1′(λ0)恒為正。

綜上所述，表1的n個速度段（0≤n≤5）的制動減速度f(λ0)是λ0的增函數。

4 分段減速度特性分析

根據推論1，隨著制動百分比λ0的增大，各速度段減速度均增加。按照公式（1）的制動減速度計算和表2對減速度分段的劃分，得到各速度段制動減速度與制動百分比的變化關系，如圖1所示。

圖1 各速度段制動減速度與制動百分比的變化關系Fig.1 Relationship between brake deceleration and brake percentage in each speed segment

根據圖1可知：

1）當89≤λ≤98，AD2最大，λ屬于其他值時AD0最大；

2）AD1恒小于AD2，即列車在速度分段Vlim≤Vtrain≤100的減速度恒小于100≤Vtrain≤120的減速度，其中Vtrain為列車速度；

3）AD0＞AD1＞AD3＞AD4＞AD5，即除第2段減速度AD2較為特殊外，制動減速度基本滿足隨著速度增加而減小的特性。

5 結論

根據本文對ETCS基線3的轉換模型制動減速度變化規律分析結果可知，基于轉換模型的制動減速度具有隨著制動百分比的增大而增加，以及隨著速度增加而減小的特性（除第2段外）。此結論對分析ETCS基線3轉換模型制動特性和選取制動百分比具有指導作用。