城市轨道交通CBTC系统车载ATP仿真研究

董凯霞 刘晓娟 朱耘燕

列车超速防护子系统 (Automatic Train Protection，ATP)是各种 CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列车控制)系统中负责列车安全运行功能的部分，是CBTC系统的关键子系统。列车超速防护功能是ATP子系统的核心功能，由车载ATP实现。本文提出了一种车载ATP的超速防护模型，阐述了其原理及计算方法，并以上海轨道交通10号线的相关数据为例对模型进行了仿真实现。

1 车载ATP仿真子系统

车载ATP仿真子系统是兰州交通大学《基于无线的城市轨道交通CBTC系统仿真平台》项目中的一个子系统。它以CBTC系统的车载设备为对象，主要包括车载ATP、驾驶及运行计算、轨旁ATP接口、报警记录等模块，其结构如图1所示。

各个模块的主要功能如下:

1．驾驶及运行计算模块。初始化列车及线路参数、驾驶列车、计算列车速度及位置、向车载ATP模块发送列车的速度及位置信息。

2．轨旁ATP接口模块。与轨旁ATP通信，接收来自轨旁ATP的移动授权及临时限速信息，将其发送给车载ATP模块;接收来自车载ATP的列车位置及速度信息，将其发送给轨旁ATP。

图1 车载ATP仿真子系统结构图

3．车载ATP模块。根据移动授权、列车性能及当前运行状态、当前线路参数等信息，实时计算紧急制动触发曲线、最限制速度触发曲线，并以此为标准监督列车速度，列车一旦超速，立即实施紧急制动;向轨旁ATP接口模块发送列车的位置及速度信息。

4．报警记录模块。记录各种报警信息，包括常用制动报警、紧急制动报警等。

该仿真系统可以模拟在各种线路条件下各种类型的动车组启动、牵引、惰行、制动等工况下的运行状态，实时计算各种速度曲线，一旦列车超速，立即实施相应制动，并记录各种报警信息。

2 车载ATP超速防护模型

2.1 紧急制动过程

图2 车载ATP超速防护模型原理图

列车的紧急制动过程分为3个阶段，如图2中A-B-C-D、A1-B1-C1-D1所示。

第1阶段 (A-B)，列车在当前牵引力下继续加速，对应于启动紧急制动前，车载ATP设备和列车设备响应时间造成的延迟。

第2阶段 (B-C)，牵引力得到抑制，但由于列车延迟不能立即制动，列车进行惰性运行。

第3阶段 (C-D)，进行有效紧急制动。

2.2 超速防护模型

在CBTC系统中，超速防护确保实现以下功能。

1．确保列车速度不超过线路限速 (与线路曲线、桥梁、隧道等有关)。

2．确保列车速度不超过临时限速。

3．确保列车速度不超过列车最高持续运行速度和模式限速。

4．确保列车通过道岔时，不超过道岔允许通过速度。

5．确保列车进站或跳停时，速度不超过站台限速。

本模型通过对最限制速度触发曲线和紧急制动触发曲线的监督实现以上超速防护功能，如图2所示。防护点代表列车绝对不允许以高于目标速度的速度越过的限制，它取决于采用的运行模式，在移动闭塞模式下，防护点位于前行列车的尾部，包括位置不确定因素和后退误差。本模型中，以防护点处目标速度为零为例，进行计算。由于城市轨道交通中列车的基本阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力对速度曲线的影响相对较小，本模型暂未考虑。

最限制速度曲线是线路的静态限速、临时限速、列车最高持续运行速度、模式限速等速度限制的最小值。其中，线路的静态限速与线路曲线、桥梁、隧道、道岔、站台等条件有关。临时限速通常是由于轨道上的工作而设置的，为线路上的某一段地理位置 (速度限制的起始点和终点)定义一个临时的速度限制，它由控制中心的操作员或者是设有本地ATS车站的操作员来设置。列车最高持续运行速度由列车的构造决定。模式限速是由ATP所处的工作模式决定的列车最大速度，在ATP模式下，列车的最大速度是自动授权的;在其他限制模式下，列车的最大速度受到限制。

列车的运行速度不能超过最限制速度曲线，考虑实际车载设备的延时，需要设计最限制速度触发曲线来保证此安全限制。正常情况下，列车以低于最限制速度触发曲线的速度运行，一旦列车速度超过该位置的最严格限速触发速度，列车实施紧急制动，按照图2中曲线A1-B1-C1-D1规律运行。

紧急制动保证曲线用来确保列车在安全性停车点前停车。紧急制动保证曲线的起始点后增设保护距离，保护距离不是一个固定值，它根据列车性能、线路参数、列车当前牵引加速度的不同而发生变化，从而使列车能够更接近防护点停车。

根据紧急制动保证曲线计算紧急制动触发曲线，车载ATP连续地监控紧急制动触发曲线，正常情况下，列车以低于紧急制动触发曲线的速度运行，在正常的ATO停车点处停车。一旦列车速度超过该位置的紧急制动触发速度，列车实施紧急制动，按照图2中曲线A-B-C-D规律运行，最终在安全性停车点前停车。

另外，由于紧急制动触发曲线的计算因素之一是列车的当前牵引加速度，在车载ATP的计算周期内，如果列车加速度加大，或者当前编码里程计的传感器刚好少计一齿数，致使所测列车速度小于列车实际速度，列车则可能会超过限速，所以当采用当前列车牵引加速度计算紧急制动触发曲线的时候，要预留余量，以保证即使发生这种情况，列车也不会超速。同样，最限制速度触发曲线的计算也预留了余量。

因此，此超速防护模型能够保证列车不会超过最限制速度曲线，而且列车在防护点前停车。在本超速防护模型中，为了留有更为充足的紧急制动距离，列车紧急制动的惰行阶段暂时按切断牵引力(牵引力为0)、但考虑坡度产生的加速度来处理。

2.3 超速防护曲线

2.3.1 超速防护曲线计算

1)保护距离的计算。保护距离根据列车性能、线路参数、列车当前加速度的不同而发生变化，其计算公式如下。

Sp为保护距离的对应速度 (m/s);Dp为保护距离 (m);act为当前列车牵引加速度 (m/s2);ai为当前坡度产生的加速度 (m/s2);i为当前坡度值，上坡为正，下坡为负，在本模型中当i＞0时，按i=0处理;t1为产生紧急制动命令到切断牵引之间产生的时延 (s);t2为切断牵引到紧急制动实施之间产生的时延 (s);E为编码里程计计数误差产生的速度 (m/s);b为可以保证的最小的紧急制动率(m/s2);g为重力加速度 (m/s2);r为最小旋转质量系数;D为车轮直径 (m);N为编码里程计的齿数 (个);t为车载ATP的计算周期 (s)。

2)最限制速度曲线的计算。最限制速度曲线通过比较线路的静态限速、临时限速、列车最高持续运行速度、模式限速等速度限制，然后取它们的最小值得到。在实际应用中，最限制速度曲线需要考虑列车长度，以确保列车尾部能安全通过限速区段，如图3所示 (为了清楚显示各曲线间的关系，列车车长校正前的速度曲线和列车车长校正后的速度曲线都向下进行了平移)。

3)最限制速度触发曲线的计算。公式如下。

SZXT为最限制速度触发曲线对应的触发速度(m/s);Szx为最限制速度曲线对应的速度 (m/s);Sy为速度余量 (m/s);DZXT为最限制速度触发曲线对应的触发距离 (m);Dzx为最限制速度曲线对应的距离 (m);Dy为距离余量 (m);atmax为可提供的最大牵引加速度 (m/s2);Sc为列车当前运行速度 (m/s);其他参数同上。

图3 最限制速度曲线的计算

4)紧急制动保证曲线的计算。由于保护距离设计在防护点后，而紧急制动保证曲线从点(Dp，0)处开始计算。其计算公式如下。

SEBG为紧急制动保证曲线对应的速度 (m/s);DEBG为紧急制动保证曲线对应的距离 (m);DOBJ为目标距离 (m);n为步进步数;△S为步进长度(m);其他参数同上。

5)紧急制动触发曲线的计算。计算公式如下。

SEBT为紧急制动触发曲线对应的速度 (m/s);DEBT为紧急制动触发曲线对应的距离 (m);其他参数同上。

6)紧急制动距离的计算。列车速度超过最限制速度触发曲线或紧急制动触发曲线上的对应速度，列车都进行紧急制动，触发紧急制动后的实际运行规律 (紧急制动曲线)如下。

第一阶段 (t1时间段内)，列车做加速度为(act+ai)的匀加速或匀速直线运动。

第二阶段 (t2时间段内)，列车做加速度为ai的匀加速或匀速直线运动。

第三阶段 (有效紧急制动)，列车做减速率为(b－ai)的匀减速直线运动。

紧急制动距离DEB为3段距离之和:

如果列车速度超过的是最限制速度触发曲线，紧急制动距离的计算只需把上式中的SEBT改为SZXT。

2.3.2 超速防护曲线计算步骤

1.最限制速度触发曲线。以线路的静态限速、临时限速、列车最高持续运行速度、模式限速、列车长度等信息为基础计算最限制速度曲线。以最限制速度曲线为基础，按照公式 (2)计算最限制速度触发曲线。

2.紧急制动触发曲线。采用逆推法计算紧急制动触发曲线，仿真步长取0.01m。从安全性停车点往速度增大的方向 (图2中横坐标的反方向)计算，步骤如下:

3 车载ATP超速防护模型的仿真实现

以上海轨道交通10号线的列车及线路数据为例，对提出的模型进行仿真计算。(计算参数取自《上海轨道交通10号线RTI文件》)。图4是在最高限速为85km/h，列车牵引加速度为1.134 m/s2、最大线路坡度为－3.72%条件下的仿真模型，其他的仿真数据见表1。

表1 紧急制动仿真结果对比

图4 超速防护模型仿真

通过对比，可见本模型中紧急制动距离的仿真结果基本符合厂商提供的数据，由于模型中预留了余量，所以紧急制动触发速度会偏低，紧急制动距离会有所变小。坡度的变化对制动距离的影响很大，所以超速防护曲线的计算应该采用当前坡度。

由于采用了紧急制动保证曲线，即在不利情况下，也可以保证列车在安全性停车点停车，所以防护距离不必很大，也不必是一个固定值。本模型中防护距离是动态的，列车当前的牵引加速度越大、当前坡度越大，制动条件越不利，防护距离越大。

4 结束语

本文设计了一种根据列车性能参数、列车当前运行状态、当前线路条件计算的超速防护模型，并以上海轨道交通10号线的相关参数为例，使用VC++6.0对模型进行了仿真，仿真结果符合实际。

［1］ 卡斯柯信号有限公司．上海轨道交通10号线信号系统技术规格说明书［R］．2008，10．

［2］ 卡斯柯信号有限公司．上海轨道交通10号线 RTI文件［R］．2008，10．

［3］ 郭宁．CTCS-2级列控系统超速防护仿真研究［D］．西南交通大学研究生学位论文．2008，3．

［4］ 宋芹，陈凯，催熟妮等．城市轨道交通国产ATP车载设备超速防护功能的仿真实现［J］．中国铁道科学，2002(4)．

(责任编辑:张 利)