軌道交通移動閉塞安全距離的仿真研究

龍安寶

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

軌道交通信號系統(tǒng)中，相對于固定閉塞和準移動閉塞，移動閉塞是一種新型的閉塞制式。它不依賴軌道電路［1］，是以前車尾部為動態(tài)的極限目標點來決定列車追蹤速度及距離的一種列車控制方式。在綜合考慮信號系統(tǒng)性能指標、線路參數(shù)和列車性能參數(shù)等可能存在的最不利因素，并保證列車不越過極限目標點或不與前車發(fā)生沖突的前提下，列車的常規(guī)停車點與危險點（極限目標點）間的最小距離，即為該列車的安全距離。安全距離是為防止列車冒進信號而在防護點后方預(yù)留的一段距離，所以安全距離是移動閉塞系統(tǒng)中的關(guān)鍵。安全距離是綜合考慮測速誤差、不確定性位置等安全因素而具體設(shè)定的。本文將根據(jù)列車追蹤間隔的計算原理，對安全距離的相關(guān)條件進行定性分析；同時結(jié)合移動閉塞的列車追蹤間隔模型，對移動閉塞中安全距離進行仿真研究。

1 安全距離的概念

安全距離是基于列車安全制動模型計算得到的一個附加距離。它保證追蹤列車在最不利條件下能夠安全地停在前行列車的后方，不發(fā)生沖撞。所以，安全距離是移動閉塞系統(tǒng)中的關(guān)鍵，是整個系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)和安全依據(jù)。安全距離的基本概念［2］如圖1所示。

圖1 安全距離示意圖

如圖1所示，假定追蹤列車在A點以線路允許的最高速度運行，此時前行列車處于C點。正常情況下，追蹤列車開始進行常用制動，沿常用制動曲線，停止在B點。但是如果此時追蹤列車發(fā)生故障，沒有開始制動，反而以最大加速度加速，直至車載控制器檢測到列車速度超出了容許范圍（如曲線EF）；此后，車載控制器啟動列車緊急制動系統(tǒng)，在緊急制動生效前，列車又沿曲線FG運行一段距離，然后制動力生效，列車沿緊急制動曲線緊急制動，停止在C點。考慮到列車的定位誤差、速度測量誤差等不確定性因素，列車停止的實際位置也有可能是D點。因此，將BD這段距離稱作安全距離。

安全距離是附加在列車常用制動距離上的一段安全富余量。列車在行駛過程中，追蹤列車和前行列車始終保持一個常用制動距離再加上一個安全距離的移動閉塞間隔，以確保在最不利條件下追蹤列車和前行列車不發(fā)生碰撞。

2 安全距離的影響因素

國際上通用的移動閉塞中的列車安全距離是根據(jù)車載ATP（列車自動防護）的安全制動模型進行計算的［3］。該安全制動模型是考慮了線路、信號、車輛等各種安全相關(guān)的因素，是對安全距離進行計算的依據(jù)。

安全距離制動曲線如圖2所示。其中，常用制動的特點是作用比較緩和，制動過程也較長，多數(shù)情況下，只使用50%的制動力［4］；緊急制動的特點是全列車的制動能力全部得到實施，反應(yīng)在列車上制動比較迅猛，以致可能造成列車上的沖撞。影響安全距離的6個主要因素如下。

圖2 安全距離制動曲線示意圖

1）測速設(shè)備的誤差：由于信號系統(tǒng)設(shè)備延時、測速設(shè)備精度、列車輪徑磨損程度等不確定因素，均會造成列車測速和位置測量的誤差。

2）信號車載設(shè)備響應(yīng)過程：當信號車載設(shè)備測量到的列車速度和位置超出緊急制動觸發(fā)曲線時，信號系統(tǒng)將向列車制動系統(tǒng)發(fā)出緊急制動指令。考慮到司機人工駕駛列車存在誤操作的可能性，以及信號車載設(shè)備延時，按最不利情況考慮了列車加速運行階段（A）。

3）列車的緊急制動過程：緊急制動過程包括列車牽引切斷階段（B）、列車惰性階段（C）、列車制動力建立階段（D）、列車制動力完全建立階段（E）。該過程中各階段的時間取決于列車特性參數(shù)，如列車制動系數(shù)、緊急制動激活時間、列車的滑動摩擦系數(shù)及不可預(yù)測的制動子系統(tǒng)故障等。在模型計算中的各參數(shù)取值將按照最不利情況考慮。

4）列車的位置不確定性：除考慮上述的測速設(shè)備誤差、設(shè)備響應(yīng)延時等因素外，還應(yīng)考慮列車與軌旁設(shè)備間的響應(yīng)時間、傳輸延時（包括允許的車－地通信中斷時間）、列車最大允許退行距離等因素，從而在安全距離中考慮前車尾端和后車前端的位置不確定性。

5）軌道坡度：實際安全制動數(shù)學(xué)模型中，在（A）、（B）、（C）、（D）、（E）階段還應(yīng)將線路坡度相應(yīng)產(chǎn)生的列車加速度考慮進去，從上述（A）～（E）過程可以看出，有利于列車加速而不利于列車制動的因素均會增大安全距離。

6）追蹤列車制動前的運行速度vmax：vmax越大，列車需要的制動力越大，制動距離越大，因此對應(yīng)的安全距離越長。

3 安全距離對列車追蹤間隔的影響

安全距離是附加在列車常用制動距離上的一段安全富余量，因此安全距離是列車追蹤間隔時間的一個重要組成部分。城市軌道交通以“小編組，高密度”為發(fā)展目標，因此如何縮短行車間隔是首先需要研究的問題。現(xiàn)結(jié)合移動閉塞列車追蹤間隔模型，仿真分析在車站的安全距離對列車追蹤間隔時間的影響。

3.1 列車的追蹤間隔模型

在移動閉塞條件下，前后兩列車在車站的最小安全間隔是指：前行列車剛剛出清車站，且駛過安全保護區(qū)段LS，后續(xù)列車以區(qū)間最大允許速度vmax行駛，并且距車站入口的距離正好等于列車制動距離加上制動反應(yīng)時間內(nèi)列車駛過的距離，如圖3所示。

圖3 移動閉塞條件下兩列車在車站的最小安全間隔

為了方便分析問題，先提出一些與實際情況差別不大的假設(shè)：前后兩列車具有相同的起動加速度a、制動減速度b、列車長度LT、安全保護區(qū)段LS，列車最大允許速度vmax。

1）前行列車出清車站并駛過安全防護區(qū)段LS的時間為t1。t1的計算又分為兩種情況：

2）后續(xù)列車以vmax行駛時的制動反應(yīng)時間tR，包括列車司機、列車設(shè)備的反應(yīng)時間。

3）后續(xù)列車以vmax開始制動到停穩(wěn)的時間tB，其值為vmax／b；

4）后續(xù)列車在車站的停車時間tD。

故列車安全間隔時間tZ可分為t1、tR、tB、tD四部分，即tZ＝t1＋tR＋tB＋tD。

由此可得到移動閉塞的tZ計算公式為：

3.2 仿真計算與結(jié)果分析

城市軌道交通車輛分為A、B、C三種型號，其具體參數(shù)見表1所示。A型車的尺寸最大，運能最高。

表1 城市軌道交通不同型號車輛的基本參數(shù)

從列車間隔時間仿真的角度來看，B型車和C型車具有相同的車長，僅寬度不同，所以B型車和C型車可按同一類車考慮。本文的仿真以城市軌道交通為背景，并按照B型車4節(jié)車編組計算列車的總長度。計算車長時納入了各節(jié)車連掛的長度。設(shè)定的參數(shù)如下：

1）B型車列車長度LE＝80m；

2）起動加速度a＝0.9m／s2，

3）制動減速度b＝1m／s2；

4）制動反應(yīng)時間tR＝1s；

5）列車允許最高速度vmax＝120km／h；

6）后續(xù)列車在車站的停車時間tD＝30s。

按上述設(shè)定參數(shù)值，由式（3）可得圖4、圖5，由圖4可得表2。

圖4 不同LS下，vmax與tZ的關(guān)系

圖5 不同vmax下，LS與tZ的關(guān)系

表2 不同LS下vmax與tZ的優(yōu)化值

根據(jù)上述的仿真計算，可得如下結(jié)果：

1）vmax和LS是影響列車追蹤間隔的主要因素。

2）當vmax一定時，tZ隨LS的增大而增大，且基本呈線性關(guān)系。

3）當LS一定時，tZ與vmax的關(guān)系曲線類似于拋物線。由表2可得，vmax越小，LS越小，且能保證較小的列車追蹤間隔時間。

4）在不同的vmax下，tZ都隨著LS的增大而增大。在vmax相對較小時，隨著LS的增大，tZ變化顯著；在vmax相對較大時，隨著LS的增大，tZ變化趨于平緩。

5）從圖4、圖5可看出，移動閉塞基本能保證列車間最小追蹤間隔在90s以下。

4 結(jié)語

在移動閉塞條件下，tZ、vmax、LS之間存在一定的規(guī)律。通過對vmax和LS的調(diào)整，可以進一步縮短列車追蹤間隔時間，并能夠滿足tZ小于90s的要求，達到了現(xiàn)有運營的需求。

［1］謝肇桐.移動閉塞系統(tǒng)［J］.鐵道通信信號，1996，2（32）：35.

［2］陳鋒華.淺談移動閉塞的基本原理［J］.鐵道通信信號，2005，41（2）：12.

［3］IEEE Std 1474.1TM－2004.IEEE Standard for Communications-Based Train Control（CBTC）Performance and Functional Requirements［S］.

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［5］張濟民，吳汶麒，張樹京.準移動閉塞列車安全間隔時間的計算［J］.鐵道學(xué)報，1999，21（3）：6.

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［7］金娟，楊梅，王長林.基于移動閉塞原理的地鐵列車線路通過能力的研究［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2008，17（6）：7.

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