CTCS-2級列控車載ATP設備應用于普速機車的適應性分析及仿真研究

盧 軍，武曉春，潘長玉

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計處，西安 710043)

近年來，隨著合寧、合武、溫福、甬臺溫、福廈等時速200～250 km客運專線陸續開通，我國在CTCS-2級列車運行控制系統集成、技術標準制訂、設備引進和研發、列控試驗、工程建設等各項技術上已經逐步由實踐走向成熟，其中，車載ATP系統是保證列車安全、高效運行的關鍵設備。正在建設中的蘭新第二雙線，由于線路所處環境惡劣，站間距大，風沙災害嚴重等特點［1]，致使本線列控系統配置方案有諸多特點，其中普速列車上客運專線運行技術方案之一是研發針對普速客運列車的車載ATP系統。

本文提出一種基于CTCS-2級列控車載ATP設備的超速防護系統低速適應性改造方案，并對方案進行可行性研究，最后，對車載ATP系統進行仿真驗證。

1 CTCS-2級列控車載ATP設備應用于普速機車的改造方案原理及構成

系統采用基于CTCS-2級列控車載ATP設備的2×2取2安全結構設計，核心部件由車載安全計算機(VC)、軌道信息接收單元(STM)、應答器信息接收單元(BTM)、制動接口單元(RLU)、記錄單元(DRU)、測速測距單元(SDP)、人機界面(DMI)、軌道信息接收天線、應答器信息接收天線等組成。工作方式采用車載主機方式:從應答器取得線路固定工程數據(如軌道電路長度、坡度、靜態限速和道岔限速等)，軌道電路顯示信息告知前方空閑閉塞數、停車軌道電路和準許運行位置，然后車載計算核心從當前位置計算目標-距離模式曲線，并依據自己當前位置與模式速度值的關系，輸出制動，最大限度地使控制符合運行實際。列車在制動到紅燈前將留有一個安全防護距離，以防止由于計算機取用離散性參數而產生的誤差［2]。

人機界面系統以動態圖方式預示運行前方線路的彎道、坡道、橋梁、隧道、道岔以及信號機布置情況，隨列車運行滾動顯示控制模式限速曲線。

系統結構原理如圖1所示。

圖1 車載ATP系統結構原理

2 普速車車載ATP系統適應性研究

依據蘭新第二雙線設計批復意見，開通初期部分普速列車將會分段在不同等級的線路上運行，屆時將會有裝載ATP設備的動車在非C2線路區段運行，未加裝ATP設備的普速列車也會在C2區段運行的情形，這就要求，車載設備要與地面設備盡可能匹配［2]，目前我國在普速列車機車上僅安裝了LKJ系統監測列車運行狀況，不具備主體化機車信號功能，且該系統不能滿足列控系統安全性SIL4等級要求，故普速車無法在客運專線上按照C2級列控模式運行。如果要實現普速車上客運專線運行，則需要進一步提高普速車LKJ設備的可靠性和安全性，并在機車上增加BTM天線接收應答器數據，增加實時更新線路信息和限速信息的功能，這樣就面臨兩大問題:其一，對LKJ設備的改造工作量很大，LKJ設備既有結構和軟件框架能否支持，尚無定論;其二，在沒有裝載車載ATP的情況下，以車載信號作為行車憑證，與目前的鐵路行車規定不相符［1]。

CTCS-2級車載ATP設備技術成熟，性能穩定，已經被廣泛應用于時速200～250 km動車組，普速列車在時速160 km下的運行指標(如機車、車輛基本阻力計算公式，制動距離、列車制動換算率、換算摩擦系數等)在《牽引計算規程》(TBT1407—1998)中已有具體規定，所以列車控制曲線計算不存在難點，所以暫時保留LKJ系統，并在其基礎上研究C2列控車載ATP設備與普速機車間的適應性，并根據車輛的具體情況進行接口開發，如為其提供一個由繼電器接點條件給出的緊急制動接口/全常用制動接口與現有車載制動接口匹配，同時進行軟件開發，理論上可行。

3 普速車車載ATP關鍵技術研究

針對普速機車車長、車重、制動性能特點，從系統模塊化集成角度，提煉出車載ATP系統關鍵技術點，并對各關鍵技術點進行深入研究，形成車載ATP系統分析的基本流程，為仿真系統編程提供方法。

3.1 測速測距接口設計

為保證ATP系統正常運行，必須隨時準確監測列車速度和位置，為此，系統采用多個測速子系統互補運行，共同完成列車測速及定位。

在機車兩側不同的車軸上各安裝2個速度傳感器，使用脈沖信號計算列車運行速度，可以降低共模故障的風險性［3]。

安裝2部非接觸式多普勒雷達系統補充測量車速，其通過RS485串口與ATP主機通信，可以校正滑力和阻力造成的影響。

在測速測距過程中，車輪的直徑是一個可以調整的值，通過人機接口設備，由維護人員輸入輪徑值，然后主機板將該值保存下來，直到下次修改，這種修改一般只能在設備處于維修工況時才能進行［4]。

3.2 地面ATP信息接收設計

BTM模塊是采用2×2取2故障-安全技術的安全模塊，1個BTM模塊包含電源板、接口板、接收板、傳輸板，其負責接收、解調符合CTCS-2標準的地面應答器信息并提供精確定位。

STM模塊也是安全模塊，其通過STM天線接收到ZPW2000系列軌道電路及4信息、8信息、18信息等傳統移頻軌道電路信息后，會選擇出電平最高的載頻并解調該載頻中低頻(VLF)信號，判斷信號碼，最后將碼序傳輸給安全計算機(VC)和LKJ監控裝置。

4 ATP系統仿真

4.1 超速防護算法原理

首先，車載設備通過地面信息傳輸、解碼，得到前方停車點或限速點信息;其次，車載設備根據速度采集模塊的支持計算出列車至前方目標點距離，并以此為基點，依據線路數據庫存儲的數據及列車性能參數計算出目標距離模式曲線［5]。系統制動原理如圖2所示。

圖2 列車制動原理

目標距離制動模式曲線采用2條:一條為常用全制動模式曲線，另一條為純空氣緊急制動模式曲線，在此基礎上實現超速預警及實施正常的常用制動或者緊急制動。

目標距離速度模式曲線計算的核心是制動距離的計算［6]，根據《牽引計算規程》，普速列車動態制動距離計算公式為

式中 Sl——普速列車實際制動距離;

Sk——普速列車制動空走距離;

Se——普速列車制動有效距離。

本文考慮天線安裝位置K及列車位置不確定模糊距離M

式中 K——懸垂距離(ATP安裝天線與列車前部距離)，取 3 m;

M——安全裕量，取50 m+0.5v0。

總延時時間內，列車作勻速運動，則可以根據公式(3)計算出總延遲時間內走行距離

式中 v0——制動初始速度;

td——列車制動總延時時間。

根據《牽引計算設計原則》，普速旅客列車制動總延時時間td按以下公式計算:

緊急制動總延時時間

常用制動總延時時間

式中 ts——ATP設備切斷牽引力的延遲時間;

tq——啟動常用/緊急制動延遲時間;

tk——列車純空氣緊急和常用(復合)制動空走時間。

有效制動距離計算公式

式中 vn-i-1、vn-i——速度間隔段的初速度和末速度;

φh——換算摩擦系數;

θh——列車換算制動率;

βa——制動系數，常用制動時 βc=0.8，緊急制動時βc=1;

w0——列車運行單位基本阻力;

ij——制動地段加算坡度。

在已知制動末速度情況下由公式(6)推得制動初速度的計算公式為系統交互數據流程見圖3。

圖3 系統交互數據流程

4.2 車載ATP算法實現步驟

由于一次制動距離的計算涉及線路、列車編組、車況等數據，需要采用迭代法分段進行速度-距離計算并累加計算結果［7]，考慮計算精度，采取步長為Δs，安全制動曲線計算步驟:

(1)確定有效制動距離S;

(3)截取從制動末速度vn(速度目標點)到制動初速度vn-1(速度較大點)的一段長度為Δs的曲線作為目標曲線，根據公式(7)算出vn-1;

(4)判斷vn-1是否超出線路限速vlim，如果vn-1＜vlim，v［n-k]=vn-1;否則，v［n-k]=vlim;

(5)根據vn，vn-1計算本段平均速度

(6)利用平均速度 vi校正參數 θh，φh，βa，w0，ij;

(7)利用公式(6)計算本段有效制動距離si，j;

(8)令 k=k+1，判斷計數器 k，如果 k＜ n，則 v［n-k]=vn-i-1，設置下一小區段的制動末速 vn-i-2=vn-i-1，轉步驟3;如果k=n，則完成計算;

(9)將所有個離散點(si，j，vi)連起來。便構成制動距離曲線。

4.3 部分功能函數定義

部分功能函數定義如表1所示。

表1 函數定義

5 仿真結果

以SS8型機車為例進行仿真計算，采用18節列車編組，牽引及制動計算參數取自《軌道車運行控制設備技術規范》［2];線路數據取自蘭新第二雙線初步設計文檔［8]，人機交互界面依據《CTCS-2級列控車載設備人機界面(DMI)顯示規范》等［9-10]設計，系統仿真結果如圖4～圖6所示。

圖4 人機交互界面

圖5 速度-距離曲線

圖6 列車運行防護曲線

6 結語

普速列車加載ATP理論和技術方面的研究，國內僅有1～2篇相關文獻，相關研究機構也只有2～3家，并且近年來未見進一步報道，由此可見，國內在這方面的理論和方法研究基本處于一種空白狀態，沒有形成完整的理論和技術的支撐體系，但國外已有很多普速列車裝備ATP應用的案例，代表了技術發展的方向。根據工程進展情況，結合普速客車裝備ATP上線運行試驗結果，詳細研究適用于我國國情及部分工程的列控車載系統實施方案，可在繁忙路段實行客貨分線運輸［11]，最大限度提升既有線貨運能力，實現區域綜合交通最優化，也利于我國鐵路“走出去”戰略的實施［12]。

將CTCS-2級列控車載ATP設備應用于普速列車機車的應用是個新課題，本文僅以實驗室仿真的角度提出適應性改造方案有一定的局限性，同時，限于作者水平有限，文中必有疏漏之后，望更多信號及行車專業人員進一步批評指正。

［1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線修改初步設計(第三篇)/信號［Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［2]中華人民共和國鐵道部運輸局.運基信號［2009]35號 軌道車運行控制設備技術規范V1.0［S].北京:鐵道部運輸局，2009.

［3]HOW F，WRIGHT N，張在寧，等.車裝載 ERTMS(ETCS＆GSM-R)系統［J].鐵道通信信號，2003(11):44-45.

［4]楊劍.CRH2列控車載測速測距設備EMC實驗及防護方法［J].鐵路通信信號工程技術，2010(10):23.

［5]郭彤城，慕春棣，劉韌，等.一種實用高速鐵路ATP算法的設計與實現［J].清華大學學報:自然科學版，2000(7):51-54.

［6]高建強.CTCS-2級車載ATP設備應用于普速列車機車的關鍵技術研究［J].鐵道通信信號，2011(6):1-3.

［7]郭寧，郭進.列車運行控制仿真系統(二)ATP列車超速防護仿真研究［J].鐵道通信信號，2008(4):14-16.

［8]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線甘青LXS-6標施工圖線路詳細縱斷面圖［Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［9]中華人民共和國鐵道部運輸局.運基信號［2007]20號 CTCS-2級列控車載設備 DMI顯示規范 V1.0［S].北京:鐵道部運輸局，2009.

［10]和利時公司.ATP車載列控顯示裝置顯示、提示音及按鍵規范［Z].北京:和利時公司，2006.