旅客捷運系統(tǒng)在超短安全防護距離下的列車停站信號控制方案

王之峰 陸惠豐

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司， 200092， 上海//第一作者，高級工程師)

1 研究背景

1.1 工程條件

上海浦東國際機場旅客捷運系統(tǒng)工程(以下簡稱“本工程”)采用鋼輪鋼軌地鐵A型車，設(shè)計規(guī)范基本參照現(xiàn)行的《地鐵設(shè)計規(guī)范》。具體的車站及線路布置如圖1所示。其中，T2航站樓站的工程條件為：列車總長度94.4 m，在軌道東線準確停站時(列車中心線與車站中心線對齊)，北端車頭距軌道端頭18.3 m。列車在T2航站樓站準確停站位置示意如圖2所示。

1.2 面臨的問題

上述工程條件中，站后安全距離僅為18.3 m，與現(xiàn)行GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》、STB/ZH-000001-2012《上海城市軌道交通工程技術(shù)標準》中關(guān)于安全防護距離與安全線的設(shè)置標準值(50 m或40 m)差值較大。因此，必須對本工程信號系統(tǒng)進行針對性的特殊設(shè)計，才可確保捷運列車運行(進站、停車)的安全性。

1.3 研究思路

鑒于上述情況，為確保捷運列車運行(進站、停車)的安全性，并盡可能兼顧旅客舒適度和列車運行效率，本工程信號系統(tǒng)在實施前需要考慮：

(1) 信號系統(tǒng)需在土建實際條件下，結(jié)合行車、車輛、軌道等參數(shù)對列車進入T2航站樓站的減速-停車控制方案做特殊設(shè)計。

(2) 需要結(jié)合信號系統(tǒng)供應(yīng)商的具體系統(tǒng)做進站-停車的仿真計算，初步確定信號系統(tǒng)控制方案原理及其可行性。

(3) 相關(guān)信號系統(tǒng)供應(yīng)商需在實際的軌道交通線路上做進站-停車的現(xiàn)場測試，對軟件仿真結(jié)果進行驗證。

(4) 以上研究獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)論，可作為后續(xù)信號系統(tǒng)設(shè)備招投標、深化設(shè)計、系統(tǒng)安裝調(diào)試、竣工驗收等工作的技術(shù)支撐文件。

2 標準安全制動模型

IEEE 1474.1—2004中對移動閉塞下的安全制動模型做出規(guī)定，如圖3所示。

注：ATP—列車自動防護； GEBR—緊急制動保障率

圖3 IEEE 1474.1安全制動模型

IEEE 1474.1安全制動模型要求，在充分考慮速度不確定性、位置不確定性的安全前提下，車載信號系統(tǒng)需根據(jù)車輛的最不利反應(yīng)對列車前方的授權(quán)終點進行緊急制動(EB)防護，以保護行駛中的列車，包括觸發(fā)安全防護后靜止的列車都不會越過移動授權(quán)終點。本工程信號系統(tǒng)的設(shè)計同樣需要基于IEEE 1474.1安全制動模型。

3 本工程安全制動模型

本工程信號系統(tǒng)將不可撞擊的車擋位置處的列車速度設(shè)為0進行防護，即不可越過的位置。根據(jù)車輛相關(guān)參數(shù)，將IEEE 1474.1安全制動模型按最不利的安全側(cè)方向簡化為失控加速三階段，進行安全制動模型的安全防護，如圖4所示。

(1) 本工程信號系統(tǒng)持續(xù)測量列車的速度、位置，測速測距為安全功能。當對終端進行安全防護時，信號系統(tǒng)向安全側(cè)考慮列車最不利情況，即最大可能速度(當前車速+速度不確定性)和最遠的車頭位置(當前車頭位置+位置不確定性)。

(2) 最不利情況下，判斷觸發(fā)EB后，信號系統(tǒng)設(shè)計保證了最長的EB繼電器落下時間為t0；

(3) 最不利情況下，列車處于全牽引工況，判斷觸發(fā)EB后，車輛最長牽引切除時間t1為t0+最不利車輛牽引切除時間。

圖4 三階段安全制動模型

(4) 最不利情況下，判斷觸發(fā)EB后，車輛最長制動施加時間為牽引切除后的t2；

(5) 最不利情況下，車輛施加的緊急制動率為列車保證的緊急制動率。

基于上述安全制動模型，本工程信號系統(tǒng)編制了相應(yīng)的算法軟件，由于涉及信號系統(tǒng)供應(yīng)商的知識產(chǎn)權(quán)，本文在此不做具體說明。

4 安全防護下的列車自動運行(ATO)控制策略

當列車以ATP或ATO方式運行時，信號系統(tǒng)時刻防護列車冒進終端。

當列車以ATO方式行車時，將時刻受ATP的保護，ATO更關(guān)注調(diào)整列車速度，以避免頻繁觸及ATP EB制動觸發(fā)曲線，導(dǎo)致EB，進而產(chǎn)生系統(tǒng)可用性較差問題。

如圖5所示，在充分考慮信號系統(tǒng)的性能、車輛的性能、命令反應(yīng)時間等因素的基礎(chǔ)上，在EB觸發(fā)曲線的基礎(chǔ)上減去一個ATO控制門限(可調(diào)，典型值不大于1 m/s)作為允許速度-距離曲線，使ATO能將車速控制在此允許速度-距離曲線范圍內(nèi)而不觸發(fā)EB。即允許速度-距離曲線為ATO的可控速度頂棚。

ATO將車速控制在允許速度-距離曲線下方則不會觸發(fā)EB。其也可采用比該曲線更低的速度曲線使列車停靠在允許速度-距離曲線下方的目標停車點，但會造成：① 列車過早以較慢速度進站，不必要地犧牲了效率；② 進站時間拉長，乘客需要更加耐心等待；③ 列車先降至低速，再以低速進站(如圖5中普通站臺的ATO停車曲線)，停站的環(huán)節(jié)中造成更多的加速度變化而影響舒適度。

因此，本工程不推薦過早降速進站的方案，而推薦采用允許速度-距離曲線作為ATO停車曲線的控制依據(jù)，以使進站效率最大化。

圖5 ATO行車曲線示意圖

該方案能在終端防護距離一定(即ATP防護速度一定)時，使ATO最大限度地利用行車速度的空間，將效率最大化。當ATO停車點位于允許速度-距離曲線下方時，該停車點即可認為是可控的ATO停準位置。根據(jù)本工程的線路情況和安全參數(shù)條件，經(jīng)仿真計算，本方案支持極限情況下低至9.112 m防護距離的ATO進站停車。如圖6所示。

圖6 極限情況下的ATO進站曲線圖

5 現(xiàn)場測試

相關(guān)信號系統(tǒng)供應(yīng)商利用在線測試系統(tǒng)，模擬本工程實際條件，在特定的系統(tǒng)參數(shù)值設(shè)置條件下進行現(xiàn)場測試。建設(shè)單位、設(shè)計單位及信號系統(tǒng)供應(yīng)商全程參與、見證了現(xiàn)場測試過程。

(1) 主要系統(tǒng)參數(shù)值：與仿真計算條件一致。

· 車輛切牽引時間：0.5 s(暫定)；

· 車輛切牽引后至施加90%緊急制動時間：1.2 s(暫定)；

· 車輛失控加速度：1 m/s2(車輛典型參數(shù))；

· 緊急制動保障率：0.95 m/s2(暫定)；

· 信號系統(tǒng)最不利的EB時間：0.53 s(含車輛接口繼電器落下時間)；

· 加加速度限制：0.75 m/s3；

· 站臺最高限速：40 km/h(可運行達到的速度，命令速度)。

(2) 測試目的：對列車的ATO精準對站與ATP超速防護功能進行驗證測試；對仿真計算的結(jié)果進行驗證。

(3) 主要測試結(jié)果：見表1。

① 列車以正常的ATO方式進站時：存在進站停車對位的“欠”與“過”情況，但差值不大，均在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)；采用緩沖車擋與采用固定車擋沒有太大區(qū)別。

② 列車以一定速度(29 km/h)觸發(fā)EB后：進站停車對位的情況基本為“欠”；采用固定車擋優(yōu)于采用緩沖車擋。

③ 列車以低速(4 km/h)觸發(fā)EB后：進站停車對位的情況為“過”，但停車位置均未超過本工程車擋(按距離測算)；采用緩沖車擋優(yōu)于采用固定車擋。

表1 列車進站停車的主要測試結(jié)果

6 結(jié)語

分析信號系統(tǒng)供應(yīng)商的仿真計算和現(xiàn)場測試結(jié)果，可以初步確定：針對本工程的特定安全防護距離條件，信號系統(tǒng)基于IEEE 1474.1安全制動模型進行特殊的列車進站控制方案設(shè)計，可以實現(xiàn)捷運列車運行(進站、停車)的安全性，并能適當兼顧旅客舒適度和列車運行效率。