FAO系統工程中提高列車旅行速度的方案研究

王國軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

全自動運行系統是近年來在互聯網、大數據、人工智能等技術獲得大規模應用的時代背景下，城市軌道交通各系統特別是車輛、信號、通信、綜合監控等機電系統設備在目前基本配置的基礎上，進一步提升其可用性、可靠性和安全性，為客戶提供優質服務的列車運行控制系統，是今后列車運行控制系統的發展趨勢[1]。

全自動運行系統的實施除了減少運營維護人員配置及其工作量外，從運營角度考慮，期望進一步提高軌道交通旅行速度，而旅行速度的提高，意味著客運服務質量的改善、滿載率降低的情況下運量還可以維持較高水平、工程全壽命周期中列車運用數量的減少[2]。

筆者擬對提高全自動運行項目中列車旅行速度進行初步探討，提出提高列車旅行速度的設計方案，供工程設計時參考。

2 設計方案

全自動運行系統是基于現代通信、計算機、控制和系統集成等技術特別是人工智能、大數據等廣泛應用而實現軌道交通列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通控制系統[3]。

全自動運行系統各運行等級已見諸于多個技術文件，共分5 個等級：GoA0 ～GoA4[4]。本文不再贅述各運行等級說明。

2.1 列車停靠車站作業全自動化完成，縮短車站停車附加時間

列車停站時間是控制軌道交通系統和車站通過能力的重要因素。在一定程度上，列車停站時間越短，有助于提高系統通過能力，有效提高運營旅行速度。

全自動運行系統采用GoA3 或GoA4 級列車自主運行，全過程無需人工參與，較傳統的GoA2級以下的列車?？寇囌咀鳂I，可以有效節省列車停靠車站時的作業時間進而影響站停時間。具體分析如下。

列車在車站的停站時間由3 部分組成。

1）開門時間

從列車進站停穩，到列車車門和站臺門打開時間。

列車開門過程由一系列動作組成，列車停穩后，ATO 向列車和站臺門發出開門指令，信號系統首先檢查車速是否為0、停站位置是否正確，再經過電氣傳動時間，車門才能打開。

2）乘客上下車時間

乘客上下車時間，主要取決于上、下車人數、列車的車門數量、車門寬度、乘客到達的不均衡系數，以及乘客上下車速度；車站上下車人數，取最大方向數值。

3）關門時間

從最后一名乘客走進車廂，到車門、站臺門全部關閉的一段時間。

傳統GoA2 級列車控制模式下，列車理論停站時間一般計算如下：每個車門平均上或下一名乘客的綜合時間按0.6 s 計算，考慮車門開關動作附加時間取17 s（其中開門3 s、關閉車門（含預告）時間6 s、 各車門上下客不均衡延誤2 s 、關門后列車起動反應時間2 s 和站臺門開關門延緩時間4 s）[5]。

GoA3 及GoA4 級列車控制模式下，由于全部由系統自動完成，且在開通運營前已經過大量場景測試工作，可以不考慮運營管理人員因初期對系統不熟悉而導致的人為延時時間。在乘客數量、編組形式、車門數量、額外預留時間（一般按5 s 考慮）相同的情況下，GoA2 級下的關門時間（多數由司機按壓操作）可以減少4 s，僅留必須的系統設備處理時間，從而開關門動作附加時間可取值13 s。此項技術功效的貢獻，可有效提高GoA4 級列車正線運營旅行速度。在全自動運行項目工程可行性研究報告編制階段，可進一步優化旅行速度計算方案，提高旅行速度，使機電設備配置方案更加經濟、合理。

2.2 重新審視正線運行列車安全制動模型

提高列車在線運行的各種限制速度，也是縮短列車運營旅行時間的有效辦法，提速的代價是由于限制列車安全運行最大速度的頂棚速度提高，導致限界放寬、曲線超高特殊處理、曲線內外軌運營中列車運行速度離散性導致的磨耗增加等。

為提高運輸效率，中國城市軌道交通協會以及城市軌道交通列車通信與運行控制國家工程實驗室組織各相關單位專業技術人員，對列車運行過程中各速度參數進行了規定。新建項目可據此進行相應的設計[6]。

但是，針對于特殊的既有線路，線路、軌道、限界等各項技術參數無法改變，改造升級為GoA4級全自動運行系統工程的過程中，上述各專業基礎條件以及車輛等已經限定了頂棚速度，此時需要尋求其他解決方案。

目前，各信號系統供貨商采用的安全制動模型多數基于IEEE 的CBTC 系統性能和功能需求中提出的安全制動模型[7]，該安全制動模型如圖1 所示。

上述安全制動模型已經成熟應用于多個城市軌道交通項目，本文不對其做過多解讀。僅針對全自動運行系統特點，重點關注其中的部分參數，以便達到其他條件不變的情況下進一步提速的目標。

圖1 IEEE推薦的安全制動模型Fig.1 Safety braking model recommended by IEEE

2.2.1 挖掘ATP超速容限的潛力

在常規CBTC 系統項目中，列車在信號系統防護下運行時，由于司機操作（GoA1 級）失誤或自動駕駛系統（GoA2 級）故障時，都存在ATP 系統監測到列車超速狀態后系統在采取緊急制動前給予司機或系統設備一定的操作靈活度，以避免列車頻繁制動，給列車正常運營帶來一定的困擾。

在全自動運行項目中，可對ATP 超速容限進一步降低，從而在頂棚速度一定的條件下盡可能接近頂棚速度，提高列車旅行速度。降低的值需結合系統設備性能，綜合考慮信號系統核心處理器的CPU主頻、數據采集方式、安全表決方式和決策機制導致的系統處理周期等技術參數最終確定。

2.2.2 取消車載設備報警提示時間

在圖1 的安全制動模型中，在ATP 曲線到觸發EB 這段時間范圍內，考慮了響應時間內最不利情況的發生，包括：測速誤差；超速容限；ATP 系統失效，同時司控手柄或ATO 系統發出了最大牽引指令；列車運行在線路最大下坡道；常用制動失效，列車處于最大失控加速狀態。

考慮上述因素后，將會導致列車因司機人工駕駛或自動駕駛功能失誤，在多重最不利條件發生時，運行列車的緊急制動觸發。

綜上所述，ATP 系統會給出一個列車最大允許速度，用戶在追求最高列車運行速度時，都應將車速控制在這個最大允許速度之下。根據圖1 的安全制動模型，信號系統具體設計如圖2 所示。

圖2 一種列車運行控制曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of a train operation control curve

如圖2 所示，能夠看到一種典型的列控系統設定的安全制動公式中，ΔV（即ΔV1+ΔV2+ΔV3）取值大致是10 km/h。為提高全自動運行項目旅行速度，設想全自動運行系統設計中，ATP 系統刪除“速度報警”曲線（常態無人駕駛），直接定義為FSB 曲線，同時提高測速傳感器精度，進一步降低系統設備響應時間，則可以使ΔV 取值大致是5 ～7 km/h，即在頂棚速度不變的情況下，ATP 允許速度提高了3 ～5 km/h。

2.2.3 其他

如果其他相關專業如軌道、限界、車輛等能夠對項目的頂棚速度給予重新審視，在信號系統給予足夠余量的條件下，不考慮本專業附加的余量，則可以實現工程最優化設計方案[8]。工程項目中的路基、道床、軌道、車輛、限界綜合定義的頂棚速度能否在5 s 期間中忍受+5 km/h 的沖擊壓力；或者可以實現不對車輛造成損壞的可撞式車檔，則將對旅行速度的提高有決定性的影響。

另外，如果在相應工程設計時，信號專業能夠進行精細化設計，仔細核查線路中是否存在下坡道中限速段或下坡道終末的限速段，則在該段限速范圍可不考慮坡道換算加速度，本項工程的旅行速度還能有所提高。

2.3 特殊設計入庫停車安全制動模型

全自動運行項目中入庫采用設備控車方式，較常規的GoA2 級以RM 模式人工駕駛入庫不同[9]。由于安全制動模型中各類最不利條件的限制，庫線長度在不滿足信號系統對保護距離要求前提下，只能以極低的速度入庫；另外，還要完成列車自動喚醒后車載設備對列車的篩選、庫內跳躍動態自檢等功能[10]。

對于列檢庫長度不滿足正常設計需求的全自動運行線路，可嘗試在庫線停車點附近安裝局部定位信標，完成與本列位已停準列車的雙線通信；喚醒后的車載設備通過局部定位設備確定列車位置，列車在局部定位設備通信范圍內進行跳躍測試[11]。

簡化的安全制動模型的另一種表達形式如圖3所示，考慮車載設備輸出響應時間tout、牽引切除時間ttraction、惰行時間tcoasting。列車入庫時，車載設備接收到局部定位設備所傳輸的信息后提前切除牽引，列車只通過惰行（場段內一般坡度為0，可不考慮最大坡度的最不利條件）、制動兩種工況運行至系統指定停車位置精確停車。可以看出：在初始速度均為v0的前提下，曲線1 需要的保護距離小于標準安全制動模型（曲線2）需要的保護距離。

圖3 入庫停車安全制動模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of safety braking model for stopping in the depot

通過上述特殊設計，可在庫線長度不滿足要求時提高入庫速度，并在庫內完成篩選及跳躍測試。

3 結論

本文通過對安全制動模型及列車?？寇囌緯r各項參數的分析，考慮全自動化無人操作以及部分項目因城市用地資源緊張而導致庫線長度不夠的實際情況，提出了提高全自動運行項目列車旅行速度的設計方案： 1）縮短車站停車附加時間；2）優化安全制動模型，減少超速容限值并取消系統設定的報警時間；3）特殊設計入庫停車安全制動模型并布置局部定位設備。

上述方案是筆者在城市軌道交通項目提質增效、挖掘潛力的背景下，結合自身項目實踐，對全自動運行項目提升旅行速度的設計要點進行了初步探討，期望能為同行技術人員提供參考，為軌道交通建設提供有益的借鑒。