巴西圣保羅13號(hào)線ATC車(chē)載設(shè)備系統(tǒng)控速防護(hù)邏輯研究

施 篇

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

巴西圣保羅13號(hào)線項(xiàng)目是中國(guó)通號(hào)首個(gè)巴西車(chē)載項(xiàng)目，該項(xiàng)目配套的車(chē)載設(shè)備為FZL300系列產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)已裝備于“重慶地鐵5號(hào)線”“長(zhǎng)春北湖線”等多條地鐵線路運(yùn)行的城軌列車(chē)。

國(guó)內(nèi)運(yùn)行的FZL300系列車(chē)載設(shè)備產(chǎn)品是基于國(guó)內(nèi)城軌業(yè)主應(yīng)用需求及地面設(shè)備制式開(kāi)發(fā)，而對(duì)配置于巴西圣保羅S2500系列車(chē)型的車(chē)載設(shè)備，需根據(jù)國(guó)外業(yè)主定制化開(kāi)發(fā)需求及司機(jī)操作習(xí)慣對(duì)部分路況條件下的控速及防護(hù)邏輯進(jìn)行適配性修改。國(guó)內(nèi)城軌線路，對(duì)于從高速區(qū)段至低速區(qū)段的列車(chē)控速，主要通過(guò)地面應(yīng)答器或車(chē)地?zé)o線通信提前進(jìn)行變速點(diǎn)預(yù)報(bào)，由司機(jī)主動(dòng)控速，避免超速。巴西圣保羅13號(hào)線項(xiàng)目的FZL300系列車(chē)載設(shè)備擬在巴西圣保羅7～13號(hào)線上進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，相關(guān)線路上均未設(shè)置地面應(yīng)答器及車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)，常規(guī)的車(chē)載控速防護(hù)邏輯不適用于巴西圣保羅線路情況，且極易導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中觸發(fā)緊急制動(dòng)，影響設(shè)備可用性。

2 圣保羅地面線路情況

圣保羅地面線路設(shè)備主要為軌道電路，其地面信號(hào)載頻包括60 Hz和90 Hz兩種，具體如表1所示。

表1 代碼頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relations of code and frequency

軌道電路速度碼的確定取決于由軌道電路接收天線接收到的信號(hào)，VMA1碼對(duì)應(yīng)允許速度為90 km/h，VMA2碼對(duì)應(yīng)允許速度為70 km/h，VL碼對(duì)應(yīng)允許速度為50 km/h，VR碼即為0允許速度碼。SPU信號(hào)為重疊保護(hù)信號(hào)，被用于載波頻率為90 Hz的軌道上，作為確定軌道轉(zhuǎn)變點(diǎn)的附加信號(hào)。

3 車(chē)載設(shè)備控速防護(hù)方案

3.1 車(chē)載設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

巴西圣保羅項(xiàng)目車(chē)載設(shè)備系統(tǒng)主要包含車(chē)載ATC主機(jī)、車(chē)載ATO主機(jī)、DMI單元、車(chē)載TCR單元、車(chē)載TAG設(shè)備、加速度計(jì)、測(cè)速裝置等設(shè)備。車(chē)載信號(hào)設(shè)備的組成如圖1所示。

圖1 車(chē)載ATC設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The system structure of onboard ATC equipment

3.2 車(chē)載設(shè)備控速功能總體要求

車(chē)載設(shè)備系統(tǒng)操作模式包括ATO操作模式（AM模式）、主動(dòng)操作模式（SM模式）、繼續(xù)限制速度模式（VR模式）、操作性限制模式（RO模式）、有限隔離模式（LIS模式）、完全隔離模式（UIS模式）。其中，UIS模式為完全隔離車(chē)載設(shè)備模式，車(chē)載設(shè)備不限制列車(chē)運(yùn)行速度；VR模式允許速度限制為25 km/h；RO模式、LIS模式允許速度限制為50 km/h；AM模式、SM模式通過(guò)車(chē)下TCR天線接收地面軌道電路發(fā)出的允許速度碼信息進(jìn)行控車(chē)。

車(chē)載設(shè)備主要控速反應(yīng)為超速情況下輸出切牽引、全常用制動(dòng)及緊急制動(dòng)，當(dāng)列車(chē)速度低于允許速度2 km/h時(shí)，車(chē)載ATC系統(tǒng)將輸出切牽引指令，當(dāng)列車(chē)速度低于允許速度4 km/h時(shí)，該切牽引指令將被撤銷(xiāo)；當(dāng)列車(chē)速度高于允許速度1 km/h時(shí)，車(chē)載ATC系統(tǒng)將輸出施加全常用制動(dòng)指令，當(dāng)列車(chē)速度低于允許速度1 km/h時(shí)，該全常用制動(dòng)施加指令將被撤銷(xiāo)；當(dāng)列車(chē)速度高于允許速度3 km/h時(shí)，車(chē)載ATC系統(tǒng)將輸出施加緊急制動(dòng)指令，只有當(dāng)速度達(dá)到0 km/h時(shí)，該緊急制動(dòng)指令才能被撤銷(xiāo)。

車(chē)載ATC設(shè)備在AM、SM模式下，通過(guò)車(chē)下TCR天線接收地面軌道電路發(fā)送的允許速度碼信息，并且按照相應(yīng)的允許速度進(jìn)行速度監(jiān)控。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，如果當(dāng)前的TCR碼允許的速度高，進(jìn)入下一軌收到的TCR允許速度碼低（例如：從VMA1變到VMA2），車(chē)載ATC需要考慮運(yùn)營(yíng)的安全性和可用性，即需要對(duì)降速進(jìn)行防護(hù)，又需要防止降速過(guò)程中發(fā)生不必要的緊急制動(dòng)影響運(yùn)營(yíng)。按照現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員與業(yè)主溝通以及對(duì)速度曲線計(jì)算的通常做法，設(shè)計(jì)總體要求如下。

第一：按照預(yù)定減速度從高TCR限速的允許速度逐步計(jì)算出一條減速度曲線作為允許速度防護(hù)曲線，一直計(jì)算到低TCR限速的允許速度。

第二：當(dāng)車(chē)載ATC接收到TCR的允許速度碼發(fā)生從高到低的變化時(shí)，立刻切除列車(chē)牽引并輸出最大常用制動(dòng)，直到降速過(guò)程結(jié)束。

第三：考慮司機(jī)（SM模式）和ATO（AM模式）的反應(yīng)時(shí)間，從ATC接收到TCR的允許速度碼發(fā)生從高到低的變化開(kāi)始計(jì)時(shí)，在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車(chē)載ATC保持原來(lái)的控制方式，反應(yīng)時(shí)間過(guò)后進(jìn)入允許速度降低監(jiān)控區(qū)。

第四：進(jìn)入允許速度降低監(jiān)控區(qū)時(shí)，進(jìn)行降速允許速度計(jì)算，依據(jù)計(jì)算出來(lái)的允許速度按正常的速度防護(hù)邏輯進(jìn)行速度防護(hù)。

第五：當(dāng)列車(chē)的實(shí)際速度低于新的TCR允許速度計(jì)算出來(lái)的切牽引速度時(shí)，緩解降速切牽引防護(hù)，緩解降速最大常用制動(dòng)，退出允許速度降低防護(hù)監(jiān)控，進(jìn)入正常的速度控車(chē)邏輯。

3.3 控速功能實(shí)現(xiàn)方式

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景主要包括如下兩種。

1）列車(chē)以高于該區(qū)段允許速度的實(shí)際速度駛?cè)朐搮^(qū)段，實(shí)現(xiàn)方式示意如圖2所示。

圖2 車(chē)載ATC降速防護(hù)曲線（場(chǎng)景一）Fig.2 Curves of deceleration protection of onboard ATC (scenario 1)

其中：

t1：車(chē)載ATC接收到TCR的允許速度編碼發(fā)生從高到低的變化時(shí)刻，輸出降速監(jiān)控切牽引和最大常用制動(dòng)。

t1→t2：司機(jī)和ATO設(shè)備反應(yīng)時(shí)間，按照原來(lái)的速度控車(chē)邏輯。

t2：進(jìn)入允許速度降低監(jiān)控區(qū)，開(kāi)始降速監(jiān)控。

t3：列車(chē)實(shí)際速度下降到低于新TCR限速計(jì)算出來(lái)的切牽引速度時(shí)刻。退出允許速度降低監(jiān)控邏輯，緩解降速監(jiān)控切牽引，緩解降速最大常用制動(dòng)。進(jìn)入正常限速監(jiān)控。

t4：車(chē)載ATC按照預(yù)先設(shè)定的減速度計(jì)算減速曲線的允許速度到達(dá)新TCR限速的時(shí)刻。

t2→t3：這段時(shí)間屬于允許速度降低監(jiān)控區(qū)，車(chē)載ATC按照預(yù)先設(shè)定的減速度計(jì)算允許速度。

2）列車(chē)以低于該區(qū)段允許速度的實(shí)際速度駛?cè)朐搮^(qū)段

實(shí)現(xiàn)方式示意如圖3所示。

圖3 車(chē)載ATC降速防護(hù)曲線（場(chǎng)景二）Fig.3 Curves of deceleration protection of onboard ATC (scenario 2)

其中，由于實(shí)際速度V4低于TCR新編碼計(jì)算出的切牽引速度，所以不輸出降速監(jiān)控切牽引及最大常用制動(dòng)。允許速度直接變?yōu)樾碌腡CR編碼允許速度。進(jìn)入正常限速監(jiān)控邏輯。

為了更好的理解，以列車(chē)從VMA1區(qū)段駛?cè)隫L區(qū)段的相關(guān)反應(yīng)為例，流程如圖4所示。

圖4 列車(chē)運(yùn)行流程示例Fig.4 Flowchart of an example of train operation

在以上ATC控車(chē)過(guò)程中，ATC仍然按照當(dāng)前超速防護(hù)邏輯保持行車(chē)防護(hù)，并以ATC內(nèi)部計(jì)算允許速度作為實(shí)時(shí)允許速度標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)列車(chē)實(shí)際速度由于下坡或制動(dòng)力不足等原因超過(guò)ATC內(nèi)部計(jì)算允許速度3 km/h時(shí)，ATC將判斷運(yùn)行超速，并輸出緊急制動(dòng)。

3.4 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

當(dāng)前控速方案的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，如下所述。

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)軌道電路的限速降低時(shí)，ATC設(shè)備可主動(dòng)降速，降低司機(jī)工作強(qiáng)度，避免因司機(jī)操作疏漏或不可預(yù)計(jì)的減速區(qū)段造成列車(chē)運(yùn)行超速。

缺點(diǎn)：當(dāng)軌道電路的限速降低時(shí)，ATC設(shè)備主動(dòng)降速且總是使用最大制動(dòng)力，將降低列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。

對(duì)于該方案的優(yōu)化思路主要為，在降速過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前實(shí)際列車(chē)速度與目標(biāo)允許速度的差值進(jìn)行軟件邏輯判斷，結(jié)合ATC內(nèi)部計(jì)算允許速度的下降曲線，輸出不同級(jí)別的常用制動(dòng)。

4 總結(jié)

本文研究的巴西地鐵車(chē)載設(shè)備控速防護(hù)邏輯，解決了當(dāng)前受限于巴西圣保羅地鐵地面設(shè)備配置導(dǎo)致的降速轉(zhuǎn)碼問(wèn)題，并能夠有效降低司機(jī)操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備的可用性。

該邏輯方案的設(shè)計(jì)基于當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)地面設(shè)備配置及線路環(huán)境，隨著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及地面設(shè)備配置的升級(jí)改造，后續(xù)將不斷完善，列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性也將進(jìn)一步提高。