通信列車(chē)后備模式追蹤

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CBTC(communicationbasedtraincontrol)技術(shù)為現(xiàn)代軌道交通的列控技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)列車(chē)控制．對(duì)于CBTC系統(tǒng)的原理和相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)［1-4］，國(guó)內(nèi)外已有諸多的研究，其相比于傳統(tǒng)的基于軌道電路的列控技術(shù)來(lái)說(shuō)，CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)閉塞［5-6］，從而達(dá)到更優(yōu)的系統(tǒng)表現(xiàn)．同時(shí)，也應(yīng)該看到，對(duì)于CBTC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也不是萬(wàn)能系統(tǒng)．在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到系統(tǒng)故障或線路開(kāi)通初期不具備CBTC的運(yùn)行條件，為系統(tǒng)增設(shè)了后備模式［7-8］，提高了CBTC系統(tǒng)的安全可靠性和完整性，確保列車(chē)運(yùn)行高速、高效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的安全可靠．對(duì)于列控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，追蹤間隔為最重要的性能指標(biāo)之一．相關(guān)追蹤間隔的算法［9-11］已有諸多研究，文獻(xiàn)［12-15］是對(duì)于軌道交通列車(chē)保持安全追蹤間隔進(jìn)行追蹤運(yùn)行的研究．本文模型基于IEEE的CBTC推薦模型［16-17］，對(duì)CBTC系統(tǒng)移動(dòng)閉塞模式及其后備模式下追蹤間隔這一指標(biāo)進(jìn)行算法的研究和仿真．

1CBTC系統(tǒng)概述

1．1CBTC系統(tǒng)的原理CBTC系統(tǒng)為“利用高精度的列車(chē)定位(不依賴于軌道電路)，雙向連續(xù)、大容量的車(chē)-地?cái)?shù)據(jù)通信，車(chē)載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)自動(dòng)列車(chē)控制系統(tǒng)”．其利用調(diào)度控制中心控制多個(gè)車(chē)站控制中心，實(shí)現(xiàn)相鄰車(chē)站控制中心之間的控制交接．車(chē)站控制中心又控制其管轄范圍內(nèi)的多個(gè)基站，基站與覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向的通信．列車(chē)在管轄區(qū)段內(nèi)時(shí)，車(chē)載設(shè)備將定位和速度等信息通過(guò)無(wú)線方式傳輸給基站，基站再傳輸給控制中心，同時(shí)車(chē)站控制中心通過(guò)基站周期地將相關(guān)運(yùn)行信息發(fā)送給后行列車(chē)．列車(chē)車(chē)載設(shè)備根據(jù)收到的數(shù)據(jù)和前車(chē)與本車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)(位置、速度、工況)和線路參數(shù)(曲線、坡道)、列車(chē)參數(shù)等，采用車(chē)載安全計(jì)算機(jī)計(jì)算或地面控制中心計(jì)算或同時(shí)計(jì)算，并根據(jù)故障-安全原則，確定合理的駕駛策略，實(shí)現(xiàn)列車(chē)高速、平穩(wěn)地以最優(yōu)間隔追蹤運(yùn)行．基于通信的列控系統(tǒng)原理如圖1所示．

1．2移動(dòng)閉塞技術(shù)移動(dòng)閉塞即指列車(chē)間的運(yùn)行間隔由列車(chē)在線路上的實(shí)際運(yùn)行位置和運(yùn)行狀態(tài)決定，前后兩列車(chē)之間的最小安全追蹤距離不受固定閉塞分區(qū)的影響，而是動(dòng)態(tài)變化的，隨前一列車(chē)的移動(dòng)而移動(dòng)．移動(dòng)閉塞原理如圖2所示．在CBTC系統(tǒng)中，無(wú)線數(shù)據(jù)通信通過(guò)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，列車(chē)不間斷地將采集到的數(shù)據(jù)(如機(jī)車(chē)信息、車(chē)輛信息、現(xiàn)場(chǎng)狀況和位置信息)發(fā)送給區(qū)域控制器ZC(zonecontroller)．ZC根據(jù)來(lái)自列車(chē)的信息計(jì)算、確定列車(chē)的安全行車(chē)間隔，并將相關(guān)信息(如現(xiàn)行列車(chē)位置、移動(dòng)授權(quán)等)傳遞給列車(chē)，控制列車(chē)運(yùn)行．其中，ZC計(jì)算給后行列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)(movementauthority)必須大于列車(chē)在該位置最不利情況的制動(dòng)距離．

1．3CBTC系統(tǒng)后備模式CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)閉塞制式，為先進(jìn)的列控模式，但是在通信失效和設(shè)備故障時(shí)，為了保證系統(tǒng)的安全可靠性，常考慮使用后備模式來(lái)接管控制行車(chē)安全．后備模式為CBTC系統(tǒng)的降級(jí)備用模式，后備模式的設(shè)置，增加了CBTC系統(tǒng)的安全性、完整性、通用性和靈活性．

1．3．1后備模式的設(shè)置后備模式在下列情況下發(fā)揮作用:(1)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)正式開(kāi)通前的臨時(shí)過(guò)渡期間的列車(chē)運(yùn)行;(2)車(chē)-地通信單元、中央控制單元等設(shè)備故障，而聯(lián)鎖完好時(shí);(3)非CBTC列車(chē)(車(chē)載CBTC完全故障的列車(chē)或未安裝CBTC的列車(chē)，如工程車(chē)、不兼容本線信號(hào)系統(tǒng)的列車(chē)等)進(jìn)入運(yùn)營(yíng)線路運(yùn)行時(shí);(4)中央ATS(automatictrainsupervision)、車(chē)站ATS故障情況下．

1．3．2后備系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)后備模式是在保證車(chē)站聯(lián)鎖系統(tǒng)和車(chē)載ATP(automatictrainprotection)系統(tǒng)工作正常的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，利用軌道電路或計(jì)軸設(shè)備判斷區(qū)間狀態(tài)，聯(lián)鎖設(shè)備控制道岔定/反位、軌道區(qū)段的開(kāi)放/鎖閉、信號(hào)機(jī)的開(kāi)放/關(guān)閉．現(xiàn)階段主要使用的后備系統(tǒng)大多為基于點(diǎn)式ATP(intermettentATP，IATP)，同時(shí)利用軌道電路或者計(jì)軸作為輔助檢查設(shè)備的模式．IATP為系統(tǒng)提供列車(chē)的ATP闖紅燈防護(hù)功能．車(chē)載控制器工作于IATP模式，列車(chē)由人工駕駛，車(chē)-地通信通過(guò)軌旁動(dòng)態(tài)信標(biāo)和車(chē)載查詢器實(shí)現(xiàn)．

2追蹤間隔追蹤間隔指追蹤運(yùn)行列車(chē)之間的最小允許間隔時(shí)間，是列車(chē)能夠按照計(jì)劃運(yùn)行而不受前行列車(chē)影響的最小時(shí)間間隔．

2．1CBTC后備模式下的追蹤間隔利用IATP的后備模式可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)移動(dòng)閉塞，采用曲線型的分級(jí)控制，相比于固定閉塞模式而言，追蹤間隔距離起始點(diǎn)到當(dāng)前列車(chē)所在位置，增大了追蹤間隔距離，明顯優(yōu)于固定閉塞的階梯式控制模式．同時(shí)這種后備模式繼承了CBTC系統(tǒng)軌道旁設(shè)備少，利于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)．對(duì)后備模式下的閉塞設(shè)計(jì)原則如圖3所示．圖3中，Sservice是列車(chē)運(yùn)行在其最高自動(dòng)駕駛速度時(shí)的常用制動(dòng)距離;閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度Lblock不小于常用制動(dòng)停車(chē)點(diǎn)到安全制動(dòng)距離的差Ssafety;X為列車(chē)當(dāng)前所在位置;Xt為前行列車(chē)頭部所在位式中:a表示列車(chē)運(yùn)行加速度;t為運(yùn)行時(shí)間;vt為后續(xù)列車(chē)運(yùn)行到移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)的速度;v0為后續(xù)列車(chē)當(dāng)前位置速度;x為時(shí)間t內(nèi)列車(chē)走行的距離．

2．2CBTC移動(dòng)閉塞模式下的追蹤間隔

2．2．1區(qū)間追蹤間隔圖4所示為區(qū)間追蹤間隔示意圖．

2．2．2站臺(tái)追蹤間隔當(dāng)前后兩列列車(chē)以跳停方式經(jīng)過(guò)站臺(tái)時(shí)，追蹤間隔可按照區(qū)間追蹤來(lái)考慮．以下僅分析列車(chē)停站的情況．在移動(dòng)閉塞條件下，站臺(tái)追蹤間隔為前行列車(chē)剛剛出清車(chē)站，且駛過(guò)安全制動(dòng)距離Ssafety，追蹤列車(chē)以區(qū)間最大允許速度vmax_ATO行駛，并且距離車(chē)站入口的距離等于列車(chē)制動(dòng)距離加系統(tǒng)處理時(shí)間內(nèi)列車(chē)行駛過(guò)的距離．圖5所示為站臺(tái)追蹤間隔示意圖．tentry為進(jìn)站時(shí)間，是追蹤列車(chē)以vmax_ATO開(kāi)始制動(dòng)到停穩(wěn)的時(shí)間;tdewell表示追蹤列車(chē)在該站臺(tái)的停站時(shí)間，是從列車(chē)停穩(wěn)到列車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)間;texit為列車(chē)的出站時(shí)間，表示前行列車(chē)出清車(chē)站并駛過(guò)安全防護(hù)區(qū)段的時(shí)間，此時(shí)前行列車(chē)頭部的位置為Xt．于是有后續(xù)列車(chē)在位置X的追蹤間隔為

3列車(chē)運(yùn)行追蹤間隔仿真

按照如表1所示線路參數(shù)進(jìn)行仿真，S0為起點(diǎn)，S15為終點(diǎn)，列車(chē)從起點(diǎn)運(yùn)行到終點(diǎn)，經(jīng)過(guò)14個(gè)車(chē)站(S1到S14)．仿真參數(shù)按照國(guó)內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，取正線的直線段土建限速為80km/h，站臺(tái)限速為60km/h，圖6為CBTC列車(chē)仿真結(jié)果．在圖6中可以清楚看到各個(gè)仿真參數(shù)的設(shè)置，包括土建限速、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線、指令速度曲線、列車(chē)實(shí)際速度等信息．根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，在西南交通大學(xué)CBTC系統(tǒng)仿真與性能分析平臺(tái)上進(jìn)行仿真．利用移動(dòng)閉塞追蹤間隔計(jì)算方法和圖6顯示的仿真結(jié)果，可以計(jì)算出列車(chē)CBTC模式下運(yùn)行時(shí)在每一點(diǎn)的追蹤間隔．得到如圖7所示的CBTC移動(dòng)閉塞追蹤間隔-距離仿真圖，圖中可以得到列車(chē)在各個(gè)區(qū)間和站臺(tái)的各個(gè)點(diǎn)詳細(xì)的追蹤間隔數(shù)據(jù)．同樣，利用式(9)可以計(jì)算列車(chē)在CBTC系統(tǒng)后備模式下的追蹤間隔．利用模擬數(shù)據(jù)，在仿真平臺(tái)上可以得到CBTC后備模式下的追蹤間隔-距離仿真．圖8為CBTC移動(dòng)閉塞模式下與后備模式下的追蹤間隔-距離的對(duì)比圖，是對(duì)于移動(dòng)閉塞情況和后備模式下區(qū)間和站臺(tái)的不同追蹤間隔的仿真圖中可以看出兩種不同模式下各個(gè)點(diǎn)的追蹤間隔數(shù)據(jù)．通常情況下，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在正線的CBTC移動(dòng)閉塞模式下時(shí)，系統(tǒng)要求追蹤間隔要小于90s，而在只布置進(jìn)站和出站計(jì)軸的后備模式中追蹤間隔必須小于240s．由圖8可以看出，CBTC移動(dòng)閉塞模式及其后備模式能夠達(dá)到系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)較小的追蹤間隔時(shí)間．同時(shí)，也明顯可以得出移動(dòng)閉塞模式優(yōu)于后備準(zhǔn)移動(dòng)閉塞模式，實(shí)現(xiàn)相對(duì)更小的追蹤間隔要求．

4結(jié)束語(yǔ)

本文分析了CBTC系統(tǒng)基本原理及其相關(guān)的移動(dòng)閉塞技術(shù)，同時(shí)對(duì)于目前實(shí)際工程中加設(shè)的后備模式的原理及其使用狀況進(jìn)行闡述．對(duì)于CBTC系統(tǒng)的追蹤間隔這一性能參數(shù)建立相應(yīng)計(jì)算模型，進(jìn)行了算法分析，得出計(jì)算公式．利用仿真測(cè)試平臺(tái)仿真CBTC移動(dòng)閉塞模式和后備模式中的追蹤間隔，驗(yàn)證了CBTC移動(dòng)閉塞模式和后備模式達(dá)到工程要求，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的追蹤間隔要求時(shí)間．對(duì)于CBTC系統(tǒng)的相關(guān)性能研究具有一定的意義．