动车组ATP对制动系统故障后的安全影响仿真分析

曾庆晖，谭　丽

(兰州交通大学自动化与电气工程学院， 兰州　730070)

动车组ATP对制动系统故障后的安全影响仿真分析

曾庆晖，谭丽

(兰州交通大学自动化与电气工程学院， 兰州730070)

摘要：针对动车组部分车辆制动系统故障后，采取切除故障车辆制动力的处理方式，从安全防护曲线的生成与实际制动过程的角度出发，对在完全监控模式下的列车防护算法及制动过程进行仿真。分析单限速区段和多限速区段速度防护曲线的算法和切除部分制动力后实际制动曲线与速度防护曲线的关系，找到触发各类制动的转换点，对切除不同比例制动力后实际制动曲线进行仿真，得出不同坡度和制动初速度下、切除不同比例制动力时的制动距离。针对动车组因故障切除部分制动力后，产生过走距离，存在冒进信号点的可能，参照防护曲线生成机理，给出兼顾制动力故障的ATP安全防护方法，分析按该方法运行时对通过能力的影响。

关键词：动车组；制动系统；过走距离；仿真；ATP

随着我国高速铁路建设的持续发展，为确保列车运行的安全，修建时速200 km以上的高速铁路时，需考虑列车运行的安全性[1]。列车自动防护系统(ATP)作为列控系统的核心安全控制部件，其性能对行车组织、安全运营有直接影响。车载ATP以列车制动性能、线路条件等计算安全制动距离[2]，并根据列车当前位置，判断运行是否安全。根据《铁路客运专线技术管理办法(试行)(200～250 km/h部分)》和《铁路客运专线技术管理办法(试行)(300～350 km/h部分)》的规定，在制动系统发生故障，只要切除制动力小于50%时，动车组仍能限速运行。针对动车组因意外情况制动失灵，国内外现行的安全防护措施为将列车的停车点(计算点)设在防护点前适当距离[4]，即设置过走防护区段，并对过走进行限制[5]。而对于列车制动系统发生故障后，列控系统怎样继续保证列车安全运行的问题需进一步研究[6-7]。文献[8]分析了动车组制动系统的故障类型及各类故障对行车安全的影响，在未考虑ATP曲线生成与常用制动、紧急制动的触发条件的前提下，计算过走距离。对于可能影响行车安全的故障类型，给出了至多有1辆车制动故障时的具体安全防护方案。

为保证动车组在多辆车制动系统故障时的行车安全，计算、分析过走距离(考虑常用制动、紧急制动的触发条件)，本文通过仿真模拟动车组在完全监控模式下因故部分车辆失去制动能力(或制动力下降)，切除该部分车辆制动力后的制动过程，分析实际制动曲线与速度防护曲线的相互关系，并以时速200 km和谐号CRp型动车组为例，进行动态仿真。结果表明，因动车组的制动力使用系数是预先确定的，而制动力故障时偶发时的，切除部分制动力后，当剩余制动小于ATP计算制动力时，存在冒进信号点的可能，冒进距离与列车初速、线路坡度、制动力切除比例等因素有关。针对动车组制动系统故障的突发性，提出根据动车组制动系统工作情况实时调整的ATP安全防护方法，从而保证了动车组存在多辆车制动故障时的行车安全。

1动车组制动曲线分析

目前超速防护曲线计算方法主要分为基于动力学模型的计算方法和基于能量守恒的计算方法[9]。其理论依据为ATP超速防护模型标准[10]。防护曲线的计算为在已知制动初速度v0和目标速度v2的情况下，将列车的制动过程看作由目标限速点向制动起模点的反向加速过程。实际制动过程中速度曲线的仿真为根据列车制动特性，假设列车在一个速度间隔内的制动合理不变，根据牵引计算得距离增量，求和距离增量，即为制动总距离。

1.1动车组制动距离计算分析

通常情况下，CRH型动车组给出各速度段的制动减速度，当列车制动力起作用后，根据制动减速度，运用匀变速运动的计算公式分段求解制动距离。以CRp型动车组为例，制动减速度由3段构成，0～70 km/h减速度为常数，70～118 km/h和118～200 km/h减速度为速度v的一次函数。制动减速度特性参数见表1[11]。

表1　CRp型动车组制动减速度特性参数

表1中所给制动减速度特性参数为仅由列车制动力产生的减速度a，未考虑基本阻力、坡道阻力、曲线阻力的影响。当计算在任意坡道上的列车制动距离时，有效制动距离计算公式如下[12]

(1)

式中Se——有效制动距离，m；

v0——所取速度间隔的制动初速度，km/h；

v1——所取速度间隔的制动末速度，km/h；

a——列车纯制动力引发的减速度，m/s；

w0——单位基本阻力，N/kN；

i——坡道千分度。

其中，动车组在运行中受到的单位基本阻力w0与多种因素有关。CRp动车组的基本阻力经验公式如下

(2)

式中w0——单位基本阻力，N/kN；

v——动车组瞬时速度，km/h。

若考虑空走时间，得出的计算公式为

(3)

式中Sz——制动距离，m；

SK——空走距离，m；

tk——空走时间，s；

v0——制动初速度，km/s。

1.2防护曲线仿真1.2.1ATP防护曲线计算原理

现行的动车组超速防护系统考虑了外部条件的不确定性和设备故障的可能， ATP计算使用的制动力预留有一定安全系数。ATP计算的制动距离

(4)

其中a——列车纯制动力引发的减速度，m/s(常用制动取制动减速度特性参数第7级减速度值，紧急制动取紧急减速度值)；

β——制动力使用系数 (常用制动取0.9，紧急制动取1.0)。

1.2.2单限速区段ATP防护曲线的计算仿真

对单个限速区段而言，采用分段累积法计算，设列车距目标点的距离为STarget，将长度为STarget的区段分成n个长度为ΔS的小区段，从限速区段入口按列车运行方向的反方向推算。由式(5)得在有效制动区域内，求制动初速度的计算式为

(5)

如图1所示，计算时从第n个ΔS小区段开始，该区段的终点速度vm，即为目标速度vTarget，代入式(5)计算该区段的始端速度v0。相邻的第n-1个ΔS小区段的终端速度为第n个区段的始端速度，把第n-1个小区段的终端速度代入式(5)，计算出第n-1个小区段的始端速度，以此类推。当计算到某个小区段的初速度大于或等于列车所在区段的限速时，则该小区段的始端即为有效制动的起点。

图1　单限速区段制动曲线计算示意

1.2.3多限速区段ATP防护曲线计算

当动车组运行前方有多个限速区段时，需分别对每个限速区段计算其防护曲线。计算时从最后一个限速区段开始，具体步骤如下。

Step1：计算到前一限速区段入口为止的速度防护曲线，并记录由该限速区段生成的曲线在各限速区段入口的速度值。

Step2：计算前一个限速区段生成的防护曲线，目标速度取值为由后一限速区段计算到本限速区段入口时的速度与本区段限速值二者的最小值。

Step3：依次类推，除最后一个限速区段外，其余各区段的入口速度值为前一限速区段生成的曲线在各限速区段入口的速度值与本限速区段限速值二者的最小值。

Step4：合并各段限速曲线，即为多个限速区段的ATP防护曲线。

1.3实际制动曲线的计算仿真

在计算实际制动曲线时，由于动车组在区段运行的限速已知，在已求得ATP防护曲线的前提下，可采用如下方法仿真实际曲线。

Step1：从列车当前位置起，沿列车运行方向依次查寻ATP防护曲线上各点速度值，当列车速度值第一次小于等于区段限速时，记下ATP曲线上该点及前一个查找点对应的速度和位置值。

Step2：判断两点间的距离差ΔS与位置误差容限的关系。若满足位置误差容限，转执行Step3；反之，转Step4。

Step3：取该点的速度和位置值作为制动的起模点。转Step6。

Step4：将ΔS小区段划分为若干个长度小于位置误差容限的子区段，计算各子区段的入口速度。

Step5：沿列车运行方向查找各子区段入口速度并与区段限速比较，将第一个小于等于起模点速度值的点对应的速度和位置值记为列车制动起模点坐标。

Step6：以起模点为始端，将列车的制动过程分解为若干速度段，设其间各速度段的间隔为Δvn，代入式(1)，得各速度段内的制动距离ΔSn。

Step7：对ΔSn逐项求和，得各速度点的位置。

2动车组部分制动力切除后的实际制动曲线计算

由1.2.1所述，生成ATP防护曲线时，动车组的制动力使用系数是预先确定的。而当动车组的某几列车因制动系统故障被切除制动力时，实际制动曲线按下式生成

S=SK+Se=SK+

(6)

式中N——动车组列车的车辆总数；

m——因故切除制动力的车辆总数。

2.1动车组部分制动力切除后的制动过程分析

图2　动车组制动曲线关系

2.2制动过程计算仿真

实际制动过程的仿真原理如图3所示。

图3　实际制动转换点示意

Step1：按1.2中所述方法，生成ATP常用制动防护曲线和ATP紧急制动防护曲线。

Step2：按2.1中所述方法，生成切除部分制动力后的常用制动曲线A-B。其中，制动减速度取切除部分制动力后的最大常用制动减速度，按式(6)进行计算。

Step3：比较切除部分制动力的实际常用制动曲线A-B与ATP生成的紧急制动曲线C-D的位置关系，找到两曲线交点，即常用制动转换为紧急制动的转换点E。

Step4：自转换点E起，将制动减速度用剩余的紧急制动减速度替换，按2.2中所述方法计算得紧急制动过程的制动曲线E-F。

Step5：连接A-E和E-F段曲线，得实际制动曲线A-E-F。

其中为求A-B和C-D的交点E。由于仿真中A-B和C-D为拟合曲线，程序中两条曲线的坐标为离散点构成的数组。因此，第一步采用遍历搜索的方法找到满足直线相交的4个点(A-B中的B1、B2点，C-D中的A1、A2点)；第二步，将A1-A2、B1-B2按两相交的线段求交点。

设部分制动力切除后常用制动相邻点的坐标为(Xi，Yi)、(Xi+1，Yi+1)，ATP紧急制动曲线相邻点的坐标为(Xk，Yk)、(Xk+1，Yk+1)，则满足直线相交的4个点的条件为

(7)

3仿真结果及分析

本文以CRp-200型动车组为例，计算参数取自《时速200和300 km动车组主要技术条件》，紧急制动和常用制动触发条件根据《铁路客运专线技术管理办法(试行)(200～250 km/h部分)》确定，回转质量系数按0.10取值。在线路限速200 km/h，线路坡度为0‰，目标速度为0 km/h，假设动车组在起模点处已切除2/8制动力时，仿真生成的单限速区段的实际制动曲线和ATP生成的常用制动曲线、紧急制动曲线如图4所示。

图4　切除2/8制动力后实际制动曲线

改变切除制动力的比例、坡度和初速度取值，重复上述仿真过程，假设动车组在起模点处触发最大常用制动，且此时制动系统故障，切除部分制动力，得到不同制动力切除比例、不同坡度条件的冒进距离(未考虑过走防护区)。如表2所示。

由表2知，列车冒进信号的距离与切除部分制动力后的比例、线路坡度、列车制动初速度等都有关系，且冒进距离受切除制动力和列车初速的影响较坡度而言更明显。

针对动车组可能冒进信号的情况，现行的安全防护措施为根据动车组运行过程中不同的制动力切除比例采取限速运行，并在计算制动目标点时预留有一段安全防护区[13-14]。但在运行过程中，动车组的制动系统故障时突发的，冒进信号的距离随切除制动力比例、线路坡度等因素变化显著。以《既有线CTCS-2级列控系统车载设备技术规范(暂行)》(科技运[2007]45号)第5.2.3.2(3)条“制动模式曲线计算”的规定为例，列控系统在完全监控模式下，车站范围内列控系统计算的常用制动终点(即停车目标点)为出站信号机外方60m，与表2比较知，该规定并不能完全保证列车制动系统故障时的行车安全。因此，根据动车组制动系统工作情况，实时调整动车组的安全防护措施有必要进一步研究。

表2　停车冒进信号距离

4安全防护对策

由前文所述，造成列车冒进信号点的原因是列车的实际制动力小于ATP计算的制动力。而列车的常用制动曲线为技术上安全的最大运行速度曲线[14，16]。因此，一种有效的防护手段为保持动车组制动时使用的实际剩余制动力时刻小于ATP计算常用制动曲线使用的制动力。据此，一种考虑列车制动系统故障的安全防护方案设计思路如下。

4.1列控安全防护系统的建立条件

(1)制动过程中，动车组中至多新增一列车发生制动系统故障；

(2)制动开始后，能实时监测各车辆的制动系统状态；

4.2动车组制动控制系统结构设计

文献[16]表明，一个优良的制动控制系统应具有适应ATC控制、对制动系统进行实时监控故障诊断和故障导向控制等功能。图5所示为CRH2型动车组制动控制系统框图，由图可知，ATP系统未能实时监测制动系统的状态。当动车组中部分车辆出现制动故障后，难以根据实际情况自动调整计算制动力和列车最高允许运行速度，对列车进行制动故障时的安全防护。故可在动车组制动系统中设置采集切除制动力的装置，进而根据实际情况动态调整ATP计算制动力。采集装置可按如下方法设置。

Step1：在动车组的各辆车上设置，实时采集各车辆的制动力状态，并发送制动力状态信息给ATP系统。

Step2：在ATP车载系统上预留制动力状态接收接口，实时接收各制动力状态监测器采集的制动力状态信息。

综上，即在硬件上将ATP系统对制动系统的开环控制转为闭环控制。

图5　CRp型动车组制动控制系统

4.3ATP防护曲线的确定

Step1：实时判断动车组切除制动力的车辆总数n是否超过允许切除制动力运行车辆的容限。若未超过容限，则转入Step2，若超过容限，则转入Step3。

(8)

式中f(a)——制动正常时最大常用制动减速度(N=7)；

Step3：SATP系统自动设定计算减速度值为0。

综上，以8辆编组的动车组为例，其防护方案如图6所示。

图6　8列编组的动车组防护方案

5结语

车载ATP防护曲线是确保列车安全制动的重要组成部分之一。以CRp型动车组的制动参数为基础，对动车组的制动过程进行建模。针对列车制动系统故障后，切除部分制动力运行的情况，仿真得出列车在不同初速、线路坡度和切除比例下的冒进距离。结果表明，当动车组制动系统故障后，即使在完全监控模式下，按照现行规范行车，列车仍有冒进信号的危险。针对该问题，提出一种根据动车组制动系统切除比例制动力的不同，动态调整ATP防护曲线的方法以保证行车安全。因在制动系统正常时，该方法的计算减速度较实际减速度略小，对运输能力存在一定影响，因此，如何在保证动车组在切除部分制动力后行车安全的同时，尽可能降低对运输能力的影响将在后续工作中进一步研究。

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Simulation Analysis of Safety Affect of EMU’s ATP after Braking System Failure

ZENG Qing-hui， TAN Li

(School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070, China)

Abstract：With focus on the failure of part of the EMU vehicles’ brake system and the application of “closed door” measures， this paper simulates train protection algorithm and braking process in completely monitor mode， analyzes the algorithm of protection curves in single speed limit sections and multiple speed limit sections and the relationship between the actual braking curve and speed protection curve after cutting off partial breaking force based on protection curve generation and actual braking process and finds out the trigger points of all kinds of brakes. This paper calculates the braking distance with different slopes， initial braking speed and removal rate of braking by simulating actual braking curve after removal of different rate of braking force. In view of the potential excessive braking distance and signal intruding due to the failure removal， an ATP safety protection method to cope with brake system failure is put forward with reference to protection curve generation mechanism， and the effect of this method on line capability is analyzed.

Key words：Electric multiple units (EMU); Braking system; Excessive braking distance; Simulation; automatic train protection (ATP)

中图分类号：U284.46

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.035

文章编号：1004-2954(2015)06-0155-06

作者简介：曾庆晖(1988—)，男，助理工程师，硕士研究生，E-mail：whzzxzqh@163.com。

基金项目：甘肃省科技计划项目(编号090GKCA032)

收稿日期：2014-08-08； 修回日期：2014-10-18