地铁列车超速防护功能设计分析

周 茂

（宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江 宁波 315000）

1 列车自动防护系统设计分析

1.1 系统结构分析

列车自动防护系统即ATP （Auto matic Train Protection）系统的总体结构可分为三大部分：第一部分是车载ATP速度监督与控制，主要实现ATP曲线的生成，然后实时监控列车速度的功能。第二部分是车载ATP对相关信息的采集 （列车参数、线路信息、ZC送来的信息等），主要为第一部分提供ATP曲线生成的重要信息。第三部分是轨旁ZC的信息采集和计算，主要实现了对相应ZC所辖区域内的列车位置、障碍物位置、临时限速点、ATS控制中心的调度信息的采集，然后通过车地无线通信网传送给第一部分，为ATP曲线生成提供重要依据，除此之外，轨旁还与ATS控制站通信反馈轨旁设备的状态信息等。城市轨道交通ATP系统的结构设计如图1所示。

图1 ATP系统结构

ATP系统列车超速防护功能通过11大模块协调工作实现，各模块功能如下：

（1） 列车定位与测速模块 ；（2） 列车与线路模块 ；（3）列车超速防护模块；（4） 超速报警与记录模块；（5） 列车制动模块 ；（6） 列车跨区域运行模块 ；（7） 车地通信模块 ；（8）设备控制与采集模块；（9） 移动授权生成模块；（10） 相邻ZC模块 ；（11） 与ATS通信模块。

1.2 ATP系统数据流分析

ATP系统的各个功能模块之间需要进行数据交换，才能完成保障列车安全运行的各种具体功能，如列车曲线生成、列车超速防护等，其各模块及模块之间的数据流如图2所示。

图2 ATP系统数据流

列车驶入区间后，将会通过信标处接收或者无线网接收到线路的静态参数如： 线路坡度、 线路曲线、 道岔数量等，然后将线路参数和在车载数据储存单元内的列车参数发送到列车和线路参数处理模块，进行列车的注册。

司机可以手动切换列车的驾驶模式，并且将驾驶模式的信息发送给防护曲线生成的模块。

轨旁ZC通过列车位置、距离、速度信息和ATS中心指令等信息计算出所辖区域内的移动授权和临时限速，发送到ATP防护曲线生成模块。

在车载ATP收到以上信息后 （驾驶模式、移动授权、临时限速、线路参数、列车参数），将会计算出列车的ATP速度曲线，即最基础速度限制、紧急制动曲线、常用制动曲线、常用制动警告曲线。

在生成ATP速度曲线以后，车载ATP将会对列车速度和曲线速度进行实时的监督，一旦列车超速，将会报警进行相应的制动，并且记录。当速度经过制动降低以后，才能根据各种制动方式的要求进行制动的解除。当列车超过常用制动警告曲线或者常用制动曲线后，启动相应的制动方式，在列车降速后不用停车便可解除制动；但当列车超过紧急制动曲线以后，列车必须停下来才能解除制动。

2 ATP曲线生成

2.1 ATP曲线确定的理论模型

在城市轨道交通CBTC系统中，ATP曲线的确定需要满足以下要求：

（1） 列车速度必须低于线路限速 （与线路曲线、桥梁、隧道等有关）；

（2） 列车速度必须低于临时限速；

（3） 列车速度必须低于列车构造限制速度；

（4） 列车通过道岔时，速度必须低于道岔允许通过的速度；

（5） 列车进站或跳停时，速度必须低于站台限速；

（6） 确保列车之间 （追踪列车与前行列车） 的安全间隔，防止列车冲撞。

ATP曲线模型的曲线主要有：最基础限速触发曲线、紧急制动触发曲线、紧急制动警告曲线。由这三大曲线模型对列车进行超速防护，确保其运行安全，其原理图如图3所示。

图3 ATP曲线模型原理

2.2 ATP曲线计算模型

ATP速度曲线模型由最基础限速曲线、紧急制动曲线、紧急制动警告曲线3部分组成，车载ATP实时监控列车速度，再根据生成的ATP曲线进行逻辑判断，对列车实现超速防护的功能。

2.2.1 保护距离

CBTC中，危险点是前行列车的尾部，它是列车超过后可能发生危险的点，因此，需要根据危险点定义一个安全停车点，而安全停车点到危险点之间的距离即是保护距离。保护距离的长短是根据列车性能 （列车结构、列车最高速度等）、线路参数 （线路坡度、隧道、桥梁等）、列车运行条件 （列车当前速度、当前加速度等） 的不同而发生变化的。保护距离的确定根据：

式中：VB—保护距离处的列车速度 （m/s）；DB—保护段的长度 （m）；ac—列车的当前牵引加速度；由于本文考虑了线路参数，所以，af—当前坡度加速度；i—当前坡度值，上坡时为负，下坡时为正；r—最小旋转质量系数。

2.2.2 最基础限速曲线

如果说紧急制动曲线、紧急制动警告曲线是保证列车之间安全间隔运行的限速曲线，那么最基础限速曲线则是列车能在区段内运行的最根本条件，如果最基础限速曲线都无法满足，列车连运行都无法进行，所以，上述的2种曲线是在最基础限速曲线防护以下确定的。最基础限速曲线是根据列车所在轨道区段范围内提供的线路静态参数、动态参数、列车参数等信息所得出的线路的静态限速、临时限速 （ATS提供）、列车构造最大允许运行速度等速度限制的最小值。所以，这是列车运行的最基础前提，要想列车能运行起来，必须首要保证列车在最基础限速曲线下运行。

（1） 模式限速是根据列车所处的驾驶模式决定的，驾驶模式包括BY （Bypass，旁路模式）、RM （Restricted Manual mode，限制人工驾驶模式）、ATPM （Manual mode with ATP，ATP监督下的人工驾驶模式）、AR （Auto matic Reversal，自动折返）、ATO （Auto matic Train Operation mode，列车自动驾驶模式）。

（2） 列车构造最大允许速度由列车的结构或性能决定。

（3） 线路的静态限速与列车所在轨道区段的线路曲线、线路坡度、桥梁、隧道、道岔型号、站台等多方面条件有关。

（4） 临时限速是由ATS控制中心过ATS车站控制室的操作员设置的，一般是在线路进行施工或者发生临时事故、灾害时设置的。

（5） 根据上述的信息可以得到一条车长校正以前的限速曲线，它是模式限速、列车构造最大允许速度、线路静态限速、临时限速等曲线的最小值合成的，为了清楚显示它与以上曲线的关系，将其向下进行了平移。

（6） 列车车长校正后曲线，是在列车车长校正以前曲线的基础上考虑了列车车长生成的。当列车从低限速区向高限速区行驶时，为了保证列车尾部能够安全通过限速区，车载设备需要在低限速区末端补上一个车长。

2.2.3 紧急制动曲线

紧急制动曲线是保证列车于安全停车点以前停车的最高级的限速曲线，如果触发紧急制动曲线，证明列车处于很危险的境地，如果不马上采取紧急制动，发生事故的概率会很高，所以，需要动用列车所有的制动力，以使列车在最短时间内降速，而且一旦进行了紧急制动，必须在列车停车后才能解除制动。本文设计ATP紧急制动曲线时，先设计了一条紧急制动保证曲线，然后根据紧急制动保证曲线在考虑到线路因素，ATP设备响应延时等因素的情况下生成ATP紧急制动曲线。紧急制动曲线生成的计算公式：

式中：VEBG—紧急制动保障曲线对应的速度；DEBG—紧急制动保障曲线对应的距离。

得到VEBG和DEBG以后，VEBT紧急制动曲线对应的速度和DEBT紧急制动曲线对应的距离就能得出。

2.2.4 紧急制动警告曲线

在ATP防护的人工驾驶模式下，牵引和制动指令由驾驶员按照速度表上的目标速度指示进行控制，为防止紧急制动，当列车速度低于紧急制动速度5 km/h时，人机界面上将显示告警。由此，得出紧急制动警告曲线，警告曲线上对应点的速度均比紧急制动曲线对应点低5 km/h。

ATP曲线模型内3种限速曲线共同协作对列车进行超速防护，保障列车安全运行。

3 结语

ATP系统是CBTC的一个关键性子系统，它承担着列车安全运行的重要职责 （列车状态监督、列车速度曲线生成与监督、门监督等）。ATP曲线的计算是实现列车自动防护运行的关键，本文对ATP结构设计进行了介绍，提出ATP速度曲线计算模型，对ATP子系统的研究具有一定参考意义。