工程车加装车载ATP方案分析

佘路军、李惠欣、杨智

（1.中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江 杭州 310004；2.杭州杭港地铁五号线有限公司，浙江 杭州 310000；3.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 研究背景

随着我国城镇化速度的加快，大型城市呈现出多中心或放射状的发展趋势。地铁作为城市轨道交通的中坚力量，加强了主中心与各副中心的联系。在各大城市发展的进程中，单条地铁线路延伸为长大线路的情况越来越普遍。北京、上海、广州、成都、杭州等大城市的部分地铁单条线路已超过50km。

工程车是地铁运营单位夜间线路施工及维护的运输工具，国内地铁系统要求，在人工驾驶模式下，工程车的最高运行速度为40km/h（部分城市仅为25km/h），对于长大地铁线路，工程车需要2～4h完成全线运行；且在人工驾驶模式下，工程车会存在超速、脱轨等安全风险。因此，在工程车中加装车载ATP设备，对提高工程车的运行效率，保证运行安全是非常必要的。

2 系统的主要功能

根据工程车的实际运营需求，装载了车载ATP设备的工程车可以实现CBTC模式下的ATP防护功能，司机可在连续的ATP防护下人工驾驶列车运行。

ATP系统的主要功能包括：

一是列车速度和位置测定，在CBTC区域内能够确定列车的速度、位置和运行方向。

二是基于连续的速度-距离曲线安全制动模型，实现列车速度控制，防止列车超速，保证追踪列车之间的行车间隔。

三是处理移动授权（MA）。

四是列车完整性监督。

五是工程车以非通信的RM或EUM模式与载客列车联挂，以便展开救援。

3 设计难点及解决方案

3.1 工程车编组建议方案

因运营救援、夜间施工的需要，工程车存在解编、重编、混编等需求，这也使得每列工程车的车长不固定。一般情况下，ATP对车辆的超速防护是针对整列车的包络设计，若无法获取准确的列车长度，或实际车长与系统内定义的车长不一致，就可能造成CBTC列车互相追踪时发生追尾事故。

在CBTC模式下，每个信号系统的供应商在进行列车筛选时均有一定的长度要求。

在进行列车筛选时主要考虑如下因素：计轴响应时间，包括轨道区段由空闲到占用的响应时间及联锁设备响应时间；车载计算机处理时间、车地通信传输及延迟时间。

出段列车若以20km/h的速度进行列车筛选，则至少要求25m的筛选距离，若考虑到定位误差、车轮到车钩之间的距离，则还需要更长的筛选距离。

基于以上因素，考虑到工程车长度为13～15m，所以工程车编组应不少于3列,建议以3～6列进行编组。

此外，考虑到工程的可实施性，在保证系统要求的最小列车车长的前提下，进行系统设计时，需根据工程车存在的多种编组形式，可以考虑只进行列车车头筛选。目前，列车通过车地无线通信获取前方线路参数、移动授权等，实现列车追踪。系统可将其后编组的平板车、磨轨车等作业车辆和尾部的工程车，视为非通信车，后续列车按照固定闭塞方式进行追踪。

综上所述，为了方便工程车的站后折返、站前折返、站间施工等作业需求，保证列车正常筛选，建议在进行工程车编组时，可采用前端的工程车（加装车载ATP设备）+中部的被牵引车列或平板车+后端的工程车（加装车载ATP设备）的方式，中部的被牵引车列或平板车宜为1～4列平板车或其他类型工程车。

3.2 工程车重联方案

列车完整性信息是车辆设备提供给信号车载设备的关键信息之一，列车完整性信息的丢失，将直接导致列车紧急制动。

国内工程车一般不会对列车完整性的功能提出要求，首尾工程车之间也无通信需要。为确保列车完整性，同时满足工程车解编、混编的需求，需在编组中间的每节工程车车底均铺设列车线，并在每节工程车两端均配置重联插座，通过车端重联线和车底列车线实现前后牵引机车的重联功能，从而实现对重联后的整列工程车完整性检查功能。

3.3 影响列控系统的工程车性能参数

3.3.1 车辆性能参数的影响分析

相关车辆因素包括：车辆从切除牵引到紧急制动的施加及生效前的最大响应时间（包括从牵引系统收到EB指令到牵引力开始切除的时间、从牵引力开始切除到牵引力完全切除的时间、从牵引系统收到制动指令到牵引力开始切除的时间、从制动系统开始动作到制动力完全建立的时间等），列车可保证的紧急制动率（GEBR），列车的最大加速度、列车最大常用制动等[1]。

由于工程车与运营列车的列车参数不同，因而导致在同一套信号车载软件控制下，工程车的自动触发长度、安全防护距离、保护区段等工程参数也有所不同。下文将根据工程实例计算自动触发长度，进一步阐明车辆性能参数对列控系统的影响。

3.3.2 自动触发长度计算工程示例

（1）自动触发长度计算原则

计算自动触发长度，分为CBTC控制模式和联锁控制模式两种场景。处于CBTC模式时，自动触发长度为：联锁触发办理进路至行车凭证开放期间，列车运行的最大距离+车载获取前方进路开放的移动授权时间内的运行距离+列车紧急制动距离+安全阈量。处于联锁模式时，自动触发长度为：从进路建立至信号开放时间内的运行距离+司机反应时间内的运行距离+列车紧急制动距离。

（2）紧急制动距离的计算

（a）计算依据：由上述自动触发计算原则可知，紧急制动距离是自动触发长度的一部分。紧急制动距离的计算模型如图1所示。国内外信号系统供货商CBTC系统的紧急制动距离均按此研发，此次研究也将以此为依据，计算紧急制动距离。

(b)紧急制动距离的计算：根据以上安全制动模式，列车以80km/h的目标速度在正线上运行时，各阶段的安全防护距离计算方式如式（1）（暂不考虑坡度、曲线半径、实际载重和计算载重之间误差等）。

阶段A走行的距离：

式（1）中：VA0为紧急制动触发速度，取85km/h；TA为ATP响应时间，取500ms；aA为85km/h的运行速度下产生的加速度率，取0.35m/s2（杭州地铁5号线车辆参数，按AW2工况下取值）。将以上数据代入式（1）中可得：SA=11.810m，VB0=VA0+aA×TA=23.786m/s。

阶段B走行的距离：

式（2）中：TB为牵引切除时间，取250ms；aB与aA取值一致；VB0为阶段B的初始速度。将以上数据代入式（2）中可得：SB=5.948m，VC0=VB0+aB×TB=23.934m/s。

阶段C走行的距离：

式（3）中：VC0为阶段C的初始速度；TC为紧急制动命令相应时间，取200ms。将以上数据代入式（3）中可得：SC=4.787m。

阶段D走行的距离：

式（4）中：TD为紧急制动建立时间，根据车辆提供的数据，制动力达到10%的时间为200ms，制动力由10%达到90%的时间为1300ms；TD取1500ms；aD取GEBR值乘以系数0.5；VD0与VC0一致。将以上数据代入式（4）中可得：SD=35.435m，VE0=VD0-aD×TD=23.312m/s。

式（5）中：aE取0.829m/s2，将该数据代入式（5）中可得：SE=327.774m。

综上所述，列车以80km/h的速度在正线运行时，在AW2工况下，紧急制动距离SEB-80=SA+SB+SC+SD+SE=385.754m。

由于当蓄电池工程车在接触网模式下时，列车切除牵引的速度为78km/h，因此此次研究取工程车以60km/h的速度在正线运行，根据上述安全制动模型及步骤，从牵引力开始切除到牵引力完全切除的时间取2576ms，从制动系统收到EB指令到制动力达90%的时间取6000ms，列车可保证的紧急制动率取0.713m/s2，计算可得，工程车紧急制动距离S＇EB-60=291.668m。

（3）自动触发长度计算

（a）CBTC模式下，自动触发长度为：从联锁触发办理进路至行车凭证开放期间列车运行的最大距离+车载获取前方进路开放的移动授权时间内的运行距离+列车紧急制动距离+安全阈量，即式（6）：

式（6）中：进路的开放时间取3s（无岔时）、13s（有岔时），CC获取移动授权的最大允许时间取6s，安全阈量取20m，运营列车的最高运行速度取80km/h，工程车的最高运行速度取60km/h。代入式（6）中可得：

CBTC模式下，运营列车自动触发长度为Sauto-运营列车=80/3.6×13+80/3.6×6+SEB-80+20=827.976m。

工程车自动触发长度为Sauto-工程车=60/3.6×13+60/3.6×6+S＇EB-60+20=628.335m。

（b）联锁模式下，自动触发长度为：从进路建立至信号机开放时间内的运行距离+司机反应时间内的运行距离+列车紧急制动距离。根据式（6）的计算原理，司机反应时间取3s，联锁模式下运营列车的最大运行速度取60km/h，工程车的最高运行速度取40km/h。

则当处于联锁模式下时，运营列车自动触发长度为S＇auto-运营列车=60/3.6×13+80/3.6×3+SEB-60=505.499m。

工程车自动触发长度为S＇auto-工程车=40/3.6×13+40/3.6×3+S＇EB-40=392.048m。

3.3.3 小结

综上所述，正线的最高运行速度为80km/h的线路，在CBTC模式下，当工程车的最高运行速度取60km/h，根据计算所得的工程车紧急制动距离、自动触发长度均小于运营列车计算长度。在联锁模式下，当工程车的最高运行速度取40km/h时，根据计算所得的工程车自动触发长度小于运营列车计算长度。在进行系统设计时，可按此方式设计，确保系统性能不受工程车参数的约束。

4 工程车加装车载ATP方案

目前，城市轨道交通信号系统大多采用基于通信的移动闭塞信号系统（CBTC）；载客列车通常采用动力分散式列车，固定编组，列车的车载设备采用头尾两端分别设置1套车载ATP/ATO设备，车载设备冗余方式采用单端2乘2取2或3取2的方式。工程车一般只在非运营时段进入正线，考虑到前期工程投资、运营维护成本以及实际的运营维护需求，1辆工程车可只配置1套车载ATP设备，如图2所示。

同时，考虑到每辆工程车有双方向驾驶的需求，每辆工程车可配置2台车载显示器，均设置应答器天线、测速设备、无线天线等设备。

5 结语

随着地铁运营线路越来越长，对地铁高效及安全运营的要求也越来越高。工程车加装车载ATP设备，能有效减少运营、维护过程中人为因素造成的事故（如工程车超速、脱轨），使夜间施工时间得到充分利用。由于目前国内轨道交通工程车加装车载ATP设备的城市和项目比较少，工程建设及应用的经验尚不成熟，且信号系统设备供货商、工程车供货商对设备的应用经验不足，因此，在实际的工程中，需结合项目的实际情况，对信号供应商系统的特点、工程车参数及接口信息等进行综合分析，制定满足用户需求的实施方案。