CTCS-2級列控車載ATP設備應用于普速機車的適應性分析及仿真研究

盧 軍，武曉春，潘長玉

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計處，西安 710043)

近年來，隨著合寧、合武、溫福、甬臺溫、福廈等時速200～250 km客運專線陸續(xù)開通，我國在CTCS-2級列車運行控制系統(tǒng)集成、技術標準制訂、設備引進和研發(fā)、列控試驗、工程建設等各項技術上已經(jīng)逐步由實踐走向成熟，其中，車載ATP系統(tǒng)是保證列車安全、高效運行的關鍵設備。正在建設中的蘭新第二雙線，由于線路所處環(huán)境惡劣，站間距大，風沙災害嚴重等特點［1]，致使本線列控系統(tǒng)配置方案有諸多特點，其中普速列車上客運專線運行技術方案之一是研發(fā)針對普速客運列車的車載ATP系統(tǒng)。

本文提出一種基于CTCS-2級列控車載ATP設備的超速防護系統(tǒng)低速適應性改造方案，并對方案進行可行性研究，最后，對車載ATP系統(tǒng)進行仿真驗證。

1 CTCS-2級列控車載ATP設備應用于普速機車的改造方案原理及構成

系統(tǒng)采用基于CTCS-2級列控車載ATP設備的2×2取2安全結構設計，核心部件由車載安全計算機(VC)、軌道信息接收單元(STM)、應答器信息接收單元(BTM)、制動接口單元(RLU)、記錄單元(DRU)、測速測距單元(SDP)、人機界面(DMI)、軌道信息接收天線、應答器信息接收天線等組成。工作方式采用車載主機方式:從應答器取得線路固定工程數(shù)據(jù)(如軌道電路長度、坡度、靜態(tài)限速和道岔限速等)，軌道電路顯示信息告知前方空閑閉塞數(shù)、停車軌道電路和準許運行位置，然后車載計算核心從當前位置計算目標-距離模式曲線，并依據(jù)自己當前位置與模式速度值的關系，輸出制動，最大限度地使控制符合運行實際。列車在制動到紅燈前將留有一個安全防護距離，以防止由于計算機取用離散性參數(shù)而產(chǎn)生的誤差［2]。

人機界面系統(tǒng)以動態(tài)圖方式預示運行前方線路的彎道、坡道、橋梁、隧道、道岔以及信號機布置情況，隨列車運行滾動顯示控制模式限速曲線。

系統(tǒng)結構原理如圖1所示。

圖1 車載ATP系統(tǒng)結構原理

2 普速車車載ATP系統(tǒng)適應性研究

依據(jù)蘭新第二雙線設計批復意見，開通初期部分普速列車將會分段在不同等級的線路上運行，屆時將會有裝載ATP設備的動車在非C2線路區(qū)段運行，未加裝ATP設備的普速列車也會在C2區(qū)段運行的情形，這就要求，車載設備要與地面設備盡可能匹配［2]，目前我國在普速列車機車上僅安裝了LKJ系統(tǒng)監(jiān)測列車運行狀況，不具備主體化機車信號功能，且該系統(tǒng)不能滿足列控系統(tǒng)安全性SIL4等級要求，故普速車無法在客運專線上按照C2級列控模式運行。如果要實現(xiàn)普速車上客運專線運行，則需要進一步提高普速車LKJ設備的可靠性和安全性，并在機車上增加BTM天線接收應答器數(shù)據(jù)，增加實時更新線路信息和限速信息的功能，這樣就面臨兩大問題:其一，對LKJ設備的改造工作量很大，LKJ設備既有結構和軟件框架能否支持，尚無定論;其二，在沒有裝載車載ATP的情況下，以車載信號作為行車憑證，與目前的鐵路行車規(guī)定不相符［1]。

CTCS-2級車載ATP設備技術成熟，性能穩(wěn)定，已經(jīng)被廣泛應用于時速200～250 km動車組，普速列車在時速160 km下的運行指標(如機車、車輛基本阻力計算公式，制動距離、列車制動換算率、換算摩擦系數(shù)等)在《牽引計算規(guī)程》(TBT1407—1998)中已有具體規(guī)定，所以列車控制曲線計算不存在難點，所以暫時保留LKJ系統(tǒng)，并在其基礎上研究C2列控車載ATP設備與普速機車間的適應性，并根據(jù)車輛的具體情況進行接口開發(fā)，如為其提供一個由繼電器接點條件給出的緊急制動接口/全常用制動接口與現(xiàn)有車載制動接口匹配，同時進行軟件開發(fā)，理論上可行。

3 普速車車載ATP關鍵技術研究

針對普速機車車長、車重、制動性能特點，從系統(tǒng)模塊化集成角度，提煉出車載ATP系統(tǒng)關鍵技術點，并對各關鍵技術點進行深入研究，形成車載ATP系統(tǒng)分析的基本流程，為仿真系統(tǒng)編程提供方法。

3.1 測速測距接口設計

為保證ATP系統(tǒng)正常運行，必須隨時準確監(jiān)測列車速度和位置，為此，系統(tǒng)采用多個測速子系統(tǒng)互補運行，共同完成列車測速及定位。

在機車兩側不同的車軸上各安裝2個速度傳感器，使用脈沖信號計算列車運行速度，可以降低共模故障的風險性［3]。

安裝2部非接觸式多普勒雷達系統(tǒng)補充測量車速，其通過RS485串口與ATP主機通信，可以校正滑力和阻力造成的影響。

在測速測距過程中，車輪的直徑是一個可以調(diào)整的值，通過人機接口設備，由維護人員輸入輪徑值，然后主機板將該值保存下來，直到下次修改，這種修改一般只能在設備處于維修工況時才能進行［4]。

3.2 地面ATP信息接收設計

BTM模塊是采用2×2取2故障-安全技術的安全模塊，1個BTM模塊包含電源板、接口板、接收板、傳輸板，其負責接收、解調(diào)符合CTCS-2標準的地面應答器信息并提供精確定位。

STM模塊也是安全模塊，其通過STM天線接收到ZPW2000系列軌道電路及4信息、8信息、18信息等傳統(tǒng)移頻軌道電路信息后，會選擇出電平最高的載頻并解調(diào)該載頻中低頻(VLF)信號，判斷信號碼，最后將碼序傳輸給安全計算機(VC)和LKJ監(jiān)控裝置。

4 ATP系統(tǒng)仿真

4.1 超速防護算法原理

首先，車載設備通過地面信息傳輸、解碼，得到前方停車點或限速點信息;其次，車載設備根據(jù)速度采集模塊的支持計算出列車至前方目標點距離，并以此為基點，依據(jù)線路數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)及列車性能參數(shù)計算出目標距離模式曲線［5]。系統(tǒng)制動原理如圖2所示。

圖2 列車制動原理

目標距離制動模式曲線采用2條:一條為常用全制動模式曲線，另一條為純空氣緊急制動模式曲線，在此基礎上實現(xiàn)超速預警及實施正常的常用制動或者緊急制動。

目標距離速度模式曲線計算的核心是制動距離的計算［6]，根據(jù)《牽引計算規(guī)程》，普速列車動態(tài)制動距離計算公式為

式中 Sl——普速列車實際制動距離;

Sk——普速列車制動空走距離;

Se——普速列車制動有效距離。

本文考慮天線安裝位置K及列車位置不確定模糊距離M

式中 K——懸垂距離(ATP安裝天線與列車前部距離)，取 3 m;

M——安全裕量，取50 m+0.5v0。

總延時時間內(nèi)，列車作勻速運動，則可以根據(jù)公式(3)計算出總延遲時間內(nèi)走行距離

式中 v0——制動初始速度;

td——列車制動總延時時間。

根據(jù)《牽引計算設計原則》，普速旅客列車制動總延時時間td按以下公式計算:

緊急制動總延時時間

常用制動總延時時間

式中 ts——ATP設備切斷牽引力的延遲時間;

tq——啟動常用/緊急制動延遲時間;

tk——列車純空氣緊急和常用(復合)制動空走時間。

有效制動距離計算公式

式中 vn-i-1、vn-i——速度間隔段的初速度和末速度;

φh——換算摩擦系數(shù);

θh——列車換算制動率;

βa——制動系數(shù)，常用制動時 βc=0.8，緊急制動時βc=1;

w0——列車運行單位基本阻力;

ij——制動地段加算坡度。

在已知制動末速度情況下由公式(6)推得制動初速度的計算公式為系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)流程

4.2 車載ATP算法實現(xiàn)步驟

由于一次制動距離的計算涉及線路、列車編組、車況等數(shù)據(jù)，需要采用迭代法分段進行速度-距離計算并累加計算結果［7]，考慮計算精度，采取步長為Δs，安全制動曲線計算步驟:

(1)確定有效制動距離S;

(3)截取從制動末速度vn(速度目標點)到制動初速度vn-1(速度較大點)的一段長度為Δs的曲線作為目標曲線，根據(jù)公式(7)算出vn-1;

(4)判斷vn-1是否超出線路限速vlim，如果vn-1＜vlim，v［n-k]=vn-1;否則，v［n-k]=vlim;

(5)根據(jù)vn，vn-1計算本段平均速度

(6)利用平均速度 vi校正參數(shù) θh，φh，βa，w0，ij;

(7)利用公式(6)計算本段有效制動距離si，j;

(8)令 k=k+1，判斷計數(shù)器 k，如果 k＜ n，則 v［n-k]=vn-i-1，設置下一小區(qū)段的制動末速 vn-i-2=vn-i-1，轉步驟3;如果k=n，則完成計算;

(9)將所有個離散點(si，j，vi)連起來。便構成制動距離曲線。

4.3 部分功能函數(shù)定義

部分功能函數(shù)定義如表1所示。

表1 函數(shù)定義

5 仿真結果

以SS8型機車為例進行仿真計算，采用18節(jié)列車編組，牽引及制動計算參數(shù)取自《軌道車運行控制設備技術規(guī)范》［2];線路數(shù)據(jù)取自蘭新第二雙線初步設計文檔［8]，人機交互界面依據(jù)《CTCS-2級列控車載設備人機界面(DMI)顯示規(guī)范》等［9-10]設計，系統(tǒng)仿真結果如圖4～圖6所示。

圖4 人機交互界面

圖5 速度-距離曲線

圖6 列車運行防護曲線

6 結語

普速列車加載ATP理論和技術方面的研究，國內(nèi)僅有1～2篇相關文獻，相關研究機構也只有2～3家，并且近年來未見進一步報道，由此可見，國內(nèi)在這方面的理論和方法研究基本處于一種空白狀態(tài)，沒有形成完整的理論和技術的支撐體系，但國外已有很多普速列車裝備ATP應用的案例，代表了技術發(fā)展的方向。根據(jù)工程進展情況，結合普速客車裝備ATP上線運行試驗結果，詳細研究適用于我國國情及部分工程的列控車載系統(tǒng)實施方案，可在繁忙路段實行客貨分線運輸［11]，最大限度提升既有線貨運能力，實現(xiàn)區(qū)域綜合交通最優(yōu)化，也利于我國鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實施［12]。

將CTCS-2級列控車載ATP設備應用于普速列車機車的應用是個新課題，本文僅以實驗室仿真的角度提出適應性改造方案有一定的局限性，同時，限于作者水平有限，文中必有疏漏之后，望更多信號及行車專業(yè)人員進一步批評指正。

［1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線修改初步設計(第三篇)/信號［Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［2]中華人民共和國鐵道部運輸局.運基信號［2009]35號 軌道車運行控制設備技術規(guī)范V1.0［S].北京:鐵道部運輸局，2009.

［3]HOW F，WRIGHT N，張在寧，等.車裝載 ERTMS(ETCS＆GSM-R)系統(tǒng)［J].鐵道通信信號，2003(11):44-45.

［4]楊劍.CRH2列控車載測速測距設備EMC實驗及防護方法［J].鐵路通信信號工程技術，2010(10):23.

［5]郭彤城，慕春棣，劉韌，等.一種實用高速鐵路ATP算法的設計與實現(xiàn)［J].清華大學學報:自然科學版，2000(7):51-54.

［6]高建強.CTCS-2級車載ATP設備應用于普速列車機車的關鍵技術研究［J].鐵道通信信號，2011(6):1-3.

［7]郭寧，郭進.列車運行控制仿真系統(tǒng)(二)ATP列車超速防護仿真研究［J].鐵道通信信號，2008(4):14-16.

［8]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線甘青LXS-6標施工圖線路詳細縱斷面圖［Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［9]中華人民共和國鐵道部運輸局.運基信號［2007]20號 CTCS-2級列控車載設備 DMI顯示規(guī)范 V1.0［S].北京:鐵道部運輸局，2009.

［10]和利時公司.ATP車載列控顯示裝置顯示、提示音及按鍵規(guī)范［Z].北京:和利時公司，2006.