李德宏 柴 娟)

(1. 卡斯柯信號有限公司， 200072， 上海； 2. 上海地鐵維護保障有限公司， 200235， 上?！蔚谝蛔髡撸?工程師)

自動化的車輛段/停車場(以下簡稱“場段”)是城市軌道交通FAO(全自動運行)項目的標準配置。但是由于場段的建設(shè)用地一般比較緊張，庫線的設(shè)計長度受到的制約因素較多。FAO模式下列車若要實現(xiàn)自動入庫并精確停車的功能，必須配置一定長度的安全防護距離，以滿足列車精確停車的相關(guān)要求。但是，按照常規(guī)的ATP(列車自動防護)模型計算得到的安全防護距離較大，對于場段庫線的設(shè)計而言，并不是最優(yōu)方案。由于場段和正線的功能與作用有所不同，設(shè)置場段的目的主要是為了存車，場段內(nèi)沒有不涉及載客運營的業(yè)務(wù)，因此，可對庫線采用不同于正線的特殊設(shè)計方案，以達到既能讓FAO列車精確停車入庫又盡可能減少庫線長度的目的。尤其對于既有線路的場段改造項目，因既有庫線一般不具備改造的條件，本文給出的庫線設(shè)計方法可進行任何長度庫線的列車自動防護設(shè)計，可在場段設(shè)計條件緊張的情況下完成庫線設(shè)計任務(wù)，將場段改造為自動化場段。

1 傳統(tǒng)的庫線長度設(shè)計方案

列車以FAO模式停車時，根據(jù)IEEE Std 1474.1:2004《CBTC的性能和功能要求》定義的安全制動模型，列車需要的安全防護距離約為15 m(不同的信號系統(tǒng)下該距離略有差異)。在工程實施過程中，該安全防護距離還會在此基礎(chǔ)上留有一定的余量。如圖1所示，以雙列位停車庫線為例，兩列車的間距d1應(yīng)該保持在20 m以上才能滿足需求；列車車端至車擋的距離d4應(yīng)該大于20 m。一般取列車車端至出發(fā)信號機的距離d3=5 m。由此可認為：以ATO(列車自動運行)模式駕駛列車進入場段時，若要列車能夠正確停入庫線，對于雙列位停車庫線而言，令d2為列車長度,則設(shè)計長度L雙的計算式為：

L雙>2d2+45 m

(1)

圖1 雙列位停車庫線長度設(shè)計

如圖2所示，可推導(dǎo)出單列位停車庫線的設(shè)計長度L單的計算式為：

L單>d2+25 m

(2)

圖2 單列位停車庫線長度設(shè)計

但是，因場段建設(shè)用地的限制，實際庫線長度難以滿足上述設(shè)計方案要求的情況并不少見。針對場段庫線長度不足情況下的列車自動入庫問題，本文給出了一種能量監(jiān)控禁止模型安全算法，并建立了列車入庫計算模型。

2 能量監(jiān)控禁止模型安全算法

2.1 建立列車自動入庫的理論計算模型

能量監(jiān)控禁止模型安全算法是指通過縮短列車的安全防護距離并控制列車入庫時的運行速度，使得列車在入庫過程中在允許的撞擊速度下運行，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化列車前方的安全限制點，進而解決列車自動入庫精確停車問題。為了確保安全，采用該算法時，列車緊急制動下的觸發(fā)速度(即車載信號系統(tǒng)實際計算的瞬時真實速度)由正常ATP防護下的線路限速轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)預(yù)設(shè)的低限速。

在計算列車緊急制動觸發(fā)速度vEB時，還需考慮線路參數(shù)對vEB的影響。對vEB影響較大的參數(shù)主要有線路高程差εh(一般取常量0.006 m)和車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)R。因此，在考慮這2個影響因素后可得：

(3)

vEB=(vLIMIT_E-vD-Δv1)vR

(4)

式中：

vLIMIT——車擋或車鉤允許的最大撞擊速度；

vLIMIT_E——因線路高程差造成vLIMIT的速度變化值；

g——重力加速度；

vD——列車實施牽引切除及建立緊急制動過程中的速度增量；

Δv1——ATP車載軟件1個計算周期T內(nèi)速度的增加值；

vR——ATP速度和ATO速度校準后的速率比，一般取0.97。

式(4)中，vD需要考慮在列車牽引切除時間內(nèi)列車以最大加速度運行時所造成的速度增量，以及由于坡度影響所造成的速度增量。設(shè)t1為列車牽引切除時間，a1為列車最大牽引加速度，則根據(jù)運動學(xué)公式可知，列車牽引切除時間內(nèi)的速度增量為t1a1。此外，在這個過程中，線路坡度的變化也會對速度變化產(chǎn)生影響，這主要是g在平行于線路坡度上的分量導(dǎo)致的。設(shè)t2為列車制動的建立時間，a2為列車在線路最大坡度上的加速度，則根據(jù)運動學(xué)公式可知，在列車制動建立前，列車的速度增量為a2(t1+t2)。因此，vD的計算式為：

vD=t1a1+a2(t1+t2)

(5)

Δv1為列車實際運行時因牽引產(chǎn)生的速度增量。Δv1也需考慮牽引和坡度的影響，其計算式為：

Δv1=0.5T(a1+a2)

(6)

將式(5)、式(6)代入式(4)，可以得到vEB的計算式為：

(7)

式(7)的函數(shù)模型即為危險點(如車擋)所能承受的最大撞擊速度vLIMIT與列車允許運行的最高緊急制動觸發(fā)速度vEB之間的關(guān)系。

2.2 基于理論方法對實際項目進行參數(shù)計算

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)對ATP的安全防護計算已有標準的定義，本文不再贅述，僅以此作為庫線設(shè)計長度對比的依據(jù)。表1為本文假設(shè)給定的典型車輛參數(shù)?；诒?的參數(shù)對實際項目中的vEB進行計算，計算時選擇場段內(nèi)庫線作為列車的停車區(qū)域，線路坡度按平坡(坡度值為0)考慮。

表1 ATP安全防護計算所需的車輛參數(shù)取值

基于表1的參數(shù)取值，式(7)中各變量的取值為：R=1.04，g=9.8 m/s2，εh=0.006 m，t1=1.52 s，t2=1.00 s，a1=1.35 m/s2，a2=0 m/s2，T=0.20 s，vR=0.97,式(7)可演變?yōu)椋?/p>

(8)

若vLIMIT=15 km/h，則vEB=6.82 km/h。按照此計算結(jié)果，對于雙列位停車庫線而言，只要將圖1中兩列車所停區(qū)段設(shè)置為能量監(jiān)控禁止區(qū)域，并設(shè)置vEB<6.85 km/h，則不論d1和d4的長度如何，列車都可以實現(xiàn)自動入庫并精確停車。

3 結(jié)語

本文給出了FAO項目自動化場段內(nèi)庫線長度設(shè)計的理論算法。該算法可以在場段土建條件緊張導(dǎo)致庫線長度不足的情況下，實現(xiàn)列車自動入庫并精確停車。更重要的是，在進行FAO項目自動化場段設(shè)計時，參考本文給出的算法進行庫線配線設(shè)計，可有效地節(jié)省土建成本。