基于列车测距的城市轨道交通非正常情况运输能力提升方法研究＊

沈 拓 潘亦欣 邓 奇

（1.同济大学交通运输工程学院，201804，上海；2.上海轨道交通维护保障有限公司车辆分公司，200444，上海；3.上海申通地铁集团有限公司技术中心，201103，上海∥第一作者，工程师）

在正常的行车组织方式下，列车自动控制（ATC）按照自动闭塞方式进行运行，控制列车的安全间隔和运行速度。常用的列车追踪方式以移动闭塞、准移动闭塞或固定闭塞为主。以上海轨道交通为例，在正常情况下，列车行车安全主要由信号系统通过列车自动防护系统（ATP）进行保障。上海轨道交通开通运营较早的1～5号线都采用基于轨道电路的列车控制（TBTC）系统，之后由于技术的进步，6～11号线逐步实施了基于通信的列车控制（CBTC）系统。

当信号系统出现故障时，系统将会降级采用后备模式对列车进行运行控制，例如采用点式ATP（IATP）的固定闭塞方式，此时仍然要求信号系统能够满足在此模式下正常工作。但是当遭遇更严重的灾害或设备失效时，此时ATC 系统发生故障或闭塞设备无法满足列车运行要求时，系统必须降至最低等级，依靠人工方式确保运营安全，通常采用电话闭塞法进行行车组织。此种行车组织方法因列车运行间隔较大，具有一定的安全隐患［1］。

1 电话闭塞法简介

电话闭塞法是一种依靠车站行车值班员利用电话联系、记录的方式办理闭塞、接发列车的行车组织方式。与正常情况下行车组织方式相比，可靠性与运输效率均有所下降。

常用的电话闭塞方式在空间间隔的划分上为一站一区间、两站两区间或者多站多区间等［2］。列车占用区间的凭证为路票，司机移动列车的依据为车站人员显示的发车手信号，列车在区间完全依靠司机经验与目视瞭望来进行列车控制，司机在行车过程中需要遵守一定的运行限速。这就是限速的手动驾驶运行方式，包括采用不受限制的人工模式（Unrestricted Manual，简为 URM ），限速60 km／h；采用限制人工驾驶模式 （Restricted Manual，简为RM），限速25 km／h等。在国内城市中，目前北京地铁、深圳地铁、广州地铁等采用“一站一区间”的运行间隔模式；南京地铁、沈阳地铁、西安地铁等采用“两站两区间”的运行间隔模式［3］。

此种方式是在没有机械、电气设备控制的条件下，仅凭站间行车电话联系来保证列车行车间隔。由于该种方法安全程度较低，列车发车间隔较大，运输能力较正常运营明显下降。采用电话闭塞法时列车追踪间隔通常在10 min左右［4］，而在正常运营条件下采用自动闭塞时列车追踪间隔为2 min左右，运输能力下降33%以上。因此，本文提出一种基于列车测距的追踪预警设备，是对目前城市轨道交通在非正常情况下行车组织方式（电话闭塞法）的一种改进方案。

2 追踪预警系统简介

在非正常情况下，司机作为直接操控列车运行的人员，成为了控制前后列车之间车距的最直接影响者。而如何在非正常情况下让司机知晓前后列车之间的距离就显得尤为重要，所以需要另外一套不依赖现有城市轨道交通设备的给司机提示前后列车之间距离的设备。于是，在现有技术条件下实现前后列车之间的距离测量就成为了非正常情况下辅助安全防护的关键所在。

2.1 系统工作原理

采用射频探测技术中的扩频通信测距技术完成前后列车之间的车距测量，使得后方列车的司机能够知晓与前方列车之间的距离。测距示意图如图1所示。

图1 追踪预警系统测距示意图

在列车两端司机室各装一套追踪预警系统设备。后车车头向前车车尾发送用伪随机序列对载波进行相位调制后的射频呼叫信号，前车车尾收到后车呼叫信号后，进行变频转发；后车车头设备接收到前车变频转发信号后，通过处理恢复出伪随机序列。然后经过相位调整，使本地参考的伪随机序列同步跟踪从接收到的射频信号中恢复出来的伪随机序列，从而得到两伪随机序列之间的相位差；由于所用伪随机序列的周期是已知的，由此即可通过相位差乘以伪随机序列周期获得传播延时（TDOA），再通过计算获得车距。这就是利用扩频通信测距技术实现前后列车之间车距测量的基本原理。系统相关参数如表1所示［5］。

表1 追踪预警系统相关参数

在城市轨道交通运行组织中，列车运行分为上行与下行两个方向。一般情况下列车的运行不会进行掉头的方式改变运行方向，而是采用折返的方式。系统为了区分上下行，采用了上下行列车使用不同频点的方式。系统运行的示意图如图2所示。

图2 追踪预警系统运行示意图

2.2 系统安全性与可靠性分析

故障导向安全是轨道交通信号的重要概念，即当系统、设备以及元器件故障时，可能会造成安全侧或危险侧两种后果，如果故障后导向安全侧的概率大于故障后导向危险侧的概率，就认为该系统、设备以及元器件符合故障导向安全特性。故障导向安全原则是轨道交通信号必须贯彻的基本原则。

辅助防撞系统在软硬件方面均按照上述原则进行设计与实现，包括：输入输出接口采用高电位有效的故障导向安全技术；采用多输入冗余以提高可靠性；采用光电耦合器实现光电隔离，构成动态输入输出接口，提高系统对电磁干扰的抵抗性能。系统嵌入式设备具有自诊断程序，能够进行开机自诊断、运行实时自诊断等系统自我监控与诊断功能，采用安全通信协议保障数据传输安全与可靠性，系统的MTBF（平均故障间隔时间）达到2×105h以上。

3 电话闭塞法的改进方法

在运营中增加追踪预警设备之后，后车可以测量本车车头与相邻前车尾车的距离，因此列车司机可以获知与前方相邻列车尾部的距离（驾驶室显示屏上有此数据）。与仅凭目视行车相比，此种方法获得距离的准确性得到大幅度增加。因此，基于追踪预警设备，对此时电话闭塞行车方法进行改进，以提升运能。

3.1 正常情况下列车追踪行车

电话闭塞法以站间区间作为闭塞分区，行车间隔同使用自动闭塞条件下的固定闭塞法较为类似。三显示固定闭塞方式下列车的追踪过程如图3所示［6］。

图3 三显示自动闭塞列车追踪示意图

列车间隔距离

其追踪时间

式中：

0.06——单位换算为分钟的系数；

v——列车平均速度，km／h；

l分——闭塞分区长度，m；

l列——列车长度，m。

因此，全线列车追踪间隔

式中：

t折—列车折返时间；

ti—列车在区间i的运行时间；

tstop，i—列车在i站的停站时间。

仅考虑正线运营，不考虑折返时，在安全范围内提高列车在区间运行速度可以有效减小列车追踪间隔［7］。

通常，考虑列车在目标点停车的一次制动控制曲线［8］以及列车间隔如图4所示。

图4 列车目标点停车一次制动控制曲线示意图

设前行列车与后续列车的最小间隔距离为LZ，后车的速度、加速度及空走时间分别为v2、β2、τ2，停车安全距离为Ls，则：

即，等价于：

式中：

Lτ2——后续列车在司机或者车载设备反应时间τ2内走过的距离，m；

Lβ2—后续列车的制动距离，m。

追踪时间间隔

从式（6）可以看出，后续列车的司机或者车载设备反应时间τ2、列车制动减速度β2通常为列车固有参数，随列车型号而确定。列车长度l列一般在列车运营过程中不会发生变化。停车安全距离Ls虽然随线路条件不同而变化，但是一般对于同一条线路通常为定值。因此，列车运行追踪速度对最小追踪时间有着较大影响。

根据追踪时间间隔函数，追踪时间间隔满足：

而在人工驾驶情况下，司机依靠视觉感知前车尾部距离，因此还要求追踪距离与能够感知的前后车最大车距满足如下关系：

即：

式中，Le为感知距离，其余参数同上。易知：

追踪间隔

随着感知距离Le的增大，追踪间隔t随之减小。

3.2 基于追踪预警设备的电话闭塞法

根据实际情况，取参数：β2＝0.8 m／s2，τ2＝1.2 s，Ls＝30 m。上海轨道交通在采用电话闭塞时候，采用目视距离Le＝300 m 时，得到列车运行允许最大速度为v2＝11.320 m／s≈40 km／h。

采用追踪预警设备，司机可以通过设备显示屏获得本车与前车尾部距离，等价于上式中增加了司机行车的感知距离Le。以设备测量距离600 m 计算，司机需要采取制动的距离为Le＝600 m，得到列车运行允许最大速度为v2＝16.666 m／s≈60 km／h。

3.3 算例验证

算例采用上海轨道交通7号线实际数据进行。该线从宝山区美兰湖站至浦东新区花木路站，线路全长约44.35 km，共有33 座车站。线路坡度－28‰～29‰，变化范围大；最小曲线半径350 m。该线目前采用6节A 型车编组。

算例采用“一站一区间”行车组织方法。改进前，电话闭塞行车组织方法按照RM 模式行车速度，根据《上海地铁电话闭塞法（1.0版）》［9］规定目视行车运行限速为40 km／h。列车停站时间由①列车到站，汇报列车位置（1 min）；②列车开门上下客：（2 min）；③列车关门，请求发车许可：2（min）；④列车发车：（1 min）共4个部分组成，最小理论停站时间＝6 min。考虑在非正常情况下的突发情况，部分时间可能会有所延迟，故在计算过程中设定列车停站时间为8 min。

改进后电话闭塞法根据计算改进后采用限速为60 km／h运行，其余线路条件、列车参数、停站时间等参数与改进前电话闭塞法相同。改进前后电话闭塞法牵引计算结果如表2所示。图5是该线部分区段的仿真结果。

图5 列车速度－距离曲线图

从表2易知，全线最长区间运行时分在潘广路站至罗南新村站之间，全线追踪间隔瓶颈也是在此区间内。当采用追踪预警设备，提高了使用电话闭塞法组织行车的车速，可以减少追踪间隔108 s，运能提升13.33%。

4 结语

电话闭塞法依靠运营人员人工监督系统运转，运输系统能力与可靠性大幅度下降。本文在列车ATP切除状态下使用追踪预警设备提升列车能够感知前车的距离，从而提升列车在区间运行速度，在一定的 安全条件与可靠性下，提升了系统的运输效率。

表2 上海轨道交通7号线改进前后电话闭塞法牵引计算结果

［1］地铁10号线“9·27”事故调查组·地铁10号线“9·27”事故调查报告［R］.上海：上海申通地铁集团有限公司，2011.

［2］李宇辉.电话闭塞法在地铁行车组织中的应用［J］.现代城市轨道交通，2010（2）：20.

［3］周孟祥.基于电话闭塞法的城市轨道交通行车组织［J］.科技与生活，2011（5）：185.

［4］王海荣，郭勇，潘浩华，等.广州地铁嘉禾联锁区微机联锁故障下行车组织［J］.科技与企业，2013（12）：335.

［5］袁志鹏.基于复合序列的城轨列车射频测距与防撞研究［D］.上海：同济大学，2014.

［6］傅士善.闭塞与列控概论［M］.北京：中国铁道出版社，2006.

［7］金娟，杨梅，王长林，等.基于移动闭塞原理的地铁列车线路通过能力的研究［J］.铁路计算机应用，2008，17（6）：7.

［8］曾小清，王长林，张树京.基于通信的轨道交通运行控制［M］.上海：同济大学出版社，2007.

［9］汪波，韩宝明，成明辉，等.城市轨道交通运输能力计算及加强研究［J］.城市轨道交通研究，2013（4）：38.