CBTC系統中保護區段的計算與優化

孟 軍，尹遜政，李 亮

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

計算機與通信信號

CBTC系統中保護區段的計算與優化

孟 軍，尹遜政，李 亮

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所， 北京 100081）

本文描述了CBTC系統中保護區段的作用和設置原則，并結合ATP/ATO速度控制曲線推導了保護區段的長度計算模型。最后，結合工程實施中的實際情況提出了2個優化保護區段設置的解決方案。

CBTC；保護區段；ATO制動曲線；站臺保護距離優化

隨著自動化控制技術和通信技術的發展，基于通信的列車控制系統（CBTC系統）已經成為城市軌道交通信號系統的主流技術制式。目前已經開通或即將開通的使用 CBTC 系統的線路已達 70余條。CBTC 系統的大量應用，提高了列車控制的自動化水平，降低了列車的運行間隔，是列車控制技術的一次重大進步。

傳統的基于軌道電路的信號系統，受限于列車位置分辨率，保護區段的劃分只能以軌道電路為單位。在 CBTC 系統中，保護區段的設置建立在列車精確定位的基礎上，可根據列車的運行曲線和線路條件進行精確的計算。

1 保護區段的設置原則

在CBTC中，保護區段的設置是為了實現以下功能。

1.1 列車過沖保護

在CBTC的后備模式下，司機以信號機顯示為行車憑證。為了防止列車無法在信號機前正常停車而沖過信號機，需要設置保護區段。

區間信號機一般都會設置保護區段，保護區段的起點在信號機處，終點在信號機后一定距離內。該距離綜合考慮了信號機的顯示距離、司機的反應時間和列車制動率等因素。區間信號機的保護區段設置一般不涉及土建設計，對其長度無嚴格要求，在滿足列車追蹤間隔情況下，可根據線路設備布置情況適當延長。

1.2 列車高速接近信號機

為了提高后備模式的運行效率，CBTC系統會根據站間閉塞原則設置出站信號機。在進站過程中，需要在保證不觸發ATP保護速度曲線的前提下，按照制動速度曲線平穩地控制列車運行，并準確停站。為了保證 ATO 或司機控制列車能夠不受 ATP 保護速度影響正常進站停車，需要將安全停車點放置于站臺停車點后方一定距離處，而這個距離就是保證列車高速接近信號機的保護區段。

出站信號機和折返軌信號機都需要設置保護區段，保護區段的起點在信號機處，終點為列車移動授權中的安全停車點。保護區段的長度由ATP的保護速度曲線模型、ATO的列車控制曲線計算模型、站臺限速等條件決定。

過短的保護距離會導致ATO系統在控車過程中觸發 ATP保護速度引起緊急制動。過長的保護距離則會影響站后岔區和盡頭線的設計，會降低運營效率并增加土建成本。在工程實施中，該保護區段的長度是 CBTC系統的一個重要的性能指標。本文將就如何計算最優的保護距離進行討論，并針對站場設計中無法滿足該距離的情況提出合理的解決方案。

2 保護區段的計算原理

保護區段的設置實際上就是通過把安全停車點和正常制動停車點拉開合理的距離來保證ATO制動速度曲線始終處于ATP保護速度曲線下方，并間隔一定的速度緩沖區（設為 ΔV）。因此，計算站臺保護距離首先要得到ATP保護速度曲線和 ATO制動速度曲線模型，之后針對兩條曲線模型進行分析，推導出最小保護距離計算的方法。

2.1 速度曲線計算模型

ATP系統根據安全制動模型，在最不利條件下（考慮ATP系統在施加緊急制動時，列車在切除牽引前以當時最大加速度行駛產生的速度增量，以及有效制動施加前在最大下坡上行駛產生的速度增量）計算保護速度曲線，如式（1）：

其中：

ATO系統根據能量守恒原理使用恒定減速度計算制動速度曲線，如式（2）：

式（1）、式（2）中的變量如表 1 所示。

2.2 站臺保護距離計算模型

由速度模型可以得到 ATP保護速度曲線和 ATO站臺制動速度曲線，當安全停車點和站臺停車點重合時，會導致 ATO 制動速度曲線全部或部分處于 ATP保護速度曲線上方，如圖 1 所示。圖中 ATO 觸發制動曲線是通過將 ATP的保護速度降低ΔV（速度緩沖區）之后得到的，該曲線將作為ATO制動速度曲線的上限。

表1 速度曲線模型變量說明

圖1 站臺保護距離計算

在不同速度下，可以得到ATO制動速度曲線和 ATO 觸發制動曲線間的一組距離差，即圖 1 中的ΔS1，ΔS2…ΔSn,設其中最大的一個為 ΔSx。如果將 ATO 制動速度曲線向左平移 ΔSx，可以使 ATO制動速度曲線處于ATO觸發制動曲線下方，移動的距離 ΔSx即為保護區段的長度。

因此，計算最小站臺保護距離長度的問題就轉換為：計算相同速度下 ATO 制動速度曲線與 ATO觸發制動曲線間最大距離差的問題。

2.3 站臺保護距離的計算

根據速度曲線模型，考慮最不利情況下（車在下坡上）高度差 hATP和 hATO可表示坡度 α 和距離 S的關系，當 VATP_S=VATO_S+ΔV 時，由式（1）、式（2）可得到 SATP和 SATO的差，如式（3）：

化簡后可以得到式（4）：

求式（4）的極值，令 y=SATP–SATO，x=C+DSATP即得到式（5）：

求式（5）的極值點即得到式（6）：

帶入 SATP即可得到式（7）：

對式（5）求二次導，即得到式（8）：

將各參數帶入式（8），即可得到該值小于 0，因此滿足式（7）的極值點為極大值。

將式（8）帶入式（4）即可得到 SATP和 SATO差的極大值，若該值為正數，即為ATO保護區段的長度。

如圖 2 所示，根據計算結果將 ATO 制動速度曲線向左移動最小保護區段的長度后，ATO制動速度曲線不再受ATP保護速度曲線的影響。

3 工程應用中的保護區段優化策略

在實際站場設計中，某些車站受制于站后道岔位置、盡頭線長度、土建情況等因素，實際可用的站臺保護距離無法滿足理論計算結果的要求，因此需要根據計算模型分析出影響站臺保護距離長度的因素，針對實際需求提出合理的解決方案。

圖2 站臺保護距離計算

通過對計算模型和數據的分析，可以得到保護距離的長度主要受到 ATP 與 ATO 兩條曲線的貼合程度影響，由圖 1 可知，ATP 保護速度曲線不變的情況下 ATO 制動速度曲線越平緩，ΔSx越短，即最小站臺保護距離越短。由圖 2 可知，若將計算范圍限定在一定的速度下時，站臺保護距離還可以進一步減小。

因此有以下兩種解決方案可以用來降低站臺保護距離長度的要求：

（1）減小某些車站的進站制動率；（2）降低某些車站的站臺限速。

3.1 減小進站制動率

ATP保護速度曲線模型的相關參數是基于最不利情況下導向安全而設定的，是不可改變的。而ATO 制動速度曲線模型中的制動率 abrake主要考慮車輛參數、控制精度、運營效率以及乘坐舒適性，該參數根據系統設計在一定范圍內是可變的。減小ATO停車制動率能夠使圖 1 中的兩條曲線更加貼合，這樣做雖然會在一定程度上降低系統的運營效率，但是可以顯著地降低保護區段長度的要求。如圖 3 所示，ATO 系統采用 -0.8 m/s2制動率時要求保護距離為 S1，使用 -0.7 m/s2制動率時要求保護距離為 S2，S2 較 S1 有明顯的縮短。

3.2 降低站臺保護速度

由圖2的數據可以看到ATO制動速度曲線與ATO 觸發制動曲線在大約 90 km/h 處相交，隨著速度降低，兩條曲線相距越遠，因此當限速值小于交叉點速度值時可以縮短站臺保護距離，限速越低要求的保護距離越小。如圖 4 所示，站臺限速為 65 km/h時要求保護距離為 S1，站臺限速為 50 km/h 時要求保護距離為 S2，S2 較 S1 有所縮短。

圖3 不同制動率的保護距離

圖4 不同站臺限速的保護距離

3.3 方案對比

如表 2 所示，兩種方案都是通過降低運營效率來減小對站臺保護距離的要求，但是降低站臺制動率的方案效果更加明顯（運營效率降低較小，最小保護距離減少較多），并且降低進站制動率更加有利于控車的準確性和列車運行的舒適性。因此在實際工程應用中可以優先考慮降低某些站臺制動率的方案，并根據實際情況進行調整。

4 結束語

本文針對CBTC系統下保護區段的設置原則進行了論述，并重點對站臺區域的保護距離計算原理、計算方法進行了詳細計算，最終得出站臺保護距離的計算模型。通過對保護距離計算結論的分析，針對實際站場設計中無法滿足理論保護距離的問題提出了合理的解決方案。

表2 方案比較

本模型的提出，為保護區段長度、線路限速設計和列車運行曲線選擇等相互影響的因素提供了量化評估方法。在工程實施中，可使用本模型對站臺區域的保護區段長度進行評估和優化，有利于在保證運營質量的前提下合理地規劃線路設計、降低土建成本。

[1] Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society. IEEE 1474.1TM-2004 IEEE Standard for Communication-based Train Control(CBTC) Performance and Functional Requirements[S].the United States of America: the Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2005 (2): 32-34.

責任編輯 方 圓

Computing and optimization of protection section in CBTC System

MENG Jun, YIN Xunzheng, LI Liang
( Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The paper described the function and principle of settings for protection section in CBTC System. Combined with ATP/ATO speed control curve, it was inferred the length calculation model. Considering the actual situation in engineering construction, two solutions were proposed for optimizing the settings of protection section.

CBTC; protection section; ATO brake curve; optimization of platform protection distance

U284.482∶TP39

：A

1005-8451（2015）03-0050-04

2014-08-20

孟 軍，助理研究員；尹遜政，助理研究員。