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城市軌道交通列車打滑對CBTC信號系統(tǒng)的影響分析論文
近年來，基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)已成為城市軌道交通的主流信號系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的固定閉塞或準(zhǔn)移動閉塞信號系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)采用主動定位技術(shù)以更精確地定位列車，并借助實時雙向的車地?zé)o線通信技術(shù)實現(xiàn)后方列車始終以前方列車的車尾為目標(biāo)點進(jìn)行追蹤，從而大大縮短了列車間的追蹤間隔，提高了城市軌道交通的效率。然而，城市軌道交通中列車在運(yùn)行中存在打滑現(xiàn)象，當(dāng)列車出現(xiàn)打滑時，會由于降低了列車制動率而對列車的安全控制產(chǎn)生相應(yīng)的影響，也會影響到列車的主動定位。本文將從這兩個方面闡述列車打滑對CBTC系統(tǒng)的影響。
1列車打滑及防滑
設(shè)列車運(yùn)行速度為vF，列車車輪輪周的速度為vR，則列車的蠕滑率δ為：δ=vR-v當(dāng)δ超過一定值時，可認(rèn)為列車已出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)或打滑。列車發(fā)生打滑，意味著列車的實際走行速度大于輪周的運(yùn)動速度。列車打滑通常出現(xiàn)在列車制動階段，會導(dǎo)致列車在制動時的運(yùn)行距離遠(yuǎn)大于設(shè)計值。由于列車打滑對列車車輪及鋼軌的損傷很大，還會影響到列車制動效率，為保證最佳的運(yùn)行效率，列車均會配置防滑系統(tǒng)以降低列車打滑的影響，最大限度地利用輪軌間的粘著力。當(dāng)列車由于軌道狀態(tài)異�；蛲饨绛h(huán)境因素等影響在制動時發(fā)生滑行，此時列車的防滑系統(tǒng)啟動，修正車輪的打滑狀態(tài)。防滑系統(tǒng)的基本工作原理是：出現(xiàn)滑行的瞬間，車輪的減速度超出列車本身的減速度，發(fā)生“抱死”現(xiàn)象，防滑系統(tǒng)通過相應(yīng)的傳感器檢測到此現(xiàn)象后，防滑制動裝置立即做出相應(yīng)反應(yīng)，降低車輪制動力，緩解滑行;滑行現(xiàn)象緩解后，再重新恢復(fù)車輪的制動力。
2列車打滑對信號系統(tǒng)測速定位的影響
CBTC信號系統(tǒng)使用移動閉塞原理防護(hù)列車，需要及時獲得列車當(dāng)前位置，以確保列車在防護(hù)的列車安全包絡(luò)之內(nèi);同時，根據(jù)列車的運(yùn)行實時更新其安全包絡(luò)，保證列車在發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑時仍處于其列車安全包絡(luò)內(nèi)。
2.1信號系統(tǒng)的測速方式
目前，信號系統(tǒng)測速通常采用測速電機(jī)加輔助設(shè)備如雷達(dá)、加速度計等方式。普通測速電機(jī)的故障模式不確定，對故障無法實時檢測。例如：當(dāng)傳感器腔內(nèi)有油或灰塵堵住光柵槽時，會出現(xiàn)掉速的情況，即測量的速度比列車的實際值偏低;當(dāng)傳感器插頭受外力沖擊接觸不良時，顯示速度會出現(xiàn)忽高忽低的情況。由于僅依靠普通測速電機(jī)無法獲取列車的真實速度，而列車的速度測量又直接影響到信號系統(tǒng)對列車速度和距離的計算及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的安全防護(hù)，因此，普通測速電機(jī)達(dá)不到信號系統(tǒng)所要求的SIL4安全等級，為滿足安全的要求，在測速時需要采用測速裝置異構(gòu)的方式，如安裝2個速度傳感器甚至增加額外的輔助測速設(shè)備(加速度計或雷達(dá)等)，并通過相互檢查和比較來保證測速的安全。測速電機(jī)輔以加速度計和測速電機(jī)輔以雷達(dá)的測速系統(tǒng)的測速原理是：對測速電機(jī)獲取的數(shù)據(jù)和加速度計/雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行比較，當(dāng)兩種方式測得的速度數(shù)據(jù)的差值超過允許的差異范圍時，系統(tǒng)自行判斷列車處于打滑狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。該測速系統(tǒng)在實際使用中存在以下問題：
(1)測速電機(jī)通常采用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件，不是安全設(shè)備，精度不高，且有故障率高、安裝困難、MTBF(平均無故障時間)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等缺點，一列列車上需安裝3～4個加速度計，與測速電機(jī)組合使用，提高可靠性。在使用加速度計測速時，還需通過額外補(bǔ)償計算確保列車實際速度在所測速度范圍內(nèi)。(2)雷達(dá)不是安全設(shè)備，受天氣和軌道環(huán)境的影響較大，其采用的多普勒效應(yīng)也導(dǎo)致了雷達(dá)在列車低速時的精度不高，所以使用雷達(dá)測速時，也需要通過額外補(bǔ)償計算確保列車實際速度在所測速度范圍之內(nèi)。(3)加速度計和雷達(dá)均屬于傳感器類設(shè)備，其可靠性會隨使用時間而下降，進(jìn)而降低整個系統(tǒng)的安全性。通過多種測速裝置實現(xiàn)安全獲取列車速度信息的方式，需要安裝更多的測速裝置并通過異構(gòu)方式來達(dá)到安全等級。更多的測速裝置意味著更多的運(yùn)營和維護(hù)成本，而測速裝置的異構(gòu)則對測速裝置的可靠性提出了很高的要求，也加大了生產(chǎn)、安裝和維護(hù)的難度。為避免這一問題，部分信號系統(tǒng)提供了另外一種測速解決方案：通過一個編碼里程計完成安全測速的功能。圖2所示為編碼里程計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其齒盤分為外圈和內(nèi)圈，齒盤外圈是100個排列規(guī)則的齒，內(nèi)圈是以偽隨機(jī)函數(shù)排列的齒，在外圈和內(nèi)圈的齒處可安裝數(shù)個傳感器。
編碼里程計內(nèi)部有4個傳感器，其中3個位于齒盤的外圈，兩兩相隔120°，用于檢測車輪的轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向;第4個傳感器位于內(nèi)圈，采用安全的偽隨機(jī)函數(shù)編碼，對另外3個傳感器產(chǎn)生的脈沖序列進(jìn)行編碼校驗，任意一個齒的漏讀和錯讀，都能通過編碼校驗查出，并立即中斷速度輸出。該測速方案能避免一般速度傳感器可能出現(xiàn)的速度忽高忽低的情況，并通過這種編碼技術(shù)及時檢測出某一傳感器可能的檢測錯誤，使單個設(shè)備即能達(dá)到SIL4的安全等級，確保測得的有效速度與列車實際的速度是一致的;對編碼里程計的故障，又能實時檢測發(fā)現(xiàn)并按故障安全原則進(jìn)行處理，滿足信號系統(tǒng)的要求。
2.2列車打滑時信號系統(tǒng)的處理方式
由信號系統(tǒng)的測速方式可知，信號系統(tǒng)是基于車輪的轉(zhuǎn)動來確定列車速度的。然而，當(dāng)列車發(fā)生打滑時，基于車輪轉(zhuǎn)動測得的運(yùn)運(yùn)速度小于列車的實際運(yùn)動速度，如果直接采用該值進(jìn)行列車安全防護(hù)，會導(dǎo)致實際列車不能被信號系統(tǒng)的室外車安全包絡(luò)所防護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故。為防止這種情況的發(fā)生，信號系統(tǒng)采取了相關(guān)措施：當(dāng)加速度計/雷達(dá)測得的速度與測速電機(jī)測得速度間的差值超過允許范圍，或編碼里程計檢測到的車輪減速度異常時，即判斷列車進(jìn)入打滑或嚴(yán)重打滑狀態(tài)，并按故障-安全原則對列車速度和位置進(jìn)行補(bǔ)償計算。即對測得的列車速度和距離進(jìn)行過估。其原理如圖3所示。由于是按故障-安全方式進(jìn)行過估，信號系統(tǒng)根據(jù)過估值進(jìn)行安全防護(hù)時，可能會出現(xiàn)對正常情況下無需保護(hù)的場景進(jìn)行保護(hù)的情況，從而影響運(yùn)營效率。
2.3小結(jié)
分析比較測速電機(jī)輔以加速度計/雷達(dá)測速與編碼里程計測速的原理及其在列車發(fā)生打滑時的處理方式可知，單個編碼里程計即能實現(xiàn)速度傳感器加加速度計/雷達(dá)的測速功能，并在檢測到列車發(fā)生打滑時，對列車的速度和位置進(jìn)行補(bǔ)償，確保列車位置在閉塞分區(qū)之內(nèi)。其使用的編碼技術(shù)，不會隨著設(shè)備的可靠性下降而降低安全性，也減少了設(shè)備在列車上的安裝空間，從而有效減少系統(tǒng)的故障點。
3列車打滑對運(yùn)行安全的影響
CBTC信號系統(tǒng)在進(jìn)行列車運(yùn)行安全防護(hù)時采用的制動模型如圖4所示。在該模型中，GEBR(緊急保障制動率)是重要的設(shè)計輸入?yún)?shù)之一，用于計算列車運(yùn)行的緊急制動曲線，以保證列車的安全距離和控制列車間的安全間隔。GEBR在IEEE1474中的定義為：GEBR是列車在預(yù)計可能出現(xiàn)的環(huán)境條件范圍下和最差的制動設(shè)備故障模式下，在軌道水平切線方向上能夠?qū)崿F(xiàn)的最小緊急制動率。GEBR的取值應(yīng)由權(quán)威機(jī)構(gòu)定義，并應(yīng)考慮最大乘客載重(加上冰雪條件(如有))、最小期望黏著和最大設(shè)計風(fēng)力。觸發(fā)緊急制動后，以GEBR的減速度制動，直到停車。如果實際運(yùn)營時出現(xiàn)緊急制動率比GEBR設(shè)計值小，即緊急制動率不足，意味著列車將偏離安全制動模型，列車從制動至停下的運(yùn)行距離超出系統(tǒng)設(shè)計的安全保證距離，這將產(chǎn)生安全問題。如緊急制動率不能滿足GEBR設(shè)計值的要求，則后車與前車的安全間隔不能得到保障，將會發(fā)生追尾安全事故。列車發(fā)生打滑時，列車的緊急制動率會下降，當(dāng)其低于GEBR時，會對城市軌道交通的所有列車而不僅僅是CBTC列車運(yùn)行產(chǎn)生安全影響。一般來說，緊急制動率降低，多數(shù)來自于輪軌間的低黏著。當(dāng)黏著系數(shù)下降時，列車的防滑系統(tǒng)(即黏著控制系統(tǒng))應(yīng)發(fā)揮作用，通過一定的措施進(jìn)行控制和改善，保持最佳的黏著利用，使列車的緊急制動率達(dá)到GEBR的值。如果列車的防滑系統(tǒng)失效或沒有及時修正打滑狀態(tài)，信號系統(tǒng)應(yīng)輸出緊急制動使列車停車。因為此時列車長期處于滑行狀態(tài)，緊急制動率很可能已經(jīng)無法達(dá)到GEBR的值。因此，應(yīng)在設(shè)計階段，由熟悉當(dāng)?shù)丨h(huán)境、天氣、軌道等條件的機(jī)構(gòu)(如線路總體設(shè)計)和熟悉列車制動性能的機(jī)構(gòu)(如車輛供貨商)定義一個適用于該線路運(yùn)營的GEBR，作為信號系統(tǒng)安全制動模型的輸入?yún)?shù)。如果出現(xiàn)環(huán)境、天氣、軌道條件惡劣(如油污、落葉、臺風(fēng)、雨雪天氣)，或出現(xiàn)列車制動系統(tǒng)故障(如多個轉(zhuǎn)向架制動故障切除)，導(dǎo)致緊急制動率低于GEBR設(shè)計值所能適用的條件時，則需采取一定的運(yùn)營措施，人為增加列車的安全間隔，嚴(yán)重時，則需要故障列車退出服務(wù)，甚至全線停止運(yùn)營。
4結(jié)語
列車發(fā)生打滑時，列車的防滑系統(tǒng)應(yīng)及時有效地修正打滑狀態(tài)，使列車的緊急制動率不低于GEBR的值，信號系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上確保列車運(yùn)行的安全間隔。在列車打滑期間，無論信號系統(tǒng)采用的是何種測速系統(tǒng)，都需通過一定的補(bǔ)償計算確保列車實際速度在所測速度范圍之內(nèi)，確保列車位置處于安全的閉塞分區(qū)內(nèi)。列車打滑帶來的真正問題，在于緊急制動率的降低導(dǎo)致列車所需的緊急制動距離的增加，若其超出了系統(tǒng)設(shè)計的安全距離，就會導(dǎo)致脫軌、撞車等嚴(yán)重安全事故的發(fā)生。為解決列車打滑對信號系統(tǒng)帶來的影響，避免安全事故的發(fā)生，應(yīng)在設(shè)計之初由相關(guān)單位考慮各種運(yùn)營最低適用環(huán)境下的黏著情況及其對應(yīng)的GEBR，以確保安全。
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