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城市軌道交通列車(chē)打滑對CBTC信號系統的影響分析論文
近年來(lái)，基于通信的列車(chē)控制(CBTC)系統已成為城市軌道交通的主流信號系統。相比于傳統的固定閉塞或準移動(dòng)閉塞信號系統，CBTC系統采用主動(dòng)定位技術(shù)以更精確地定位列車(chē)，并借助實(shí)時(shí)雙向的車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現后方列車(chē)始終以前方列車(chē)的車(chē)尾為目標點(diǎn)進(jìn)行追蹤，從而大大縮短了列車(chē)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(chē)在運行中存在打滑現象，當列車(chē)出現打滑時(shí)，會(huì )由于降低了列車(chē)制動(dòng)率而對列車(chē)的安全控制產(chǎn)生相應的影響，也會(huì )影響到列車(chē)的主動(dòng)定位。本文將從這兩個(gè)方面闡述列車(chē)打滑對CBTC系統的影響。
1列車(chē)打滑及防滑
設列車(chē)運行速度為vF，列車(chē)車(chē)輪輪周的速度為vR，則列車(chē)的蠕滑率δ為：δ=vR-v當δ超過(guò)一定值時(shí)，可認為列車(chē)已出現了空轉或打滑。列車(chē)發(fā)生打滑，意味著(zhù)列車(chē)的實(shí)際走行速度大于輪周的運動(dòng)速度。列車(chē)打滑通常出現在列車(chē)制動(dòng)階段，會(huì )導致列車(chē)在制動(dòng)時(shí)的運行距離遠大于設計值。由于列車(chē)打滑對列車(chē)車(chē)輪及鋼軌的損傷很大，還會(huì )影響到列車(chē)制動(dòng)效率，為保證最佳的運行效率，列車(chē)均會(huì )配置防滑系統以降低列車(chē)打滑的影響，最大限度地利用輪軌間的粘著(zhù)力。當列車(chē)由于軌道狀態(tài)異�；蛲饨绛h(huán)境因素等影響在制動(dòng)時(shí)發(fā)生滑行，此時(shí)列車(chē)的防滑系統啟動(dòng)，修正車(chē)輪的打滑狀態(tài)。防滑系統的基本工作原理是：出現滑行的瞬間，車(chē)輪的減速度超出列車(chē)本身的減速度，發(fā)生“抱死”現象，防滑系統通過(guò)相應的傳感器檢測到此現象后，防滑制動(dòng)裝置立即做出相應反應，降低車(chē)輪制動(dòng)力，緩解滑行;滑行現象緩解后，再重新恢復車(chē)輪的制動(dòng)力。
2列車(chē)打滑對信號系統測速定位的影響
CBTC信號系統使用移動(dòng)閉塞原理防護列車(chē)，需要及時(shí)獲得列車(chē)當前位置，以確保列車(chē)在防護的列車(chē)安全包絡(luò )之內;同時(shí)，根據列車(chē)的運行實(shí)時(shí)更新其安全包絡(luò )，保證列車(chē)在發(fā)生空轉或打滑時(shí)仍處于其列車(chē)安全包絡(luò )內。
2.1信號系統的測速方式
目前，信號系統測速通常采用測速電機加輔助設備如雷達、加速度計等方式。普通測速電機的故障模式不確定，對故障無(wú)法實(shí)時(shí)檢測。例如：當傳感器腔內有油或灰塵堵住光柵槽時(shí)，會(huì )出現掉速的情況，即測量的速度比列車(chē)的實(shí)際值偏低;當傳感器插頭受外力沖擊接觸不良時(shí)，顯示速度會(huì )出現忽高忽低的情況。由于僅依靠普通測速電機無(wú)法獲取列車(chē)的真實(shí)速度，而列車(chē)的速度測量又直接影響到信號系統對列車(chē)速度和距離的計算及在此基礎上進(jìn)行的安全防護，因此，普通測速電機達不到信號系統所要求的SIL4安全等級，為滿(mǎn)足安全的要求，在測速時(shí)需要采用測速裝置異構的方式，如安裝2個(gè)速度傳感器甚至增加額外的輔助測速設備(加速度計或雷達等)，并通過(guò)相互檢查和比較來(lái)保證測速的安全。測速電機輔以加速度計和測速電機輔以雷達的測速系統的測速原理是：對測速電機獲取的數據和加速度計/雷達獲取的數據不斷進(jìn)行比較，當兩種方式測得的速度數據的差值超過(guò)允許的差異范圍時(shí)，系統自行判斷列車(chē)處于打滑狀態(tài)，并進(jìn)行相應的處理。該測速系統在實(shí)際使用中存在以下問(wèn)題：
(1)測速電機通常采用MEMS(微機電系統)器件，不是安全設備，精度不高，且有故障率高、安裝困難、MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)指標不達標等缺點(diǎn)，一列列車(chē)上需安裝3～4個(gè)加速度計，與測速電機組合使用，提高可靠性。在使用加速度計測速時(shí)，還需通過(guò)額外補償計算確保列車(chē)實(shí)際速度在所測速度范圍內。(2)雷達不是安全設備，受天氣和軌道環(huán)境的影響較大，其采用的多普勒效應也導致了雷達在列車(chē)低速時(shí)的精度不高，所以使用雷達測速時(shí)，也需要通過(guò)額外補償計算確保列車(chē)實(shí)際速度在所測速度范圍之內。(3)加速度計和雷達均屬于傳感器類(lèi)設備，其可靠性會(huì )隨使用時(shí)間而下降，進(jìn)而降低整個(gè)系統的安全性。通過(guò)多種測速裝置實(shí)現安全獲取列車(chē)速度信息的方式，需要安裝更多的測速裝置并通過(guò)異構方式來(lái)達到安全等級。更多的測速裝置意味著(zhù)更多的運營(yíng)和維護成本，而測速裝置的異構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)、安裝和維護的難度。為避免這一問(wèn)題，部分信號系統提供了另外一種測速解決方案：通過(guò)一個(gè)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部結構，其齒盤(pán)分為外圈和內圈，齒盤(pán)外圈是100個(gè)排列規則的齒，內圈是以偽隨機函數排列的齒，在外圈和內圈的齒處可安裝數個(gè)傳感器。
編碼里程計內部有4個(gè)傳感器，其中3個(gè)位于齒盤(pán)的外圈，兩兩相隔120°，用于檢測車(chē)輪的轉動(dòng)速度和轉動(dòng)方向;第4個(gè)傳感器位于內圈，采用安全的偽隨機函數編碼，對另外3個(gè)傳感器產(chǎn)生的脈沖序列進(jìn)行編碼校驗，任意一個(gè)齒的漏讀和錯讀，都能通過(guò)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的速度忽高忽低的情況，并通過(guò)這種編碼技術(shù)及時(shí)檢測出某一傳感器可能的檢測錯誤，使單個(gè)設備即能達到SIL4的安全等級，確保測得的有效速度與列車(chē)實(shí)際的速度是一致的;對編碼里程計的故障，又能實(shí)時(shí)檢測發(fā)現并按故障安全原則進(jìn)行處理，滿(mǎn)足信號系統的要求。
2.2列車(chē)打滑時(shí)信號系統的處理方式
由信號系統的測速方式可知，信號系統是基于車(chē)輪的轉動(dòng)來(lái)確定列車(chē)速度的。然而，當列車(chē)發(fā)生打滑時(shí)，基于車(chē)輪轉動(dòng)測得的運運速度小于列車(chē)的實(shí)際運動(dòng)速度，如果直接采用該值進(jìn)行列車(chē)安全防護，會(huì )導致實(shí)際列車(chē)不能被信號系統的室外車(chē)安全包絡(luò )所防護，進(jìn)而導致安全事故。為防止這種情況的發(fā)生，信號系統采取了相關(guān)措施：當加速度計/雷達測得的速度與測速電機測得速度間的差值超過(guò)允許范圍，或編碼里程計檢測到的車(chē)輪減速度異常時(shí)，即判斷列車(chē)進(jìn)入打滑或嚴重打滑狀態(tài)，并按故障-安全原則對列車(chē)速度和位置進(jìn)行補償計算。即對測得的列車(chē)速度和距離進(jìn)行過(guò)估。其原理如圖3所示。由于是按故障-安全方式進(jìn)行過(guò)估，信號系統根據過(guò)估值進(jìn)行安全防護時(shí)，可能會(huì )出現對正常情況下無(wú)需保護的場(chǎng)景進(jìn)行保護的情況，從而影響運營(yíng)效率。
2.3小結
分析比較測速電機輔以加速度計/雷達測速與編碼里程計測速的原理及其在列車(chē)發(fā)生打滑時(shí)的處理方式可知，單個(gè)編碼里程計即能實(shí)現速度傳感器加加速度計/雷達的測速功能，并在檢測到列車(chē)發(fā)生打滑時(shí)，對列車(chē)的速度和位置進(jìn)行補償，確保列車(chē)位置在閉塞分區之內。其使用的編碼技術(shù)，不會(huì )隨著(zhù)設備的可靠性下降而降低安全性，也減少了設備在列車(chē)上的安裝空間，從而有效減少系統的故障點(diǎn)。
3列車(chē)打滑對運行安全的影響
CBTC信號系統在進(jìn)行列車(chē)運行安全防護時(shí)采用的制動(dòng)模型如圖4所示。在該模型中，GEBR(緊急保障制動(dòng)率)是重要的設計輸入參數之一，用于計算列車(chē)運行的緊急制動(dòng)曲線(xiàn)，以保證列車(chē)的安全距離和控制列車(chē)間的安全間隔。GEBR在IEEE1474中的定義為：GEBR是列車(chē)在預計可能出現的環(huán)境條件范圍下和最差的制動(dòng)設備故障模式下，在軌道水平切線(xiàn)方向上能夠實(shí)現的最小緊急制動(dòng)率。GEBR的取值應由權威機構定義，并應考慮最大乘客載重(加上冰雪條件(如有))、最小期望黏著(zhù)和最大設計風(fēng)力。觸發(fā)緊急制動(dòng)后，以GEBR的減速度制動(dòng)，直到停車(chē)。如果實(shí)際運營(yíng)時(shí)出現緊急制動(dòng)率比GEBR設計值小，即緊急制動(dòng)率不足，意味著(zhù)列車(chē)將偏離安全制動(dòng)模型，列車(chē)從制動(dòng)至停下的運行距離超出系統設計的安全保證距離，這將產(chǎn)生安全問(wèn)題。如緊急制動(dòng)率不能滿(mǎn)足GEBR設計值的要求，則后車(chē)與前車(chē)的安全間隔不能得到保障，將會(huì )發(fā)生追尾安全事故。列車(chē)發(fā)生打滑時(shí)，列車(chē)的緊急制動(dòng)率會(huì )下降，當其低于GEBR時(shí)，會(huì )對城市軌道交通的所有列車(chē)而不僅僅是CBTC列車(chē)運行產(chǎn)生安全影響。一般來(lái)說(shuō)，緊急制動(dòng)率降低，多數來(lái)自于輪軌間的低黏著(zhù)。當黏著(zhù)系數下降時(shí)，列車(chē)的防滑系統(即黏著(zhù)控制系統)應發(fā)揮作用，通過(guò)一定的措施進(jìn)行控制和改善，保持最佳的黏著(zhù)利用，使列車(chē)的緊急制動(dòng)率達到GEBR的值。如果列車(chē)的防滑系統失效或沒(méi)有及時(shí)修正打滑狀態(tài)，信號系統應輸出緊急制動(dòng)使列車(chē)停車(chē)。因為此時(shí)列車(chē)長(cháng)期處于滑行狀態(tài)，緊急制動(dòng)率很可能已經(jīng)無(wú)法達到GEBR的值。因此，應在設計階段，由熟悉當地環(huán)境、天氣、軌道等條件的機構(如線(xiàn)路總體設計)和熟悉列車(chē)制動(dòng)性能的機構(如車(chē)輛供貨商)定義一個(gè)適用于該線(xiàn)路運營(yíng)的GEBR，作為信號系統安全制動(dòng)模型的輸入參數。如果出現環(huán)境、天氣、軌道條件惡劣(如油污、落葉、臺風(fēng)、雨雪天氣)，或出現列車(chē)制動(dòng)系統故障(如多個(gè)轉向架制動(dòng)故障切除)，導致緊急制動(dòng)率低于GEBR設計值所能適用的條件時(shí)，則需采取一定的運營(yíng)措施，人為增加列車(chē)的安全間隔，嚴重時(shí)，則需要故障列車(chē)退出服務(wù)，甚至全線(xiàn)停止運營(yíng)。
4結語(yǔ)
列車(chē)發(fā)生打滑時(shí)，列車(chē)的防滑系統應及時(shí)有效地修正打滑狀態(tài)，使列車(chē)的緊急制動(dòng)率不低于GEBR的值，信號系統在此基礎上確保列車(chē)運行的安全間隔。在列車(chē)打滑期間，無(wú)論信號系統采用的是何種測速系統，都需通過(guò)一定的補償計算確保列車(chē)實(shí)際速度在所測速度范圍之內，確保列車(chē)位置處于安全的閉塞分區內。列車(chē)打滑帶來(lái)的真正問(wèn)題，在于緊急制動(dòng)率的降低導致列車(chē)所需的緊急制動(dòng)距離的增加，若其超出了系統設計的安全距離，就會(huì )導致脫軌、撞車(chē)等嚴重安全事故的發(fā)生。為解決列車(chē)打滑對信號系統帶來(lái)的影響，避免安全事故的發(fā)生，應在設計之初由相關(guān)單位考慮各種運營(yíng)最低適用環(huán)境下的黏著(zhù)情況及其對應的GEBR，以確保安全。
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