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摘要：通过分析提高城市轨道交通列车旅行速度的技术方向、全自动运行系统列控功能特点、列控系统处理器性能因素、最不利工程线路条件，论证几种方法通过提高列控系统列控允许速度值来加大列车旅行速度以缩短运输作业时间，从而实现节约成本、降低能耗、提升服务质量的运营改善目标。
关键词：旅行速度、列控系统、最不利因素
在组成城市轨道交通的各系统和设备里，信号系统是其重要的组成部分。它保证列车安全、有序、快速、舒适的运行，是提高运输效率、实现自动控制列车运行的关键系统设备，被称为城市轨道交通的“中枢神经”。轨道交通信号系统从最初的人工运作，到计算机发明后研发出有一定自动化功能的列控指挥系统，发展到现代，信号系统自动化和智能化程度已越来越高，向着全自动运行的方向发展。全自动运行信号系统利用现代信息、通信、自动控制、计算机技术全面提升轨道交通的可靠性、安全性、可用性、可维护性，提高运行效率及整体自动化水平，实现轨道交通的最佳化运行，代表着未来轨道交通技术的发展方向。因此，在无人驾驶的全自动运行状态下，兼顾系统可靠性和安全性同时尽可能提升列车旅行速度的研究目前在国内较少，值得进行探究。
一、研究必要性
研究全自动运行系统以技术手段提高城市轨道交通旅行速度的解决方案，意味着城市轨道交通客运服务质量的改善、工程全寿命周期中列车运用数量的减少，从而在提高运输服务质量的同时，有效控制工程造价和运维成本具有较大意义。
全自动运行系统采用GoA4[注]级无人驾驶模式行车，本身较GOA2级及以下系统的列车运营旅行速度，会有较为明显的改善，其原因在于GoA4级全自动运行系统开展运营时，列车实际有效站停时间相同的前提下（客流稠密程度、乘客行动敏捷程度一致的因素），采用计算机控制技术替代人工确认—司机关门操作—回到司机室—推动司控手柄驶离的一系列人工操作环节，使得列车到站—车站站停开关车门/屏蔽门—发车等车站作业周期较传统的GoA2级有人监控自动驾驶系统作业周期平均缩短了3-4秒，通过这种在标准化作业和即时性上的改善来达到提高旅行速度的效果。而在此基础上，是否还有进一步缩短站行时间的有效方法？
二、可行性研究分析
目前来看，缩短列车运营旅行时间可行并有效办法是提高列车在线运行的限制速度。限制速度也叫顶棚速度，是限制列车安全运行的最大设定速度，该速度是列车在任何情况下均不可逾越的，也是列车允许速度的阈值上限。提高限制速度需改变土建、线路等外部条件，包括土建限界放宽、曲线超高处理等，同时还会因为列车实际运行速度值的不确定性而导致曲线内外轨磨损增加。对于既有线路改造来说，线路曲线、坡道、钢轨、限界等外部条件已经固化，很难再实现限制速度的提高；对于新建线路来说，限界放宽和曲线超高处理就意味着投资额增加，与我们控制工程造价和运维成本的初衷相违背。
为此，应对现有的各专业限制速度值进行挖掘潜力并分析，以期找到列车允许速度阈值上限在确保安全运行的前提下提高的方法。
依据IEEE-1474.1的安全制动模型，论证一种技术解决方法，以期实现列车运行允许速度提速。
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图一：标准定义的安全制动模型
1 列控系统处理器可改善性能因素分析
如标准定义的列车受系统防护下的安全制动模型所展示，任何列车在系统防护条件下运行时，由于司机操作（GoA1级）失误或自动驾驶系统（GoA2级及以上）故障时，都存在列车运行安全防护ATP系统监测到列车超速状态后系统响应时间以及相应响应时间内最不利情况发生的可能，例如列车安全防护系统ATP故障失效或未响应，同时，司控手柄或自动驾驶系统发出了最大牵引的指令信号且列车运行在下坡道区段，加上风力与列车运行方向同向。因此，在列车运行安全防护系统ATP的响应时间内，如果上述最不利情况发生，此响应时间段内，列车实际速度仍然是持续增加，增加值影响考虑因素为：1）列车最大牵引加速度；2）列车运营线路的最大下坡道形成的势能转动能加速度；3）ATP车载子系统性能（安全表决方式和决策机制导致的监测处理周期长短）。
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图二：最不利线路条件场景示意图
2 车辆及车载设备性能因素分析
在考虑这些因素后，就决定了列车因一种人工手动驾驶或自动驾驶功能失误，在最不利情况产生时，触发运行列车空气制动机全压放风产生全车空气制动。该项制动为列车最后一种制动力，也是最大的一种制动力，无法自动缓解的制动方法，且缓解时需要打风增加空气压力的过程。从空气制动触发到列车走行架中轮轴闸瓦产生机械制动力作用到轮轴上，也是有一个短暂的周期，在这段周期里，列车如在最不利情况条件下运行，列车速度还是会有增加的可能的。基于上述因素，列车运行防护系统ATP会给出一个列车允许速度，人工驾驶或自动驾驶系统在追求最高列车运行速度时，都会将车速控制在这个允许速度之下。
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图三：典型的列控系统车载构成示意图
3 允许速度与顶棚速度差值分析
顶棚速度与ATP系统的允许速度之间的速度差值，我们将它定义为ΔV，即ΔV=V顶棚—V允许。下一步，我们分析如何来计算ΔV的值。
要计算ΔV的值，首先需先计算V顶棚的值。根据图一的安全制动模型，我们引入典型的安全制动距离公式：
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公式中，S是安全制动距离，t是车轮空转时间（一般取值3s），V顶棚是我们要计算的顶棚速度，V允许是已知量，
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是坡度修正后的减速度（以一般车轮粘着系数0.8为例，该减速度为2.88km/h/s）。
以国内轨道交通常用旅行速度50km/h、ATP允许速度90 km/h、行车间隔120秒为例，若轨行区前后有两辆电客车在运行，则两车安全制动距离约为180m，即公式中的S为180，通过一元二次方程解析后，得出V顶棚的数值为109 km/h。但这毕竟只是理论数值，考虑到坡道、弯道和露天天气等外部因素影响，以及列车牵引制动处理器系统的性能及两者接口方式和通信周期长短，列车设计、组装及调试时，车辆与牵引、制动接口的整合度等内部因素影响后，一般V顶棚取值100 km/h，从而得出ΔV的值为10km/h。
4 全常用制动速度分析
列车在运行过程中，除了会触发列车紧急制动的顶棚速度外，还有介于顶棚速度和允许速度之间的、能触发全常用制动的制动速度。全常用制动是电制动+空气制动的混合制动，设立全常用制动速度是为了防止车辆频繁紧急制动导致制动器件和车轮过渡损耗而设置的速度阈值。全常用制动速度值同样可以根据上述安全制动距离公式进行理论值计算，但全常用制动速度与顶棚速度不同之处在于，全常用制动速度除了上述影响顶棚速度的因素外，还有两个因素能影响它的最终数值：1）速度传感器的测速精度误差；2）车载处理单元与列车管理系统TCMS系统的接口方式和通信周期长短；3）ATP系统监测超速故障后的响应时间。再结合国内多年的轨道交通建设运营经验总结，一般取值会比顶棚速度小约5 km/h。
5 允许速度与全常用制动速度差值分析
如上文得出的初步分析结果，允许速度与全常用制动速度差值约为5 km/h。在全常用制动速度不变的情况下，若能缩小这个速度差值，就意味着能提升允许速度值，进而提升旅行速度，缩短乘运时间。通过研究发现，影响全常用制动速度的三个因素同样也影响允许速度，一旦上述三大因素解决，不但能提升全常用制动速度，同时也能缩小允许速度与全常用制动速度差值。
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图四：列控系统允许速度与顶棚速度差值因素示意图
三 解决方案
1 改善列控系统提升速度的方法
为了完成上述想要达成的目标，我们首先需破解前面所列举的影响全常用制动速度的因素，我们可以设想实行下面几个具体步骤：
1）提前介入列车的安装、调试环节，最大限度提升车辆与牵引、制动接口的整合度，以期尽可能的缩短上述三个环节的响应周期；
2）通过采用基于TRDP(Train Real-time Data Protocol)协议的以太网技术来改善车载ATP系统与列车管理系统TCMS系统的接口方式，最大可能缩短两者之间的通信周期时间，使之缩短到几十毫秒；
3）速度传感器的测速精度受两个因素影响：a. 轮径校准精度；b.列车自身的晶体时钟精度。可以通过安装出库应答器，提高轮径校准精度，同时提高车地通信时地面与列车时钟同步频率，最终提高速度传感器的测速精度，使之﹤±1km/h并无限趋近于零；
4）删除车载ATP系统的报警响应环节，从而将该系统处理和响应最大时间缩短至﹤1秒。
采用上述四个步骤后，在顶棚速度不变的情况下，由于列车和车载ATP性能改善导致安全制动距离减小，举例该距离比原先约小了10m，通过安全制动距离公式计算可得出，全常用制动速度值要比原先高出约2 km/h。我们把安全制动距离公式中的顶棚速度替换成全常用制动速度，再计算允许速度，发现其值约比原有数值高约5 km/h。该方案在市域市郊铁路或拥有长大区间的轨道交通等线路效果较为明显。
2 其他相关专业的改善方法
如果相应轨道、限界、车辆等专业，能够对其定义的顶棚速度给予重新审视，即定义的路基、道床、轨道、车辆、限界综合考虑的顶棚速度能否在3秒期间中忍受超过现今定义的顶棚速度+5km/h的冲击压力，那将是更大有效提高列车运行允许速度的功能贡献。
3 线路条件改善处理方法
在相应工程设计时，若线路设计中不存在或较少存在下坡道中曲线限速或下坡道终末的曲线限速的工程实际线路条件，则该项工程中列车允许速度的计算可以不考虑上述的最不利线路条件的限制，当列控系统采用全自动化运行后，其列车允许速度值的设定和旅行速度将得到更大提高。
综上所述，通过以上几种方法提高列控系统的允许速度值来加大列车旅行速度达到缩短站行时间，从而真正实现轨道交通运营节约成本、降低能耗、提升服务质量的改善目标。
[注]：根据国际标准（IEC62290-1），列车运行的自动化等级（GoA）可划分为5个等级：
v GoA0：目视下列车运行，司机负全责，无系统防护；
v GoA1：非自动列车运行，即ATP防护下的人工驾驶；
v GoA2：半自动列车运行(STO)，即司机监督下的ATO驾驶；
v GoA3：无司机有人值守下列车自动运行(DTO)；
v GoA4：无人值守下的列车自动运行(UTO)。
参考文献
1.中华人民共和国国家标准GB 50157-2003. 地铁设计规范.
2.新版《地铁设计规范》征求意见稿.
3.中华人民共和国国家标准GB 50090-2006. 铁路线路设计规范.
4.中华人民共和国铁道部铁运[2001]23号部.铁路线路维修规则.
5.城市轨道交通车辆电空制动系统通用技术规范 CZJS/T 0005-2015
6.IEEE1474.1-2004