城市轨道交通列车打滑对CBTC信号系统的影响分析论文
近年来，基于通信的列车控制(CBTC)系统已成为城市轨道交通的主流信号系统。相比于传统的固定闭塞或准移动闭塞信号系统，CBTC系统采用主动定位技术以更精确地定位列车，并借助实时双向的车地无线通信技术实现后方列车始终以前方列车的车尾为目标点进行追踪，从而大大缩短了列车间的追踪间隔，提高了城市轨道交通的效率。然而，城市轨道交通中列车在运行中存在打滑现象，当列车出现打滑时，会由于降低了列车制动率而对列车的安全控制产生相应的影响，也会影响到列车的主动定位。本文将从这两个方面阐述列车打滑对CBTC系统的影响。
1列车打滑及防滑
设列车运行速度为vF，列车车轮轮周的速度为vR，则列车的蠕滑率δ为：δ=vR-v当δ超过一定值时，可认为列车已出现了空转或打滑。列车发生打滑，意味着列车的实际走行速度大于轮周的运动速度。列车打滑通常出现在列车制动阶段，会导致列车在制动时的运行距离远大于设计值。由于列车打滑对列车车轮及钢轨的损伤很大，还会影响到列车制动效率，为保证最佳的运行效率，列车均会配置防滑系统以降低列车打滑的影响，最大限度地利用轮轨间的粘着力。当列车由于轨道状态异常或外界环境因素等影响在制动时发生滑行，此时列车的防滑系统启动，修正车轮的打滑状态。防滑系统的基本工作原理是：出现滑行的瞬间，车轮的减速度超出列车本身的减速度，发生“抱死”现象，防滑系统通过相应的传感器检测到此现象后，防滑制动装置立即做出相应反应，降低车轮制动力，缓解滑行;滑行现象缓解后，再重新恢复车轮的制动力。
2列车打滑对信号系统测速定位的影响
CBTC信号系统使用移动闭塞原理防护列车，需要及时获得列车当前位置，以确保列车在防护的列车安全包络之内;同时，根据列车的运行实时更新其安全包络，保证列车在发生空转或打滑时仍处于其列车安全包络内。
2.1信号系统的测速方式
目前，信号系统测速通常采用测速电机加辅助设备如雷达、加速度计等方式。普通测速电机的故障模式不确定，对故障无法实时检测。例如：当传感器腔内有油或灰尘堵住光栅槽时，会出现掉速的情况，即测量的速度比列车的实际值偏低;当传感器插头受外力冲击接触不良时，显示速度会出现忽高忽低的情况。由于仅依靠普通测速电机无法获取列车的真实速度，而列车的速度测量又直接影响到信号系统对列车速度和距离的计算及在此基础上进行的'安全防护，因此，普通测速电机达不到信号系统所要求的SIL4安全等级，为满足安全的要求，在测速时需要采用测速装置异构的方式，如安装2个速度传感器甚至增加额外的辅助测速设备(加速度计或雷达等)，并通过相互检查和比较来保证测速的安全。测速电机辅以加速度计和测速电机辅以雷达的测速系统的测速原理是：对测速电机获取的数据和加速度计/雷达获取的数据不断进行比较，当两种方式测得的速度数据的差值超过允许的差异范围时，系统自行判断列车处于打滑状态，并进行相应的处理。该测速系统在实际使用中存在以下问题：
(1)测速电机通常采用MEMS(微机电系统)器件，不是安全设备，精度不高，且有故障率高、安装困难、MTBF(平均无故障时间)指标不达标等缺点，一列列车上需安装3～4个加速度计，与测速电机组合使用，提高可靠性。在使用加速度计测速时，还需通过额外补偿计算确保列车实际速度在所测速度范围内。(2)雷达不是安全设备，受天气和轨道环境的影响较大，其采用的多普勒效应也导致了雷达在列车低速时的精度不高，所以使用雷达测速时，也需要通过额外补偿计算确保列车实际速度在所测速度范围之内。(3)加速度计和雷达均属于传感器类设备，其可靠性会随使用时间而下降，进而降低整个系统的安全性。通过多种测速装置实现安全获取列车速度信息的方式，需要安装更多的测速装置并通过异构方式来达到安全等级。更多的测速装置意味着更多的运营和维护成本，而测速装置的异构则对测速装置的可靠性提出了很高的要求，也加大了生产、安装和维护的难度。为避免这一问题，部分信号系统提供了另外一种测速解决方案：通过一个编码里程计完成安全测速的功能。图2所示为编码里程计的内部结构，其齿盘分为外圈和内圈，齿盘外圈是100个排列规则的齿，内圈是以伪随机函数排列的齿，在外圈和内圈的齿处可安装数个传感器。
编码里程计内部有4个传感器，其中3个位于齿盘的外圈，两两相隔120°，用于检测车轮的转动速度和转动方向;第4个传感器位于内圈，采用安全的伪随机函数编码，对另外3个传感器产生的脉冲序列进行编码校验，任意一个齿的漏读和错读，都能通过编码校验查出，并立即中断速度输出。该测速方案能避免一般速度传感器可能出现的速度忽高忽低的情况，并通过这种编码技术及时检测出某一传感器可能的检测错误，使单个设备即能达到SIL4的安全等级，确保测得的有效速度与列车实际的速度是一致的;对编码里程计的故障，又能实时检测发现并按故障安全原则进行处理，满足信号系统的要求。
2.2列车打滑时信号系统的处理方式
由信号系统的测速方式可知，信号系统是基于车轮的转动来确定列车速度的。然而，当列车发生打滑时，基于车轮转动测得的运运速度小于列车的实际运动速度，如果直接采用该值进行列车安全防护，会导致实际列车不能被信号系统的室外车安全包络所防护，进而导致安全事故。为防止这种情况的发生，信号系统采取了相关措施：当加速度计/雷达测得的速度与测速电机测得速度间的差值超过允许范围，或编码里程计检测到的车轮减速度异常时，即判断列车进入打滑或严重打滑状态，并按故障-安全原则对列车速度和位置进行补偿计算。即对测得的列车速度和距离进行过估。其原理如图3所示。由于是按故障-安全方式进行过估，信号系统根据过估值进行安全防护时，可能会出现对正常情况下无需保护的场景进行保护的情况，从而影响运营效率。
2.3小结
分析比较测速电机辅以加速度计/雷达测速与编码里程计测速的原理及其在列车发生打滑时的处理方式可知，单个编码里程计即能实现速度传感器加加速度计/雷达的测速功能，并在检测到列车发生打滑时，对列车的速度和位置进行补偿，确保列车位置在闭塞分区之内。其使用的编码技术，不会随着设备的可靠性下降而降低安全性，也减少了设备在列车上的安装空间，从而有效减少系统的故障点。
3列车打滑对运行安全的影响
CBTC信号系统在进行列车运行安全防护时采用的制动模型如图4所示。在该模型中，GEBR(紧急保障制动率)是重要的设计输入参数之一，用于计算列车运行的紧急制动曲线，以保证列车的安全距离和控制列车间的安全间隔。GEBR在IEEE1474中的定义为：GEBR是列车在预计可能出现的环境条件范围下和最差的制动设备故障模式下，在轨道水平切线方向上能够实现的最小紧急制动率。GEBR的取值应由权威机构定义，并应考虑最大乘客载重(加上冰雪条件(如有))、最小期望黏着和最大设计风力。触发紧急制动后，以GEBR的减速度制动，直到停车。如果实际运营时出现紧急制动率比GEBR设计值小，即紧急制动率不足，意味着列车将偏离安全制动模型，列车从制动至停下的运行距离超出系统设计的安全保证距离，这将产生安全问题。如紧急制动率不能满足GEBR设计值的要求，则后车与前车的安全间隔不能得到保障，将会发生追尾安全事故。列车发生打滑时，列车的紧急制动率会下降，当其低于GEBR时，会对城市轨道交通的所有列车而不仅仅是CBTC列车运行产生安全影响。一般来说，紧急制动率降低，多数来自于轮轨间的低黏着。当黏着系数下降时，列车的防滑系统(即黏着控制系统)应发挥作用，通过一定的措施进行控制和改善，保持最佳的黏着利用，使列车的紧急制动率达到GEBR的值。如果列车的防滑系统失效或没有及时修正打滑状态，信号系统应输出紧急制动使列车停车。因为此时列车长期处于滑行状态，紧急制动率很可能已经无法达到GEBR的值。因此，应在设计阶段，由熟悉当地环境、天气、轨道等条件的机构(如线路总体设计)和熟悉列车制动性能的机构(如车辆供货商)定义一个适用于该线路运营的GEBR，作为信号系统安全制动模型的输入参数。如果出现环境、天气、轨道条件恶劣(如油污、落叶、台风、雨雪天气)，或出现列车制动系统故障(如多个转向架制动故障切除)，导致紧急制动率低于GEBR设计值所能适用的条件时，则需采取一定的运营措施，人为增加列车的安全间隔，严重时，则需要故障列车退出服务，甚至全线停止运营。
4结语
列车发生打滑时，列车的防滑系统应及时有效地修正打滑状态，使列车的紧急制动率不低于GEBR的值，信号系统在此基础上确保列车运行的安全间隔。在列车打滑期间，无论信号系统采用的是何种测速系统，都需通过一定的补偿计算确保列车实际速度在所测速度范围之内，确保列车位置处于安全的闭塞分区内。列车打滑带来的真正问题，在于紧急制动率的降低导致列车所需的紧急制动距离的增加，若其超出了系统设计的安全距离，就会导致脱轨、撞车等严重安全事故的发生。为解决列车打滑对信号系统带来的影响，避免安全事故的发生，应在设计之初由相关单位考虑各种运营最低适用环境下的黏着情况及其对应的GEBR，以确保安全。
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