目前，国内轨道交通市场得到了前所未有的历史性迅猛发展。在“十三五”现代综合交通运输体系发展规划中，国家对未来市场的一系列规划，更是让此领域的发展趋势愈发火热。在此过程中，城市轨道交通的建设逐渐出现了从一线城市向二三线城市蔓延，中心城市从市区向郊区发展的趋势，且运营速度等级也在逐步提高[1、2]。
在此发展的过程中，一系列新的技术问题逐渐浮出水面，引起轨道交通运营管理人员的关注，其中在本文中探讨的一个技术问题是随着运营速度的提升，市郊地上线路运营需要面临更加严重的列车空转打滑带来的恶劣影响。
1、CBTC定位系统原理
目前国内市场上，基于无线通讯的CBTC信号系统得到了广泛的认可和应用。国家主管部门也相应制定了一系列技术标准规范。而其中的ATP列车自动防护子系统承担了大部分对于列车安全运营的防护功能，比如列车分隔，升降级管理，紧急制动管理等。所有这些安全功能的基础则是由列车测速子系统承担的列车定位功能[3]。
CBTC系统包括ATS子系统、ATP子系统、CI子系统和ATO子系统。
ATS子系统主要功能包括：列车自动识别及自动追踪功能，列车运行调整功能，ATS控制功能，时刻表的编制与管理功能，运行图绘制功能，列车运行的监视功能，系统设备监视功能，调度员培训和模拟演示功能，操作员身份识别及记录管理功能，运行统计和报表的生成处理功能，各种操作信息的记录及回放功能等。
ATP子系统由车载设备和地面设备组成，为ATC系统的安全核心，负责列车安全间隔、列车超速防护、车门和站台门的安全监控。该系统必须符合故障-安全的原则。
计算机联锁子系统CI是保证列车运行安全、实现轨道区段、道岔、信号之间正确联锁的安全设备，负责进路、信号机和道岔的控制，符合故障－安全原则。
ATO子系统是自动控制列车运行的设备，其在ATP的安全防护下，根据ATS的指令实现列车站间运行、车站定点停车及折返控制，其负责列车车速调整和控制列车的运行（完成牵引、巡航、惰行和制动操作）。ATO控制的要点是列车运行的正点控制、舒适度控制和精确度的控制。ATO有利于行车效率的提升和列车的节能，有利于提高旅客乘坐的舒适度和减轻司机的劳动强度。
目前国内主流系统的列车定位功能实现原理比较类似，基本上由两个子功能相辅相成而来：
⦁ 由多传感器组成的列车测速子系统
⦁ 基于欧式应答器的列车定位子系统
列车在运行时，由安装在车轮轴上的测速计以及安装在车底的雷达组成的测速子系统持续的测量列车速度。同时，预先在线路上安装了欧式应答器，当列车经过应答器时，读取其信号，并和车载计算机中存储的电子地图比对，从而获得车辆位置。当离开应答器时，根据实时测量的速度值计算离开应答器的位移，从而达到持续的监控列车位置的目的[4]。
图1 列车测速定位示意图
如上图所示，列车在行驶期间持续通过雷达和测速计组成的测速系统测量列车速度，并在经过应答器时同步其位置，减少误差。
对于此测速系统测得值与真实值之间的误差可以如下理解：
∆L = Factor_ODO * (Dis_Last_Balise + System_tolerance)
其中∆L为测量值与真实值的误差，Factor_ODO为系统测距误差参数，Dis_last_balise为系统测量到的距离上一个定位应答器的位移，System_tolerance为应答器相关的误差。
2、列车空转和打滑对系统的危害
前几年常规的城市轨道交通建设多为市区内线路，且大多为地下线，仅少部分为地上高架线。故雨雪等天气对系统影响相对较小。随着轨道交通线路向郊区发展，越来越多的线路转为地上线路。此时，需要在产品开发设计和项目实施建设阶段，慎重考虑雨雪，薄雾，落叶等气候条件对于轨道的影响[5]，并提前采取措施防范产生的危害，校正系统在测速和定位过程中的误差。根据铁路行业多年的研究而知，雨雪等天气对轨道最大的影响就是改变轨道的黏着系数，随着黏着系数的变小，列车在行驶过程中打滑和空转的几率提高，从而影响测速精度，并到这列车的定位误差加大，严重时会频繁触发紧急制动，影响系统运营[6、7]。
另一方面，郊区线路的运营速度也在逐步提高，从以前市区线路常用的80Km/h运营速度逐步提高到120km/h的级别，甚至到160Km/h。随着速度的提高，车辆对性能也会随之变化，比如可提供的减速率直线下降，此时信号系统在自动化控车运行时需要更精细的按照此曲线计算，防止出现由于接口配合不当而恶化车辆的运行。
3、系统防护措施
从系统的开发设计和项目实施应用层面看，目前至少有以下措施可以考虑用来改善甚至避免打滑空转对车辆的影响。
1）测速子系统硬件配置和软件算法实现
在产品开发阶段，开发人员已充分考虑了空转滑行对测速系统的影响，并设计了多传感器的测速子系统来尽力消除其对系统的负面影响。此测速子系统包括基于车轮的物理旋转完成测量的测速计和基于多普勒频移效应工作的测速雷达。测速计工作可靠，精度高，但是容易受车轮空转和滑行的影响，多普勒雷达不容易受空转滑行的影响，但是具有其它的缺点。故融合测速计和雷达的测速子系统，基于雷达对空转滑行不敏感的特性，对二者测得速度不断的进行实时评估，通过精心设计的算法排除打滑空转的影响，计算出尽可能接近真实车速的最终速度值[8]。
2）系统软件内实现对于干湿轨的分别配置
信号系统应该和车辆供应商紧密沟通，并分别针对干轨和湿轨进行分析，测试，并得出两种场景下对应的不同特性。信号系统可以针对两种不同的轨道条件下，在软件内配置并应用不同的减速率。此功能可以由运营人员根据不同的气候条件，选择对应的运营场景参数，从而提高系统的可用性。
3）项目实施阶段的应用
在项目实施建设阶段，工程项目团队应提早考虑气候对系统测速定位的影响，并及早采取预防措施。例如，可采用的措施有以下建议等：
⦁ 采用IP防护等级高的雷达型号，避免天气对设备的干扰；
⦁ 减小应答器配置间距，保证定位误差在系统可控的范围内；
4）多阶梯制动曲线应用
目前郊区线列车运营速度普遍从80km/h提高到120km/h。列车在不同的列车速度下，制动减速率也是随之变动的，在以往的主流的CBTC信号系统中，由于车速较低，因此减速率往往都是按照恒定值设定[9]。但是对于高速度运行的列车，继续沿用此做法可能导致列车在高速运行发生打滑时，系统由于控制逻辑过于简单反而会导致打滑更加严重，比如车辆在高速发生打滑，而信号系统检测到反馈不足而盲目继续提高输出，结果可能会导致系统继续恶化。下图为某一项目中车辆提供的制动曲线：
图2车辆减速度性能曲线
针对此问题，开发人员在软件内部，变恒定减速度为可变减速度配置，可以有效地缓解以上提到的风险。具体实现方式为，ATO软件内部可以以差分的方式变连续区线（即减速度为恒定值α）为若干速度-加速度的数组（α=[(v1,a1), (v2,a2), (v3,a3),…,(vn,an)]），并基于实际测速实时应用可用的减速值，避免列车在高速时恶化打滑空转的问题。
图3分阶梯减速率配置
4、总结
综上所述，针对运营速度的提升，和轨面湿滑现象的加剧，通过开发阶段的预防手段和项目实施阶段的防范措施，目前城市轨道交通CBTC信号系统可以继续安全高效稳定的服务于日常运营。
5、参考文献
[1]李强,吴应攀.浅谈广州地铁3号线列车定位技术[J].铁道通信信号,2012,48(08):1-4.
[2]杨东东,白登选,李俊俊.CBTC仿真系统中列车速度计算分析及研究[J].信息通信,2012(06):15-16.
[3]季坤.CBTC系统中列车动态头筛的研究[J].铁道通信信号,2021,57(04):81-84.
[4]黄晓荣.CBTC信号系统下列车定位丢失原因探究[J].城市轨道交通研究,2020,23(S2):100-103+118.
[5]马洁. 城市轨道交通CBTC系统可靠性分析与评价[D].兰州交通大学,2020.
[6]顾蔡君.城市轨道交通列车空滑检测的融合算法研究[J].铁路通信信号工程技术,2019,16(07):55-60.
[7]张江涛,刘泽.基于多传感器的列车空转打滑补偿算法研究[J].机车电传动,2018(05):61-64.
[8]VAN TU PHAM. 地铁列车空转打滑智能检测方法研究[D].上海交通大学,2018.
[9]吴亮.基于脉冲测速传感器的空转打滑补偿算法研究[J].铁路通信信号工程技术,2017,14(03):72-75.
