【摘 要】信号系统是保障地铁运行安全及提高运行效率的重要设备，列车超速防护功能是信号系统一个非常关键的功能。信号系统防护下的列车运行速度由车辆、线路、轨道、限界及信号系统等条件共同决定。由于相关专业对信号系统安全制动模型不了解，在实际工程中易造成“速度浪费”现象。本文从信号系统安全制动模型的原理出发，对车辆、线路、轨道、限界等专业对列车运行速度的制约因素进行了分析，提出了建议解决方案。
【关键词】信号系统 运行速度 安全制动模型 未被平衡离心加速度
信号系统是保障地铁行车安全和提高行车效率的重要设备。目前最先进的列车控制系统——基于通信的列车控制系统（Communications-Based Train Control）已广泛应用于国内地铁中。
信号系统，即列车自动控制系统（Automatic Train Control），一般由列车自动监控（Automatic Train Supervision）、列车自动防护（Automatic Train Protection）及列车自动驾驶（Automatic Train Operation）子系统组成。其中列车超速防护功能是列车自动防护子系统的一项非常关键的功能，即对列车运行的速度进行防护，列车超速将采取制动措施。
正常情况下，列车是在信号系统防护下运行的，地铁列车运行的最高速度由车辆、线路、轨道、限界、信号系统共同确定，由于相关专业对信号系统安全制动模型不了解，在实际使用过程中会出现“速度浪费”现象。下面分别对车辆、线路、轨道、限界等专业对列车运行速度的限制进行分析，提出了建议解决方案。
1、信号系统对列车最高运行速度的理解
信号系统对列车速度进行监督，当列车速度超过一定值时，列车紧急制动，根据IEEE Std. 1474.1-2004， 《基于通信的列车控制系统的性能和功能要求》中规定的安全制动模型（以下简称“安全制动模型”），考虑最不利情况下的列车位置不确定性、测速误差和车载设备反应时间，在信号系统检测到超速并发出紧急制动命令后，列车进行牵引切除，在牵引切除之前列车持续加速，在牵引切除至紧急制动建立时间内，列车处于惰行状态，并以牵引切除之前的最大速度运行，随后紧急制动建立，列车在可保证的紧急制动率下制动停车。由此可知列车运行的最大速度出现在惰行时间内，由于惰行时间很短暂，所以列车最高速度只会瞬间出现。这个瞬间值的时间，需要根据信号、车辆参数及线路坡度、曲线半径等计算得出，一般在2～3秒内。
信号专业将信号系统发出紧急制动命令后，列车牵引切除后列车惰行时达到的最大速度作为列车最高运行速度考虑，并由此速度值计算出运行推荐速度、紧急制动触发等速度。推荐速度与最大速度的差值由安全制动模型依据信号系统参数及车辆参数计算得出。最不利情况下的车载设备反应时间、列车牵引切除时间、惰行时间及紧急制动建立时间越小，此差值越小，在最大速度一定的情况下，列车运行速度就越高。假设列车惰行时的最大速度为80km/h，因不同信号系统厂商及不同车辆参数情况下，信号系统推荐速度有所不同，一般比最大速度低10km/h，所以信号系统推荐速度可达到70km/h，即在信号系统的防护下列车正常运行速度最高只能达到70km/h。
对信号系统来说，需要确定的是在紧急制动命令发出后列车在瞬间的惰行时间内所达到的最大速度值，这个值是绝对不会突破的速度值，只会在最不利的情况下出现。信号系统认为超过此值会有安全问题，故确保任何情况下都不会超过此值。但这个速度值不由信号系统确定，而是由其他专业，包括车辆、线路、轨道及限界专业共同确定的。
2、其他专业对列车运行速度的限制
2.1车辆对列车运行速度的限制
对车辆而言，有车辆设计最高速度和车辆构造速度，车辆设计最高运行速度一般不低于80 km/h，车辆构造速度一般高于车辆设计最高速度10 km/h。这两个速度值是由车辆性能参数决定的，列车最高运行速度必须低于列车构造速度。所以车辆设计最高速度并不是绝对不可突破速度，其限制速度为列车构造速度。列车在信号系统的控制下，在紧急制动执行前瞬间速度突破车辆设计最高速度并无安全问题。经笔者向有关车辆厂证实，车辆设计最高运行速度为80 km/h时，瞬间速度是允许突破至85km/h。
2.2线路对列车运行速度的限制
线路对列车最高运行速度的限制主要体现在曲线半径上，曲线半径越大，列车速度越高。曲线半径确定后，列车运行速度只与轨道超高有关。在直线地段，线路专业本身是没有速度限制要求的。
2.3轨道对列车运行速度的限制
轨道对列车运行速度的限制主要体现在曲线地段的轨道超高和道岔允许通过速度上。
2.3.1轨道超高对列车运行速度的限制
根据理论计算，列车在曲线上的运行速度与曲线半径及轨道超高有关。公式为：
R=11.8V2/（hmax+hqy）
式中：R——曲线半径（m）；
V——列车通过速度（km/h）
hmax——最大超高（120mm）
hqy——允许欠超高（hqy=153×a，a为未被平衡离心加速度）
由上述公式可以看出，曲线半径确定后，列车运行速度只与轨道超高有关，超高越大，速度越高。在《地铁设计规范》中，最大超高和允许的欠超高均有明确规定，分别为120mm和61mm。根据此公式及曲线半径即可计算出列车在曲线上的运行速度，但此值是否绝对不允许超过，需进一步分析。
根据《地铁设计规范》最大超高值是根据行车速度、车辆性能、轨道结构稳定性和乘客舒适度确定的。取值120mm为经多年实践确定的。
根据理论计算，允许欠超高hqy=153×a，a为未被平衡离心加速度，《地铁设计规范》中取 0.4m/s2，故允许欠超高为61mm。如果未被平衡离心加速度值可以取大，则允许欠超高值增大，列车运行速度相应提高。
《地铁设计规范》中未被平衡离心加速度取 0.4m/s2，是考虑乘客的舒适度，取0.4m/s2时，乘客稍有感觉，不影响舒适度，同时，《地铁设计规范》中规定此值不宜超过0.4m/s2，用词为“不宜”，可判断出此值可适当超过，即速度值也可适当提高。
笔者查阅相关资料，未被平衡离心加速度影响乘客的舒适度，对此值的确定均为做实验得出。我国实验资料表明未被平衡离心加速度取 0.4至0.8m/s2（即欠超高为60至122mm），乘客无不良感觉。
笔者认为确定未被平衡的离心加速度时，考虑的列车运行应该是匀速行驶，并不适用于列车紧急制动前的瞬间最大速度。在列车紧急制动前瞬间达到的最高速度时，考虑旅客的舒适性，保证未被平衡离心加速度不超过 0.4m/s2，已无实际意义，列车紧急制动是保证安全的最后手段，乘客的舒适度与安全相比已变得次要。
综上分析，笔者认为轨道超高限速值并非绝对不允许超过。允许信号系统在紧急制动前瞬间超过轨道超高限速值，将有助于提高列车正常通过速度。以未被平衡离心加速度取 0.5m/s2为例，此时欠超高取值为76mm，曲线半径为350m时，根据公式计算，速度约为76km/h，与未被平衡离心加速度取0.4m/s2相比，速度约提高4 km/h。如果允许信号系统紧急制动前瞬间超速至76 km/h，那么列车正常运行速度应能达到66 km/h，这样提高了旅行速度。如果全线的曲线超高限速均可按此原则允许信号系统瞬间超速，则旅行速度会有较大提高。
由轨道专业提供的曲线超高限速值，信号系统一般是按照绝对不能超过的速度值来处理的，以限速值为70 km/h为例，列车正常运行速度只能达到60km/h左右。只会在最不利的情况下，列车超速紧急制动前瞬间达到70km/h。限速值为70 km/h，在信号系统的防护下，正常运行速度只能约60 km/h，造成了“速度浪费”，影响了运营效率，降低了旅行速度。
2.3.2道岔侧向容许通过速度对列车运行速度的限制
道岔容许通过速度分为道岔直向容许通过速度和道岔侧向容许通过速度，前者速度很高，60kg/m的9号单开直尖轨道岔的直向允许通过速度可达到95km/h，但后者较低，以下讨论道岔侧向容许通过速度。
笔者查阅了《铁路道岔的容许通过速度》（TB/T 2477-2006），其中规定了9号道岔（导曲线半径180～190m）侧向容许通过速度为30km/h，同时也说明了计算道岔侧向容许通过速度的影响因素及确定原则，其中有一个条件需满足，列车通过导曲线时未被平衡离心加速度不大于0.56 m/s2。下面从未被平衡离心加速度入手，分析道岔侧向容许通过速度是否能提高。
由上表可分析得出9号道岔侧向容许通过速度为30km /h是按照未被平衡离心加速度取0.4 m/s2计算得出的。未被平衡离心加速度的大小与乘客舒适度有关。根据实验资料，未被平衡离心加速度取0.6 m/s2，旅客只有轻微感觉，身体并无不良感觉。
在地铁系统，在终端站的折返间隔是制约全线运行间隔关键因素，信号系统在正线的直线追踪间隔最小可达到90s，但是减少折返间隔时间却比较困难，道岔侧向容许通过速度是一个关键点，道岔侧向容许通过速度高则折返时间短，折返间隔小。
经笔者调研，某地铁工程中，60kg/m的9号单开道岔及交叉渡线的侧向容许通过速度，轨道专业最初提供的值为30km/h，信号系统按此值为绝对不允许超过考虑，因该线车辆制动参数又较低，根据安全制动模型计算后得出的推荐速度只有15km/h左右，即列车正常通过道岔侧向时速度只能在15km/h左右，严重制约了折返间隔能力，于是信号专业向轨道专业提出能否提高道岔侧向通过速度，经过争取，此值被提到最大不超过33km/h，按此值计算后列车正常通过道岔侧向速度得以提高。
结合信号系统对道岔侧向容许通过速度的使用，并且实际地铁运营中载客通过道岔侧向的情况很少，笔者认为9号直尖轨道岔（导曲线半径180m）侧向容许通过速度应容许信号系统瞬间突破至37 km /h（未被平衡的离心加速度取0.6m/s2），即信号系统按照绝对不容许超过的速度值为37 km /h考虑，这样列车正常通过速度可达到27 km /h左右，将极大的提高折返间隔能力。
2.4限界对列车运行速度的限制
地铁限界分为车辆限界、设备限界、建筑限界。其中车辆限界是车辆在直线地段正常运行状态下的最大动态包络线，与行车速度有关。《地铁设计规范》中并未对计算限界时列车运行速度进行说明。在《地铁限界标准》（CJJ96-2003）中，对计算限界时的列车速度进行了说明，最高运行速度为80 km /h。此速度是否能允许信号系统瞬间超过，超过后是否会影响设备限界，在实际工程中，信号专业就此问题应向限界专业进行澄清，笔者认为信号系统瞬间超速的时间很短暂，并且限界计算中应考虑了一定富裕量，根据笔者经验，限界专业设计完全能够满足信号专业提出的瞬间超速5km/h的需求。
3、结束语
以上分别就信号系统、车辆、线路、轨道及限界专业对列车运行速度的限制进行了分析，其中信号系统参数和车辆参数限制了列车正常运行速度，车辆、线路、轨道及限界限制了列车最高运行速度。在信号系统的设计中，需要其他专业给出允许的最高速度，然后去计算列车正常运行速度，并保证最不利的情况下也不会超出其他专业给出的允许最高速度。但是其他专业在设计时考虑的速度值并没有考虑信号系统控制列车时瞬间超速的情况，造成对最高运行速度的理解不同。此问题的关键点集中到各专业提出的速度限制是否允许信号系统在紧急制动前瞬间超过及超过多少。
通过分析，笔者得出如下结论，与大家探讨：
1、车辆构造速度一般高于车辆设计最高速度10 km/h，列车最高运行速度必须低于列车构造速度，即车辆设计最高运行速度为80km/h的车辆，允许信号系统控制下瞬间超速至85km/h。
2、线路对列车最高运行速度的限制主要体现在曲线半径上，曲线半径越大，列车速度越高。线路在直线地段无限速要求，在曲线地段由曲线半径与轨道超高值及未被平衡离心加速度共同确定列车最高运行速度，限速值由轨道专业提供。
3、在曲线地段及道岔区段，轨道专业根据曲线半径（导曲线半径）、轨道超高值及未被平衡离心加速度计算得出的最高运行速度应允许在信号系统控制下瞬间超速的要求，轨道专业应在乘客可以忍受的范围内尽量提高未被平衡离心加速度，当影响较大时，信号专业也应积极向轨道专业争取以提高列车正常运行速度。
4、限界的区间设计速度为80km/h，车站有效站台区域内设计速度为55km/h时，应允许在信号系统控制下瞬间超速5km/h。
信号系统控制列车时，各专业提出的速度限制是否允许瞬间超过的问题在多个地铁工程中均被提出过，因涉及多个专业且在《地铁设计规范》中没有明确说明，此问题一直没有得到很好的解决。笔者建议，在《地铁设计规范》对此问题进行规定，让大家有规范可查，有助于解决此问题，提高地铁的平均旅行速度，减小运行间隔。
因笔者做为信号系统专业人员，对其他专业的知识了解程度有限，错漏之处在所难免，本文旨在抛砖引玉，引起大家对此问题的重视，更好的解决此问题。
参考文献：
[1]GB 50157 地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003：128-130
[2]IEEE Std 1474.1TM-2004 Communications-Based Train Control （CBTC） Performance and Functional Requirements[S] .IEEE.2005
[3]（CJJ96-2003）地铁限界标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003
[4]（TB/T 2477-2006）《铁路道岔的容许通过速度》 [S].北京：中国铁道出版社，2006