軌道交通線路折返能力與信號系統(tǒng)

邱 奎

0 引言

線路運營能力是城市軌道交通工程設(shè)計中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在項目設(shè)計時需要認真分析和計算，而折返線的列車折返能力是制約整個線路（環(huán)形線路除外）運營能力的關(guān)鍵。在軌道交通系統(tǒng)設(shè)計時，折返線線路的設(shè)置、道岔位置及型號的選擇、車輛性能等直接關(guān)系折返能力的大小，而信號系統(tǒng)的諸多參數(shù)同樣會對折返能力產(chǎn)生較大影響，在能力計算時是絕對需要引起重視的因素。

1 信號系統(tǒng)與折返能力相關(guān)的參數(shù)

折返能力取決于列車在折返線追蹤運行時可能的最小間隔時間，與列車安全間隔控制及追蹤運行直接相關(guān)。在軌道交通運輸系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)是指揮列車運行、保障行車安全和提高行車效率的重要基礎(chǔ)裝備，線路折返時的安全間隔由信號系統(tǒng)分析計算后確定，列車的啟動、加速、牽引、惰行及制動全過程均由信號系統(tǒng)控制，可以看出，線路折返能力的大小與信號系統(tǒng)有緊密關(guān)系，信號系統(tǒng)的諸多參數(shù)可以直接決定線路折返能力。

工程設(shè)計中進行折返能力計算時，由于在城市軌道交通領(lǐng)域沒有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標準，各家設(shè)計院或咨詢公司采用的計算軟件不同，選取的技術(shù)參數(shù)特別是與信號系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)也不盡相同，造成折返能力計算值有偏差，某些線路甚至出現(xiàn)設(shè)計計算值與實際運行值相差20%以上，對整個線路設(shè)計和最終的運營服務(wù)產(chǎn)生極為不利的影響。

線路折返能力的計算是對列車在折返線追蹤運行全過程的分析和計算，從對列車的實際控制和運行分析，信號系統(tǒng)對折返能力產(chǎn)生影響的主要參數(shù)有以下幾方面。

1.1 列車運行速度

由于列車自動防護（ATP）系統(tǒng)的存在，列車運行速度被嚴格控制，如限速80 km/h的線路，為保證在任何不利的情況下絕對不碰撞80 km/h的限速“紅線”，列車緊急制動觸發(fā)一般定義在78 km/h，常用制動觸發(fā)定義在75 km/h（不同的信號系統(tǒng)有所區(qū)別），在信號列車自動駕駛（ATO）系統(tǒng)設(shè)置中，列車的實際運行速度被控制在72 km/h左右而不是人們以為的80 km/h（某些牽引計算軟件按該速度設(shè)置），其他道岔和曲線限速區(qū)ATO設(shè)置的運行速度同樣需按等級下降。它也是信號系統(tǒng)備受垢病的地方，特別是在運行效率不佳的線路上，該點存在很大爭議。但由于信號系統(tǒng)的職責就是在任何不利的情況下都需要絕對保證列車運行安全，限界、曲線、車輛限速“紅線”不允許有任何可能突破，信號系統(tǒng)必須按該方式設(shè)置，方能確保列車運行安全。在折返能力和線路運營能力分析時，列車運行速度必須按照信號系統(tǒng)規(guī)定的運行速度作為計算分析值才能準確有效，并與實際運行的數(shù)據(jù)相符，否則將會出現(xiàn)較大偏差。

建標104-2008《城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》第五章第四十三條規(guī)定：列車在正線上最高運行速度應(yīng)與車輛設(shè)計最高速度相符合，并允許瞬間超速5 km/h。同時條文解釋中說明軌道、限界均可滿足車輛瞬間速度的要求，但在道岔和曲線限速區(qū)段不適用。這對正線區(qū)間列車運行速度有一定的提高，但在折返線由于列車運行主要是經(jīng)過道岔區(qū)，該條可以提高列車運行速度的標準在折返線基本無法起到提高折返能力的作用。而比較致命的是，除環(huán)形線路外，線路折返能力往往直接決定了整條線路的運營能力。

1.2 進路辦理時間

折返線列車進行折返時，信號系統(tǒng)需要為列車準備進路。在進路建立過程中，信號系統(tǒng)設(shè)備主要的工作是轉(zhuǎn)換道岔至列車運行的正確位置并鎖閉、檢查有無敵對進路和信號、檢查區(qū)段空閑或鎖閉等，它們均要耗費一定時間來完成。

分析進路辦理時間需要研究2種進路，一種是有道岔轉(zhuǎn)換的進路，另一種是無道岔轉(zhuǎn)換的進路，2種進路辦理時間相差較大。

無道岔轉(zhuǎn)換的進路辦理（系統(tǒng)自動辦理，不考慮人工辦理方式）主要時間組成參考值見表1。

表1 無道岔轉(zhuǎn)換進路辦理時間表

考慮系統(tǒng)和設(shè)備之間的差異，無道岔轉(zhuǎn)換進路時間可以按6 s取值。

有道岔轉(zhuǎn)換的進路與無道岔轉(zhuǎn)換進路辦理時間的差異在于系統(tǒng)輸出道岔轉(zhuǎn)換命令及電動轉(zhuǎn)轍機動作時間。由于電動轉(zhuǎn)轍機型號的不同，其轉(zhuǎn)換動作時間也不同，可選取地鐵中常用的幾種電動轉(zhuǎn)轍機作參考，其轉(zhuǎn)換時間如下：ZD6-D型＜5.5 s；ZDJ9型＜5.8 s；S700K型＜6.6 s。

不同線路選擇的轉(zhuǎn)轍機不同，有道岔轉(zhuǎn)換的進路辦理時間需要根據(jù)轉(zhuǎn)轍機實際參數(shù)進行取值。從目前新線建設(shè)選用的轉(zhuǎn)轍機類型來看，國產(chǎn) ZDJ9型被選用比較多，在進行能力分析時道岔轉(zhuǎn)換時間可以取值6 s。加上道岔轉(zhuǎn)換命令的輸出及道岔狀態(tài)信息的采集時間，有道岔轉(zhuǎn)換的進路辦理時間可以考慮按無道岔轉(zhuǎn)換進路辦理時間加8 s計算，即按14 s計算。

1.3 車載信號設(shè)備頭尾車轉(zhuǎn)換時間

列車在折返線折返時，需要更換端頭，原頭車改為尾車，列車車載信號設(shè)備也需要換端。由于信號車載設(shè)備控制原理、方式及硬件設(shè)備的不同，列車換端時間也是不相同的，根據(jù)經(jīng)驗和參考幾大信號供貨廠商提供的換端時間數(shù)據(jù)，車載信號設(shè)備頭尾車轉(zhuǎn)換時間可按12 s取值。

1.4 車載設(shè)備信號反應(yīng)時間

車載設(shè)備接收到軌旁發(fā)送過來列車控制信號后，車載計算機需進行相應(yīng)處理并將命令發(fā)送給列車牽引制動系統(tǒng)，加上命令發(fā)出后列車空走時間，需要考慮按2～3 s取值。

2 線路折返能力分析與計算

為詳細說明線路折返能力與信號系統(tǒng)關(guān)系，可選擇一個典型的站后折返線進行實例分析與計算，圖1為典型站示意圖。

圖1 典型折返車站示意圖

列車在折返線追蹤運行時完整的折返過程包括以下幾方面：（1）系統(tǒng)辦理前車進入1#站臺的進路；（2）前車進入車站1#站臺停車；（3）系統(tǒng)辦理前車進入折返牽出線的進路；（4）前車經(jīng)停站時間后啟動并運行至牽出線停車；（5）系統(tǒng)辦理前車進入 2#站臺進路；（6）前車換端后啟動并運行至 2#站臺停車；（7）前車經(jīng)停站時間后由2#站臺發(fā)車。

后車作為追蹤運行列車，與前車的運行過程完全一致。后車與前車的追蹤運行間隔時間取決于前車的位置及信號系統(tǒng)安全間隔控制原則，也就是前車運行至滿足后車安全追蹤的條件下方允許后車追蹤運行，2列車追蹤運行可能的最小間隔時間是計算的主要內(nèi)容。

從圖1的折返線路可以看出，2列車追蹤間隔時間需要完整模擬其運行追蹤全過程，可以選取的關(guān)鍵間隔參考點有：（1）2列車進入1#站臺停穩(wěn)的間隔時間；（2）2列車從1#站臺至牽出線發(fā)車時的間隔時間；（3）2列車由牽出線出發(fā)時的間隔時間；（4）2列車進入2#站臺停穩(wěn)的間隔時間。

列車折返間隔時間由以上間隔時間比較的最大值決定，它也就是2列車可能的最小運行間隔時間。比較所有的間隔時間需要逐條進行間隔時間分析。

2.1 2列車進入1#站臺停穩(wěn)的間隔時間

前車停穩(wěn)后，后車進入1#站臺并停穩(wěn)需要經(jīng)過以下時間：

（1）前車1#站臺停站時間T1。在該期間信號系統(tǒng)自動辦理前車進入 1#站臺的進路，一般情況下，停站時間會大于進路辦理14 s時間，進路辦理時間在這里被包含在停站時間內(nèi)。

（2）前車運行出清 JZ2時間T2。在該折返線路條件下，后車如需進入1#站臺，前車必須出清計軸設(shè)備JZ2，系統(tǒng)方可辦理后車接車進路。

（3）系統(tǒng)辦理后車接車進路時間T3。在保證后車進入站臺且需不影響前車繼續(xù)往 2#站臺折返運行，需要將進入牽出線的道岔轉(zhuǎn)換至直股位置，所以其進路辦理時間是有道岔轉(zhuǎn)換的進路14 s，同時可辦理前車進入2#站臺的進路。

（4）后車車載設(shè)備信號反應(yīng)時間T4。

（5）后車從區(qū)間安全距離外運行至1#站臺時間T5。該時間取決于列車在區(qū)間的運行速度、制動距離等決定的安全距離，并從安全距離外運行至1#站臺的運行時間。

則列車間隔時間T=T1+T2+T3+T4+T5。

2.2 2列車從1#站臺至牽出線發(fā)車時的間隔時間

前車從 1#站臺發(fā)車至牽出線后，后車如從 1#站臺發(fā)車需要經(jīng)歷的時間包括：

（1）前車運行至牽出線停穩(wěn)時間T1。

（2）系統(tǒng)辦理前車至2#站臺進路時間T2。同時列車在該時進行換端，如果列車換端時間大于進路辦理時間，該值需要按列車換端時間計算。

（3）前車車載設(shè)備信號反應(yīng)時間T3。

（4）前車自牽出線向 2#站臺運行出清 JZ3時間T4。只有出清該點，系統(tǒng)方可辦理后車至牽出線的進路。

（5）系統(tǒng)辦理后車至牽出線進路時間T5。

（6）后車車載設(shè)備信號反應(yīng)時間T6。

則列車間隔時間T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.3 2列車由牽出線出發(fā)時的間隔時間

2列車由牽出線出發(fā)的間隔時間組成：

（1）前車自牽出線向 2#站臺運行出清 JZ3時間T1。

（2）系統(tǒng)辦理后車至牽出線進路時間T2。

（3）后車車載設(shè)備信號反應(yīng)時間T3。

（4）后車運行至牽出線停穩(wěn)時間T4。

（5）系統(tǒng)辦理后車至2#站臺進路時間T5。

（6）后車車載設(shè)備信號反應(yīng)時間T6。

則列車間隔時間T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.4 2列車進入2#站臺停穩(wěn)的間隔時間

2列車進入2#站臺停穩(wěn)的間隔時間組成：

（1）前車2#站臺停站時間T1。在該期間前辦理前車由2#站臺出發(fā)的進路。

（2）前車由2#站臺出發(fā)并離開防護區(qū)時間T2。只有前車離開防護區(qū)后，系統(tǒng)方可辦理后車由牽出線至2#站臺進路。

（3）系統(tǒng)辦理后車由牽出線至2#站臺進路時間T3。

（4）后車車載設(shè)備信號反應(yīng)時間T4。

（5）后車由牽出線運行至2#站臺停穩(wěn)時間T5。

則列車間隔時間T=T1+T2+T3+T4+T5。

在圖1的折返線路中，選取以上4個關(guān)鍵參考點并比較即可計算出列車追蹤間隔時間。由于折返線線路條件不同，選取的參考點會有所不同，需要根據(jù)實際線路情況進行分析，必要時可能需要進行3列車追蹤分析，方可計算出準確間隔時間。

以上的分析計算說明了如何確定列車追蹤間隔時間，并詳細分析了其時間組成，這是一種靜態(tài)分析方法，計算耗費時間比較多。在實際折返能力計算時，可以通過能力分析軟件畫出列車在折返線全部的運行時間曲線，模擬2列車的動態(tài)運行，并標注出關(guān)鍵信號點，直接在軟件生成圖上查出折返間隔時間。在無相關(guān)軟件情況下，也可用CAD繪圖方式實現(xiàn)，見圖2。

圖2 折返能力分析圖

圖 2中將列車運行過程的所有時間序列用等值的橫線表示，模擬2列車的實際運行。圖中豎直線是限制辦理進路的條件，只有在豎直線時間后即滿足下一條進路辦理的條件后后續(xù)相關(guān)進路方可辦理，后續(xù)列車可以追蹤運行，這樣可以直接在圖上測出2列車間的追蹤最大間隔時間，也就是所需要的折返間隔時間。

3 提高線路折返能力的手段

線路折返能力取決于折返線線路的布置、列車性能、信號系統(tǒng)參數(shù)、列車停站時間等綜合因素。

3.1 合理的線路布置

影響線路折返能力最關(guān)鍵的因素是線路布置，在其他條件相對穩(wěn)定和挖潛不足的情況下，合理的線路布置是提高線路折返能力的最直接有效手段。國內(nèi)地鐵線路在折返線路布置時采用了很多方法，如盡頭式、貫通式、混合式等線路方案，在設(shè)計時可根據(jù)線路實際運營要求合理選擇布置。

3.2 盡可能減少列車站停時間

在進行折返能力分析時，可以發(fā)現(xiàn)列車在終端站的停站時間會直接影響線路折返能力，所以在不影響乘客上下車的條件下盡可能減少站停時間對折返能力的提高有著顯著作用。

3.3 優(yōu)秀的列車牽引和制動性能

列車在折返線運行時，列車加速和制動過程在整個運行時間段內(nèi)占用了非常大的比例，列車牽引和制動性能即列車加速率和制動率也就直接決定了列車在折返線的走行時間，列車性能的提高可直接改善列車走行時間，同時也會提高折返能力。

3.4 選擇反應(yīng)更快的信號設(shè)備

在以上折返能力分析時，從信號專業(yè)角度對影響折返能力的信號設(shè)備進行了詳細分析，可以明顯看出，反應(yīng)時間更快的信號設(shè)備如電動轉(zhuǎn)轍機、車地通信設(shè)備、系統(tǒng)主控制器等會影響進路辦理時間，同樣會直接影響線路折返能力，在設(shè)備選擇時也是一個不可忽視的因素。

4 結(jié)束語

線路折返能力是影響城市軌道交通線路運營能力的重要參數(shù)，在線路設(shè)計中需認真分析，綜合各相關(guān)專業(yè)如線路、運營、車輛、信號等進行細致研究，并科學決策，滿足線路實際運營要求，保障都市居民的出行便利并有效緩解城市交通壓力。

[1]GB/T12758-2004 城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].

[2]GB 50157-2003 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[3]建標104-2008 城市軌道交通工程項目建設(shè)標準[S].