城市軌道交通線路限速與列車自動防護頂篷速度匹配性設計探討

施董燕

(上海申通地鐵集團有限公司技術中心,201103,上海∥工程師)

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城市軌道交通線路限速與列車自動防護頂篷速度匹配性設計探討

施董燕

(上海申通地鐵集團有限公司技術中心,201103,上海∥工程師)

上海城市軌道交通1～10號線的設計速度為80 km/h,但在運營時部分線路列車實際最高運行速度達不到此設計值。這主要是因為車輛、限界、線路、結構、信號等專業之間未能進行充分的匹配,各自都留有安全余量,使得ATP(列車自動防護)頂篷速度設置過于保守,ATO(列車自動運行)速度無法達到線路設計速度,降低了線路的運行效率。基于線路ATO速度能達到80 km/h的設計目標,提出了3個等級的線路限速值以及與ATP頂篷速度匹配的設計思路,在確保仍能實現信號安全防護的前提下,通過提高ATP頂篷速度,來實現設計速度目標。

城市軌道交通; 線路設計速度; 線路限速; 線路曲線臨界速度; 列車自動防護頂篷速度; 列車自動運行速度; 匹配性設計

Author′s address Technology Center of Shanghai Shentong Metro Group Co.,Ltd.,201103,Shanghai,China

對于設計最高運行速度為80 km/h的線路,GB 50157—2013《地鐵設計規范》中規定旅行速度不宜低于35 km/h[1]。然而上海軌道交通運營線路中,部分線路實際旅行速度達不到此設計要求。這種現象一方面降低了車輛利用率,造成了車輛緊缺,無法適應客流快速增長的需要;另一方面，由于旅行速度降低,配屬車需求增加,車輛基地規模預留不夠,制約了未來線路運能提升的可實施性。影響旅行速度的主要因素有站間距、停站時間和列車運行速度,對于實際旅行速度達不到設計要求,除實際停站時間比設計長外,最高運行速度達不到80 km/h也是重要原因。GB 50157—2013《地鐵設計規范》明確指出,最高運行速度是指列車可以持續運行的速度,說明列車運行時瞬時可以達到的速度并不是最高運行速度。表1給出了上海城市軌道交通1～10號線列車運行速度情況。由表1可見,直線段ATP(列車自動防護)頂篷速度為80～86 km/h,對應的ATO(列車自動運行)速度為75～80 km/h;曲線段ATP頂篷速度為80和86 km/h,對應的ATO速度為70～80 km/h。除了2號線和5號線ATO速度能達到80 km/h外,其他線路直線段和曲線段的ATO速度均不能達到80 km/h。信號有ATP安全防護功能,ATO速度與ATP頂篷速度之間有一定差值,以保證超速防護觸發緊急制動后的最大速度不超過頂篷速度,當ATP頂篷速度設置不夠高時,ATO速度向下折減后就不能達到80 km/h,降低了線路運行效率。由于曲線段ATP頂篷速度設置和線路限速有關,因此本文基于線路ATO速度能達到80 km/h的目標,研究了線路限速的取值,以及其與ATP頂篷速度的匹配關系,探討在保證安全的前提下,提高ATP頂篷速度至85 km/h以上的可行性,從而提高ATO速度,以充分發揮線路的運行能力,提高旅行速度,提高車輛利用率。

表1 上海城市軌道交通運營線路運行速度情況表

1 線路限速和ATP頂篷速度匹配性現狀

如表1所示,1、2、5號線的ATP頂篷速度約為86 km/h(根據ATP限速80 km/h估算)時,ATO速度基本能達到80 km/h,旅行速度要高于同樣站間距水平的線路,基本能達到設計要求的35 km/h;3號線、4號線、6～8號線,10號線的ATP頂篷速度為75 km/h,旅行速度僅在30 km/h左右。分析1～10號線信號限速的設計情況,具體如下:直線段ATP頂篷速度有多種設計,其在3、4號線等于線路設計速度80 km/h,在6～10號線等于線路設計速度80 km/h+5 km/h;1、2號線將線路設計速度80 km/h作為一個門限值,超過門限值觸發超速報警,3 s內無制動觸發緊急制動,經估算ATP頂篷速度為86 km/h;5號線將線路設計速度80 km/h作為一個門限值,超過門限值1 km/h報警,超過2 km/h采用常用制動,超過5 km/h則緊急制動,經估算ATP頂篷速度為86 km/h。曲線段ATP頂篷速度等于土建限速(1、2、5號線除外),不同的設計院提供給信號供應商土建限速的情況也不同,歸納起來主要有3類:①根據半徑和緩和曲線長度的設計,取規范曲線設計表的設計速度;②根據半徑、緩和曲線長度和超高的設計,取規范曲線設計表的設計速度和允許欠超高為61.2 mm時兩者限速的最小值;③根據半徑和超高的設計,取允許欠超高為61.2 mm時的限速值,當計算值大于或等于線路設計速度時,取線路設計速度作為限速值。上面3種土建限速取值方法,無論采用哪一種,土建限速都不會超過線路設計速度,曲線段ATP頂篷速度不應超過土建限速,因此這些線路曲線段的ATP頂篷速度不高于80 km/h。6～9號線曲線段和3、4號線小半徑曲線段的ATO速度僅70 km/h,顯然將設計速度作為土建限速,提供給信號供應商作為ATP頂篷速度的限值是不合理的。

2 線路限速

上文總結了設計院提供給信號供應商土建限速的取值情況,筆者認為土建限速主要受線路限速控制,研究線路限速的臨界取值,可為提高ATP頂篷速度提供支撐。本文結合現行軌道交通設計規范[1-2],《鐵路軌道設計規范》[3],以及對國外相關情況[4-5]的調研分析,經研究提出曲線段3個等級的線路限速:①曲線設計速度;②曲線臨界速度;③曲線安全性限速。

2.1 曲線設計速度

線路曲線設計速度,是乘客無不舒適或稍有感覺的速度,主要和未被平衡的橫向加速度a、超高時變率f、未被平衡的橫向加速度時變率β有關。依據《城市軌道交通設計規范》[2],a=0.4 m/s2、f=40 mm/s、β=0.3 m/s3是根據各個城市運營情況的合理取值,三者對應的限值按式(1)～(5)計算,取其最小值即為曲線段設計速度。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中:

v——曲線設計速度，km/h；

R——曲線半徑,m;

h——實設超高,mm;

ls——緩和曲線長度,m;

i——超高順坡率。

2.2 曲線臨界速度

線路曲線臨界速度是指乘客有明顯不舒適的感覺,但可以忍受的上限速度,主要和未被平衡的橫向加速度a有關。根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》a在0.50～0.65 m/s2為“有些不舒適的感覺,但可以忍受”的范圍。鐵道科學研究院在試驗的基礎上,將旅客舒適度指數劃分為4檔:0級,旅客沒有感覺,舒適度良好;1級,旅客輕微感覺,舒適度一般;2級,旅客明顯感覺,舒適度可以接受;3級,旅客強烈感覺,舒適度不可接受。當舒適度指數為1級時對應欠超高為78 mm(a=0.51 m/s2);為1.5級時對應欠超高為115 mm(a=0.75 m/s2)[4]。德國試驗表明,當未平衡離心加速度值為0.65 m/s2時(欠超高99 mm),旅客無不良反應;英國試驗表明,當欠超高為168 mm時(未平衡離心加速度值為1.1 m/s2),旅客已有明顯感覺但沒有不適反應;美國試驗表明，當欠超高為176 mm時(未平衡離心加速度值為1.15 m/s2),旅客雖有感覺但沒感到不舒服;法國和意大利試驗表明,欠超高為130 mm時(未平衡離心加速度值為0.85 m/s2),旅客沒有不適感覺[4]。國外鐵路絕大多數的未被平衡離心加速度取值在0.50～0.70 m/s2(占11個統計國家的82%),其中多數集中在0.60～0.65 m/s2,對應的欠超高值在92～100 mm[5];中國TB 10082—2005《鐵路軌道設計規范》和鐵運[2006]146號《鐵路線路修理規則》明確未被平衡欠超高不應大于75 mm,困難情況下不應大于90 mm[3]。

綜合上述國內外情況、鐵路設計規范和地鐵設計規范,本文認為城市軌道交通a=0.65 m/s2(對應的欠超高為99.45 mm)作為臨界舒適性指標是合理的,a=0.65 m/s2對應的限速即為線路曲線臨界速度,按下式計算：

(6)

2.3 曲線安全性限速

線路曲線安全性限速是指車輛不會發生脫軌和傾覆的安全速度。按《鐵路軌道設計規范》對于行車平穩性的分析,穩定系數n一般不應小于3,按上海地鐵目前所有車型的最不利情況，列車重心高度H=1 800 mm,軌距S1=1 500 mm時,經式(7)計算最大允許的欠超高為208 mm。由于還有其他因素,如風力、車輛不良狀況等,《鐵路軌道設計規范》規定曲線外軌設計最大超高值不應大于150 mm[3]。因此，建議可取150 mm的最大欠超高作為安全性指標。

(7)

式中:

S1——軌距;

Δh——最大允許欠超高。

安全性限速按式(8)計算:

(8)

2.4 3種線路限速的計算情況

表2為在一定半徑、緩和曲線長度和超高設置情況下,規范設計速度與曲線設計速度、曲線臨界速度、曲線安全性限速的計算值對比。3種線路限速均要高于規范設計速度,R≥450 m時,曲線臨界速度>90 km/h;300≤R<450時,曲線臨界速度≥80 km/h。因此對于大部分曲線,本文提出將曲線臨界速度與ATP頂篷速度相匹配的設計思路,ATP頂篷速度提高至85 km/h以上都是可行的。

3 ATP頂篷速度與線路限速匹配性設計

3.1 ATP頂篷速度與線路曲線臨界速度匹配設計

圖1是ATP超速防護控制圖,ATP系統檢測到超速后，EB(緊急制動)觸發,信號發送切牽引指令給車輛(過程A)；車輛收到切牽引指令后，進行切牽引(過程B)；經過惰行(過程C)和車輛緊急制動建立(過程D)，車輛開始保障緊急制動(過程E)，最終列車完成緊急制動。期間EB觸發后列車可能達到的最高速度值就是ATP頂篷速度,是超速防護下的一個瞬時最高速度,不是列車持續最高運行速度。因此，按以往設計將ATP頂篷速度等于線路設計速度是不合理的。頂篷速度不應超過車輛、限界、線路、結構等專業對最高速度的限制值要求,理論上ATP頂篷速度只要不超過安全性限速,線路均能保證安全運行。但考慮到城市軌道交通對乘客舒適性的要求較高,頂篷速度應滿足臨界舒適性要求,因此取曲線臨界速度(未被平衡的離心加速度為0.65 m/s2)作為ATP頂篷速度的控制值。ATP頂篷速度除了考慮線路限速,還應考慮車輛、限界、線路、結構等的限制要求。

表2 不同曲線要素下的線路限速值

圖1 ATP超速防護控制示意圖

3.2 ATO速度與曲線設計速度匹配設計

將ATO速度與曲線設計速度兩者進行匹配,能保證列車運行時乘客的舒適性。ATO速度圍繞ATO中心速度上下小幅波動,鑒于舒適性指標是在試驗基礎上得到的理論或經驗值,每個國家的取值要求也各不相同,故規范的舒適性指標尚有富余。若將ATO中心速度與線路舒適性限速匹配,仍能保證ATO速度波動范圍內的速度滿足舒適性要求,本文建議將ATO中心速度與線路曲線設計速度進行匹配。

3.3 ATP頂篷速度與線路限速匹配性設計

(1) 線路最高的ATP頂篷速度根據線路設計速度和車輛緊急制動觸發速度來確定。對于80 km/h設計速度的線路,車輛構造速度為90 km/h時車輛緊急制動觸發速度為88 km/h,ATP頂篷速度取87 km/h(小于車輛緊急制動觸發速度1 km/h),可保證正常情況下ATO速度控制時,不出現車輛觸發緊急制動的情況。

(2) 曲線段的ATP頂篷速度等于線路曲線臨界速度,當計算值大于等于車輛緊急觸發速度時,取車輛緊急觸發速度減1km/h為曲線臨界速度。

(3) 曲線段的ATP頂篷速度還應考慮線路曲線設計速度對ATO速度的要求。若按照上述兩種方式確定頂篷速度后,信號設計仿真時若ATO中心速度高于曲線設計速度,則應降低此曲線段ATP頂篷速度,直到ATO中心速度也能滿足線路曲線設計速度的要求,以確保運行過程中乘客的舒適性。

3.4 6號線設計改進方式

按照本文提出的線路限速和信號速度匹配的設計思路,對上海軌道交通6號線的信號設計進行改進,前提條件是6號線的車輛構造速度不低于90 km/h,車輛緊急制動觸發速度不低于88 km/h,限界、結構等設計都能滿足構造速度的設計要求。如表3所示,經過改進設計后，直線段的ATP頂篷速度從85 km/h提高到87 km/h,則ATO中心速度可從75 km/h提高到77 km/h(假設ATP頂篷速度和ATO中心速度差值為10 km/h,實際情況應以信號供應商的系統設計情況為準)。曲線段的最高ATP頂篷速度從80 km/h提高到87 km/h,和直線段一致,其他小半徑曲線ATP頂篷速度取曲線臨界速度,半徑為300 m的曲線1,經過設計改進后ATP頂篷速度從65 km/h提高到74 km/h。通過設計改進,提高了線路ATO速度,從而可以提高旅行速度,提高車輛的利用率,對于線間距較大的線路,提升能力更加明顯。

表3 上海軌道交通6號線直線段與部分曲線段限速設計改進表

4 結語

本文探討了線路限速的取值以及與ATP頂篷速度的匹配性設計,通過提高ATP頂篷速度來提高ATO速度,使得線路能充分發揮其運行效率,提高旅行速度,進而提高車輛利用率。同時,線路的最高運行速度還需要車輛、限界、線路、結構、信號等專業進行匹配性設計,這有待于今后進一步地系統化研究。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范:GB 50157—2013 [S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[2] 上海市建設和管理委員會.城市軌道交通設計規范:DGJ 08-109—2004 [S].上海：[出版者不詳],2003.

[3] 中華人民共和國鐵道部.《鐵路軌道設計規范》:TB 10082—2005，J 448—2005 [S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[4] 于春華,楊其振.城軌交通曲線未被平衡離心加速度容許值的探討[J].鐵道標準設計,2007(8):20-23.

[5] 劉語冰.道岔構造和設計 [M].北京:中國鐵道出版社,1983.

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On the Matching Design of Line Limited Speed and Siganl Speed for Urban Mass Transit

SHI Dongyan

The actual running speed of Shanghai urban mass transit lines can′t achieve 80 km/h when the designed speed is 80 km/h. The most important reason is that the vehicle, clearance, line, structure,signal and other majors haven′t fully matched, each of them containes a safety margin, which makes the ATP ceiling speed setting too conservative and the ATOspeed lower than 80 km/h. Aiming at the target that the ATO speed should arrive at 80 km/h, three levels of line limited speed and their matching with signal speed are proposed. On the condition that the signal safety protection can still be ensured,the design target can be achieved by improving the ATP ceiling speed.

urban mass transit; designed line speed; limited line speed; curve critical speed; ATP(automatic train protection)ceiling speed; ATO(automatic train operation)speed; matching design

U 231+.7

10.16037/j.1007-869x.2017.05.017

2015-06-10)