安全距離長度對站前折返能力的影響分析

魯秋子

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安全距離長度對站前折返能力的影響分析

魯秋子

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

折返站是限制軌道交通線路運營能力的關鍵點，因此折返站的設置在地鐵設計過程中至關重要。鑒于目前建設過程中車站尾部常常受到建設規模的制約，從信號系統設計的角度就站前折返安全距離長度對站前折返能力的影響進行分析。首先根據IEEE制定的CBTC系統安全制動模型，推導安全距離計算模型，根據計算模型得出安全距離縮短后對信號系統ATO控制列車運行的影響。其次，通過仿真模擬列車站前折返全過程，繪制折返時間圖解，研究站前折返能力的受制因素，分析列車安全距離縮短后對折返時間間隔的影響。最后，從信號系統設計的角度提出在安全距離受限的情況下有效、合理的解決方案。

城市軌道交通；安全距離；站前折返；折返能力；信號系統

1 研究背景

站前折返，是指列車經由站前渡線進行折返作業。由于在折返過程中占用區間的正線，影響后續列車的閉塞，對行車安全保障的要求較高，在地鐵設計中并不常用[1-3]。但是在建設過程中，車站尾部常常受到建筑物或者地質條件等的限制。鑒于站前折返渡線設置在車站前部，可以在一定程度上減小土建規模，該方式在地鐵線路中應用的越來越多。目前北京地鐵13號線西直門站、北京地鐵亦莊線宋家莊站、重慶地鐵1號線朝天門站等都采用了站前折返的方式。

根據目前設計過程中的施工配合情況，車站安全距離有時會受建設規模的限制，不能滿足《地鐵設計規范》中的要求。土建、線路在折返站所提供的邊界條件，又直接控制了列車自動控制系統所能提供的折返站的折返能力[4]。過短的安全距離不利于信號系統控制列車，過長的安全距離則會影響站后盡頭線的設計，增加土建成本。因此，需要信號專業分析確認站后安全距離長度對行車安全及站前折返能力的影響。

由于地鐵運行過程中，對于終端站折返能力要求較高，實際建設中安全距離的范圍一般不會小于40 m，因此不考慮安全距離縮短至極短情況下的站前折返。

2 信號系統控制方案

在軌道交通運輸系統中，信號系統是指揮列車運行，保障行車安全和提高行車效率的重要基礎裝備[5]。目前，基于通信的列車控制系統（communication based train control，CBTC）已成為列車運行控制系統的發展趨勢[6]，是目前信號系統主流技術制式。在列車自動控制系統中，ATP（automatic train protection）子系統進行速度監督和超速防護，ATO（automatic train operation）子系統則在ATP子系統的防護下工作，控制列車自動運行。為減少人為因素干擾，通常采用ATO自動折返。在ATO駕駛模式下，列車可在無人參與的情況下以較高的速度，緊貼ATP最大允許速度，從到達站臺開始自動駕駛進入和駛出折返線，最后進入發車股道。

3 安全距離影響因素分析

3.1 設置原則

安全距離的設置實際上是為了實現列車過沖保護。站前折返車站安全距離起點在站臺尾部，終點在線路終端。該距離綜合考慮了車載設備反應時間、列車制動率等因素。根據《地鐵設計規范》要求，安全距離的長度為50 m[7]。

在進站過程中，需要在保證不觸發緊急制動曲線的前提下，按照制動速度曲線平穩地控制列車運行，并準確停站。為了保證ATO控制列車能夠在不受ATP保護速度影響下正常進站停車，需要將安全停車點放置于站臺停車點后方一定距離處[8]。安全距離的長度由緊急制動曲線模型、ATO列車控制曲線計算模型，站臺限速等條件決定。

3.2 計算原理

由IEEE制定的CBTC系統相關標準IEEE std 1474.1附錄D中定義了CBTC系統典型的安全制動模型[9-10]，文中速度監控曲線的計算都基于該模型。

考慮列車在最不利情況下的緊急制動，得出ATP制動速度曲線如式（1）：

其中，ATP為當前位置ATP防護速度，為測速誤差，a為當前速度下列車牽引力產生的最大加速度，a為保證緊急制動率，a為當前坡度產生的等效加速度。t為制動命令施加至牽引力切斷的最大時延，t為牽引力切斷至緊急制動施加的最大時延。

假設ATO系統使用恒定減速度計算制動速度曲線，即：

其中，ATO為當前位置ATO運行速度，brake為ATO運行時的制動率。

由式（1）、式（2）可得安全距離

在列車控制過程中，要保證ATO運行速度曲線始終位于緊急制動曲線下方，假設

將式（4）代入式（3），可得安全距離的計算模型。

對計算模型進行分析，由于列車自身的性能參數不可變，可通過信號系統控制實現安全距離變化的參數為brake和ATO。

3.3 進站制動率對安全距離的影響

列車在ATO運行時，進站制動率brake主要考慮了車輛參數、運營效率、控制精度及乘車的舒適性，該參數在一定范圍內是可調的。列車進站過程中，ATO制動曲線會根據ATO運行時制動率的變化而改變，減小ATO停車制動率能夠使得ATO增大。

ATP制動曲線是基于典型安全制動模型，考慮最不利情況下緊急制動而設定的，是不可改變的，ATP在某個特定的速度下是定值。

由于安全距離D=ATP–ATO，減小brake后，ATO增大，ATP不變，D則減小。

因此，當安全距離縮短，可通過減小ATO進站制動率，以保證運營安全。

3.4 進站限速對安全距離的影響

安全距離D是關于ATO的二次函數，為求得D與ATO之間的關系，對式（3）求導。

對式（3）求一次導，求得當D=0時，ATO小于零。說明極值點小于零。

對式（3）求兩次導，可得D<0，即式（3）為凸函數，說明在極值點，D存在極大值。

而實際上，運行速度一定大于0，說明ATO越小，?越小。由此可得，隨著進站速度的降低，所需要的安全距離越短。也就是說，當安全距離減小時，可通過降低進站速度，保證運營安全。

4 安全距離對站前折返能力影響分析

本文選用一個典型站前折返車站，分析安全距離對站前折返能力的影響。采用不同的列車運行方式會有不同的通過能力[11]。

列車在折返區域的折返方式可采用單渡線折返或者交叉渡線交替折返。其中單渡線折返可以利用1號站臺折返（直進側出）或是2號站臺折返（彎進直出）。交叉渡線交替折返可分別利用1、2站臺折返（見圖1）。

圖1 站前折返站布置

具體計算公式參考ERTMS/ETCS列車模型標準。主要參數說明如下：1）列車采用B型車，6節編組，列車總長度約為120 m；2）列車緊急制動減速度不低于1.2 m/s2，常用全制動減速度不低于1.0 m/s2；3）采用9號道岔，不允許突破的極限安全速度值為35 km/h；4）列車最高運行速度為80 km/h；構造速度為90 km/h；5）辦理一條進路時間13 s（包括進路辦理時間、道岔轉換時間、信號系統反映時間）；6）駕駛室轉換時間13 s。

4.1 直進側出

列車在折返線折返過程如下：1）信號系統辦理前車接車進路；2）前車直向進入站臺至停穩；3）前車在站臺1停車下客；4）前車轉換駕駛端，并辦理出折返線作業，此時將道岔搬至反位；5）前車通過側向駛出車站；6）當前車出清交叉渡線時，后車辦理直向進站作業。后車追蹤前車運行，與前車運行過程完全一致。

通過對折返過程進行計算，折返能力如圖2（a）所示，可以看出，追蹤間隔T=接車+直進+停站+側出。

當安全距離縮短后，需要降低制動率或降低進站限速，采用這兩種方案都將增加列車直向進站的時間，即直進增大，追蹤間隔T增加，列車折返間隔增大。

4.2 側進直出

列車在折返線折返過程如圖2（b）所示。

圖2 站前單股道折返間隔

這種折返方式與第一種類似，先側向進入站臺，后直向出站，追蹤間隔T=接車+側進+停站+直出。

由于列車為側向進站，道岔限速為35 km/h，低于站臺限速60 km/h，本身列車進站速度就較直向進站低。所需安全距離較直向進站保護距離短，考慮列車定位誤差、空轉打滑、線路坡度等復雜因素，經過各信號集成商實際測算，若安全距離不小于40 m，能夠保證在35 km/h進站速度下可靠進站停車，并不影響側向接車時間。因此，在一定范圍內減小安全距離，并不影響列車折返間隔。

4.3 交替折返

交替折返過程較為復雜，需要通過4列車追蹤才能完整模擬整個過程。在對行車組織上，為了得到均衡的發車間隔，通常需要第1列車進入1站臺，第2列車進2站臺，第1列車出站，第3列車進入1站臺，第2列車出站，第4列車進入2站臺的方式依次組織行車。

列車在折返線折返過程如下：1）信號系統辦理第1列車直向進站接車進路；2）第1列車直向進入站臺至停穩；3）第1列車在站臺1停車下客；4）第2列車辦理側向進站作業；5）第2列側向進入站臺至停穩；6）第1列車轉換駕駛端并辦理側向出站作業；7）第1列車通過道岔側向出站；8）待第1列車完全出清交叉渡線區域后，第3列車開始辦理直向進站作業。列車3與列車1運行過程一致，隨后的列車4與列車2運行過程一致。

通過對折返過程進行計算，折返能力如圖3所示，列車之間的追蹤間隔T=側進+發車+側出+接車。

圖3 站前雙股道折返間隔

通過對折返間隔的分析可以看出，安全距離縮短對交替折返形式的影響與彎進直出類似。影響追蹤間隔的側向進站作業在安全距離縮短一定程度的情況下，并不會降低，追蹤間隔不變。但是在交替折返過程中，信號控制策略上需要有所調整，若安全距離縮短，需要降低直向進站列車的進站速度或是降低進站制動率，直向進路時間的增加并不影響整個折返間隔。

4.4 站前折返優化策略

根據前述分析，站前折返采用交替折返組織行車能夠獲得最大的折返能力，且受安全距離影響較小，能夠在一定程度上減少土建投資及建設工程量。若安全距離長度受限，可通過降低站臺限速的方式保證行車安全且不影響折返追蹤間隔。但是交替折返對行車組織能力要求較高，必須緊湊作業才能保證后續列車正常進站。一般在線路初期，對運營能力要求并不高的情況下，建議采用彎進直出的折返方式，上下客作業在同側站臺，車站客流組織不容易混亂。與直進彎出的單線折返方式相比，受安全距離影響較小，折返能力較大。

5 結語

隨著城市軌道交通建設力度加大，越來越多的在建線路在設計過程中面臨著土建規模和運營能力之間的權衡。本文以IEEE定義的CBTC安全制動模型為依據，通過建立CBTC安全距離計算模型，分析了站前折返安全距離長度對折返能力的影響。在工程條件受限的情況下，可通過優化信號系統控車策略，在滿足行車安全的前提下，保證站前折返能力。

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（編輯：郝京紅）

Influences of Safe Distance on the Headway for Front Turn-back

LU Qiuzi

(Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

The turn-back station is a key node in rail transport capacity. Therefore, the turn-back station design plays a vital role in a subway system.In the process of modern construction planning, we are confronted with problems where the end of the station is dictated by the scale of the construction.On the basis of such a constraint, this paper analyzes the effect of the safe distance on the headway for turn-back capacity from the signal system perspective. First, based on the communi-cations-based train control (CBTC) system safety braking model, a safety distance calculation is deduced. According to the calculation model, the effects of shortening the safe distance on automatic train operations are studied. Second, by computer simulation of the process of a train turn-back, a turn-back time diagram is plotted to study the factors influencing turn-back capacity when the safe distance of the headway for a turn-back station is shortened. Effective solutions to improve station turn-back capacity under the safe distance constraint from the perspective of the signal system are then proposed.

urban rail transit; safe distance; headway for turn-back; turn-back capacity; signal system

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.013

U231

A

1672-6073(2018)05-0065-04

2017-06-24

2017-08-28

魯秋子，女，碩士研究生，工程師，從事軌道交通信號系統設計工作，luqiuzi813@sina.com