城市軌道交通信號系統能力分析及優化措施

武云霞，李兆齡

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 概述

城市軌道交通行車能力是指在一定線路條件、車輛配置、信號設備、供電系統等設施設備和行車組織條件下，線路在單位時間內所能通過或接發的最大列車對數。城市軌道交通信號系統能力分析就是對既定的線路條件、車輛類型、供電系統等設備設施和行車組織下信號系統所能提供的最大行車能力進行分析和評估的活動。

本文介紹了信號系統能力分析方法及主要影響因素，提出了信號專業常用的優化措施，為工程設計者提供參考。

2 信號系統能力分析方法

城市軌道交通目前采用的主流信號系統是基于通信的移動閉塞列車控制系統（簡稱CBTC）。城市軌道交通信號系統行車能力的主要評估指標包括線路行車間隔和旅行速度。旅行速度是指在正常運營情況下，列車從起點站發車至終點站停車的平均運行速度。行車間隔是指在線路上任意一點同向連續運行列車間的時間間隔。行車間隔是通過對線路正線、折返站、出入段等不同位置的追蹤間隔分別進行評估后最終確定。

城市軌道交通信號系統能力評估主要包括以下幾個步驟：1）梳理線路資料、車輛參數、行車組織方案及信號控制系統采用的參數；2）計算列車運行曲線，主要包括列車時間—距離曲線及速度—距離曲線，該曲線體現了列車的基本運行情況，是進行信號系統能力分析的基礎；3）基于列車運行曲線計算列車旅行速度，并結合信號系統安全控制模型分析列車運行間隔。

2.1 正線追蹤間隔計算方法

正線追蹤間隔可分為區間追蹤間隔和車站追蹤間隔。考慮到列車在車站站停作業，一般正線追蹤間隔的限制點在車站，各個車站的追蹤間隔的最大值即為正線的追蹤間隔。通常CBTC 模式時列車在車站追蹤時要求前車未出清保護區段時，后車的安全防護點最近可到進站側站臺邊沿計軸。車站追蹤間隔如圖1 所示，數值上由以下時間段組成：

1) 列車自以進站側站臺邊沿計軸為限制點反推的一次常用制動的降速點P 運行至站臺的時間；

2) 列車在站臺的站停時間；

3) 列車自站臺運行至出清保護區段的時間；4) 進站進路辦理時間。

圖1 車站追蹤間隔示意圖Fig.1 Schematic diagram of station tracking interval

根據以上分析可知，影響正線追蹤間隔的主要因素包括：站臺的站停時間、保護區段的長度、ATO 常用制動率以及列車一次常用制動降速點對應的最高速度等。在區間無曲線限速時，列車一次常用制動降速點對應的最高速度是指區間的最高運行速度。列車進站前的線路區間有曲線限速時，列車一次常用制動降速點對應的最高速度是指相應的曲線限速對應的列車最高運行速度。顯然列車一次常用制動降速點對應的最高速度是指列車進站前最高運行速度。

2.2 折返追蹤間隔計算方法

城市軌道交通中通常根據折返配線的類型將折返方式分為站后折返和站前折返。相較于站前折返，站后折返是更常見的折返方式。無論哪種折返方式，折返間隔的本質都是列車在各閉塞分區的占用時間，折返過程中列車占用時間最長的閉塞分區決定了折返間隔的大小。對一個折返站進行分析時，首先確定列車的走行路徑，識別折返過程中的閉塞分區，然后逐一分析列車在各個分區的占用時間，最后取占用時間最大值作為該折返站的折返間隔。顯然，占用時間最大的閉塞區間是折返追蹤間隔的制約點。

本節以典型站為例簡要說明折返間隔計算方法。

1）站后折返

典型的站后折返配線及信號布置示意如圖2 所示。

圖2 信號平面布置簡圖—站后折返Fig.2 Signal Layout Diagram—turn-back behind the platform

CBTC 模式下折返過程中涉及到3 個閉塞分區：進站進路（P 點—信號機S1）、入折返軌進路（信號機S1—信號機S2）和出折返軌進路（信號機S3—信號機S4），對列車在3 個閉塞分區的占用時間分解如表1 所示。

其中，信號設備反應時間包括進路延時解鎖時間和進路辦理時間，其中進路辦理時間的取值要考慮進路辦理是否涉及道岔的轉動。影響站后折返間隔的主要因素包括列車進站前最高運行速度、ATO常用制動率、道岔類型及限速、道岔區段的長度及站停時間、進路辦理時間等。

2）站前折返

表1 站后折返間隔時間分解表Tab.1 Decomposition table of the headway of turn-back behind the platform

典型的站后折返配線和信號布置示意如圖3 所示。站前折返根據走行路徑不同可分為彎進直出、直進彎出和交叉折返。本文以彎進直出為例分析站前折返的折返間隔。

圖3 信號平面布置簡圖—站前折返Fig.3 Signal Layout Diagram-turn-back before the platform

站前彎進直出折返涉及到一個閉塞分區：進站進路（信號機S1—信號機S2）。該進路辦理時機為前車越過JZ4 后，道岔轉動且進路鎖閉后，可為后車開放信號機S1。列車在該進路的占用時間可分解為：

a.列車自P 點至站臺的運行時間；

b.列車在A 側站臺的站停時間；

c.自站臺出清岔區(越過JZ4)的時間；

d.信號設備反應時間。

以上時間的和即為站前折返的追蹤間隔。影響站前折返間隔的主要因素包括道岔類型及限速、道岔區段的長度及站停時間等。

2.3 出入段追蹤間隔計算方法

考慮到正線和場段內信號制式不同，出入段追蹤間隔需考慮兩個方面，第一是轉換軌和正線間為CBTC 模式運行，其追蹤間隔的計算與正線區間追蹤間隔相同；第二是列檢庫和轉換軌間為聯鎖級運行，其追蹤間隔需逐一分析列車在每個閉塞分區的占用時間，并取其最大值。受限于庫內和場段內的列車運行速度，列檢庫和轉換軌間的追蹤間隔通常為出入段追蹤間隔的制約點。

2.4 旅行速度

旅行速度是根據線路條件、線路速度等級、列車性能、車站分布、站停時間和信號參數等綜合確定的。其中線路速度等級、車站間距、線路曲線限速是影響旅行速度的主要因素。數值上，旅行速度等于起點站到終點站的總線路長度與列車從起點站到終點站的總運行時間的比值。

3 信號系統優化措施

信號系統能力分析是對信號系統可提供的行車能力的評估，同時也可反過來指導信號系統的優化，進而提高線路的行車能力。提高行車能力的優化措施主要包括以下幾個方面。

3.1 優化信號參數

優化信號參數是提高行車能力的常用手段。影響行車能力的信號系統參數主要包括ATP 觸發速度、ATO 推薦速度、進路辦理時間、ATO 常用制動率等。

1） 提高ATP 觸發速度和ATO 推薦速度

對于正線來說，在保證安全的前提下，提高ATP 觸發速度和ATO 推薦速度可提高線路的旅行速度；對于折返站來說，提高列車側向過岔時的ATP 觸發速度和ATO 推薦速度可縮短列車在道岔的走行時間，進而有效縮短折返間隔，提高折返效率。需要注意，信號系統需要結合車輛參數和線路情況，同時結合安全制動模型，在保證控車安全的前提下提高ATP 觸發速度和ATO 推薦速度。

2） ATO 常用制動率

提高ATO 常用制動率是縮小行車間隔和提高旅行速度的重要手段。考慮到列車的停車精度及舒適度要求，ATO 常用制動率并非越大越好，取值通常在0.4 ～0.6 m/s2之間。在信號系統配置ATO常用制動率時，還要考慮安全防護距離的長度，如果安全防護距離長度不足，即使配置了較高的ATO常用制動率，也無法達到縮小列車的行車間隔和提高旅行速度的目的。

3） 進路辦理時間

進路辦理時間分為有道岔轉動和無道岔轉動兩種情況。無道岔轉動時進路辦理時間主要是指進路控制流程占用時間。有道岔轉動時，進路辦理時間還需要考慮道岔轉動命令傳輸時間及電動轉轍機的動作時間。優化進路控制過程中的每一個環節進而縮短進路辦理時間是縮短列車行車間隔的重要手段。

3.2 優化進站前列車最高運行速度

目前優化進站前列車最高運行速度是縮短行車間隔的常用手段，方法是降低進站前一定區域內的列車速度。通常來說，進站速度在40 km/h 左右時，行車間隔最小。考慮到列車舒適度，防止出現列車先降速再加速的現象，建議以站臺限速作為進站前一定區域的限速值。一般來說，對于80 km/h 的線路來說，該優化手段可將追蹤間隔降低大約10 s。需要注意的是，增加限速后線路旅行速度會受到影響。

3.3 優化信號設備布置

優化信號設備布置主要有兩個方面，一是優化區間信號機的布置，以提高降級模式下的追蹤間隔，二是優化折返區域的設備布置，以提高折返間隔。在保證系統安全和系統功能的前提下，應將設備布置在有利于縮短行車間隔的位置。

3.4 優化進路辦理時機

優化進路辦理時機是指在保證安全的前提下，通過優化控制流程，盡量提前進路辦理時機。以圖2 折返站為例，出折返軌進路（S3—S4）通常為列車到達折返軌停車并完成換端后開始辦理，而經過優化控制流程，列車自下側站臺運行至越過計軸JZ3，便可提前辦理出折返軌進路（S3—S4），如此可縮短列車在折返軌的停留時間，進而有效提高折返效率。一般來說，該控制流程的優化可將追蹤間隔縮短大約5 s。

3.5 允許站臺追蹤

目前多數工程項目不允許列車在站臺追蹤，也就是說，當前車未出清保護區段時，后車移動授權只能到進站側站臺邊沿計軸，后車不可追蹤進站。允許站臺追蹤是指前車出清站臺區域且未出清保護區段時，后車移動授權就可打到站臺區段，后車可以進站。列車追蹤情況如圖4 所示。這意味著前后兩車可以追得更近，列車追蹤間隔更小。該措施可優化的追蹤間隔的時間值，約等于以進站前列車最高運行速度行駛一個站臺區段的時間。假設站臺區段長度140 m，列車進站前最高運行速度為78 km/h，則可縮短折返間隔約為6.5 s，如圖4 所示。

圖4 站臺追蹤示意圖Fig.4 Schematic diagram of platform tracking

4 實例分析

城市軌道交通線路的折返間隔決定了線路的行車能力，是整個線路行車能力的制約點。以某工程項目終端折返站折返能力為研究對象，首先分析常規信號控制方式及參數下的折返間隔，其次結合該項目的線路、車輛參數及車站配線確定該折返站的優化措施，然后分析采用各優化措施后的折返間隔及能力提升情況。該折返站配線和信號布置示意如圖5 所示。

4.1 優化前折返間隔分析

對于該典型折返站，基于常規的信號控車方式和常用的信號參數進行折返間隔分析。根據工程項目實際情況，采用的主要參數如表2 所示。

圖5 某折返站平面布置圖Fig.5 Layout Diagram of a turn-back station

表2 參數選取Tab.2 Selection of parameters

經計算，上行站臺接車間隔為131.0 s，上行站臺發車間隔為111.0 s，下行站臺接車間隔為113.3 s，以上間隔中最大值為接車間隔131.0 s，即為該折返站的追蹤間隔。

4.2 優化措施

結合工程項目的車輛牽引制動性能和線路情況，對部分參數進行優化，同時優化信號系統控制流程。主要優化措施如下。

1）采用允許站臺追蹤的控制方式。

2）列車出清道岔區段立即開始辦理出折返軌進路。

3）主要參數優化。正線ATO 常用制動率：0.6 m/s2。折返軌ATO 常用制動率：0.7 m/s2。側向過岔ATO 速度：26 km/h。進站前列車最高運行速度：55 km/h。

經計算，上行站臺接車間隔為107.3 s，上行站臺發車間隔為102.0 s，下行站臺接車間隔為102.6 s，以上間隔中最大值為接車間隔107.3 s，即為該折返站的追蹤間隔。與優化前相比，折返追蹤間隔縮短23.7 s。考慮10%的運營裕量，該折返站線路通過能力優化前為24 對/小時，優化后為30 對/小時，行車能力得到較大提高。

5 結語

信號系統能力分析是對特定信號系統所提供的運營能力的計算和評估，其參數的選取和時序的確定要與信號系統實際采用的參數和控制流程保持一致；折返間隔是全線追蹤間隔的制約點，當折返間隔不滿足運營需求時，可針對占用時間最長的閉塞分區進行優化，分解該閉塞分區所占用的時間并逐一分析，有針對性的采用優化措施；信號系統的優化措施可以組合使用，但優化效果不是各優化措施所能優化的追蹤間隔的簡單疊加，需綜合分析后確定系統能力提升效果。