城市軌道交通列車全自動(dòng)折返設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃柒光 梁 宇 劉德偉

(卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海∥第一作者，高級(jí)工程師)

在多數(shù)城市軌道交通線路設(shè)計(jì)中，列車到達(dá)終端站后，需在線路終端站折返后才能繼續(xù)運(yùn)行。列車折返效率將影響線路運(yùn)營(yíng)間隔，影響乘客等待列車時(shí)間及乘客滿意度。

列車到達(dá)終端站折返軌后，一般需要通過(guò)司機(jī)關(guān)閉本端司機(jī)室，到列車另一端激活司機(jī)室，然后繼續(xù)運(yùn)營(yíng);換端關(guān)閉本端司機(jī)室，司機(jī)從一端走到另一端，并激活另一端司機(jī)室，加上折進(jìn)進(jìn)路和折出進(jìn)路道岔動(dòng)作，需要花費(fèi)不少時(shí)間，一定程度上影響了列車折返效率。列車折返效率與折返線結(jié)構(gòu)、折返線長(zhǎng)度及折返時(shí)列車運(yùn)行速度等因素有關(guān)，這些因素需在土建階段確定。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、《城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范-需求規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中通過(guò)減少道岔動(dòng)作時(shí)間，減少列車在折返軌換端時(shí)間，可提高折返效率。

1 列車終端站折返介紹

1.1 列車折返形式

列車折返形式有站前折返和站后折返。站前折返(見圖1)是列車在站臺(tái)停穩(wěn)后，完成乘客的下車、上車過(guò)程，然后列車啟動(dòng)發(fā)車，通過(guò)終點(diǎn)站與上一個(gè)車站之間的折返線駛離終點(diǎn)站。對(duì)于站前折返，在整個(gè)折返過(guò)程中，列車僅用一側(cè)站臺(tái)，這種折返經(jīng)常用于繼續(xù)延長(zhǎng)的線路中，可減少列車折返成本以及列車折返時(shí)間和停站時(shí)間。但站前折返由于需要乘客在同站臺(tái)下車、上車，客流量大時(shí)，可能會(huì)引起站臺(tái)客流秩序混亂，不利于地鐵線路運(yùn)營(yíng)組織，容易導(dǎo)致?lián)頂D現(xiàn)象;另外，站前通常布置有道岔，進(jìn)站速度會(huì)因此而受到影響。

圖1 列車站前折返Fig.1 Train turn back before station

站后折返是折返線在終點(diǎn)站之后，列車到達(dá)站臺(tái)停穩(wěn)，乘客下客完畢后，列車進(jìn)入折返軌，完成車頭換端并運(yùn)行到站臺(tái)另一側(cè)，然后乘客上車;對(duì)于站后折返，列車進(jìn)、出站速度較高，乘客下車、上車在站臺(tái)兩側(cè)，有利于地鐵線路運(yùn)營(yíng)組織，不易發(fā)生客流擁擠，且停站時(shí)間不會(huì)過(guò)長(zhǎng)。

1.2 列車折返步驟說(shuō)明

站前折返步驟如下:

1)列車運(yùn)行到終端站到達(dá)站臺(tái)軌并停穩(wěn)，打開車門、站臺(tái)門，乘客下車、上車;

2)列車進(jìn)行換端，并激活相應(yīng)的司機(jī)室;

3)停站時(shí)間結(jié)束，車門、站臺(tái)門關(guān)閉;

4)列車從終端站站臺(tái)軌經(jīng)過(guò)站前道岔運(yùn)行到下一個(gè)車站。

站后折返步驟如下:

1)列車運(yùn)行到終端站到達(dá)站臺(tái)軌并停穩(wěn)，打開車門、站臺(tái)門，乘客下車;

2)停站時(shí)間結(jié)束，車門、站臺(tái)門關(guān)閉，列車從終端站到達(dá)站軌運(yùn)行到站后選定折返軌;

3)列車運(yùn)行到折返軌并停穩(wěn)、進(jìn)行換端，并激活相應(yīng)司機(jī)室;

4)列車從折返軌運(yùn)行到終端站出發(fā)站臺(tái)軌;

5)打開車門、站臺(tái)門，乘客上車;

6)停站時(shí)間結(jié)束，關(guān)閉車門、站臺(tái)門，列車駛離站臺(tái)。

2 列車全自動(dòng)折返設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 列車換端說(shuō)明

列車要進(jìn)行折返，換端過(guò)程是其中的主要環(huán)節(jié)。通常通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)列車換端。

1)列車在車頭、車尾兩端各安裝1套車載ATC(列車自動(dòng)控制)設(shè)備。兩端車載ATC設(shè)備為冗余冷備，僅一端ATC車載設(shè)備處于工作中。列車到達(dá)折返軌并停穩(wěn)后，司機(jī)關(guān)閉本端，人工走到另一端，通過(guò)鑰匙激活另一端車載ATC設(shè)備。相關(guān)案例如上海軌道交通1號(hào)線。

2)列車在車頭、車尾兩端各安裝1套車載ATC設(shè)備。兩端車載ATC設(shè)備均為冗余熱備，主備結(jié)合，且處于工作中。其中一端為主控端，主控端隨折返換端進(jìn)行切換。列車到達(dá)折返軌并停穩(wěn)后，自動(dòng)切換到另一端主控端。相關(guān)案例如北京地鐵8號(hào)線。

3)列車在車頭、車尾兩端各安裝1套車載ATC設(shè)備，兩端車載ATC設(shè)備為冗余設(shè)備。其中一端為主控端，主控端不隨折返換端切換，列車根據(jù)軌旁ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)傳遞的目的地，激活列車運(yùn)行方向的司機(jī)室。相關(guān)案例如上海軌道交通17號(hào)線。

第1種方式:需人工進(jìn)行切換車載ATC設(shè)備，且司機(jī)從一端到另一端，影響折返間隔時(shí)間。

第2種方式:無(wú)人參與，但系統(tǒng)需切換車載ATC設(shè)備的主控設(shè)備，存在切換故障及切換延時(shí)的可能性，影響系統(tǒng)的可靠性和可用性。目前大部分無(wú)人駕駛系統(tǒng)采用了該方式。

第3種方式:無(wú)人參與，不需要切換車載ATC設(shè)備的主控設(shè)備，主控端不需切換。

2.2 列車全自動(dòng)折返設(shè)計(jì)

對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，第1種換端方式需要司機(jī)參與，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)，主要采用第2種或第3種方式實(shí)現(xiàn)換端作業(yè)。本文主要闡述第3種換端方式下列車全自動(dòng)站后折返的具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2)列車運(yùn)行到終端站到達(dá)站臺(tái)軌，并停穩(wěn)在站臺(tái);列車在進(jìn)站前，軌旁ATS根據(jù)計(jì)劃目的地(折返軌停車點(diǎn))，及列車實(shí)際占用位置，在進(jìn)站前觸發(fā)站臺(tái)軌到折返軌的出站進(jìn)路，出站進(jìn)路辦理好后，信號(hào)機(jī)允許開放。

3)打開車門(根據(jù)駕駛模式和車門控制模式，進(jìn)行自動(dòng)或司機(jī)人工開車門)和司機(jī)室門，車載乘客向?qū)到y(tǒng)和廣播通知乘客下車，進(jìn)行清客。

4)針對(duì)有司機(jī)駕駛列車，司機(jī)通過(guò)拔出司控器鑰匙關(guān)閉激活端，按壓自動(dòng)折返按鈕，起動(dòng)自動(dòng)折返模式(人工駕駛時(shí)，通過(guò)司機(jī)插入司控器鑰匙判斷列車激活端);針對(duì)無(wú)人駕駛列車，無(wú)需操作司控器鑰匙。

5)車載ATC設(shè)備傳輸列車相關(guān)信息至軌旁ATS，ATS根據(jù)車載ATC設(shè)備傳輸?shù)牧熊囅嚓P(guān)信息，給車載ATC設(shè)備下發(fā)計(jì)劃行車命令。

6)車載ATC設(shè)備根據(jù)接收軌旁ATS計(jì)劃行車命令，結(jié)合列車實(shí)際位置、存儲(chǔ)的電子地圖判斷列車運(yùn)行車頭端并激活。

7)CI將軌旁信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給軌旁ATC設(shè)備。

8)軌旁ATC設(shè)備根據(jù)從CI獲取的軌旁狀態(tài)，結(jié)合車載ATC設(shè)備通過(guò)車地?zé)o線通信傳輸?shù)奈恢脠?bào)告，計(jì)算列車運(yùn)行授權(quán)終點(diǎn)，并傳遞給車載ATC設(shè)備。

1.保持深水位。寒潮來(lái)臨前低水位的池塘、蝦稻田要趕緊補(bǔ)水，尤其要保證養(yǎng)蝦池塘水位不低于1.5m，蝦稻田水位不低于50cm。漏水嚴(yán)重的田（塘），可以選擇在晴天的中午少量加水，每次加水15cm左右。

9)車載ATP和ATO模塊根據(jù)列車運(yùn)行授權(quán)終點(diǎn)，結(jié)合電子地圖、車輛及信號(hào)等設(shè)備參數(shù)計(jì)算ATP速度觸發(fā)曲線、ATP速度曲線和ATO速度曲線。其中，ATO速度曲線在ATP速度觸發(fā)曲線之下，ATP速度觸發(fā)曲線在ATP速度曲線之下。列車速度如到達(dá)ATP速度觸發(fā)曲線，信號(hào)系統(tǒng)將輸出緊急制動(dòng)信息給車輛。

10)通過(guò)車載ATC設(shè)備判斷列車具備自動(dòng)折返條件(包含但不限已選擇自動(dòng)折返模式、列車激活端、行車方向)后，將ATO按鈕燈設(shè)置為點(diǎn)亮狀態(tài)，針對(duì)有人駕駛線路有兩種方式可以起動(dòng)列車自動(dòng)折返，一種實(shí)現(xiàn)方式是司機(jī)下車按壓軌旁自動(dòng)折返按鈕，另一種實(shí)現(xiàn)方式是司機(jī)在車上按壓ATO起動(dòng)按鈕;針對(duì)無(wú)人駕駛線路，根據(jù)ATS發(fā)車時(shí)間點(diǎn)及清客完成信息即可自動(dòng)起動(dòng)列車自動(dòng)折返。

11)列車起動(dòng)后，自動(dòng)運(yùn)行至折返軌并停穩(wěn)。

12)ATS接收到車載ATC設(shè)備報(bào)告的列車位置及狀態(tài)信息，結(jié)合計(jì)劃時(shí)刻表，更新折返車次號(hào)，并將新車次號(hào)下發(fā)給車載ATC設(shè)備，同時(shí)ATS根據(jù)運(yùn)行折返后的新車次號(hào)自動(dòng)觸發(fā)折出進(jìn)路。

13)車載ATC設(shè)備根據(jù)新列車運(yùn)行命令，結(jié)合電子地圖，激活列車運(yùn)行方向的司機(jī)室。由于是折返換端，激活的是列車折出方向的司機(jī)室。

14)列車在折返軌停車后，軌旁ATC設(shè)備根據(jù)CI傳遞的軌旁信息，計(jì)算列車運(yùn)行授權(quán)終點(diǎn)并發(fā)送給車載ATC設(shè)備。車載ATC設(shè)備計(jì)算ATO速度曲線、ATP速度觸發(fā)曲線和ATP速度曲線。

15)車載ATC設(shè)備結(jié)合ATS發(fā)送列車運(yùn)行命令以及列車激活端信息，判斷列車具備發(fā)車條件后起動(dòng)發(fā)車。

16)列車起動(dòng)后通過(guò)折出進(jìn)路運(yùn)行至終端站出發(fā)站臺(tái)軌完成自動(dòng)折返。

采用上述方式進(jìn)行全自動(dòng)折返時(shí)，可通過(guò)軌旁按鈕起動(dòng)自動(dòng)折返模式，也可通過(guò)司機(jī)室ATO發(fā)車按鈕起動(dòng)自動(dòng)折返模式。該方式對(duì)列車有司機(jī)折返、無(wú)司機(jī)折返均適用。

2.3 全自動(dòng)折返信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部消息機(jī)制

列車全自動(dòng)折返主要是由ATC(車載A TC設(shè)備與軌旁ATC設(shè)備)、ATS、CI 3個(gè)子系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信傳遞相關(guān)內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)。列車全自動(dòng)折返消息流如下:①ATS→ATC:計(jì)劃運(yùn)行信息，扣車命令，列車位置請(qǐng)求等;②ATC→ATS:列車位置信息，列車狀態(tài)信息等;③CI→ATS:軌旁設(shè)備狀態(tài)信息等;④CI→ATC:軌旁設(shè)備狀態(tài)信息等;⑤ATS→CI:軌旁設(shè)備操作命令;⑥ATC→CI:次級(jí)檢測(cè)設(shè)備可用性等。

3 列車全自動(dòng)折返案例

圖2為某軌道交通線路站后折返示意圖。對(duì)該線路列車全自動(dòng)站后折返描述如下。

圖2 某軌道交通線路站后折返示意圖Fig.2 Turn back of a rail transit train after station

1)列車A車頭、車尾分別為車端1、車端2，且包含2套車載ATC冗余設(shè)備，1套安裝在車端1，1套安裝在車端2，其中ATO主控端在車端1。

2)列車A到達(dá)終端站A的下行站臺(tái)軌G11并停穩(wěn)。

3)列車A在進(jìn)站前或進(jìn)站時(shí)，軌旁ATS根據(jù)計(jì)劃信息及列車實(shí)際位置自動(dòng)觸發(fā)站臺(tái)到折返軌的出站進(jìn)路，進(jìn)路辦理完畢后，開放允許信號(hào)。

4)自動(dòng)或人工開車門及司機(jī)室門，車載乘客向?qū)到y(tǒng)和廣播通知所有乘客下車，進(jìn)行清客。

5)針對(duì)有司機(jī)駕駛列車，司機(jī)通過(guò)拔出司控器鑰匙關(guān)閉激活端，按壓自動(dòng)折返按鈕，啟動(dòng)自動(dòng)折返模式(人工駕駛時(shí)，通過(guò)司機(jī)插入司控器鑰匙判斷列車激活端);針對(duì)無(wú)人駕駛列車，無(wú)需操作司控器鑰匙。

6)車載ATC設(shè)備傳輸列車相關(guān)信息給軌旁ATS，ATS根據(jù)車載ATC設(shè)備傳輸?shù)牧熊囆畔ⅲY(jié)合計(jì)劃時(shí)刻表，給車載ATC設(shè)備下發(fā)計(jì)劃行車命令，命令為列車運(yùn)行至折返軌G14。

7)車載ATC設(shè)備根據(jù)接收軌旁ATS的計(jì)劃信息，結(jié)合列車實(shí)際所在位置(列車站臺(tái)軌G11)以及存儲(chǔ)的電子地圖，判斷列車運(yùn)行車端1為車頭端并激活。

8)CI將軌旁信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給軌旁ATC設(shè)備。

9)軌旁ATC設(shè)備根據(jù)從CI獲取到的軌旁狀態(tài)，結(jié)合車載ATC設(shè)備通過(guò)車地?zé)o線通信傳輸?shù)奈恢脠?bào)告，計(jì)算列車運(yùn)行授權(quán)終點(diǎn)，并傳遞給車載ATC設(shè)備。

10)車載ATP和ATO模塊根據(jù)運(yùn)行授權(quán)終點(diǎn)，結(jié)合電子地圖、車輛及信號(hào)等設(shè)備參數(shù)計(jì)算ATP速度觸發(fā)曲線、ATP速度曲線和ATO速度曲線。

11)車載ATC設(shè)備判斷列車已具備自動(dòng)折返條件后，將ATO自動(dòng)駕駛按鈕燈設(shè)置為點(diǎn)亮狀態(tài)。具備自動(dòng)折返發(fā)車條件后，針對(duì)有人駕駛線路有兩種方式可以起動(dòng)列車自動(dòng)折返:一種實(shí)現(xiàn)方式是司機(jī)下車按壓軌旁自動(dòng)折返按鈕，另一種實(shí)現(xiàn)方式是司機(jī)在車上按壓ATO起動(dòng)按鈕;針對(duì)無(wú)人駕駛線路，根據(jù)ATS發(fā)車時(shí)間點(diǎn)及清客完成信息即可自動(dòng)起動(dòng)列車自動(dòng)折返。

12)列車起動(dòng)后，自動(dòng)運(yùn)行到折返軌G14并停穩(wěn)。

13)ATS接收到車載ATC設(shè)備發(fā)送的列車信息，并結(jié)合計(jì)劃時(shí)刻表，更換折返車次號(hào)，并將新車次號(hào)等計(jì)劃信息發(fā)送給車載ATC設(shè)備，同時(shí)ATS根據(jù)折返后的新車次號(hào)進(jìn)行觸發(fā)折出進(jìn)路。

14)車載ATC設(shè)備根據(jù)新列車運(yùn)行命令，結(jié)合電子地圖，激活列車運(yùn)行方向的司機(jī)室。由于是折返換端，車載ATC設(shè)備激活的是車端2(折返后的車頭)，主控端仍然在車端1不切換。

15)軌旁ATC設(shè)備根據(jù)CI傳遞的軌旁信息計(jì)算列車運(yùn)行授權(quán)終點(diǎn)并發(fā)送給車載ATC設(shè)備，車載ATC設(shè)備計(jì)算ATO速度曲線，ATP速度觸發(fā)曲線和ATP速度曲線。

16)車載ATC設(shè)備結(jié)合ATS發(fā)送列車運(yùn)行命令及列車激活端信息，判斷列車具備發(fā)車條件后起動(dòng)發(fā)車。

17)列車起動(dòng)后通過(guò)折出進(jìn)路自動(dòng)運(yùn)行至上行站臺(tái)軌G12，完成自動(dòng)折返。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述的全自動(dòng)折返控制方法可高效完成列車自動(dòng)折返，減少車頭端人工切換時(shí)間，也避免了主控端切換引起的延時(shí)，提高了信號(hào)系統(tǒng)的可用性;同時(shí)相應(yīng)減少了列車折返間隔時(shí)間，提高了列車折返能力及運(yùn)營(yíng)效率。該方法目前已被廣泛應(yīng)用于北京、上海、深圳、成都、鄭州等城市軌道交通有人和無(wú)人駕駛線路信號(hào)系統(tǒng)中。