城市軌道交通CBTC系統運行能力優化研究

謝樹慶

(合肥市軌道交通集團有限公司建設分公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著科技的進步，城市軌道交通信號系統也在科技浪潮中不斷發展[1]。從最初的固定閉塞系統到當前主流的移動閉塞系統，即基于通信的列車控制(communication based train control，CBTC)系統，城市軌道交通信號系統的運行能力不斷地提升。由于城市軌道交通的快速發展，以及其方便、快捷、可靠等優點，城市軌道交通越來越多地成為人們出行首選，客流量也隨之增加[2]。因此，在保證安全的前提下，如何進一步提高CBTC系統的運行能力、縮短列車行車間隔，是值得研究的方向。

1 CBTC系統運行能力現狀分析

CBTC系統是由眾多固定設備和移動設備組成的復雜的動態系統，是保證行車安全的關鍵。縮短行車間隔、提升運行效率一直是行業研究的重點方向。

列車的追蹤間隔是運行效率的重要指標，是評價線路運行能力的主要依據。國內外關于運行能力都有相關研究。在國外方面：D.Wooland[3]提出不同層級的運行能力分析方法，得出CBTC能力作用；Budett和Kozan[4]根據運行能力的瓶頸階段特點和不同列車的混跑比例，綜合計算運行能力的上限和下限；Lain[5]建立一種CBTC列車的運行能力模型。在國內方面：杜文[6]、趙麗珍[7]、孫焰[8]等主要通過扣除系數法，優化不同參數，提升運行能力；滕濤[9]分析重載鐵路列車制動和運行能力之間的關系；徐瑞華[10]提出一種運行圖周期分析方法；付印平[11]建立列車追蹤的元胞自動機模型；李偉[12]提出了適用于估計城市軌道交通運行能力的間隔通用模型。

總結國內外研究現狀可以看出，運行能力的研究主要集中在干線鐵路，對城市軌道交通線路的研究比較少。因此，本文針對城市軌道交通CBTC系統運行能力的保護區段和接近區段等關鍵參數進行詳細分析，提出CBTC系統運行能力的優化原則。

2 系統運行能力關鍵參數

2.1 保護區段

保護區段是在進路外方或者包含在進路內方的一個區段。列車在辦理及保持進路過程中，需將保護區段納入聯鎖檢查[13]。

在CBTC系統中，當列車自動監控(automatic train supervision，ATS)系統下發建立保護區段的命令時，聯鎖檢查并鎖閉保護區段后，將信息發送給車載列車自動防護(automatic train protection，ATP)系統，確保列車的運行和精確停車。保護區段的主要作用有：①確保CBTC列車及降級列車行車安全[14]；②確保列車進站運行效率；③確保列車進站精確停車。

2.2 接近區段

接近區段是信號機外方的一段區段。當進路辦理信號開放后，如要取消，則需要判斷進路的接近區段是否有車占用，從而采取相應措施，防止進路已先行解鎖而列車沒有及時停下闖入解鎖進路。

當列車進入接近區段，信號突然關閉，進路處于接近鎖閉狀態。此時，鎖閉的進路不能取消。若要解鎖此鎖閉的進路，需要人工進行延時解鎖。其目的是使得列車在停穩前進路保持鎖閉狀態，以保證進路解鎖前列車能在信號機前停車，或者列車闖入進路內方時不因進路內道岔轉換而危及行車安全。

3 系統運行能力關鍵參數計算原則

3.1 保護區段計算原則

對保護區段長度的計算綜合考慮了系統反應時間、司機反應時間、通信延時、線路限速和列車制動率等因素[15]。保護區段的計算方式分為后備模式和CBTC模式。保護區段長度選取兩種計算方式中更長的長度。

后備模式下，在設置開口信號機且保護區段獨立于進路外的地點，需滿足：①列車闖紅燈后緊急制動距離要求(若不設置列車開口，則無需考慮)；②移動授權(movement authority，MA)安全余量要求；③列車自動駕駛(automatic train operation，ATO)一次性精確停車要求。保護區段長度需要滿足不小于列車闖紅燈后緊急制動距離要求和MA安全防護距離要求的條件之和，并檢查是否滿足ATO一次性精確停車的要求。

CBTC模式下，保護區段長度需滿足：①MA安全防護距離要求；②ATO一次性精確停車要求。

后備模式和CBTC模式兩種計算方式都涉及了ATO一次精確停車的要求。因此，本文對ATO目標制動曲線的計算進行說明。

采用固定制動率的ATO目標制動曲線如圖1所示。圖1中：橫坐標軸S表示距離；縱坐標軸v表示速度。

圖1 ATO目標制動曲線示意圖

ATO制動曲線公式為：

(1)

式中：v為ATO目標曲線上每一點的速度值；Be為ATO采用固定制動率；Xoff為停車目標點X距離PP點距離。

3.2 接近區段的計算原則

接近區段的長度要保證列車在未進入接近區段前。若進路被人工解鎖，列車可通過施加緊急制動，在信號機前停車。接近區段長度的計算要考慮系統的延時時間、車輛的制動性能以及車輛與信號之間的傳輸延時。基于安全性考慮，列車的制動模型需按照最不利情況下的安全制動模型[14]。

后備模式下，接近區段[16]的長度包括：①在最不利的情況下列車施行緊急制動的停車距離；預告應答器(infill balise，IB)與進路始端信號機的距離；②在關閉信號機的延時時間內，列車以最高速度運行的行走距離；③司機看到紅燈信號后到按下緊急停車按鈕的反應時間內列車的走行距離。

CBTC模式下接近區段的長度包括：①在最不利的情況下列車施行緊急制動的停車距離；②關閉信號信息經過地面設備發送給列車的延遲時間內列車的走行距離。

4 CBTC系統的運行能力關鍵參數優化分析

4.1 保護區段優化分析

保護區段長度更主要受制于后備模式計算的長度。本文從后備模式和CBTC模式分別進行了優化。

①優化后備模式影響的CBTC保護區段長度。

由于在后備模式下，保護區段會考慮列車開口下的緊急制動距離。在目前多數線路的布置上，線路條件具有不確定性。受線路條件和運營的影響，部分線路通常會將出站區段的一部分設計為節能坡。在列車考慮開口速度的情況下，保護區段計算長度需要計算列車以開口速度施加緊急制動的距離和MA安全防護距離。由于坡度值較差，保護區段長度也會變大。且在軌旁布置上，保護區段是固定的區段。CBTC模式下，受限于后備模式的保護區段長度，保護區段將會取最不利的長度。

優化前保護區段距離公式為：

L1≥max[(a+b)，(b+c)]

(2)

式中：L1為保護區段長度；a為滿足ATO一次性精確停車需求的距離;b為MA安全余量要求的距離；c為列車闖紅燈后緊急制動距離要求。

經計算，列車以開口速度25 km/h，運行經過27.8‰的下坡過程中，施加緊急制動指令，走行距離為81 m。考慮列車以退行速度5 km/h主動退行5 m后，運行經過-27.8‰的下坡過程中，施加緊急制動指令，走行距離為18 m。

保護區段長度為開口速度施加緊急制動的距離和MA安全防護距離之和，即81 m+18 m=99 m。這使得列車出清保護區段的時間大大增加，運行效率降低。

因此，若需優化保護區段長度，可不考慮設置列車的開口狀態，僅考慮CBTC模式下的保護區段要求：MA安全防護距離和滿足ATO一次性精確停車要求的距離。

優化后保護區段距離公式為：

L2≥a+b

(3)

式中：L2為優化后的保護區段長度。

經計算，列車以站臺區域最差2‰的下坡，一次性制動至停車點停穩，需要滿足停車點前方有30 m的距離。

優化后的保護區段長度為滿足ATO一次性精確停車需求的距離和MA安全防護距離之和，即30 m+18 m=48 m。相比考慮開口速度的緊急制動距離下的保護區段，其縮短了51 m。列車出清保護區段的運行時間由原來的35 s縮短到了23 s，基于列車在全線運行的考慮，運行效率大大提升。

②優化MA安全防護距離影響的CBTC保護區段長度。

列車追蹤行駛過程中，后車MA終點到前車安全車尾需留有安全防護距離，以避免前車退行或者后溜造成碰撞，從而保證行車安全。

在互聯互通場景下，區間不允許退行。此時，MA安全防護距離僅需考慮后溜過程影響的長度。

若列車以允許溜車的限制速度5 km/h發生溜車現象，信號系統在列車后溜0.5 m之后會施加緊急制動指令。則考慮線路上最差坡度情況，列車在溜車過程中經過2.78‰的下坡。此場景經計算后的走行距離為1.35 m。

由以上分析可明顯發現，僅考慮后溜的安全防護距離為1.35 m，相比退行下的距離優化了16 m，進一步縮短了保護區段長度。

4.2 接近區段優化分析

接近區段計算采用緊急制動模型。緊急制動曲線模型如圖2所示。

圖2 緊急制動曲線模型

列車運行速度觸碰緊急制動觸發曲線，將會施加緊急制動。由于列車運行速度不同，列車緊急制動距離也會不同。因此，接近區段長度更主要取決于列車所處區間的緊急制動觸發線速度。

緊急制動距離公式為：

L=S1+S2+S3

(4)

式中：S1為列車切斷牽引時，牽引加速度和坡度加速度下的加速走行距離；S2為僅存在坡度加速度下的減速走行距離；S3為緊急制動加速度和坡度加速度下的制動走行距離。

(5)

式中：v0為初始速度；a1為初始加速度；t0為S1階段所用時間。

(6)

式中：v1為S2階段的初始速度；a2為坡度加速度；t1為S2階段所用時間。

(7)

式中：v2為S3階段的初始速度；a3為緊急制動加速度和坡度加速度之和；t2為S3階段所用時間。

本文列舉線路限速90 km/h、87 km/h、85 km/h和80 km/h時，列車施加緊急制動的距離。緊急制動距離數據如表1所示。由表1可知，在其他條件相同的情況下，緊急制動觸發速度不同，緊急制動距離差異很大，即接近區段的長度差異會很大。

表1 緊急制動距離數據

依據《城市軌道交通列車運行速度限制與匹配技術標準》的描述，線路觸發緊急制動的時機為：當列車運行速度超出ATO目標速度+超速容限(如2.5～3.6 km/h)時，信號系統即觸發緊急制動。因此，在計算接近區段長度時，采用初始速度可以從緊急制動曲線觸發速度優化為ATO目標速度+超速容限。

采用優化原則計算接近區段長度時，線路限速為90 km/h的線路。優化前，緊急制動觸發速度約為88 km/h。優化后，緊急制動觸發速度約為86 km/h；接近區段長度由450 m縮短至432 m，縮短了4%。

5 結論

CBTC系統是保證列車安全行駛的核心，對城市軌道交通的運行能力有很大影響。本文通過優化保護區段和接近區段的計算原則，在保證安全的前提下，可使保護區段長度減少50%左右、接近區段長度減少4%左右、列車追蹤距離縮短5%左右。該方法可有效縮短行車間隔，最大限度提高運營效率，提升列車服務水平。