列車自主運(yùn)行系統(tǒng)下城市軌道交通線路配線需求研究

陳紹文

(卡斯柯信號(hào)有限公司， 200072, 上海∥高級(jí)工程師)

目前，城市軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于傳統(tǒng)CBTC (基于通信的列車控制)進(jìn)行，該技術(shù)已較為成熟。TACS(列車自主運(yùn)行系統(tǒng))作為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的新制式，是城市軌道交通技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。TACS的應(yīng)用仍較少，已投入運(yùn)營(yíng)的TACS線路有深圳地鐵20號(hào)線，正在實(shí)施的項(xiàng)目有上海軌道交通3號(hào)線、4號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目等。由此，基于TACS線路的配線設(shè)計(jì)研究也相對(duì)較少，并未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)TACS的特征及FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)技術(shù)，對(duì)TACS線路的配線設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 TACS區(qū)別于CBTC的特征

在進(jìn)行線路配線研究之前，有必要先分析TACS的特征，并與傳統(tǒng)CBTC進(jìn)行對(duì)比：

1) TACS不再配置聯(lián)鎖系統(tǒng)。因此，采用TACS的線路，其軌道不再需要?jiǎng)澐治锢韰^(qū)段，軌道電路或計(jì)軸也隨之被取消。傳統(tǒng)CBTC對(duì)各個(gè)功能區(qū)段進(jìn)行劃分及計(jì)軸點(diǎn)設(shè)置等原則在TACS中也不再適用。

2) 與CBTC線路相比，TACS線路的安全防護(hù)距離更短。這直接體現(xiàn)在軌道末端、庫(kù)線長(zhǎng)度、停車點(diǎn)距離道岔/警沖標(biāo)等距離的減少。

2 安全防護(hù)距離

由于安全防護(hù)距離直接影響到線路配線長(zhǎng)度，本文對(duì)CBTC和TACS兩種信號(hào)制式下的安全防護(hù)距離要求作詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 安全防護(hù)距離的基本概念

安全防護(hù)距離為列車在最不利條件下停車點(diǎn)與ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)停車點(diǎn)之間的距離。圖1為在給定線路參數(shù)和車輛參數(shù)情況下的安全防護(hù)距離仿真結(jié)果示例。只有在安全防護(hù)距離大于25.85 m時(shí)，列車才能實(shí)現(xiàn)在設(shè)定的ATO停車點(diǎn)精確停車。

2.2 安全防護(hù)距離對(duì)列車折返效率的影響

2.2.1 CBTC下安全防護(hù)距離對(duì)折返效率的影響

本文設(shè)定CBTC線路的仿真條件如下：①列車(車長(zhǎng)140 m)在站臺(tái)停車；②列車以最高限速(35 km/h)通過(guò)道岔反位后駛?cè)胝鄯稻€；③從站臺(tái)停車點(diǎn)至折返線停車點(diǎn)的距離設(shè)定為270 m，其站型如圖2所示。

注：ATP——列車自動(dòng)防護(hù)；dA——EB(緊急制動(dòng))觸發(fā)曲線下停車點(diǎn)到防護(hù)終點(diǎn)的距離；dA+dB——ATO目標(biāo)停車點(diǎn)到防護(hù)終點(diǎn)的距離；dA+dB+dC——ATO實(shí)際停車點(diǎn)到防護(hù)終點(diǎn)的距離。

圖2 列車站后折返時(shí)的安全防護(hù)距離示意圖

基于上述仿真條件，本文測(cè)算了CBTC線路不同安全防護(hù)距離下的列車入折返線耗時(shí)(從站臺(tái)發(fā)車至駛?cè)胝鄯稻€停穩(wěn)的時(shí)間)，其結(jié)果如表1所示。

表1 安全防護(hù)距離與列車入折返線耗時(shí)對(duì)照表

仿真結(jié)果表明：①安全防護(hù)距離從10 m增大到50 m時(shí)，列車折返效率的提升較明顯；②當(dāng)安全防護(hù)距離由50 m增大至60 m時(shí)，列車折返效率提升微乎其微；③安全防護(hù)距離大于60 m時(shí)，對(duì)列車折返效率不再有影響。由此可知，CBTC線路的安全防護(hù)距離越大，列車入折返線耗時(shí)越短，列車折返效率越高。設(shè)計(jì)時(shí)一般要求列車進(jìn)站或折返時(shí)的安全防護(hù)距離大于50 m。

2.2.2 TACS下安全防護(hù)距離對(duì)折返效率的影響

TACS線路的仿真條件與CBTC線路完全一致。表2為不同安全防護(hù)距離下TACS線路列車站后折返時(shí)間仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明：①安全防護(hù)距離為22 m時(shí)，列車站后折返時(shí)間為91.0 s；②安全防護(hù)距離由22 m增加到30 m時(shí)，列車站后折返時(shí)間減少了3.0 s；③安全防護(hù)距離由30 m增加到40 m時(shí)，列車站后折返時(shí)間減少了1.5 s；④安全防護(hù)距離由40 m增加到50 m時(shí)，列車站后折返時(shí)間減少了0.9 s。若再增加安全防護(hù)距離，列車站后折返時(shí)間的減少值將小于1.0 s。

表2 不同安全防護(hù)距離下TACS線路的列車站后折返時(shí)間

由此可知，TACS線路的安全防護(hù)距離越大，列車站后折返時(shí)間越小。TACS下安全防護(hù)距離由22 m增加至40 m時(shí)，列車折返效率的提升較為明顯；安全防護(hù)距離大于40 m時(shí)，其數(shù)值再繼續(xù)增加，對(duì)列車折返效率的影響并不大。因此，建議TACS線路的安全防護(hù)距離設(shè)為40 m。

2.2.3 相同安全防護(hù)距離下CBTC線路和TACS線路列車站后折返時(shí)間對(duì)比

本文對(duì)安全防護(hù)距離為50 m時(shí)兩種信號(hào)制式下的列車站后折返時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，其仿真結(jié)果如表3所示。當(dāng)安全防護(hù)距離為50 m時(shí)，CBTC線路列車站后折返時(shí)間為108.0 s，TACS線路列車站后折返時(shí)間為85.6 s。由此可知：與CBTC相比，TACS下的列車折返效率更高。在達(dá)到同樣折返時(shí)間的情況下，TACS所需要的安全防護(hù)距離更短。

表3 TACS線路和CBTC線路列車折返時(shí)間對(duì)比

3 TACS下城市軌道交通線路配線設(shè)計(jì)

本文基于以下前提條件TACS下城市軌道交通線路的配線設(shè)計(jì)進(jìn)行研究：①采用啟驥TACS系統(tǒng)；②研究對(duì)象為城市軌道交通線的地下區(qū)段；③線路的最高限速為85 km/h，站臺(tái)區(qū)域最高限速為60 km/h；④列車緊急保障制動(dòng)率為0.85 m/s2；⑤列車的懸長(zhǎng)(第一輪對(duì)至車端的距離)為4.5 m，2個(gè)輪對(duì)的間距為2.5 m。

3.1 停車場(chǎng)庫(kù)線設(shè)計(jì)

自動(dòng)化場(chǎng)段作為FAO項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)配置，其重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)計(jì)內(nèi)容為自動(dòng)區(qū)域的劃分、停車庫(kù)線長(zhǎng)度設(shè)置、停車庫(kù)地道設(shè)置、門禁系統(tǒng)、工作人員防護(hù)分區(qū)設(shè)置、列檢庫(kù)行走路線及登車平臺(tái)設(shè)置等。基于CBTC的自動(dòng)化場(chǎng)段設(shè)計(jì)目前相對(duì)較成熟，國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)營(yíng)的自動(dòng)化場(chǎng)段也較多。如果自動(dòng)化場(chǎng)段改為基于TACS設(shè)計(jì)，則可沿用一部分的設(shè)計(jì)方案，其余設(shè)計(jì)方案可在CBTC基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。其中，最重要的優(yōu)化項(xiàng)目是停車庫(kù)線長(zhǎng)度的優(yōu)化。

本文以雙列位庫(kù)線為例予以說(shuō)明。如圖3所示，d11為列車1車端與車擋的距離；d12為列車1的長(zhǎng)度；d13為列車1和列車2的間距；d14為列車2的長(zhǎng)度；d15為列車2車端與計(jì)軸點(diǎn)的距離。

圖3 自動(dòng)化場(chǎng)段內(nèi)雙列位庫(kù)線長(zhǎng)度示意圖

CBTC下自動(dòng)化場(chǎng)段的庫(kù)線長(zhǎng)度要求2列車的間距不小于20.0 m，列車車端與車擋的距離不小于15.0 m，即d11≥15.0 m、d13≥20.0 m。與CBTC線路相比，TACS線路列車緊急制動(dòng)耗時(shí)更少。按照IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))發(fā)布的IEEE-1474標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全制動(dòng)模型的定義，TACS線路下列車所需要的安全防護(hù)距離要求比CBTC線路更短，在TACS線路實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，只需要d11≥12.0 m、d13≥15.0 m，即可滿足列車自動(dòng)入庫(kù)精確停車要求。

3.2 正線存車線設(shè)計(jì)

以圖4所示的站型為例，正線存車線設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的因素包括站臺(tái)端至出站信號(hào)機(jī)的距離d22、計(jì)軸點(diǎn)至道岔警沖標(biāo)的距離d23及停車點(diǎn)(停車站設(shè)置于站臺(tái)端)至軌道末端的距離d24。

注：d21——站臺(tái)長(zhǎng)度。

CBTC線路中，考慮列車停車誤差和司機(jī)瞭望，d22一般取值為5.0 m；考慮后溜距離、列車懸長(zhǎng)及2個(gè)輪對(duì)間距要求，d23≥9.5 m；考慮列車停車安全防護(hù)距離要求，d24≥40.0 m。而在TACS線路中，只需d23≥5.0 m、d24≥30.0 m即可滿足要求，此時(shí)d21、d22可參照CBTC線路取值。

3.3 正線折返線設(shè)計(jì)

本文以圖5所示的列車站后折返站型為例，對(duì)正線折返線設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。圖5中，d31為站臺(tái)停車點(diǎn)至計(jì)軸點(diǎn)距離；d32為停車點(diǎn)至軌道末端的距離；d33為計(jì)軸點(diǎn)至基本軌縫的距離；d34為停車點(diǎn)至計(jì)軸點(diǎn)/信號(hào)機(jī)的距離；d35為列車車長(zhǎng)；d36為安全防護(hù)距離。

圖5 站后折返線設(shè)計(jì)示例

1) CBTC線路中，只有前車出清防護(hù)區(qū)段后方才允許為后車辦理站臺(tái)接車進(jìn)路，因此，列車進(jìn)站需要建立防護(hù)區(qū)段，防護(hù)區(qū)段一般選擇出站道岔的側(cè)向，要求d31≥50.0 m，以最大限度提高列車的進(jìn)站效率及列車折返效率。而TACS線路對(duì)d31不再有嚴(yán)格的限制。

2) CBTC線路中，如果接車防護(hù)區(qū)段建立在出站道岔的定位，一般要求d32≥50.0 m。而在TACS線路中，在列車進(jìn)站停車不需要折返的情況下，如果停車點(diǎn)至出站道岔岔尖的距離大于15.0 m，出站道岔可以不鎖閉。即使在道岔資源申請(qǐng)為定位鎖閉的情況下，在不影響進(jìn)站效率時(shí)也只需d32≥30.0 m，這相較于CBTC線路減少了20.0 m。

3) TACS線路中，因不再配置計(jì)軸設(shè)備，由此不需要考慮d33。

4) CBTC線路中，考慮列車的后溜距離(2.5 m)和計(jì)軸漏計(jì)1個(gè)輪對(duì)(2個(gè)輪對(duì)間距 2.5 m)的可能性，一般取d34=5.0 m。TACS線路中，因不需要考慮計(jì)軸的影響，可取d34=2.5 m。

5)d35為車長(zhǎng)，CBTC線路和TACS線路中該參數(shù)的取值相同。

6) CBTC線路中，為提升列車折返效率，按站后折返間隔為120 s進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般取d35=50.0 m。TACS線路中，若線路折返時(shí)間取值與CBTC相同(均為120 s)，可取d35=30.0 m。實(shí)際上，根據(jù)表2中的仿真結(jié)果，在安全防護(hù)距離為30.0 m的條件下，TACS下線路折返時(shí)間可以控制在90 s以內(nèi)。

3.4 轉(zhuǎn)換軌設(shè)計(jì)

CBTC線路中，轉(zhuǎn)換軌用于列車由停車場(chǎng)進(jìn)入正線后模式的升級(jí)轉(zhuǎn)換，同時(shí)列車也在轉(zhuǎn)換軌處匹配正線運(yùn)行時(shí)刻表。如圖6所示，CBTC線路自動(dòng)化車場(chǎng)下轉(zhuǎn)換軌長(zhǎng)度由d41和d42兩部分組成，其中：d41為停車場(chǎng)邊界至列車車端的距離；d42為列車長(zhǎng)度加上車端距離計(jì)軸點(diǎn)的長(zhǎng)度。為了列車能在轉(zhuǎn)換軌上完成列車識(shí)別，d41應(yīng)小于線路上最小工程車車長(zhǎng)；d42一般為列車長(zhǎng)度加上5.0～6.0 m。而對(duì)于CBTC線路的非自動(dòng)化場(chǎng)段，為了避免場(chǎng)段區(qū)段占用對(duì)正線造成影響，一般在轉(zhuǎn)換軌與停車場(chǎng)之間再增加1個(gè)計(jì)軸區(qū)段。

圖6 CBTC線路轉(zhuǎn)換軌配線圖

如圖7所示，TACS線路中由于列車識(shí)別由車載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理，不再需要軌旁設(shè)備，因此也不再需要配置物理上的轉(zhuǎn)換軌來(lái)完成列車識(shí)別任務(wù)。由此，只需要在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中配置1段虛擬轉(zhuǎn)換軌(長(zhǎng)度為d41)即可，在線路設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需特殊考慮d41的取值。

圖7 TACS線路虛擬轉(zhuǎn)換軌配線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于TACS線路和CBTC線路的特征，對(duì)城市軌道交通線路前期配線設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)停車場(chǎng)庫(kù)線、正線存車線、正線折返線和轉(zhuǎn)換軌等配線設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)分析可以看出，TACS線路對(duì)配線的要求更低。如果新建的城市軌道交通線路擬采用TACS，可以在確保運(yùn)營(yíng)效能不降低的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低土建成本。

對(duì)于既有線信號(hào)系統(tǒng)更新改造工程而言，由于配線已經(jīng)無(wú)法再變動(dòng)，因TACS對(duì)配線的要求更低，采用TACS可更容易滿足工程需求。尤其是將既有線信號(hào)系統(tǒng)改造為FAO系統(tǒng)時(shí)，由于TACS對(duì)停車場(chǎng)庫(kù)線的長(zhǎng)度要求比CBTC短得多，其優(yōu)勢(shì)更為明顯，因此可在最大程度上減少停車場(chǎng)配線改動(dòng)的工程量。