城市軌道交通全自動運行線路自動化場段庫線設計方案

李德宏 柴 娟)

(1. 卡斯柯信號有限公司， 200072， 上海； 2. 上海地鐵維護保障有限公司， 200235， 上海∥第一作者， 工程師)

自動化的車輛段/停車場(以下簡稱“場段”)是城市軌道交通FAO(全自動運行)項目的標準配置。但是由于場段的建設用地一般比較緊張，庫線的設計長度受到的制約因素較多。FAO模式下列車若要實現自動入庫并精確停車的功能，必須配置一定長度的安全防護距離，以滿足列車精確停車的相關要求。但是，按照常規的ATP(列車自動防護)模型計算得到的安全防護距離較大，對于場段庫線的設計而言，并不是最優方案。由于場段和正線的功能與作用有所不同，設置場段的目的主要是為了存車，場段內沒有不涉及載客運營的業務，因此，可對庫線采用不同于正線的特殊設計方案，以達到既能讓FAO列車精確停車入庫又盡可能減少庫線長度的目的。尤其對于既有線路的場段改造項目，因既有庫線一般不具備改造的條件，本文給出的庫線設計方法可進行任何長度庫線的列車自動防護設計，可在場段設計條件緊張的情況下完成庫線設計任務，將場段改造為自動化場段。

1 傳統的庫線長度設計方案

列車以FAO模式停車時，根據IEEE Std 1474.1:2004《CBTC的性能和功能要求》定義的安全制動模型，列車需要的安全防護距離約為15 m(不同的信號系統下該距離略有差異)。在工程實施過程中，該安全防護距離還會在此基礎上留有一定的余量。如圖1所示，以雙列位停車庫線為例，兩列車的間距d1應該保持在20 m以上才能滿足需求；列車車端至車擋的距離d4應該大于20 m。一般取列車車端至出發信號機的距離d3=5 m。由此可認為：以ATO(列車自動運行)模式駕駛列車進入場段時，若要列車能夠正確停入庫線，對于雙列位停車庫線而言，令d2為列車長度,則設計長度L雙的計算式為：

L雙>2d2+45 m

(1)

圖1 雙列位停車庫線長度設計

如圖2所示，可推導出單列位停車庫線的設計長度L單的計算式為：

L單>d2+25 m

(2)

圖2 單列位停車庫線長度設計

但是，因場段建設用地的限制，實際庫線長度難以滿足上述設計方案要求的情況并不少見。針對場段庫線長度不足情況下的列車自動入庫問題，本文給出了一種能量監控禁止模型安全算法，并建立了列車入庫計算模型。

2 能量監控禁止模型安全算法

2.1 建立列車自動入庫的理論計算模型

能量監控禁止模型安全算法是指通過縮短列車的安全防護距離并控制列車入庫時的運行速度，使得列車在入庫過程中在允許的撞擊速度下運行，在此基礎上優化列車前方的安全限制點，進而解決列車自動入庫精確停車問題。為了確保安全，采用該算法時，列車緊急制動下的觸發速度(即車載信號系統實際計算的瞬時真實速度)由正常ATP防護下的線路限速轉變為系統預設的低限速。

在計算列車緊急制動觸發速度vEB時，還需考慮線路參數對vEB的影響。對vEB影響較大的參數主要有線路高程差εh(一般取常量0.006 m)和車輛旋轉質量系數R。因此，在考慮這2個影響因素后可得：

(3)

vEB=(vLIMIT_E-vD-Δv1)vR

(4)

式中：

vLIMIT——車擋或車鉤允許的最大撞擊速度；

vLIMIT_E——因線路高程差造成vLIMIT的速度變化值；

g——重力加速度；

vD——列車實施牽引切除及建立緊急制動過程中的速度增量；

Δv1——ATP車載軟件1個計算周期T內速度的增加值；

vR——ATP速度和ATO速度校準后的速率比，一般取0.97。

式(4)中，vD需要考慮在列車牽引切除時間內列車以最大加速度運行時所造成的速度增量，以及由于坡度影響所造成的速度增量。設t1為列車牽引切除時間，a1為列車最大牽引加速度，則根據運動學公式可知，列車牽引切除時間內的速度增量為t1a1。此外，在這個過程中，線路坡度的變化也會對速度變化產生影響，這主要是g在平行于線路坡度上的分量導致的。設t2為列車制動的建立時間，a2為列車在線路最大坡度上的加速度，則根據運動學公式可知，在列車制動建立前，列車的速度增量為a2(t1+t2)。因此，vD的計算式為：

vD=t1a1+a2(t1+t2)

(5)

Δv1為列車實際運行時因牽引產生的速度增量。Δv1也需考慮牽引和坡度的影響，其計算式為：

Δv1=0.5T(a1+a2)

(6)

將式(5)、式(6)代入式(4)，可以得到vEB的計算式為：

(7)

式(7)的函數模型即為危險點(如車擋)所能承受的最大撞擊速度vLIMIT與列車允許運行的最高緊急制動觸發速度vEB之間的關系。

2.2 基于理論方法對實際項目進行參數計算

CBTC(基于通信的列車控制)系統對ATP的安全防護計算已有標準的定義，本文不再贅述，僅以此作為庫線設計長度對比的依據。表1為本文假設給定的典型車輛參數?；诒?的參數對實際項目中的vEB進行計算，計算時選擇場段內庫線作為列車的停車區域，線路坡度按平坡(坡度值為0)考慮。

表1 ATP安全防護計算所需的車輛參數取值

基于表1的參數取值，式(7)中各變量的取值為：R=1.04，g=9.8 m/s2，εh=0.006 m，t1=1.52 s，t2=1.00 s，a1=1.35 m/s2，a2=0 m/s2，T=0.20 s，vR=0.97,式(7)可演變為：

(8)

若vLIMIT=15 km/h，則vEB=6.82 km/h。按照此計算結果，對于雙列位停車庫線而言，只要將圖1中兩列車所停區段設置為能量監控禁止區域，并設置vEB<6.85 km/h，則不論d1和d4的長度如何，列車都可以實現自動入庫并精確停車。

3 結語

本文給出了FAO項目自動化場段內庫線長度設計的理論算法。該算法可以在場段土建條件緊張導致庫線長度不足的情況下，實現列車自動入庫并精確停車。更重要的是，在進行FAO項目自動化場段設計時，參考本文給出的算法進行庫線配線設計，可有效地節省土建成本。