基于車(chē)車(chē)通信列控系統(tǒng)的城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行效率分析

鄧志翔 王 成 徐 軍 姜 西

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 430063, 武漢;2.溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司, 325088, 溫州)

近年來(lái),隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展,具有通信速率高、時(shí)延小、抗干擾能力強(qiáng)、移動(dòng)接入性強(qiáng)的新型無(wú)線通信技術(shù)在城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“城軌”)CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用,并助推了新一代列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“列控系統(tǒng)”)的發(fā)展,T2T(車(chē)車(chē)通信)的列控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前,T2T列控系統(tǒng)處于萌芽階段:深圳地鐵20號(hào)線是我國(guó)首條T2T工程項(xiàng)目,已于2021年底開(kāi)通運(yùn)營(yíng);青島地鐵6號(hào)線也已完成信號(hào)集成招標(biāo),正處于如火如荼的建設(shè)階段。現(xiàn)階段,T2T列控技術(shù)有望成為下一代城軌列控系統(tǒng)的主流發(fā)展方向[1]。

1 T2T列控系統(tǒng)的基本原理與特點(diǎn)

1.1 列車(chē)自主控制原理

T2T列控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,強(qiáng)調(diào)列車(chē)通過(guò)自身的感知手段實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行控制。T2T列控系統(tǒng)通過(guò)列車(chē)自主定位、自主測(cè)速、自主檢測(cè)軌旁資源狀態(tài)[2-3],按照ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)發(fā)送的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃,自主規(guī)劃列車(chē)運(yùn)行路徑,與前后車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,確定列車(chē)周?chē)恼系K物信息,從而計(jì)算自身的移動(dòng)授權(quán),管理本列車(chē)的運(yùn)行曲線,確定列車(chē)運(yùn)行速度,實(shí)現(xiàn)列車(chē)高效安全的運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

具備自主控制能力的T2T列控系統(tǒng),對(duì)軌旁資源的控制和管理更加合理化。每列車(chē)所具備的獨(dú)立性和自主性,可以更好地體現(xiàn)其功能與性能。

1) 對(duì)線路和道岔資源的管理更加精細(xì)。線路資源的分辨率更高,可管理的資源顆粒度更小,從而有利于提高單位空間內(nèi)的資源利用率。對(duì)于道岔資源,T2T列控系統(tǒng)可對(duì)每組道岔獨(dú)立操作,進(jìn)而提高行車(chē)效率。道岔資源劃分如圖1所示。在同等土建規(guī)模下,為超大運(yùn)量需求的工程線路提供了新的列控系統(tǒng)解決方案。

圖1 道岔資源劃分示意圖

2) 降低系統(tǒng)間的耦合度。線路上每列車(chē)均采用自主化控制方式,車(chē)載設(shè)備與軌旁設(shè)備的耦合度降低,設(shè)備的兼容性、通用性得到了增強(qiáng),具備了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)互通和資源共享的系統(tǒng)屬性。另一方面,在線路延伸、既有線改造等項(xiàng)目中,T2T列控系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

3) 提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。T2T列控系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)性降低,因此每個(gè)子系統(tǒng)自身的可擴(kuò)展得到了提高,具備向智能調(diào)度、智能運(yùn)維、綜合交通樞紐云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等方向發(fā)展的潛力,為智慧城軌的發(fā)展提供了技術(shù)平臺(tái)。

總體而言,T2T列控系統(tǒng)在折返能力和區(qū)間追蹤能力方面有著較大的提升。本文將從上述兩方面對(duì)T2T列控系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。

2 折返能力分析

2.1 折返能力的影響因素

在城軌折返作業(yè)過(guò)程中,對(duì)于折返能力的主要影響因素包括[4]:

1) 列車(chē)選型及編組。城軌中的列車(chē)選型和列車(chē)編組一般根據(jù)客流預(yù)測(cè)和土建投資規(guī)模來(lái)確定。列車(chē)編組越多,列車(chē)長(zhǎng)度越長(zhǎng),列車(chē)折返時(shí)的走行距離越長(zhǎng),耗時(shí)也越長(zhǎng)。

2) 站臺(tái)至折返軌的距離。一般情況下,站臺(tái)與折返軌的間距越小越好,這樣可以減少列車(chē)折返過(guò)程中的空走距離,從而減小折返時(shí)間。

3) 折返軌長(zhǎng)度。折返軌長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成土建投資規(guī)模上升;若過(guò)短則導(dǎo)致列車(chē)安全防護(hù)距離不足,從而列車(chē)駛?cè)胝鄯弟壍乃俣绕?使得折返時(shí)間變長(zhǎng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)成為全線運(yùn)營(yíng)的瓶頸,導(dǎo)致運(yùn)能下降。因此,折返軌的長(zhǎng)度應(yīng)在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下,結(jié)合列控系統(tǒng)的實(shí)際需求,取得土建投資和折返效率的平衡。

4) 折返線道岔側(cè)向限速。折返線采用的道岔型號(hào)不同,則側(cè)向限速也不同。道岔號(hào)越大,道岔長(zhǎng)度越長(zhǎng),土建成本越高,列車(chē)通行速度也相對(duì)更高,因此折返線上道岔的選擇也需取得土建投資和折返效率的平衡。

5) 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。折返過(guò)程中的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間主要包括進(jìn)路辦理時(shí)間、車(chē)載列控系統(tǒng)換端時(shí)間、列車(chē)牽引/制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等。

綜上所述,在車(chē)輛選型及編組(含牽引/制動(dòng)系統(tǒng)性能)、道岔選型、土建規(guī)模確定的前提條件下,列控系統(tǒng)主要通過(guò)優(yōu)化進(jìn)路辦理方式,來(lái)進(jìn)一步縮短折返時(shí)間,提高折返效率。

2.2 站后折返能力分析

以常規(guī)城軌方案中寬13 m的島式站臺(tái)(線間距16 m)站后交叉渡線折返線方案的站場(chǎng)布局為例,并輔以6節(jié)編組B車(chē)型,即列車(chē)長(zhǎng)度和站臺(tái)有效長(zhǎng)度均按120 m考慮,采用60 kg/m鋼軌、 9號(hào)道岔,岔心距離有效站臺(tái)端部21 m。

2.2.1 CBTC系統(tǒng)站后折返能力

按照CBTC系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)備布置原則,本站的信號(hào)設(shè)備布置如圖2所示。有效站臺(tái)端或列車(chē)精確停車(chē)后列車(chē)端部距離信號(hào)機(jī)按5 m計(jì),信號(hào)機(jī)與計(jì)軸間距為2 m,此時(shí)交叉渡線兩端計(jì)軸間距為171 m,并采用雙動(dòng)道岔控制邏輯。

注:A為計(jì)軸;W為道岔;S為上行線信號(hào)機(jī);X為下行線信號(hào)機(jī);P為列車(chē)進(jìn)站的干擾點(diǎn)。

圖2中的P點(diǎn)為當(dāng)前車(chē)駛向折返軌并出清站臺(tái)防護(hù)區(qū)段后,后車(chē)辦理站臺(tái)接車(chē)進(jìn)路到達(dá)的位置。CBTC系統(tǒng)下列車(chē)站后折返仿真參數(shù),如表1所示。

表1 CBTC系統(tǒng)下列車(chē)站后折返仿真參數(shù)

CBTC系統(tǒng)下列車(chē)站后折返的流程如下:

1) 當(dāng)前車(chē)從站臺(tái)①行駛至折返軌②處(即列車(chē)最后一個(gè)輪對(duì)越過(guò)A08計(jì)軸,考慮到列車(chē)越過(guò)A08計(jì)軸至列車(chē)在折返軌②處停車(chē)的時(shí)間間隔很短,在本仿真中忽略不計(jì))時(shí),后車(chē)進(jìn)站的接車(chē)防護(hù)進(jìn)路便可重新建立,后車(chē)剛好達(dá)到干擾點(diǎn)P。

2) 當(dāng)前車(chē)從折返軌②行駛至另一側(cè)站臺(tái)③處停車(chē)時(shí)(同理,此處將列車(chē)最后一個(gè)輪對(duì)越過(guò)A04計(jì)軸至停車(chē)的時(shí)間予以忽略),CBTC系統(tǒng)即可重新辦理從站臺(tái)①至折返軌②的進(jìn)路,后車(chē)開(kāi)始從站臺(tái)①起動(dòng)向折返軌②發(fā)車(chē)。

3) 當(dāng)前車(chē)在另一側(cè)站臺(tái)③停站上客,且起動(dòng)發(fā)車(chē)出清外方保護(hù)區(qū)段(即列車(chē)最后一個(gè)輪對(duì)越過(guò)A01計(jì)軸)后,CBTC系統(tǒng)即可重新辦理由折返軌②至站臺(tái)③的折出進(jìn)路,后車(chē)開(kāi)始向站臺(tái)③發(fā)車(chē)。

CBTC系統(tǒng)下列車(chē)站后折返流程示意,如圖3所示。

注:t1—t10分別代表相應(yīng)作業(yè)項(xiàng)目的作業(yè)時(shí)間。

通過(guò)表1和相關(guān)參數(shù)的仿真計(jì)算,可得到:t1=t7=t10=12.0 s,t2=22.2 s,t3=40.0 s,t4=40.5 s,t5=15.0 s,t6=35.5 s,t8=30.0 s,t9=22.5 s,此時(shí)站臺(tái)接車(chē)間隔T1為114.7 s。站臺(tái)發(fā)車(chē)至折返軌間隔T2為103 s,折返軌發(fā)車(chē)至站臺(tái)間隔T3為100 s。

故在該站型條件下,采用CBTC系統(tǒng)的站后折返間隔為114.7 s。

2.2.2 T2T列控系統(tǒng)站后折返能力

按照T2T列控系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)據(jù)配置要求,將道岔劃分為可動(dòng)范圍和側(cè)防范圍。本文仿真計(jì)算中,定義信號(hào)系統(tǒng)的模糊區(qū)段長(zhǎng)度為3 m。則在岔區(qū)運(yùn)行時(shí),車(chē)載ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù))所判定的道岔數(shù)據(jù)如圖4所示。

注:C為ATP中的側(cè)沖防護(hù)點(diǎn);D為ATP中的可動(dòng)軌防護(hù)點(diǎn)。

本文將岔尖至岔內(nèi)第一軌縫視為道岔可動(dòng)區(qū)域,其長(zhǎng)度約10.7 m;設(shè)備限界暫按2.1 m計(jì)算,則岔尖至警沖標(biāo)約48.4 m,所有道岔按照單動(dòng)道岔進(jìn)行控制。站后折返線T2T列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)配置如圖5所示。

注:C1、C2分別為W01、W02道岔側(cè)向岔根側(cè)沖防護(hù)點(diǎn);C3為W02道岔直向岔根側(cè)沖防護(hù)點(diǎn);D1、D2分別為W01、W02道岔側(cè)向岔根可動(dòng)軌防護(hù)點(diǎn);D3為W02道岔直向岔根可動(dòng)軌防護(hù)點(diǎn)。

站后折返線T2T列控系統(tǒng)的仿真參數(shù),如表2所示。

表2 站后折返線T2T列控系統(tǒng)仿真參數(shù)

T2T列控系統(tǒng)的列車(chē)折返流程如下:

1) 在折返站對(duì)于接車(chē)而言,可根據(jù)與折返站臺(tái)相連的道岔W01位置申請(qǐng)相應(yīng)的資源,使得站臺(tái)接車(chē)能力與正線的追蹤間隔相接近。

2) 對(duì)于從站臺(tái)①至折返軌②的折入流程而言,車(chē)車(chē)通信列控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在側(cè)沖區(qū)域外方的追蹤運(yùn)行,由于道岔W02的側(cè)沖區(qū)域、可動(dòng)區(qū)域等資源均分配給前車(chē),因此后車(chē)最遠(yuǎn)僅能運(yùn)行至道岔W02的側(cè)沖區(qū)域外方(C2點(diǎn)左側(cè));當(dāng)前車(chē)出清道岔W02的岔尖可動(dòng)區(qū)域后,前車(chē)便可向軌旁申請(qǐng)W02道岔的定位資源,在道岔轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)前車(chē)在折返軌完成換端,待W02道岔轉(zhuǎn)動(dòng)到定位后,前車(chē)便獲得了W02道岔出折返軌的可動(dòng)區(qū)域資源,前車(chē)便可執(zhí)行折出任務(wù)至另一側(cè)站臺(tái)③停車(chē)。

3) 當(dāng)前車(chē)出清W02道岔可動(dòng)區(qū)域(D3點(diǎn))后,后車(chē)便可申請(qǐng)W02道岔的可動(dòng)資源,使W02道岔從定位轉(zhuǎn)向反位;當(dāng)前車(chē)出清W02道岔的側(cè)沖區(qū)域(C3點(diǎn))后,后車(chē)便可申請(qǐng)并獲得W02道岔的側(cè)沖資源,使其從W02道岔側(cè)沖區(qū)域外向折返軌②運(yùn)行。

4) 待前車(chē)停站時(shí)間結(jié)束后,列車(chē)即可發(fā)車(chē)駛向下一站,整個(gè)折返過(guò)程完成。

T2T列控系統(tǒng)下站后折返線關(guān)鍵道岔W02側(cè)沖資源的獲取和釋放流程如圖6所示。

注:a1—a5分別代表相應(yīng)作業(yè)項(xiàng)目的作業(yè)時(shí)間。

T2T列控系統(tǒng)下站后折返線關(guān)鍵道岔W02可動(dòng)資源的獲取和釋放流程如圖7所示。

注:b1—b6分別代表相應(yīng)作業(yè)項(xiàng)目的作業(yè)時(shí)間。

綜上所述,T2T列控系統(tǒng)的站后折返間隔為82.0 s。

2.3 站前折返能力分析

以常規(guī)城軌方案中寬10.5 m的島式站臺(tái)(線間距為13.5 m)站前單渡線折返方案的站場(chǎng)布局為例,以6節(jié)編組B車(chē)型、60 kg/m鋼軌、9號(hào)道岔為對(duì)象進(jìn)行仿真分析。

2.3.1 CBTC系統(tǒng)站前折返能力

按照CBTC系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)備布置原則,本站的信號(hào)設(shè)備布置如圖8所示。

注:ST040608、ST050607、T0305為軌道區(qū)段。

站前折返線CBTC系統(tǒng)仿真參數(shù)中,計(jì)軸A05與A07的距離取100 m,站臺(tái)停站(含換端、進(jìn)路辦理)時(shí)間取60 s,其余參數(shù)與表1一致。

站前折返流程較為簡(jiǎn)單,主要是對(duì)于道岔區(qū)段的進(jìn)路辦理。CBTC系統(tǒng)下站前折返流程,如圖8所示。折返間隔主要受限于軌道區(qū)段ST040608、ST050607和T0305的占用和出清情況。上述關(guān)鍵區(qū)段的占用和出清流程如圖9所示。

注:分別代表相應(yīng)作業(yè)項(xiàng)目的作業(yè)時(shí)間。

通過(guò)表1和相關(guān)參數(shù)的仿真計(jì)算,可得到:t1=12.0 s,t2=30.4 s,t3=60.0 s,t4=22.6 s,則CBTC系統(tǒng)的站前折返間隔T為125.0 s。

2.3.2 T2T列控系統(tǒng)站前折返能力

按照T2T列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)配置要求,站前折返線的列控?cái)?shù)據(jù)配置如圖10所示。

圖10 站前折返線T2T列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)配置示意圖

站前折返線T2T列控系統(tǒng)仿真參數(shù)中,站臺(tái)停站(含換端、道岔動(dòng)作)時(shí)間取60 s,其余參數(shù)與表2一致。

T2T列控系統(tǒng)下站前折返線關(guān)鍵道岔W02側(cè)沖資源的獲取和釋放流程如圖11所示。

注:分別代表相應(yīng)作業(yè)項(xiàng)目的作業(yè)時(shí)間。

T2T列控系統(tǒng)下站前折返線關(guān)鍵道岔W02可動(dòng)資源的獲取和釋放流程如圖12所示。

注:分別代表相應(yīng)作業(yè)項(xiàng)目的作業(yè)時(shí)間。

綜上所述,T2T列控系統(tǒng)的站前折返間隔為107.2 s。

3 區(qū)間及車(chē)站追蹤能力分析

列車(chē)在區(qū)間和車(chē)站內(nèi)的追蹤能力,與列控系統(tǒng)的安全防護(hù)模型原理密切相關(guān)。傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)采用的是前后車(chē)相對(duì)位置安全防護(hù)原理,而基于T2T的列控系統(tǒng)則依托于強(qiáng)大的無(wú)線通信技術(shù),采用的是相對(duì)速度安全防護(hù)原理。

3.1 前后車(chē)相對(duì)位置安全防護(hù)原理

CBTC系統(tǒng)的理論架構(gòu)采用區(qū)域集中控制方式,利用相對(duì)位置安全防護(hù)原理實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)閉塞,并一直沿用至今。前后車(chē)相對(duì)位置安全防護(hù)原理如圖13所示,后車(chē)運(yùn)行的防護(hù)點(diǎn)為當(dāng)前時(shí)刻前車(chē)的尾部,因此列車(chē)在區(qū)間追蹤時(shí),前后兩車(chē)之間的位置間隔必須大于后車(chē)的緊急制動(dòng)距離與安全防護(hù)距離之和。按照目前的實(shí)際情況,CBTC系統(tǒng)下列車(chē)的區(qū)間追蹤間隔可以達(dá)到90 s。

圖13 前后車(chē)相對(duì)位置安全防護(hù)原理

3.2 相對(duì)速度安全防護(hù)原理

隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異,以及無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,曾經(jīng)的技術(shù)難題已不再是困擾列控技術(shù)發(fā)展的瓶頸。在技術(shù)條件成熟的當(dāng)下,T2T列控系統(tǒng)則采用了相對(duì)速度安全防護(hù)原理[6](見(jiàn)圖14)。

圖14 前后車(chē)相對(duì)速度安全防護(hù)原理

理論上,只要列車(chē)的響應(yīng)速度足夠快,無(wú)線通信延遲足夠小,前后列車(chē)之間運(yùn)行的同步性就能更好,其列車(chē)之間的追蹤間隔距離則可更小。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的仿真結(jié)論可知,在通信延遲為0.1 s,列車(chē)最大運(yùn)行速度為80 km/h,前后列車(chē)速度誤差為2 km/h的前提下,列車(chē)在區(qū)間的最小追蹤間隔距離為87.7 m,最小追蹤間隔約為4 s。在T2T列控系統(tǒng)實(shí)際工程方案中,相對(duì)速度安全防護(hù)原理可以使列車(chē)之間的追蹤間隔進(jìn)一步縮小,從而進(jìn)一步提高線路的通過(guò)能力和運(yùn)營(yíng)效率。

然而考慮到實(shí)際客流情況、工程投資、運(yùn)行能耗、車(chē)站停車(chē)等綜合因素,線路上的列車(chē)實(shí)際追蹤間隔應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。

3.3 車(chē)站追蹤能力

現(xiàn)階段,大部分工程中的列車(chē)編組長(zhǎng)度與車(chē)站站臺(tái)長(zhǎng)度相同,因此即使區(qū)間運(yùn)行時(shí)兩列車(chē)可以無(wú)限靠近,但在車(chē)站范圍內(nèi),仍只能停靠1列列車(chē)。列車(chē)在車(chē)站的追蹤能力必須按照先后進(jìn)站的方式進(jìn)行仿真計(jì)算。車(chē)站追蹤示意圖如圖15所示。

圖15 車(chē)站追蹤示意圖

以表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算,前車(chē)出站是個(gè)變加速過(guò)程,后車(chē)進(jìn)站是勻減速過(guò)程。兩車(chē)之間的間距是一個(gè)變小再變大的過(guò)程,只有當(dāng)前后車(chē)速度相等時(shí),兩車(chē)之間的間距最小。前后車(chē)車(chē)站追蹤速度曲線如圖16所示。圖16中,在站臺(tái)區(qū)域前車(chē)加速出站行進(jìn)的距離要大于后車(chē)減速進(jìn)站在站臺(tái)區(qū)域行進(jìn)的距離,即S1≥S2(S1為△EFO的面積;S2為梯形HGFO的面積)。當(dāng)兩者面積相等時(shí),后車(chē)追上前車(chē)。

圖16 前后車(chē)車(chē)站追蹤速度曲線圖

通過(guò)計(jì)算可知:在tsec,0時(shí)刻,前車(chē)起動(dòng)并加速出站;經(jīng)過(guò)6.6 s,即在tsec,1=tsec,0+6.6 s時(shí)刻,后車(chē)車(chē)頭進(jìn)入站臺(tái)區(qū);經(jīng)過(guò)11.1 s,即在tsec,2=tsec,0+11.1 s時(shí)刻,前后兩車(chē)車(chē)速相等,約為40 km/h,且兩車(chē)間距達(dá)到最小;經(jīng)過(guò)22.2 s,即在tsec,3=tsec,0+22.2 s時(shí)刻,后車(chē)在站臺(tái)停車(chē)。

若停站時(shí)間按照35 s考慮,則理想狀態(tài)下車(chē)站追蹤間隔為57.2 s,可視其為列車(chē)在區(qū)間的追蹤間隔。實(shí)際工程中,前后兩車(chē)之間必須考慮安全防護(hù)距離、通信延時(shí)等客觀因素,因此,T2T列控系統(tǒng)應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)約70 s的車(chē)站追蹤間隔。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的詳細(xì)分析,T2T列控系統(tǒng)從系統(tǒng)架構(gòu)、安全防護(hù)原理等層面進(jìn)行了全方位優(yōu)化,其站后折返間隔為82.0 s,站前折返間隔為107.2 s,區(qū)間追蹤間隔為70.0 s;相較于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng),T2T列控系統(tǒng)在各項(xiàng)指標(biāo)上均有較大幅度的提升。隨著T2T列控系統(tǒng)在更多項(xiàng)目上得到應(yīng)用,其方案、架構(gòu)、軟件實(shí)現(xiàn)及工程實(shí)施等方面必將日益成熟,其在系統(tǒng)架構(gòu)與運(yùn)行性能方面的優(yōu)勢(shì),將為超大運(yùn)量需求的城軌列控系統(tǒng)解決方案提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。