軌道交通線路折返能力與信號(hào)系統(tǒng)

邱 奎

0 引言

線路運(yùn)營(yíng)能力是城市軌道交通工程設(shè)計(jì)中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需要認(rèn)真分析和計(jì)算，而折返線的列車(chē)折返能力是制約整個(gè)線路（環(huán)形線路除外）運(yùn)營(yíng)能力的關(guān)鍵。在軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，折返線線路的設(shè)置、道岔位置及型號(hào)的選擇、車(chē)輛性能等直接關(guān)系折返能力的大小，而信號(hào)系統(tǒng)的諸多參數(shù)同樣會(huì)對(duì)折返能力產(chǎn)生較大影響，在能力計(jì)算時(shí)是絕對(duì)需要引起重視的因素。

1 信號(hào)系統(tǒng)與折返能力相關(guān)的參數(shù)

折返能力取決于列車(chē)在折返線追蹤運(yùn)行時(shí)可能的最小間隔時(shí)間，與列車(chē)安全間隔控制及追蹤運(yùn)行直接相關(guān)。在軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，信號(hào)系統(tǒng)是指揮列車(chē)運(yùn)行、保障行車(chē)安全和提高行車(chē)效率的重要基礎(chǔ)裝備，線路折返時(shí)的安全間隔由信號(hào)系統(tǒng)分析計(jì)算后確定，列車(chē)的啟動(dòng)、加速、牽引、惰行及制動(dòng)全過(guò)程均由信號(hào)系統(tǒng)控制，可以看出，線路折返能力的大小與信號(hào)系統(tǒng)有緊密關(guān)系，信號(hào)系統(tǒng)的諸多參數(shù)可以直接決定線路折返能力。

工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行折返能力計(jì)算時(shí)，由于在城市軌道交通領(lǐng)域沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，各家設(shè)計(jì)院或咨詢(xún)公司采用的計(jì)算軟件不同，選取的技術(shù)參數(shù)特別是與信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)也不盡相同，造成折返能力計(jì)算值有偏差，某些線路甚至出現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值相差20%以上，對(duì)整個(gè)線路設(shè)計(jì)和最終的運(yùn)營(yíng)服務(wù)產(chǎn)生極為不利的影響。

線路折返能力的計(jì)算是對(duì)列車(chē)在折返線追蹤運(yùn)行全過(guò)程的分析和計(jì)算，從對(duì)列車(chē)的實(shí)際控制和運(yùn)行分析，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)折返能力產(chǎn)生影響的主要參數(shù)有以下幾方面。

1.1 列車(chē)運(yùn)行速度

由于列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)的存在，列車(chē)運(yùn)行速度被嚴(yán)格控制，如限速80 km/h的線路，為保證在任何不利的情況下絕對(duì)不碰撞80 km/h的限速“紅線”，列車(chē)緊急制動(dòng)觸發(fā)一般定義在78 km/h，常用制動(dòng)觸發(fā)定義在75 km/h（不同的信號(hào)系統(tǒng)有所區(qū)別），在信號(hào)列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)設(shè)置中，列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行速度被控制在72 km/h左右而不是人們以為的80 km/h（某些牽引計(jì)算軟件按該速度設(shè)置），其他道岔和曲線限速區(qū)ATO設(shè)置的運(yùn)行速度同樣需按等級(jí)下降。它也是信號(hào)系統(tǒng)備受垢病的地方，特別是在運(yùn)行效率不佳的線路上，該點(diǎn)存在很大爭(zhēng)議。但由于信號(hào)系統(tǒng)的職責(zé)就是在任何不利的情況下都需要絕對(duì)保證列車(chē)運(yùn)行安全，限界、曲線、車(chē)輛限速“紅線”不允許有任何可能突破，信號(hào)系統(tǒng)必須按該方式設(shè)置，方能確保列車(chē)運(yùn)行安全。在折返能力和線路運(yùn)營(yíng)能力分析時(shí)，列車(chē)運(yùn)行速度必須按照信號(hào)系統(tǒng)規(guī)定的運(yùn)行速度作為計(jì)算分析值才能準(zhǔn)確有效，并與實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)相符，否則將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

建標(biāo)104-2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》第五章第四十三條規(guī)定：列車(chē)在正線上最高運(yùn)行速度應(yīng)與車(chē)輛設(shè)計(jì)最高速度相符合，并允許瞬間超速5 km/h。同時(shí)條文解釋中說(shuō)明軌道、限界均可滿足車(chē)輛瞬間速度的要求，但在道岔和曲線限速區(qū)段不適用。這對(duì)正線區(qū)間列車(chē)運(yùn)行速度有一定的提高，但在折返線由于列車(chē)運(yùn)行主要是經(jīng)過(guò)道岔區(qū)，該條可以提高列車(chē)運(yùn)行速度的標(biāo)準(zhǔn)在折返線基本無(wú)法起到提高折返能力的作用。而比較致命的是，除環(huán)形線路外，線路折返能力往往直接決定了整條線路的運(yùn)營(yíng)能力。

1.2 進(jìn)路辦理時(shí)間

折返線列車(chē)進(jìn)行折返時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)需要為列車(chē)準(zhǔn)備進(jìn)路。在進(jìn)路建立過(guò)程中，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備主要的工作是轉(zhuǎn)換道岔至列車(chē)運(yùn)行的正確位置并鎖閉、檢查有無(wú)敵對(duì)進(jìn)路和信號(hào)、檢查區(qū)段空閑或鎖閉等，它們均要耗費(fèi)一定時(shí)間來(lái)完成。

分析進(jìn)路辦理時(shí)間需要研究2種進(jìn)路，一種是有道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路，另一種是無(wú)道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路，2種進(jìn)路辦理時(shí)間相差較大。

無(wú)道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理（系統(tǒng)自動(dòng)辦理，不考慮人工辦理方式）主要時(shí)間組成參考值見(jiàn)表1。

表1 無(wú)道岔轉(zhuǎn)換進(jìn)路辦理時(shí)間表

考慮系統(tǒng)和設(shè)備之間的差異，無(wú)道岔轉(zhuǎn)換進(jìn)路時(shí)間可以按6 s取值。

有道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路與無(wú)道岔轉(zhuǎn)換進(jìn)路辦理時(shí)間的差異在于系統(tǒng)輸出道岔轉(zhuǎn)換命令及電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作時(shí)間。由于電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)型號(hào)的不同，其轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間也不同，可選取地鐵中常用的幾種電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)作參考，其轉(zhuǎn)換時(shí)間如下：ZD6-D型＜5.5 s；ZDJ9型＜5.8 s；S700K型＜6.6 s。

不同線路選擇的轉(zhuǎn)轍機(jī)不同，有道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時(shí)間需要根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行取值。從目前新線建設(shè)選用的轉(zhuǎn)轍機(jī)類(lèi)型來(lái)看，國(guó)產(chǎn) ZDJ9型被選用比較多，在進(jìn)行能力分析時(shí)道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間可以取值6 s。加上道岔轉(zhuǎn)換命令的輸出及道岔狀態(tài)信息的采集時(shí)間，有道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時(shí)間可以考慮按無(wú)道岔轉(zhuǎn)換進(jìn)路辦理時(shí)間加8 s計(jì)算，即按14 s計(jì)算。

1.3 車(chē)載信號(hào)設(shè)備頭尾車(chē)轉(zhuǎn)換時(shí)間

列車(chē)在折返線折返時(shí)，需要更換端頭，原頭車(chē)改為尾車(chē)，列車(chē)車(chē)載信號(hào)設(shè)備也需要換端。由于信號(hào)車(chē)載設(shè)備控制原理、方式及硬件設(shè)備的不同，列車(chē)換端時(shí)間也是不相同的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和參考幾大信號(hào)供貨廠商提供的換端時(shí)間數(shù)據(jù)，車(chē)載信號(hào)設(shè)備頭尾車(chē)轉(zhuǎn)換時(shí)間可按12 s取值。

1.4 車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間

車(chē)載設(shè)備接收到軌旁發(fā)送過(guò)來(lái)列車(chē)控制信號(hào)后，車(chē)載計(jì)算機(jī)需進(jìn)行相應(yīng)處理并將命令發(fā)送給列車(chē)牽引制動(dòng)系統(tǒng)，加上命令發(fā)出后列車(chē)空走時(shí)間，需要考慮按2～3 s取值。

2 線路折返能力分析與計(jì)算

為詳細(xì)說(shuō)明線路折返能力與信號(hào)系統(tǒng)關(guān)系，可選擇一個(gè)典型的站后折返線進(jìn)行實(shí)例分析與計(jì)算，圖1為典型站示意圖。

圖1 典型折返車(chē)站示意圖

列車(chē)在折返線追蹤運(yùn)行時(shí)完整的折返過(guò)程包括以下幾方面：（1）系統(tǒng)辦理前車(chē)進(jìn)入1#站臺(tái)的進(jìn)路；（2）前車(chē)進(jìn)入車(chē)站1#站臺(tái)停車(chē)；（3）系統(tǒng)辦理前車(chē)進(jìn)入折返牽出線的進(jìn)路；（4）前車(chē)經(jīng)停站時(shí)間后啟動(dòng)并運(yùn)行至牽出線停車(chē)；（5）系統(tǒng)辦理前車(chē)進(jìn)入 2#站臺(tái)進(jìn)路；（6）前車(chē)換端后啟動(dòng)并運(yùn)行至 2#站臺(tái)停車(chē)；（7）前車(chē)經(jīng)停站時(shí)間后由2#站臺(tái)發(fā)車(chē)。

后車(chē)作為追蹤運(yùn)行列車(chē)，與前車(chē)的運(yùn)行過(guò)程完全一致。后車(chē)與前車(chē)的追蹤運(yùn)行間隔時(shí)間取決于前車(chē)的位置及信號(hào)系統(tǒng)安全間隔控制原則，也就是前車(chē)運(yùn)行至滿足后車(chē)安全追蹤的條件下方允許后車(chē)追蹤運(yùn)行，2列車(chē)追蹤運(yùn)行可能的最小間隔時(shí)間是計(jì)算的主要內(nèi)容。

從圖1的折返線路可以看出，2列車(chē)追蹤間隔時(shí)間需要完整模擬其運(yùn)行追蹤全過(guò)程，可以選取的關(guān)鍵間隔參考點(diǎn)有：（1）2列車(chē)進(jìn)入1#站臺(tái)停穩(wěn)的間隔時(shí)間；（2）2列車(chē)從1#站臺(tái)至牽出線發(fā)車(chē)時(shí)的間隔時(shí)間；（3）2列車(chē)由牽出線出發(fā)時(shí)的間隔時(shí)間；（4）2列車(chē)進(jìn)入2#站臺(tái)停穩(wěn)的間隔時(shí)間。

列車(chē)折返間隔時(shí)間由以上間隔時(shí)間比較的最大值決定，它也就是2列車(chē)可能的最小運(yùn)行間隔時(shí)間。比較所有的間隔時(shí)間需要逐條進(jìn)行間隔時(shí)間分析。

2.1 2列車(chē)進(jìn)入1#站臺(tái)停穩(wěn)的間隔時(shí)間

前車(chē)停穩(wěn)后，后車(chē)進(jìn)入1#站臺(tái)并停穩(wěn)需要經(jīng)過(guò)以下時(shí)間：

（1）前車(chē)1#站臺(tái)停站時(shí)間T1。在該期間信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)辦理前車(chē)進(jìn)入 1#站臺(tái)的進(jìn)路，一般情況下，停站時(shí)間會(huì)大于進(jìn)路辦理14 s時(shí)間，進(jìn)路辦理時(shí)間在這里被包含在停站時(shí)間內(nèi)。

（2）前車(chē)運(yùn)行出清 JZ2時(shí)間T2。在該折返線路條件下，后車(chē)如需進(jìn)入1#站臺(tái)，前車(chē)必須出清計(jì)軸設(shè)備JZ2，系統(tǒng)方可辦理后車(chē)接車(chē)進(jìn)路。

（3）系統(tǒng)辦理后車(chē)接車(chē)進(jìn)路時(shí)間T3。在保證后車(chē)進(jìn)入站臺(tái)且需不影響前車(chē)?yán)^續(xù)往 2#站臺(tái)折返運(yùn)行，需要將進(jìn)入牽出線的道岔轉(zhuǎn)換至直股位置，所以其進(jìn)路辦理時(shí)間是有道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路14 s，同時(shí)可辦理前車(chē)進(jìn)入2#站臺(tái)的進(jìn)路。

（4）后車(chē)車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間T4。

（5）后車(chē)從區(qū)間安全距離外運(yùn)行至1#站臺(tái)時(shí)間T5。該時(shí)間取決于列車(chē)在區(qū)間的運(yùn)行速度、制動(dòng)距離等決定的安全距離，并從安全距離外運(yùn)行至1#站臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間。

則列車(chē)間隔時(shí)間T=T1+T2+T3+T4+T5。

2.2 2列車(chē)從1#站臺(tái)至牽出線發(fā)車(chē)時(shí)的間隔時(shí)間

前車(chē)從 1#站臺(tái)發(fā)車(chē)至牽出線后，后車(chē)如從 1#站臺(tái)發(fā)車(chē)需要經(jīng)歷的時(shí)間包括：

（1）前車(chē)運(yùn)行至牽出線停穩(wěn)時(shí)間T1。

（2）系統(tǒng)辦理前車(chē)至2#站臺(tái)進(jìn)路時(shí)間T2。同時(shí)列車(chē)在該時(shí)進(jìn)行換端，如果列車(chē)換端時(shí)間大于進(jìn)路辦理時(shí)間，該值需要按列車(chē)換端時(shí)間計(jì)算。

（3）前車(chē)車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間T3。

（4）前車(chē)自牽出線向 2#站臺(tái)運(yùn)行出清 JZ3時(shí)間T4。只有出清該點(diǎn)，系統(tǒng)方可辦理后車(chē)至牽出線的進(jìn)路。

（5）系統(tǒng)辦理后車(chē)至牽出線進(jìn)路時(shí)間T5。

（6）后車(chē)車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間T6。

則列車(chē)間隔時(shí)間T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.3 2列車(chē)由牽出線出發(fā)時(shí)的間隔時(shí)間

2列車(chē)由牽出線出發(fā)的間隔時(shí)間組成：

（1）前車(chē)自牽出線向 2#站臺(tái)運(yùn)行出清 JZ3時(shí)間T1。

（2）系統(tǒng)辦理后車(chē)至牽出線進(jìn)路時(shí)間T2。

（3）后車(chē)車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間T3。

（4）后車(chē)運(yùn)行至牽出線停穩(wěn)時(shí)間T4。

（5）系統(tǒng)辦理后車(chē)至2#站臺(tái)進(jìn)路時(shí)間T5。

（6）后車(chē)車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間T6。

則列車(chē)間隔時(shí)間T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.4 2列車(chē)進(jìn)入2#站臺(tái)停穩(wěn)的間隔時(shí)間

2列車(chē)進(jìn)入2#站臺(tái)停穩(wěn)的間隔時(shí)間組成：

（1）前車(chē)2#站臺(tái)停站時(shí)間T1。在該期間前辦理前車(chē)由2#站臺(tái)出發(fā)的進(jìn)路。

（2）前車(chē)由2#站臺(tái)出發(fā)并離開(kāi)防護(hù)區(qū)時(shí)間T2。只有前車(chē)離開(kāi)防護(hù)區(qū)后，系統(tǒng)方可辦理后車(chē)由牽出線至2#站臺(tái)進(jìn)路。

（3）系統(tǒng)辦理后車(chē)由牽出線至2#站臺(tái)進(jìn)路時(shí)間T3。

（4）后車(chē)車(chē)載設(shè)備信號(hào)反應(yīng)時(shí)間T4。

（5）后車(chē)由牽出線運(yùn)行至2#站臺(tái)停穩(wěn)時(shí)間T5。

則列車(chē)間隔時(shí)間T=T1+T2+T3+T4+T5。

在圖1的折返線路中，選取以上4個(gè)關(guān)鍵參考點(diǎn)并比較即可計(jì)算出列車(chē)追蹤間隔時(shí)間。由于折返線線路條件不同，選取的參考點(diǎn)會(huì)有所不同，需要根據(jù)實(shí)際線路情況進(jìn)行分析，必要時(shí)可能需要進(jìn)行3列車(chē)追蹤分析，方可計(jì)算出準(zhǔn)確間隔時(shí)間。

以上的分析計(jì)算說(shuō)明了如何確定列車(chē)追蹤間隔時(shí)間，并詳細(xì)分析了其時(shí)間組成，這是一種靜態(tài)分析方法，計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間比較多。在實(shí)際折返能力計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)能力分析軟件畫(huà)出列車(chē)在折返線全部的運(yùn)行時(shí)間曲線，模擬2列車(chē)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行，并標(biāo)注出關(guān)鍵信號(hào)點(diǎn)，直接在軟件生成圖上查出折返間隔時(shí)間。在無(wú)相關(guān)軟件情況下，也可用CAD繪圖方式實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖2。

圖2 折返能力分析圖

圖 2中將列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的所有時(shí)間序列用等值的橫線表示，模擬2列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行。圖中豎直線是限制辦理進(jìn)路的條件，只有在豎直線時(shí)間后即滿足下一條進(jìn)路辦理的條件后后續(xù)相關(guān)進(jìn)路方可辦理，后續(xù)列車(chē)可以追蹤運(yùn)行，這樣可以直接在圖上測(cè)出2列車(chē)間的追蹤最大間隔時(shí)間，也就是所需要的折返間隔時(shí)間。

3 提高線路折返能力的手段

線路折返能力取決于折返線線路的布置、列車(chē)性能、信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)、列車(chē)停站時(shí)間等綜合因素。

3.1 合理的線路布置

影響線路折返能力最關(guān)鍵的因素是線路布置，在其他條件相對(duì)穩(wěn)定和挖潛不足的情況下，合理的線路布置是提高線路折返能力的最直接有效手段。國(guó)內(nèi)地鐵線路在折返線路布置時(shí)采用了很多方法，如盡頭式、貫通式、混合式等線路方案，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)線路實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求合理選擇布置。

3.2 盡可能減少列車(chē)站停時(shí)間

在進(jìn)行折返能力分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)列車(chē)在終端站的停站時(shí)間會(huì)直接影響線路折返能力，所以在不影響乘客上下車(chē)的條件下盡可能減少站停時(shí)間對(duì)折返能力的提高有著顯著作用。

3.3 優(yōu)秀的列車(chē)牽引和制動(dòng)性能

列車(chē)在折返線運(yùn)行時(shí)，列車(chē)加速和制動(dòng)過(guò)程在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)占用了非常大的比例，列車(chē)牽引和制動(dòng)性能即列車(chē)加速率和制動(dòng)率也就直接決定了列車(chē)在折返線的走行時(shí)間，列車(chē)性能的提高可直接改善列車(chē)走行時(shí)間，同時(shí)也會(huì)提高折返能力。

3.4 選擇反應(yīng)更快的信號(hào)設(shè)備

在以上折返能力分析時(shí)，從信號(hào)專(zhuān)業(yè)角度對(duì)影響折返能力的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)分析，可以明顯看出，反應(yīng)時(shí)間更快的信號(hào)設(shè)備如電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)、車(chē)地通信設(shè)備、系統(tǒng)主控制器等會(huì)影響進(jìn)路辦理時(shí)間，同樣會(huì)直接影響線路折返能力，在設(shè)備選擇時(shí)也是一個(gè)不可忽視的因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

線路折返能力是影響城市軌道交通線路運(yùn)營(yíng)能力的重要參數(shù)，在線路設(shè)計(jì)中需認(rèn)真分析，綜合各相關(guān)專(zhuān)業(yè)如線路、運(yùn)營(yíng)、車(chē)輛、信號(hào)等進(jìn)行細(xì)致研究，并科學(xué)決策，滿足線路實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求，保障都市居民的出行便利并有效緩解城市交通壓力。

[1]GB/T12758-2004 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].

[2]GB 50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[3]建標(biāo)104-2008 城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[S].