市域鐵路信號系統(tǒng)對折返線長度的要求探討

彭傳賢

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司通信信號研究設(shè)計處，武漢 430063)

市域鐵路主要是為衛(wèi)星新城、外圍組團、遠郊區(qū)進入中心城區(qū)的乘客提供公共交通服務(wù)的鐵路客運系統(tǒng)。市域鐵路信號系統(tǒng)的選擇是根據(jù)線路的建設(shè)、運營、功能定位等確定，主要包括城市軌道交通ATC系統(tǒng)和國鐵CTCS-2+ATO系統(tǒng)。

不同信號系統(tǒng)技術(shù)方案，對土建的要求也不盡相同，特別是對折返線及安全距離長度的要求差別較大，不合理的設(shè)計將會影響車站規(guī)模，進而造成建設(shè)成本增加。由于現(xiàn)有的CTCS-2列控系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范對折返線及安全距離的長度已有詳細規(guī)定，本文著重研究市域鐵路ATC系統(tǒng)的折返線及安全距離長度。

1 研究背景

1.1 規(guī)范要求

(1)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2003)要求:“5.2.11折返線的有效長度，宜為遠期列車長度加40 m(不含車擋長度)”［1］。

(2)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)要求:“6.4.3∶7折返線、故障列車停車線有效長度(不含車擋長度)不應(yīng)小于表1的規(guī)定”［2］。

表1 折返線、停車線長度

盡端式折返線長度=列車長度+安全距離。是道岔前基本軌接縫中心至車擋。因為停車誤差和信號瞭望距離可以包括在安全距離內(nèi)。

貫通式折返線長度=(列車長度+停車誤差和信號瞭望距離(10 m))+安全距離。其中(列車長度+停車誤差和信號瞭望距離(10 m))是兩端基本軌接縫中心之間距離。

因此盡端式、貫通式折返線安全距離長度均為50 m。

1.2 存在的問題

(1)新舊規(guī)范的要求不同

雖然新舊規(guī)范安全距離長度的計算條件均為9號道岔，側(cè)向35 km/h限速，但計算結(jié)論分別為40 m和50 m，將給工程設(shè)計、建設(shè)帶來困惑。

(2)新版規(guī)范深入分析

①盡端式折返線原理如圖1所示。

盡端式折返線長度=列車長度+安全距離。是道岔前基本軌接縫中心至車擋的距離。工程實際中，列車右端停車誤差和信號瞭望距離可以包括在安全距離內(nèi)，但列車左端停車誤差、信號瞭望距離和計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間應(yīng)該考慮，因此，盡端式折返線長度=道岔前基本軌接縫中心至車擋距離=列車長度+安全距離+左端停車誤差和信號瞭望距離+計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間。

②貫通式折返線原理如圖2所示。

圖1 盡端式折返線原理(單位:m)

圖2 貫通式折返線原理(單位:m)

貫通式折返線長度=(列車長度+停車誤差和信號瞭望距離(10 m))+安全距離。其中(列車長度+停車誤差和信號瞭望距離(10 m))是兩端基本軌接縫中心之間距離。但工程實際中，存在兩點不同:一是兩端基本軌接縫中心之間距離=列車長度+停車誤差和信號瞭望距離+計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間;二是信號系統(tǒng)考慮安全距離時，應(yīng)該是從右端信號機至車檔的距離(含右端計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間)。

(3)適用的環(huán)境不同

《地鐵設(shè)計規(guī)范》安全距離長度的確定均基于9號道岔，側(cè)向通過速度為35 km/h計算確定，而市域鐵路與城市軌道交通存在較大的差異，即列車為市域車輛(全長140 m)、12號道岔、側(cè)向通過速度為45 km/h或50 km/h。安全距離應(yīng)設(shè)置多長，尚無規(guī)范要求。

2 折返線及安全距離長度研究

2.1 信號系統(tǒng)安全制動關(guān)鍵因素分析

(1)安全制動模型

圖3是安全距離示意，EB包絡(luò)曲線是緊急制動曲線，EB觸發(fā)曲線是緊急制動觸發(fā)曲線，ATO曲線為一個具有恒定減速度的常用制動曲線。

圖3 安全距離原理示意

圖4是安全制動模型，描述了EB觸發(fā)時，從超速發(fā)生直至EB以保證的減速率真正生效時最不利情況下的列車性能。包括下述部分:

圖4 安全制動模型

緊急制動輸出所需的反應(yīng)時間toutput;

解除列車牽引所需的反應(yīng)時間ttraction;

建立保證的EB制動率所需的反應(yīng)時間tcoasting。

(2)安全制動關(guān)鍵因素分析

①時間參數(shù)

安全制動模型時間參數(shù)主要包括了緊急制動輸出所需的反應(yīng)時間toutput，解除列車牽引所需的反應(yīng)時間ttraction，建立保證的EB制動率所需的反應(yīng)時間tcoasting3個關(guān)鍵參數(shù)。依據(jù)如下。

CBTC 車載設(shè)備的反應(yīng)時間為 0.07 ～0.75 s［3］;

車載信號設(shè)備自接收地面信息至完成處理的時間應(yīng)不大于 2 s［4］;

控制命令的反應(yīng)時間，即命令發(fā)出至被控系統(tǒng)開始執(zhí)行的時間應(yīng)小于或等于1 s［5］。

結(jié)合安全制動模型，考慮最不利因素，toutput為車載子系統(tǒng)的反應(yīng)時間，取0.75 s;解除列車牽引所需的反應(yīng)時間ttraction應(yīng)該為車載設(shè)備緊急制動輸出后至開始建立EB前，取1-0.75 s=0.25 s;因為車載設(shè)備從接收到信息到完成處理不大于2 s，因此tcoasting取2 s-1 s=1 s。

②速度參數(shù)

根據(jù)圖3，安全制動模型涉及3個速度值，分別為ATO速度Vo、EB觸發(fā)速度Vc及EB建立時的速度Ve。具體速度要根據(jù)線路條件、道岔類型等綜合決定。市域鐵路12號道岔過岔速度按固定轍岔45 km/h、可動心50 km/h計算，通過站臺區(qū)時按60 km/h控制。

③加速度參數(shù)

根據(jù)圖4，安全制動模型涉及最大牽引加速度gmax;最大常用制動減速度gmin;EB減速度ge;實際在計算安全距離長度時，將涉及到緊急制動保障率ga，其是決定安全距離長度的關(guān)鍵參數(shù)之一，由粘著系數(shù)、最高列車運行速度、列車偏重以及一節(jié)車輛失去制動所組成的“最不利條件”計算產(chǎn)生。

2.2 盡端式折返線及安全距離長度計算

本節(jié)以“專線4249”12號道岔，5 m線間距的交叉渡線為例，對盡端式折返線進行計算分析，具體配線形式如圖1所示。

(1)站臺端部至道岔岔心長度L4，可由以下距離構(gòu)成［2］。

站臺端-出站信號機距離:一般為3.5～5.0 m?？扇≈禐?.5 m;出站信號機-計軸器磁頭距離:B型車為2.2 m;計軸器磁頭-道岔基本軌縫中心距離:為2.4 m;列車停車誤差，已經(jīng)在站臺有效長度內(nèi)包含，不再另加;

以上合計為 3.5 m+2.2 m+2.4 m=8.1 m。

結(jié)論:道岔中心至站臺端距離8.1 m+16.59 m=24.69 m，取值為 L4=25.0 m。

(2)根據(jù)“專線4249”道岔圖，12號道岔5 m線間距時L3=60 m。

(3)列車運行場景如下描述:

列車從站臺啟動，以最大牽引加速度運行，加速到線路允許的最大速度或者是能保證列車在停車點停車的最大速度:Vmax=Vo;

列車按最大常用制動開始制動，剛好能保證列車停在停車點，運行的距離為D2;

若建立最大常用制動時失敗，列車速度達到EB觸發(fā)速度Vc;

列車建立EB，速度達到Ve，此時最不利條件產(chǎn)生，EB僅能保證緊急制動保障率;

列車沖出停車點，在安全距離內(nèi)停車。

(4)數(shù)學(xué)計算

①假設(shè)列車達到Vo時運行距離為D1，然后列車按(3)場景運行D2距離至停車點停車。其中列車運行D2分兩階段，一階段是最大常用制動建立過程中列車運行的距離，最大常用制動建立過程總時間為2 s，考慮常用制動建立過程中，列車速度尚未達到EB觸發(fā)速度，為簡化計算，可認為此階段列車速度恒定為Vo;另一階段為最大常用制動作用期間列車運行的距離，則

市域鐵路

市域鐵路

將式(2)、式(4)代入式(1)得

將式(5)代入式(3)得

將式(7)代入式(6)，得

求解式(8)，得 Vo=14 m/s(50.4 km/h)，從而可計算出:

②若繼續(xù)場景(3)，最大常用制動建立失敗，EB建立，但僅能保證緊急制動保障率，EB觸發(fā)速度Vc=Vo+gmax×0.75;解除牽引到開始建立 EB，Ve=Vc+gmax×0.25;惰行時間為1 s;EB建立后僅能保證緊急制動保障率ga，當動拖比為2時，取最不利條件下的值 0.78 m/s2，則

分別帶入上式

(5)上述分析中g(shù)a選取的是地鐵車輛的參數(shù)。市域鐵路車輛的ga最不利條件下，為0.75 m/s2，則L2=47.7 m?？紤]市域車輛平均啟動加速度gmax取0.8 m/s2帶來的誤差;常用制動過程中，為簡化計算，取恒定速度Vo帶來的誤差;時間參數(shù)的分配也是一種理想的分配，也將產(chǎn)生誤差等，為彌補誤差，將47.7 m放寬至50 m更為合適。則市域鐵路盡端式折返線的長度為軌縫至車檔的長度:L=左端計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間5 m+瞭望距離(3.5 m-5 m)+車長+安全距離50 m。

(6)若計算側(cè)向行車盡端式折返線長度，計算方法與(4)相同，需要考慮的是道岔的過岔速度限制，市域鐵路12號道岔過岔速度按固定轍岔45 km/h、可動心50 km/h計算。此時需要以此限速為EB建立的速度Ve，反算Vc、Vo，再計算折返線及安全距離長度，本文不再詳細計算。

2.3 貫通式折返線及安全距離長度計算數(shù)學(xué)模型

針對圖2的貫通式折返線，道岔設(shè)置為4249型12號道岔，其折返線及安全距離長度計算方法與2.2所述相同，除了需要考慮道岔的過岔速度控制外，還需考慮兩端的計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間及瞭望距離對總長度的影響。因為圖2右端的計軸、信號機及應(yīng)答器安裝空間可包含在安全距離內(nèi)，所以貫通式折返線長度為前道岔軌縫至車檔的距離:L=左端軌旁設(shè)備安裝空間5 m+左端瞭望距離5 m+車長+右端瞭望距離5 m+安全距離50 m。

3 結(jié)論

通過分析城市軌道交通折返線及安全距離長度的相關(guān)要求，根據(jù)市域鐵路與地鐵不同的特點，基于安全制動模型，分析關(guān)鍵因素，建立了市域鐵路折返線及安全距離長度計算的方法，并進行了典型分析。在市域鐵路大規(guī)模興建之際，對指導(dǎo)工程設(shè)計及節(jié)省工程投資具有積極意義。

［1］GB 50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50157—2013 地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］IEEE 1474.1 IEEE standard for Communications-Based Train Control(CBTC)performance and functional requirements［S］.

［4］周宇冠.關(guān)于市域快速軌道交通的思考［J］.鐵道標準設(shè)計，2012(9):22-26.

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

［6］中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通委員會文件2013［10］號，城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范-需求規(guī)范［S］.