安全距離長度對站前折返能力的影響分析

魯秋子

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安全距離長度對站前折返能力的影響分析

魯秋子

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

折返站是限制軌道交通線路運(yùn)營能力的關(guān)鍵點(diǎn)，因此折返站的設(shè)置在地鐵設(shè)計過程中至關(guān)重要。鑒于目前建設(shè)過程中車站尾部常常受到建設(shè)規(guī)模的制約，從信號系統(tǒng)設(shè)計的角度就站前折返安全距離長度對站前折返能力的影響進(jìn)行分析。首先根據(jù)IEEE制定的CBTC系統(tǒng)安全制動模型，推導(dǎo)安全距離計算模型，根據(jù)計算模型得出安全距離縮短后對信號系統(tǒng)ATO控制列車運(yùn)行的影響。其次，通過仿真模擬列車站前折返全過程，繪制折返時間圖解，研究站前折返能力的受制因素，分析列車安全距離縮短后對折返時間間隔的影響。最后，從信號系統(tǒng)設(shè)計的角度提出在安全距離受限的情況下有效、合理的解決方案。

城市軌道交通；安全距離；站前折返；折返能力；信號系統(tǒng)

1 研究背景

站前折返，是指列車經(jīng)由站前渡線進(jìn)行折返作業(yè)。由于在折返過程中占用區(qū)間的正線，影響后續(xù)列車的閉塞，對行車安全保障的要求較高，在地鐵設(shè)計中并不常用[1-3]。但是在建設(shè)過程中，車站尾部常常受到建筑物或者地質(zhì)條件等的限制。鑒于站前折返渡線設(shè)置在車站前部，可以在一定程度上減小土建規(guī)模，該方式在地鐵線路中應(yīng)用的越來越多。目前北京地鐵13號線西直門站、北京地鐵亦莊線宋家莊站、重慶地鐵1號線朝天門站等都采用了站前折返的方式。

根據(jù)目前設(shè)計過程中的施工配合情況，車站安全距離有時會受建設(shè)規(guī)模的限制，不能滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范》中的要求。土建、線路在折返站所提供的邊界條件，又直接控制了列車自動控制系統(tǒng)所能提供的折返站的折返能力[4]。過短的安全距離不利于信號系統(tǒng)控制列車，過長的安全距離則會影響站后盡頭線的設(shè)計，增加土建成本。因此，需要信號專業(yè)分析確認(rèn)站后安全距離長度對行車安全及站前折返能力的影響。

由于地鐵運(yùn)行過程中，對于終端站折返能力要求較高，實際建設(shè)中安全距離的范圍一般不會小于40 m，因此不考慮安全距離縮短至極短情況下的站前折返。

2 信號系統(tǒng)控制方案

在軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)是指揮列車運(yùn)行，保障行車安全和提高行車效率的重要基礎(chǔ)裝備[5]。目前，基于通信的列車控制系統(tǒng)（communication based train control，CBTC）已成為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[6]，是目前信號系統(tǒng)主流技術(shù)制式。在列車自動控制系統(tǒng)中，ATP（automatic train protection）子系統(tǒng)進(jìn)行速度監(jiān)督和超速防護(hù)，ATO（automatic train operation）子系統(tǒng)則在ATP子系統(tǒng)的防護(hù)下工作，控制列車自動運(yùn)行。為減少人為因素干擾，通常采用ATO自動折返。在ATO駕駛模式下，列車可在無人參與的情況下以較高的速度，緊貼ATP最大允許速度，從到達(dá)站臺開始自動駕駛進(jìn)入和駛出折返線，最后進(jìn)入發(fā)車股道。

3 安全距離影響因素分析

3.1 設(shè)置原則

安全距離的設(shè)置實際上是為了實現(xiàn)列車過沖保護(hù)。站前折返車站安全距離起點(diǎn)在站臺尾部，終點(diǎn)在線路終端。該距離綜合考慮了車載設(shè)備反應(yīng)時間、列車制動率等因素。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》要求，安全距離的長度為50 m[7]。

在進(jìn)站過程中，需要在保證不觸發(fā)緊急制動曲線的前提下，按照制動速度曲線平穩(wěn)地控制列車運(yùn)行，并準(zhǔn)確停站。為了保證ATO控制列車能夠在不受ATP保護(hù)速度影響下正常進(jìn)站停車，需要將安全停車點(diǎn)放置于站臺停車點(diǎn)后方一定距離處[8]。安全距離的長度由緊急制動曲線模型、ATO列車控制曲線計算模型，站臺限速等條件決定。

3.2 計算原理

由IEEE制定的CBTC系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEEE std 1474.1附錄D中定義了CBTC系統(tǒng)典型的安全制動模型[9-10]，文中速度監(jiān)控曲線的計算都基于該模型。

考慮列車在最不利情況下的緊急制動，得出ATP制動速度曲線如式（1）：

其中，ATP為當(dāng)前位置ATP防護(hù)速度，為測速誤差，a為當(dāng)前速度下列車牽引力產(chǎn)生的最大加速度，a為保證緊急制動率，a為當(dāng)前坡度產(chǎn)生的等效加速度。t為制動命令施加至牽引力切斷的最大時延，t為牽引力切斷至緊急制動施加的最大時延。

假設(shè)ATO系統(tǒng)使用恒定減速度計算制動速度曲線，即：

其中，ATO為當(dāng)前位置ATO運(yùn)行速度，brake為ATO運(yùn)行時的制動率。

由式（1）、式（2）可得安全距離

在列車控制過程中，要保證ATO運(yùn)行速度曲線始終位于緊急制動曲線下方，假設(shè)

將式（4）代入式（3），可得安全距離的計算模型。

對計算模型進(jìn)行分析，由于列車自身的性能參數(shù)不可變，可通過信號系統(tǒng)控制實現(xiàn)安全距離變化的參數(shù)為brake和ATO。

3.3 進(jìn)站制動率對安全距離的影響

列車在ATO運(yùn)行時，進(jìn)站制動率brake主要考慮了車輛參數(shù)、運(yùn)營效率、控制精度及乘車的舒適性，該參數(shù)在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的。列車進(jìn)站過程中，ATO制動曲線會根據(jù)ATO運(yùn)行時制動率的變化而改變，減小ATO停車制動率能夠使得ATO增大。

ATP制動曲線是基于典型安全制動模型，考慮最不利情況下緊急制動而設(shè)定的，是不可改變的，ATP在某個特定的速度下是定值。

由于安全距離D=ATP–ATO，減小brake后，ATO增大，ATP不變，D則減小。

因此，當(dāng)安全距離縮短，可通過減小ATO進(jìn)站制動率，以保證運(yùn)營安全。

3.4 進(jìn)站限速對安全距離的影響

安全距離D是關(guān)于ATO的二次函數(shù)，為求得D與ATO之間的關(guān)系，對式（3）求導(dǎo)。

對式（3）求一次導(dǎo)，求得當(dāng)D=0時，ATO小于零。說明極值點(diǎn)小于零。

對式（3）求兩次導(dǎo)，可得D<0，即式（3）為凸函數(shù)，說明在極值點(diǎn)，D存在極大值。

而實際上，運(yùn)行速度一定大于0，說明ATO越小，?越小。由此可得，隨著進(jìn)站速度的降低，所需要的安全距離越短。也就是說，當(dāng)安全距離減小時，可通過降低進(jìn)站速度，保證運(yùn)營安全。

4 安全距離對站前折返能力影響分析

本文選用一個典型站前折返車站，分析安全距離對站前折返能力的影響。采用不同的列車運(yùn)行方式會有不同的通過能力[11]。

列車在折返區(qū)域的折返方式可采用單渡線折返或者交叉渡線交替折返。其中單渡線折返可以利用1號站臺折返（直進(jìn)側(cè)出）或是2號站臺折返（彎進(jìn)直出）。交叉渡線交替折返可分別利用1、2站臺折返（見圖1）。

圖1 站前折返站布置

具體計算公式參考ERTMS/ETCS列車模型標(biāo)準(zhǔn)。主要參數(shù)說明如下：1）列車采用B型車，6節(jié)編組，列車總長度約為120 m；2）列車緊急制動減速度不低于1.2 m/s2，常用全制動減速度不低于1.0 m/s2；3）采用9號道岔，不允許突破的極限安全速度值為35 km/h；4）列車最高運(yùn)行速度為80 km/h；構(gòu)造速度為90 km/h；5）辦理一條進(jìn)路時間13 s（包括進(jìn)路辦理時間、道岔轉(zhuǎn)換時間、信號系統(tǒng)反映時間）；6）駕駛室轉(zhuǎn)換時間13 s。

4.1 直進(jìn)側(cè)出

列車在折返線折返過程如下：1）信號系統(tǒng)辦理前車接車進(jìn)路；2）前車直向進(jìn)入站臺至停穩(wěn)；3）前車在站臺1停車下客；4）前車轉(zhuǎn)換駕駛端，并辦理出折返線作業(yè)，此時將道岔搬至反位；5）前車通過側(cè)向駛出車站；6）當(dāng)前車出清交叉渡線時，后車辦理直向進(jìn)站作業(yè)。后車追蹤前車運(yùn)行，與前車運(yùn)行過程完全一致。

通過對折返過程進(jìn)行計算，折返能力如圖2（a）所示，可以看出，追蹤間隔T=接車+直進(jìn)+停站+側(cè)出。

當(dāng)安全距離縮短后，需要降低制動率或降低進(jìn)站限速，采用這兩種方案都將增加列車直向進(jìn)站的時間，即直進(jìn)增大，追蹤間隔T增加，列車折返間隔增大。

4.2 側(cè)進(jìn)直出

列車在折返線折返過程如圖2（b）所示。

圖2 站前單股道折返間隔

這種折返方式與第一種類似，先側(cè)向進(jìn)入站臺，后直向出站，追蹤間隔T=接車+側(cè)進(jìn)+停站+直出。

由于列車為側(cè)向進(jìn)站，道岔限速為35 km/h，低于站臺限速60 km/h，本身列車進(jìn)站速度就較直向進(jìn)站低。所需安全距離較直向進(jìn)站保護(hù)距離短，考慮列車定位誤差、空轉(zhuǎn)打滑、線路坡度等復(fù)雜因素，經(jīng)過各信號集成商實際測算，若安全距離不小于40 m，能夠保證在35 km/h進(jìn)站速度下可靠進(jìn)站停車，并不影響側(cè)向接車時間。因此，在一定范圍內(nèi)減小安全距離，并不影響列車折返間隔。

4.3 交替折返

交替折返過程較為復(fù)雜，需要通過4列車追蹤才能完整模擬整個過程。在對行車組織上，為了得到均衡的發(fā)車間隔，通常需要第1列車進(jìn)入1站臺，第2列車進(jìn)2站臺，第1列車出站，第3列車進(jìn)入1站臺，第2列車出站，第4列車進(jìn)入2站臺的方式依次組織行車。

列車在折返線折返過程如下：1）信號系統(tǒng)辦理第1列車直向進(jìn)站接車進(jìn)路；2）第1列車直向進(jìn)入站臺至停穩(wěn)；3）第1列車在站臺1停車下客；4）第2列車辦理側(cè)向進(jìn)站作業(yè)；5）第2列側(cè)向進(jìn)入站臺至停穩(wěn)；6）第1列車轉(zhuǎn)換駕駛端并辦理側(cè)向出站作業(yè)；7）第1列車通過道岔側(cè)向出站；8）待第1列車完全出清交叉渡線區(qū)域后，第3列車開始辦理直向進(jìn)站作業(yè)。列車3與列車1運(yùn)行過程一致，隨后的列車4與列車2運(yùn)行過程一致。

通過對折返過程進(jìn)行計算，折返能力如圖3所示，列車之間的追蹤間隔T=側(cè)進(jìn)+發(fā)車+側(cè)出+接車。

圖3 站前雙股道折返間隔

通過對折返間隔的分析可以看出，安全距離縮短對交替折返形式的影響與彎進(jìn)直出類似。影響追蹤間隔的側(cè)向進(jìn)站作業(yè)在安全距離縮短一定程度的情況下，并不會降低，追蹤間隔不變。但是在交替折返過程中，信號控制策略上需要有所調(diào)整，若安全距離縮短，需要降低直向進(jìn)站列車的進(jìn)站速度或是降低進(jìn)站制動率，直向進(jìn)路時間的增加并不影響整個折返間隔。

4.4 站前折返優(yōu)化策略

根據(jù)前述分析，站前折返采用交替折返組織行車能夠獲得最大的折返能力，且受安全距離影響較小，能夠在一定程度上減少土建投資及建設(shè)工程量。若安全距離長度受限，可通過降低站臺限速的方式保證行車安全且不影響折返追蹤間隔。但是交替折返對行車組織能力要求較高，必須緊湊作業(yè)才能保證后續(xù)列車正常進(jìn)站。一般在線路初期，對運(yùn)營能力要求并不高的情況下，建議采用彎進(jìn)直出的折返方式，上下客作業(yè)在同側(cè)站臺，車站客流組織不容易混亂。與直進(jìn)彎出的單線折返方式相比，受安全距離影響較小，折返能力較大。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)力度加大，越來越多的在建線路在設(shè)計過程中面臨著土建規(guī)模和運(yùn)營能力之間的權(quán)衡。本文以IEEE定義的CBTC安全制動模型為依據(jù)，通過建立CBTC安全距離計算模型，分析了站前折返安全距離長度對折返能力的影響。在工程條件受限的情況下，可通過優(yōu)化信號系統(tǒng)控車策略，在滿足行車安全的前提下，保證站前折返能力。

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（編輯：郝京紅）

Influences of Safe Distance on the Headway for Front Turn-back

LU Qiuzi

(Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

The turn-back station is a key node in rail transport capacity. Therefore, the turn-back station design plays a vital role in a subway system.In the process of modern construction planning, we are confronted with problems where the end of the station is dictated by the scale of the construction.On the basis of such a constraint, this paper analyzes the effect of the safe distance on the headway for turn-back capacity from the signal system perspective. First, based on the communi-cations-based train control (CBTC) system safety braking model, a safety distance calculation is deduced. According to the calculation model, the effects of shortening the safe distance on automatic train operations are studied. Second, by computer simulation of the process of a train turn-back, a turn-back time diagram is plotted to study the factors influencing turn-back capacity when the safe distance of the headway for a turn-back station is shortened. Effective solutions to improve station turn-back capacity under the safe distance constraint from the perspective of the signal system are then proposed.

urban rail transit; safe distance; headway for turn-back; turn-back capacity; signal system

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.013

U231

A

1672-6073(2018)05-0065-04

2017-06-24

2017-08-28

魯秋子，女，碩士研究生，工程師，從事軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計工作，luqiuzi813@sina.com