城際鐵路應(yīng)用無人自動折返技術(shù)研究

王 棟 劉實(shí)秋

(中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023)

目前，國內(nèi)基于CTCS-2+ATO的列控系統(tǒng)已經(jīng)在珠三角莞惠、廣佛肇城際鐵路中得到應(yīng)用，ATO在ATP的防護(hù)下，實(shí)現(xiàn)列車自動駕駛運(yùn)行，采用ATO技術(shù)可以有效降低司機(jī)勞動強(qiáng)度、提高運(yùn)營效率和服務(wù)質(zhì)量[1]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中對折返作業(yè)運(yùn)營場景的描述，可分為站后端有人自動折返和原地折返兩種方式，其中原地折返屬于純?nèi)斯げ僮?，而站后端有人自動折返?yán)格來講應(yīng)屬于半自動折返。

目前國內(nèi)地鐵無人自動折返有以下兩種方案：一端控制和兩端切換。一端控制的自動折返方案沒有在折返線實(shí)現(xiàn)車頭、車尾本務(wù)端的互換，且采用了列車退行，是一種不安全的行為。筆者認(rèn)為列車自動駛離“到達(dá)站臺”并在折返線停穩(wěn)后，應(yīng)該在折返線實(shí)現(xiàn)列車首尾本務(wù)端的互換交權(quán)，再重新駛離折返線，進(jìn)入“發(fā)車站臺”。

本文將以裝備CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)的動車組為基礎(chǔ)，并基于地鐵CBTC列控系統(tǒng)下的“兩端切換”無人自動折返方案，探討無人自動折返在城際鐵路中應(yīng)用的技術(shù)方案。

1 城際鐵路對無人自動折返的需求分析

1.1 國鐵對折返的需求

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014）、《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10623-2014）均規(guī)定：最小行車間隔應(yīng)按照運(yùn)輸需求研究確定，宜采用3 min。國鐵的追蹤列車間隔時間是指在自動閉塞區(qū)段同一方向追蹤運(yùn)行的兩列車的最小間隔時間，包括追蹤運(yùn)行的兩列車在區(qū)間和在車站出發(fā)、到達(dá)、通過、到通、通發(fā)的間隔時間。由此可見，國鐵規(guī)范體系中描述的最小追蹤間隔3 min，沒有包含與折返相關(guān)的時間內(nèi)容；國鐵對高密度、高頻率的“折返間隔”[3]沒有迫切的需求，主要是因?yàn)閲F的立即折返站大多在地面，可以根據(jù)線路運(yùn)輸能力設(shè)置合理的配線和股道數(shù)量，在到達(dá)列車的折返停站時間內(nèi)，從其他股道發(fā)送列車，這一優(yōu)勢保證了國鐵可以實(shí)現(xiàn)“用空間換取時間”。雖然國鐵對“折返間隔”沒有需求，但折返過程卻客觀存在，國鐵稱之為“立即折返列車停站時間”。

1.2 城市軌道交通對折返的需求

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013）規(guī)定：系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力應(yīng)滿足相應(yīng)年限設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力的需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期最大能力應(yīng)滿足行車密度不小于30對/小時的要求。這里的行車密度包含了“折返間隔”時間。由于城市軌道交通大多修建在地下或高架，受土建、線路等邊界條件影響，折返站站型相對國鐵而言顯得更集約；且城市軌道交通通常采用當(dāng)前到達(dá)的列車經(jīng)折返后擔(dān)當(dāng)下一趟始發(fā)列車，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)循環(huán)”的運(yùn)行方式；因此其折返站的折返能力直接影響著全線的運(yùn)輸能力，甚至限制線路能力的有效發(fā)揮。目前，城市軌道交通均積極采用基于CBTC技術(shù)結(jié)合折返站配線布置的無人自動折返，保證行車密度不小于30對/小時的要求。

1.3 城際鐵路對折返的需求

隨著CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，在一些人口密集的大型城市中，如果采用文章首段描述的兩種自動化程度較低的折返作業(yè)方式，則隨之產(chǎn)生的折返能力問題很可能會成為制約全線運(yùn)輸能力的瓶頸。而且，為最大限度發(fā)揮城際鐵路效益，很可能將其修建在城市核心功能區(qū)附近，而這些區(qū)域?qū)Φ孛嬗玫赜兄鴩?yán)格的限制，沿線車站很可能被迫設(shè)置于地下，土建工程將極大的限制折返站規(guī)模，制約折返能力，進(jìn)而制約全線運(yùn)輸能力。

綜上所述，未來城際鐵路對折返能力的需求將傾向于城市軌道交通[4]。

2 無人自動折返對動車組的基本要求

筆者在前面提到國鐵的“立即折返列車停站時間”包括旅客上下車時間和列車技術(shù)作業(yè)時間。其中，旅客上下車的時間由行車專業(yè)根據(jù)列車開行方案進(jìn)行計(jì)算，屬于運(yùn)輸組織模型計(jì)算結(jié)果，本文不作論述。列車技術(shù)作業(yè)時間包含座椅轉(zhuǎn)向作業(yè)3 min、列車轉(zhuǎn)向司機(jī)作業(yè)時間10 min，以及臥具整理或卸污作業(yè)等時間。這些技術(shù)作業(yè)時間制約著無人自動折返在城際鐵路中的應(yīng)用，需要通過對動車組的改造進(jìn)行優(yōu)化，建議方案如下。

1）首先，要實(shí)現(xiàn)“兩端切換方式”的無人自動折返，動車組首尾兩端車載設(shè)備必須互聯(lián)且駕駛室能自動換端。目前，基于CBTC技術(shù)的地鐵駕駛室換端有2種方案：通過列車硬線切換和通過無線切換[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[5]提供的思路，并結(jié)合CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)本身就具備車地雙向通信的能力，筆者認(rèn)為動車組首尾兩端可采用無線切換。

2）其次，城際鐵路動車組內(nèi)部的座椅可設(shè)計(jì)為類似北京地鐵機(jī)場線的橫列式固定對坐方式，這樣列車在無人自動折返時，可以不用對座椅轉(zhuǎn)向進(jìn)行單獨(dú)作業(yè)。

3）另外，結(jié)合客流量、運(yùn)輸能力、車站間距等因素，城際鐵路動車組可不設(shè)置臥具和洗手間，則可省去臥具整理或卸污作業(yè)的人工操作。

4）關(guān)于城際鐵路動車組改造的其他要求，如列車固定編組方案、根據(jù)追蹤間隔可能需要改造動車組的動拖比（進(jìn)而影響動車組的加減速度值）等均需要運(yùn)輸組織模型進(jìn)行計(jì)算，本文不作論述。

3 城際鐵路無人自動折返過程簡述

1）當(dāng)聯(lián)鎖辦理接車進(jìn)路后，動車組根據(jù)行車許可（MA）進(jìn)入折返站到達(dá)站臺，由ATP判定列車停準(zhǔn)、停穩(wěn)后，輸出開“車門”允許，由ATO執(zhí)行開“車門”動作；同時ATP發(fā)出的開“站臺門”命令，經(jīng)無線通信傳送至通信控制服務(wù)器（CCS），再由CCS通過車站列控中心（TCC）向站臺門系統(tǒng)下達(dá)開“站臺門”的命令；車門和站臺門打開后，開始旅客乘降作業(yè)。如圖1所示。

圖1 列車停站下客作業(yè)Fig.1 train stops and drops passengers off

2）旅客乘降完畢后，車門、站臺門同時關(guān)閉，其動作過程與1）相同。

3）在1）、2）過程中，筆者將車門和站臺門“開始打開”至“完全關(guān)閉”這段時間稱為“列車停站下客時間”，在這段時間內(nèi)，還有兩個過程是同時進(jìn)行。

a.司機(jī)將手柄至零，然后按壓車上的“無人自動折返按鈕（ATR）”，隨后關(guān)閉本側(cè)駕駛室，并從駕駛室下車（同乘客一起下車），在站臺按壓“無人自動折返啟動按鈕”；隨后，司機(jī)利用列車自動折返作業(yè)時間，從站臺一端走到站臺另一端，實(shí)現(xiàn)“人等車”的目的。

b.車站聯(lián)鎖開始辦理“入折返線進(jìn)路”，隨著室外轉(zhuǎn)轍設(shè)備動作到位并鎖閉，進(jìn)路完成鎖閉，但此時信號機(jī)不開放，仍然點(diǎn)紅燈[6]，MA不允許越過該信號機(jī)[7]。

4）當(dāng)車門、站臺門關(guān)閉后，聯(lián)鎖立即開放信號，配套的軌道電路、有源應(yīng)答器立即給出相應(yīng)的MA，如圖2所示。隨著車載DMI顯示的發(fā)車倒計(jì)時完畢，列車開始自動駛?cè)胝鄯稻€，如圖3所示。

圖2 列車準(zhǔn)備駛?cè)胝鄯稻€Fig.2 Train is ready to enter the turn-back track

圖3 列車駛?cè)胝鄯稻€Fig.3 Train has entered the turn-back track

5）列車完全進(jìn)入折返線并出清外方區(qū)段時，聯(lián)鎖開始辦理“出折返線進(jìn)路”，進(jìn)路完成鎖閉后，在沒有確認(rèn)自動換端成功的情況下，折返信號機(jī)不允許開放，仍然點(diǎn)紅燈，MA不允許越過該信號機(jī)。

6）當(dāng)ATP判定列車在折返線停準(zhǔn)、停穩(wěn)后，開始進(jìn)行本務(wù)端互換：CCS將車頭通過無線發(fā)出的交權(quán)申請傳輸至地面設(shè)備，同時車頭準(zhǔn)備進(jìn)入休眠模式；地面設(shè)備確認(rèn)后，通過CCS發(fā)出激活命令，并經(jīng)無線通信傳輸至車尾，收到命令后，車尾由休眠模式進(jìn)入激活狀態(tài)，此時原來的車頭應(yīng)立即進(jìn)入休眠模式，從而實(shí)現(xiàn)非本務(wù)端和本務(wù)端的切換。

7）當(dāng)確認(rèn)自動換端成功后，折返信號立即開放，軌道電路、有源應(yīng)答器立即給出相應(yīng)的MA，列車以部分監(jiān)控模式（PS）自動駛出折返線，駛向“出發(fā)站臺”，當(dāng)收到應(yīng)答器數(shù)據(jù)后，擇機(jī)轉(zhuǎn)換為完全監(jiān)控（FS）或自動駕駛模式（AM）。地鐵車輛自動換端的時間一般為10 s，即換端完成的時機(jī)可能早于進(jìn)路鎖閉的時機(jī)，但只要確認(rèn)換端成功，聯(lián)鎖就可以開放信號，如圖4、5所示。

圖4 列車準(zhǔn)備駛出折返線Fig.4 Train is ready to leave the turn-back track

4 無人自動折返受控因素分析

4.1 道岔限速

圖5 列車?？康竭_(dá)站臺并乘降旅客Fig.5 Train stops at platform and drops passengers off

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.4條相關(guān)內(nèi)容：“在車站端部接軌，宜采用9號道岔……”，筆者猜想這條規(guī)范可能考慮了地下空間受限制的因素。但9號道岔側(cè)向運(yùn)行限制速度為30 km/h，而國鐵CTCS-2級列控系統(tǒng)默認(rèn)速度和最低臨時限速檔為45 km/h，因此列控系統(tǒng)不能保證行車安全[8]。在《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）》中有如下規(guī)定：對低于45 km/h的限速按45 km/h設(shè)置，此時，調(diào)度命令的限速值低于列控車載設(shè)備顯示的目標(biāo)速度，動車組列車司機(jī)應(yīng)按調(diào)度命令控制列車運(yùn)行。所以城際鐵路折返站如果選擇9號道岔，那么當(dāng)ATP正常工作時，將不能實(shí)現(xiàn)無人自動折返。

4.2 站臺限速

地下車站一般需要設(shè)置屏蔽門，當(dāng)列車在密閉空間運(yùn)行時，產(chǎn)生的空氣負(fù)壓會對屏蔽門施加一個向外的作用力，當(dāng)速度達(dá)到一定值，作用力就會對屏蔽門造成損壞，并危及乘客人身安全，這就需要對進(jìn)站列車進(jìn)行限速。目前《城市軌道交通列車運(yùn)行速度限制與匹配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）中，將設(shè)置有站臺門的限速提升至最高75 km/h。國鐵車站雖然多數(shù)設(shè)在地面開闊地帶，但也有相關(guān)限速或防護(hù)要求[9]。

站臺限速越高，常用制動率越大，自動折返間隔就越小，但旅客乘坐舒適性會下降[10]。所以站臺限速一定要結(jié)合運(yùn)輸組織相關(guān)模型數(shù)據(jù)，合理選擇限速值。例如，結(jié)合4.1分析內(nèi)容，12號道岔側(cè)向限速值45～50 km/h；站臺限速若取值55 km/h，采用12號道岔可以讓動車組在更逼近ATP頂棚且在站臺限速值內(nèi)安全高效運(yùn)行。

5 列控系統(tǒng)對折返站土建工程的影響

本文以城市軌道交通中常用的“貫通式站后折返”站場圖為例，按照《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》分別進(jìn)行信號設(shè)備布置，展示CTCS-2+ATO與CBTC兩種不同列控系統(tǒng)對同一車站的影響。舉例圖線間距按5 m設(shè)計(jì)，所有道岔按60 kg/m鋼軌 12號設(shè)計(jì)，并考慮站臺限速。

為便于對比分析，此處對動車組和地鐵車輛的長度、站臺長度進(jìn)行了統(tǒng)一，且不考慮車輛參數(shù)（牽引制動參數(shù)、重量等）。

為方便研究，圖中標(biāo)注了6條軸線，從圖中可以看出：

1）軸線1～軸線6，是為了方便對比，框定的一個固定平面；

2）軸線3～軸線4，站場工程范圍及工程量一致；

3）軸線2、軸線5用于對位，反應(yīng)了CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)需要更長的站場布置范圍；

4）根據(jù)布置圖標(biāo)注的距離計(jì)算，采用CTCS-2+ATO的城際鐵路車站范圍420 m+2 L，采用CBTC的地鐵車站范圍295 m+2 L，前者比后者至少多125 m的土建工程量；其中，軸線2～軸線3多50 m，軸線4～軸線5多75 m；

5）經(jīng)分析，多出的125 m土建工程量，主要是因?yàn)閮商琢锌叵到y(tǒng)對安全防護(hù)距離設(shè)置方式不同而產(chǎn)生的差異，它們均符合各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

6 基于CTCS-2+ATO和CBTC列控系統(tǒng)的無人自動折返間隔差異化分析

筆者將折返間隔描述為4個子過程：接車作業(yè)、進(jìn)折返線作業(yè)、出折返線作業(yè)、發(fā)車作業(yè)。這里僅對前兩個過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

1）如圖6所示，動車組根據(jù)接車進(jìn)路的行車許可，到達(dá)1G站臺停車并乘降旅客，車門關(guān)閉后，信號開放，當(dāng)動車組越過S1信號機(jī)處的絕緣節(jié)（CTCS-2級列控系統(tǒng)采用軌道電路檢查占用/空閑），并完全出清1G后，此時聯(lián)鎖可以辦理下一趟動車組的接車進(jìn)路。

圖6 對比圖Fig.6 Comparison diagram

2）在地鐵的折返站中，列車到達(dá)站臺并完成旅客作業(yè)，車門關(guān)閉后，信號開放，當(dāng)列車越過5#道岔岔前軌縫的計(jì)軸磁頭（CBTC一般采用計(jì)軸檢查占用/空閑），并出清1DG后，此時聯(lián)鎖才能辦理下一趟列車的接車進(jìn)路。

3）基于上述兩點(diǎn)，分析其差異化原因：在地鐵CBTC系統(tǒng)中，聯(lián)鎖辦理進(jìn)路時，會給出一段保護(hù)進(jìn)路，而這段保護(hù)進(jìn)路是在主進(jìn)路終端的外方[11]，且保護(hù)進(jìn)路的長度需要滿足CBTC列控安全防護(hù)距離，這種邏輯關(guān)系也俗稱“外防護(hù)”方式，相對而言，國鐵CTCS-2級列控系統(tǒng)的防護(hù)邏輯就是“內(nèi)防護(hù)”。在“外防護(hù)”的邏輯中，如果保護(hù)進(jìn)路被占用，聯(lián)鎖將無法給出后續(xù)列車的進(jìn)路，所以在保護(hù)進(jìn)路的末端，就形成了一個限制點(diǎn)（不同文獻(xiàn)稱呼并不一致，簡稱P點(diǎn)），它表示前行列車必須完整出清該點(diǎn)后，聯(lián)鎖才能為后行列車辦理接車進(jìn)路，所以地鐵折返站5#道岔岔前軌縫的計(jì)軸磁頭處就是一個P點(diǎn)。如果將這個概念套用在城際鐵路折返站的圖中，其P點(diǎn)就是S1信號機(jī)處的絕緣節(jié)。

4）基于上述3點(diǎn)分析，可以得出如下結(jié)論：城際鐵路折返站P點(diǎn)較地鐵更靠前，意味著其聯(lián)鎖為后續(xù)列車辦理接車進(jìn)路的時機(jī)早于地鐵折返站；但是根據(jù)前面第5點(diǎn)的分析，由于地鐵的車站范圍更短，所以在不考慮各自系統(tǒng)響應(yīng)時間的前提下，他們的折返間隔應(yīng)該大致相同，這是CTCS-2+ATO和CBTC兩種不同列控系統(tǒng)在時間關(guān)系和空間關(guān)系上的具體體現(xiàn)。

5）出折返線作業(yè)、發(fā)車作業(yè)可根據(jù)各自圖中P點(diǎn)位置做同樣分析，本文不再敘述。

7 總結(jié)

根據(jù)前面的分析內(nèi)容，筆者認(rèn)為，基于CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)在城際鐵路中實(shí)現(xiàn)無人自動折返，具備可行性，但需要對系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行深入研究。同時，只有對運(yùn)輸效率有充分需求時，無人自動折返技術(shù)才能“物盡其用”。另外，一個成熟的列控系統(tǒng)應(yīng)該是以最簡潔的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全部功能[12]，這可以最大限度的縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，這里的響應(yīng)時間可以是人為產(chǎn)生的，也可以是設(shè)備產(chǎn)生的，在參考文獻(xiàn)[13]中，作者最后總結(jié)性的建議值得在后續(xù)研究中深入思考。