北京大興國際機場線4/8輛不同編組列車混合運行的信號方案

王道敏 李曉剛 呂文龍 楊艷艷

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,100068，北京；2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，100068，北京;3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，100070，北京//第一作者，高級工程師)

北京大興國際機場線(以下簡為“大興機場線”)是一條聯(lián)系主城與大興機場、服務于北京大興機場航空客流的專用線路。大興機場線預定目標為半小時內由大興機場到達中心城區(qū)金融街，這樣可為大興機場航空旅客提供快速、直達、舒適的公共交通服務。

大興機場線的服務質量關系到大興機場陸側集疏運系統(tǒng)的效率，其中軌道交通線路的行車間隔是關鍵。為了更好地服務航空旅客，大興機場線在實施過程中科學地調整了運營方案，加密了列車運行間隔。同時為適應調整后的運營方案，對信號系統(tǒng)方案也做了相應調整。

1 研究背景

1.1 大興機場線原運營方案

大興機場線工程正線土建工程全長41.4 km，共設3座正線車站。初期原配屬車輛為10列8輛編組列車，列車采用7輛+1輛編組形式，其中7輛為乘客車廂，1輛為行李車廂。大興機場線初期列車運行交路為大興機場站與草橋站之間的單一交路，如圖1所示。由圖1可知，初期運營高峰行車密度為5對/h，行車間隔為12 min。

圖1 原方案下大興機場線初期列車運行交路示意圖

1.2 大興機場線運營需求及列車編組方案調整

考慮到大興機場線客流體量相比傳統(tǒng)城區(qū)軌道交通線路較小，單純按照斷面客流數(shù)據(jù)進行運力設計，會導致全線的行車間隔較大，且對于大興機場線而言，運營初期的行車間隔尚未達到北京市機場線的服務標準。

為了進一步提升運能、效率及服務品質，縮短大興機場線運營初期的行車間隔，使其不低于北京已運營的機場線水平?？紤]到車輛已經招標，在不改變既有車輛數(shù)量的前提下，將2列8輛編組列車改造拆解為4列4輛編組列車，增加了總配屬列車數(shù)量，其中4輛編組列車所有車廂均為普通客室。大興機場線的4輛編組列車不考慮重聯(lián)運行，采用4輛、8輛編組列車混合運行模式。

通過上述列車編組形式及運營方案的調整，可以在滿足客流需求的基礎上，從多樣化編組角度縮短行車間隔，提高全線的服務水平。

列車編組調整后，列車初期運營行車間隔可以達到6 min 40 s。方案調整后的初期列車運行交路如圖2所示。

圖2 調整后大興機場線初期列車運行交路示意圖

因列車編組形式調整，運營需求調整如下：

1)由于大興機場線的8輛編組列車有行李車廂、商務車廂和普通客室車廂，其中行李車廂和商務車廂都集中在一端，而4輛編組列車無行李車廂和商務車廂，只有普通客室車廂。因此4輛編組列車采用在站臺軌居中停放的方式。

2)在大興機場線磁各莊車輛段停車列檢庫(單列位庫)庫線長度不變的前提下，需要滿足每列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車的要求。

3)在大興機場線路基段停車場停車列檢庫(雙列位庫)庫線長度不變的前提下，需要滿足第1列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車、第2列位停放1列8輛編組列車或2列4輛編組列車的要求。

2 4/8輛不同編組列車混合運行信號方案

2.1 列車編組變化對信號專業(yè)的影響

針對調整后的大興機場線車輛編組形式和運營方案，將2列8輛編組列車改造拆分為4列4輛編組列車，其對信號系統(tǒng)的影響主要有：

1)因列車數(shù)量增加2列，信號系統(tǒng)需要增加2列列車的信號車載設備。

2)需根據(jù)不同地點的不同運營需求，確定不同編組列車的停車方案，以及據(jù)此調整信號系統(tǒng)軌旁設備布置方案(含計軸、應答器、停車位置等)。

3)信號站臺設備布置需適應4輛編組列車和8輛編組列車的使用。

4)信號系統(tǒng)與站臺門的接口發(fā)生變化，需要區(qū)分4輛編組列車和8輛編組列車的站臺門開門命令及對位隔離信息。

5)ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)與站臺廣播系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)的接口發(fā)生變化，需要向站臺廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)提供不同編組的信息。

6)信號系統(tǒng)的列車控制策略、信號ATS系統(tǒng)界面顯示及ATS相關功能應考慮4輛編組列車和8輛編組列車的差異。

7)4輛編組列車和8輛編組列車對應不同的洗車方式和洗車流程。

2.2 混合運行信號方案

2.2.1 正線車站不同編組列車停車方案及設備配置方案

由于4輛編組列車采用在站臺軌居中停放的方式，既有8輛編組列車也采用站臺軌居中停放的方式，兩種編組列車的頭尾位置均不相同，因此需要調整站臺軌軌行區(qū)范圍內的地面應答器布置，同時需要調整站臺公共區(qū)緊急關閉按鈕等設備的布置。

2.2.1.1 地面應答器布置方案

大興機場線工程的站臺精確停車應答器按照頭尾冗余方案布置，雙向站臺的地面應答器應考慮兩個方向頭尾定位的需要進行布置。增加4輛編組列車后，需根據(jù)單向站臺和雙向站臺精確停車的需要,增加4輛編組列車用站臺精確停車應答器。

2.2.1.2 站臺公共區(qū)信號按鈕設備布置方案

原8輛編組列車運行時，站臺公共區(qū)的緊急關閉按鈕及站臺門控箱按照要求布置于每側站臺的車頭、車尾和中央。在增加4輛編組列車后，4輛編組列車采用居中停放的原則，為了兼顧4輛和8輛編組列車的站臺相關運營操作，需要調整原位于站臺中央和車尾的緊急關閉按鈕、站臺門控箱位置以滿足4輛和8輛編組列車運營的使用要求，原位于車頭位置的緊急關閉按鈕和站臺門控箱位置不做調整。

由于大興機場線列車的司機室采用一體化環(huán)繞設計方案，取消了司機室門，因此將原設置于站臺非公共區(qū)司機室門正對位置的無人自動折返按鈕調整至發(fā)車端站臺公共區(qū)端頭，兼為4輛和8輛編組列車使用。

2.2.1.3 發(fā)車計時器方案

既有8輛編組列車的發(fā)車計時器布置于每側站臺發(fā)車端非公共區(qū)處，其可納入通信專業(yè)的站端設備整合架，同時整合架上還整合有通信時鐘、公務電話、專用電話、CCTV(閉路電視)站臺監(jiān)視器等。該整合架只能服務于8輛編組列車。

4輛編組列車在站臺停車后司機室正對的位置為站臺公共區(qū)，發(fā)車計時器可采用的設置方案為：在司機室側窗正對公共區(qū)處采用落地緊貼站臺門玻璃設置、站臺門軌行區(qū)側站臺門內嵌方式安裝、軌行區(qū)側壁安裝、發(fā)車計時器信息上車等方案。經分析，前3種方案因無法安裝牢固、無法滿足顯示要求、軌行區(qū)內粉塵較大及軌行區(qū)內隧道沖洗作業(yè)等問題不予采納，最后推薦采用發(fā)車計時器信息上車的方案，即在信號車載HMI(人機接口界面)上顯示列車在站臺停車的倒計時信息。

2.2.1.4 折返軌應答器布置及停車方案

正線上的所有折返軌長度均按照8輛編組列車設計，考慮到折返效率，4輛和8輛編組列車進折返線的停車點均按照列車尾部對齊靠近折出的道岔防護信號機設計，相應增加4輛編組列車的停車點及地面應答器。

考慮到大興機場線大興機場站和草橋站均為端站，其站后折返線均兼作停車線，具備休眠喚醒功能，因此按照4輛編組列車進折返線停車位置相應設置頭部休眠喚醒應答器。

2.2.2 磁各莊車輛段停車列檢庫內停車方案

磁各莊車輛段停車列檢庫為單列位庫，庫內有20列位，停車條件滿足初期運營和近期運營階段全線配屬列車的停放要求。在目前庫線長度條件下，可以滿足磁各莊車輛段停車列檢庫內每列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車的運營要求。兩種編組的列車在庫內的停放布置如圖3所示。

圖3 磁各莊車輛段停車列檢庫內列車停放布置示意圖

采用圖3所示的停車方案，需要在每個停車股道上為4輛編組列車的入庫頭端增加休眠喚醒應答器、精確停車應答器及停車位置標。

2.2.3 路基段停車場停車列檢庫內停車方案

路基段停車場停車列檢庫為雙列位庫，共5股道，正常情況下能停放10列列車。由于路基段停車場是在磁各莊車輛段不能按期開通時使用的停車用場地。在目前庫線長度不加長的條件下，為了解決12列列車的停放需求，盡可能滿足列車的停車位置不出現(xiàn)列車之間碰撞及列車與車擋之間碰撞的風險，因此，采用1個股道的第1列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車、第2列位停放1列8輛編組列車或2列4輛編組列車的停車方案。

采用上述停車方案，對于第2列位停放2列4輛編組列車時，由于受到庫線長度的限制，存在4輛編組列車降級后不能原地自動升級的問題。考慮到路基段停車場為臨時使用，且這種停放方式可以滿足路基段停車場初期12列列車的停放要求，因此采用該方式進行設計。兩種編組列車在庫內的停放布置如圖4所示。

采用該停車方案，需要在每個停車列位上為4輛編組列車增加不能與8輛編組列車復用的休眠喚醒應答器、精確停車應答器及停車位置標。同時在第2列位的兩列4輛編組列車之間設置計軸磁頭進行區(qū)段分隔，并增加并置的虛擬信號機。

圖4 路基段停車場停車列檢庫內列車停放布置示意圖

2.2.4 不同編組列車的洗車方案和洗車流程

大興機場線在磁各莊車輛段設洗車庫一處，洗車庫位于車輛段自動控制區(qū)內，且與信號系統(tǒng)具備聯(lián)動實現(xiàn)自動洗車功能。

大興機場線采用交流25 kV牽引供電制式，為保證安全，洗車庫內設置斷電區(qū)。8輛編組列車的2臺受電弓間距大于斷電區(qū)長度，8輛編組列車洗車前需要升后弓降前弓，在洗車庫中間的換弓點處需要降后弓升前弓。

8輛編組列車改造拆分為4輛編組后，4輛編組列車的2臺受電弓間距約40 m，小于洗車庫內接觸網(wǎng)斷電區(qū)域長度(65.6 m)，造成如下問題：

1)4輛編組列車無法實現(xiàn)自動洗車，需通過其他非弓網(wǎng)受電牽引方式實現(xiàn)洗車作業(yè)時的列車牽引。

2)4輛編組列車無法采用全自動駕駛模式實現(xiàn)洗車功能。列車需在洗車線降級后，采用其他牽引方式洗車。

綜上所述，為了實現(xiàn)4輛編組列車的自動洗車功能，推薦4輛編組列車采用蓄電池牽引洗車的方案。

4輛編組列車的洗車流程為：列車采用全自動駕駛模式運行至洗車庫前，信號系統(tǒng)向車輛發(fā)出洗車工況指令，車輛控制列車恒速運行至庫內的前端洗位停穩(wěn)停準后，信號系統(tǒng)向車輛發(fā)出前端洗位置有效指令，車輛降后弓進入蓄電池牽引模式。在前端洗完成后，經信號車載設備與車輛之間的信息交互，完成車身清洗后在后端洗位置停穩(wěn)停準后，信號系統(tǒng)向車輛發(fā)出后端洗位置有效指令，車輛升前弓退出蓄電池牽引模式。在后端洗完成后，車輛控制列車恒速運行至洗車折返軌后退出洗車工況，結束洗車作業(yè)。

由于列車洗車具有一定周期，且考慮到4輛編組的列車只有4列，可以實現(xiàn)4輛編組列車的全自動洗車。雖采用蓄電池洗車對蓄電池壽命有一定影響，但整個洗車過程中只有前后端洗位置之間采用蓄電池牽引洗車，用時較短，運營公司可以接受。

2.2.5 信號系統(tǒng)與站臺門系統(tǒng)的接口

由于增加4輛編組列車后，列車到站停車后需要信號系統(tǒng)向站臺門系統(tǒng)發(fā)送不同編組列車對應的開門指令，站臺門執(zhí)行相應編組列車對應的站臺門開門動作。站臺門關門指令不需區(qū)分編組種類，信號系統(tǒng)發(fā)送關門指令后由站臺門執(zhí)行本側所有站臺門關門的命令。

對于對位隔離信息，也需增加車輛編組信息，以執(zhí)行站臺門與列車車門之間的對位隔離操作。

2.2.6 信號ATS系統(tǒng)與站臺廣播系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)的接口

因列車編組變化，ATS系統(tǒng)與站臺廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)的接口發(fā)生變化，ATS系統(tǒng)需要為站臺廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)提供不同編組列車的信息，站臺廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)按照不同編組列車信息進行對應的站臺廣播和列車信息的顯示。

2.2.7 不同編組列車對應的信號系統(tǒng)采用的列車控制策略

對于4輛和8輛不同編組的列車，信號系統(tǒng)采用的安全控制策略是相同的。針對不同編組列車，需要將列車長度、系統(tǒng)緊急制動最小減速度、列車旋轉質量系數(shù)等基本參數(shù)提取出來，進行不同編組列車的參數(shù)配置，并且按照安全制動模型，計算適用于不同編組列車的緊急制動曲線。

同時對于4輛和8輛不同編組的列車，采用的閉環(huán)反饋控制策略亦是相同的。針對不同編組列車，需要將車輛加/減速性能、車輛載重等特性參數(shù)提取出來，按照ATO 閉環(huán)反饋控制模型，根據(jù)前方不同的停車點信息，計算適用于不同列車編組的推薦速度曲線，并在AM模式下向車輛輸出牽引/制動控制命令，使得列車以貼近推薦速度曲線的實際速度行駛，從而實現(xiàn)列車的高效、節(jié)能和舒適運行。

除此之外,方案中ATS的相關功能為:在ATS顯示界面進行不同編組列車的顯示區(qū)分;派班計劃需要根據(jù)4輛編組及8輛編組列車匹配不同的車次，以便于進行區(qū)分;針對停車列檢庫庫線的4輛編組及8輛編組列車停放要求，設定回庫及出庫限制等。

3 結語

結合大興機場線工程不同編組列車在車站站臺停車、段場停車列檢庫內停車及自動洗車等不同的運營需求，信號系統(tǒng)通過調整軌旁設備布置、增加與相關專業(yè)的接口內容、對不同編組列車進行列車控制策略分析、ATS界面顯示和ATS相關功能調整等措施，可以實現(xiàn)大興機場線工程4輛和8輛編組列車混合運行、列車運行間隔加密及運能提升的目標。