城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能力分析及優(yōu)化措施

武云霞，李兆齡

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

城市軌道交通行車能力是指在一定線路條件、車輛配置、信號(hào)設(shè)備、供電系統(tǒng)等設(shè)施設(shè)備和行車組織條件下，線路在單位時(shí)間內(nèi)所能通過或接發(fā)的最大列車對(duì)數(shù)。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能力分析就是對(duì)既定的線路條件、車輛類型、供電系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施和行車組織下信號(hào)系統(tǒng)所能提供的最大行車能力進(jìn)行分析和評(píng)估的活動(dòng)。

本文介紹了信號(hào)系統(tǒng)能力分析方法及主要影響因素，提出了信號(hào)專業(yè)常用的優(yōu)化措施，為工程設(shè)計(jì)者提供參考。

2 信號(hào)系統(tǒng)能力分析方法

城市軌道交通目前采用的主流信號(hào)系統(tǒng)是基于通信的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)（簡稱CBTC）。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)行車能力的主要評(píng)估指標(biāo)包括線路行車間隔和旅行速度。旅行速度是指在正常運(yùn)營情況下，列車從起點(diǎn)站發(fā)車至終點(diǎn)站停車的平均運(yùn)行速度。行車間隔是指在線路上任意一點(diǎn)同向連續(xù)運(yùn)行列車間的時(shí)間間隔。行車間隔是通過對(duì)線路正線、折返站、出入段等不同位置的追蹤間隔分別進(jìn)行評(píng)估后最終確定。

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能力評(píng)估主要包括以下幾個(gè)步驟：1）梳理線路資料、車輛參數(shù)、行車組織方案及信號(hào)控制系統(tǒng)采用的參數(shù)；2）計(jì)算列車運(yùn)行曲線，主要包括列車時(shí)間—距離曲線及速度—距離曲線，該曲線體現(xiàn)了列車的基本運(yùn)行情況，是進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)能力分析的基礎(chǔ)；3）基于列車運(yùn)行曲線計(jì)算列車旅行速度，并結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)安全控制模型分析列車運(yùn)行間隔。

2.1 正線追蹤間隔計(jì)算方法

正線追蹤間隔可分為區(qū)間追蹤間隔和車站追蹤間隔。考慮到列車在車站站停作業(yè)，一般正線追蹤間隔的限制點(diǎn)在車站，各個(gè)車站的追蹤間隔的最大值即為正線的追蹤間隔。通常CBTC 模式時(shí)列車在車站追蹤時(shí)要求前車未出清保護(hù)區(qū)段時(shí)，后車的安全防護(hù)點(diǎn)最近可到進(jìn)站側(cè)站臺(tái)邊沿計(jì)軸。車站追蹤間隔如圖1 所示，數(shù)值上由以下時(shí)間段組成：

1) 列車自以進(jìn)站側(cè)站臺(tái)邊沿計(jì)軸為限制點(diǎn)反推的一次常用制動(dòng)的降速點(diǎn)P 運(yùn)行至站臺(tái)的時(shí)間；

2) 列車在站臺(tái)的站停時(shí)間；

3) 列車自站臺(tái)運(yùn)行至出清保護(hù)區(qū)段的時(shí)間；4) 進(jìn)站進(jìn)路辦理時(shí)間。

圖1 車站追蹤間隔示意圖Fig.1 Schematic diagram of station tracking interval

根據(jù)以上分析可知，影響正線追蹤間隔的主要因素包括：站臺(tái)的站停時(shí)間、保護(hù)區(qū)段的長度、ATO 常用制動(dòng)率以及列車一次常用制動(dòng)降速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高速度等。在區(qū)間無曲線限速時(shí)，列車一次常用制動(dòng)降速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高速度是指區(qū)間的最高運(yùn)行速度。列車進(jìn)站前的線路區(qū)間有曲線限速時(shí)，列車一次常用制動(dòng)降速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高速度是指相應(yīng)的曲線限速對(duì)應(yīng)的列車最高運(yùn)行速度。顯然列車一次常用制動(dòng)降速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高速度是指列車進(jìn)站前最高運(yùn)行速度。

2.2 折返追蹤間隔計(jì)算方法

城市軌道交通中通常根據(jù)折返配線的類型將折返方式分為站后折返和站前折返。相較于站前折返，站后折返是更常見的折返方式。無論哪種折返方式，折返間隔的本質(zhì)都是列車在各閉塞分區(qū)的占用時(shí)間，折返過程中列車占用時(shí)間最長的閉塞分區(qū)決定了折返間隔的大小。對(duì)一個(gè)折返站進(jìn)行分析時(shí)，首先確定列車的走行路徑，識(shí)別折返過程中的閉塞分區(qū)，然后逐一分析列車在各個(gè)分區(qū)的占用時(shí)間，最后取占用時(shí)間最大值作為該折返站的折返間隔。顯然，占用時(shí)間最大的閉塞區(qū)間是折返追蹤間隔的制約點(diǎn)。

本節(jié)以典型站為例簡要說明折返間隔計(jì)算方法。

1）站后折返

典型的站后折返配線及信號(hào)布置示意如圖2 所示。

圖2 信號(hào)平面布置簡圖—站后折返Fig.2 Signal Layout Diagram—turn-back behind the platform

CBTC 模式下折返過程中涉及到3 個(gè)閉塞分區(qū)：進(jìn)站進(jìn)路（P 點(diǎn)—信號(hào)機(jī)S1）、入折返軌進(jìn)路（信號(hào)機(jī)S1—信號(hào)機(jī)S2）和出折返軌進(jìn)路（信號(hào)機(jī)S3—信號(hào)機(jī)S4），對(duì)列車在3 個(gè)閉塞分區(qū)的占用時(shí)間分解如表1 所示。

其中，信號(hào)設(shè)備反應(yīng)時(shí)間包括進(jìn)路延時(shí)解鎖時(shí)間和進(jìn)路辦理時(shí)間，其中進(jìn)路辦理時(shí)間的取值要考慮進(jìn)路辦理是否涉及道岔的轉(zhuǎn)動(dòng)。影響站后折返間隔的主要因素包括列車進(jìn)站前最高運(yùn)行速度、ATO常用制動(dòng)率、道岔類型及限速、道岔區(qū)段的長度及站停時(shí)間、進(jìn)路辦理時(shí)間等。

2）站前折返

表1 站后折返間隔時(shí)間分解表Tab.1 Decomposition table of the headway of turn-back behind the platform

典型的站后折返配線和信號(hào)布置示意如圖3 所示。站前折返根據(jù)走行路徑不同可分為彎進(jìn)直出、直進(jìn)彎出和交叉折返。本文以彎進(jìn)直出為例分析站前折返的折返間隔。

圖3 信號(hào)平面布置簡圖—站前折返Fig.3 Signal Layout Diagram-turn-back before the platform

站前彎進(jìn)直出折返涉及到一個(gè)閉塞分區(qū)：進(jìn)站進(jìn)路（信號(hào)機(jī)S1—信號(hào)機(jī)S2）。該進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)為前車越過JZ4 后，道岔轉(zhuǎn)動(dòng)且進(jìn)路鎖閉后，可為后車開放信號(hào)機(jī)S1。列車在該進(jìn)路的占用時(shí)間可分解為：

a.列車自P 點(diǎn)至站臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間；

b.列車在A 側(cè)站臺(tái)的站停時(shí)間；

c.自站臺(tái)出清岔區(qū)(越過JZ4)的時(shí)間；

d.信號(hào)設(shè)備反應(yīng)時(shí)間。

以上時(shí)間的和即為站前折返的追蹤間隔。影響站前折返間隔的主要因素包括道岔類型及限速、道岔區(qū)段的長度及站停時(shí)間等。

2.3 出入段追蹤間隔計(jì)算方法

考慮到正線和場(chǎng)段內(nèi)信號(hào)制式不同，出入段追蹤間隔需考慮兩個(gè)方面，第一是轉(zhuǎn)換軌和正線間為CBTC 模式運(yùn)行，其追蹤間隔的計(jì)算與正線區(qū)間追蹤間隔相同；第二是列檢庫和轉(zhuǎn)換軌間為聯(lián)鎖級(jí)運(yùn)行，其追蹤間隔需逐一分析列車在每個(gè)閉塞分區(qū)的占用時(shí)間，并取其最大值。受限于庫內(nèi)和場(chǎng)段內(nèi)的列車運(yùn)行速度，列檢庫和轉(zhuǎn)換軌間的追蹤間隔通常為出入段追蹤間隔的制約點(diǎn)。

2.4 旅行速度

旅行速度是根據(jù)線路條件、線路速度等級(jí)、列車性能、車站分布、站停時(shí)間和信號(hào)參數(shù)等綜合確定的。其中線路速度等級(jí)、車站間距、線路曲線限速是影響旅行速度的主要因素。數(shù)值上，旅行速度等于起點(diǎn)站到終點(diǎn)站的總線路長度與列車從起點(diǎn)站到終點(diǎn)站的總運(yùn)行時(shí)間的比值。

3 信號(hào)系統(tǒng)優(yōu)化措施

信號(hào)系統(tǒng)能力分析是對(duì)信號(hào)系統(tǒng)可提供的行車能力的評(píng)估，同時(shí)也可反過來指導(dǎo)信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)化，進(jìn)而提高線路的行車能力。提高行車能力的優(yōu)化措施主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 優(yōu)化信號(hào)參數(shù)

優(yōu)化信號(hào)參數(shù)是提高行車能力的常用手段。影響行車能力的信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)主要包括ATP 觸發(fā)速度、ATO 推薦速度、進(jìn)路辦理時(shí)間、ATO 常用制動(dòng)率等。

1） 提高ATP 觸發(fā)速度和ATO 推薦速度

對(duì)于正線來說，在保證安全的前提下，提高ATP 觸發(fā)速度和ATO 推薦速度可提高線路的旅行速度；對(duì)于折返站來說，提高列車側(cè)向過岔時(shí)的ATP 觸發(fā)速度和ATO 推薦速度可縮短列車在道岔的走行時(shí)間，進(jìn)而有效縮短折返間隔，提高折返效率。需要注意，信號(hào)系統(tǒng)需要結(jié)合車輛參數(shù)和線路情況，同時(shí)結(jié)合安全制動(dòng)模型，在保證控車安全的前提下提高ATP 觸發(fā)速度和ATO 推薦速度。

2） ATO 常用制動(dòng)率

提高ATO 常用制動(dòng)率是縮小行車間隔和提高旅行速度的重要手段?？紤]到列車的停車精度及舒適度要求，ATO 常用制動(dòng)率并非越大越好，取值通常在0.4 ～0.6 m/s2之間。在信號(hào)系統(tǒng)配置ATO常用制動(dòng)率時(shí)，還要考慮安全防護(hù)距離的長度，如果安全防護(hù)距離長度不足，即使配置了較高的ATO常用制動(dòng)率，也無法達(dá)到縮小列車的行車間隔和提高旅行速度的目的。

3） 進(jìn)路辦理時(shí)間

進(jìn)路辦理時(shí)間分為有道岔轉(zhuǎn)動(dòng)和無道岔轉(zhuǎn)動(dòng)兩種情況。無道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)路辦理時(shí)間主要是指進(jìn)路控制流程占用時(shí)間。有道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)路辦理時(shí)間還需要考慮道岔轉(zhuǎn)動(dòng)命令傳輸時(shí)間及電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作時(shí)間。優(yōu)化進(jìn)路控制過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)而縮短進(jìn)路辦理時(shí)間是縮短列車行車間隔的重要手段。

3.2 優(yōu)化進(jìn)站前列車最高運(yùn)行速度

目前優(yōu)化進(jìn)站前列車最高運(yùn)行速度是縮短行車間隔的常用手段，方法是降低進(jìn)站前一定區(qū)域內(nèi)的列車速度。通常來說，進(jìn)站速度在40 km/h 左右時(shí)，行車間隔最小?？紤]到列車舒適度，防止出現(xiàn)列車先降速再加速的現(xiàn)象，建議以站臺(tái)限速作為進(jìn)站前一定區(qū)域的限速值。一般來說，對(duì)于80 km/h 的線路來說，該優(yōu)化手段可將追蹤間隔降低大約10 s。需要注意的是，增加限速后線路旅行速度會(huì)受到影響。

3.3 優(yōu)化信號(hào)設(shè)備布置

優(yōu)化信號(hào)設(shè)備布置主要有兩個(gè)方面，一是優(yōu)化區(qū)間信號(hào)機(jī)的布置，以提高降級(jí)模式下的追蹤間隔，二是優(yōu)化折返區(qū)域的設(shè)備布置，以提高折返間隔。在保證系統(tǒng)安全和系統(tǒng)功能的前提下，應(yīng)將設(shè)備布置在有利于縮短行車間隔的位置。

3.4 優(yōu)化進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)

優(yōu)化進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)是指在保證安全的前提下，通過優(yōu)化控制流程，盡量提前進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)。以圖2 折返站為例，出折返軌進(jìn)路（S3—S4）通常為列車到達(dá)折返軌停車并完成換端后開始辦理，而經(jīng)過優(yōu)化控制流程，列車自下側(cè)站臺(tái)運(yùn)行至越過計(jì)軸JZ3，便可提前辦理出折返軌進(jìn)路（S3—S4），如此可縮短列車在折返軌的停留時(shí)間，進(jìn)而有效提高折返效率。一般來說，該控制流程的優(yōu)化可將追蹤間隔縮短大約5 s。

3.5 允許站臺(tái)追蹤

目前多數(shù)工程項(xiàng)目不允許列車在站臺(tái)追蹤，也就是說，當(dāng)前車未出清保護(hù)區(qū)段時(shí)，后車移動(dòng)授權(quán)只能到進(jìn)站側(cè)站臺(tái)邊沿計(jì)軸，后車不可追蹤進(jìn)站。允許站臺(tái)追蹤是指前車出清站臺(tái)區(qū)域且未出清保護(hù)區(qū)段時(shí)，后車移動(dòng)授權(quán)就可打到站臺(tái)區(qū)段，后車可以進(jìn)站。列車追蹤情況如圖4 所示。這意味著前后兩車可以追得更近，列車追蹤間隔更小。該措施可優(yōu)化的追蹤間隔的時(shí)間值，約等于以進(jìn)站前列車最高運(yùn)行速度行駛一個(gè)站臺(tái)區(qū)段的時(shí)間。假設(shè)站臺(tái)區(qū)段長度140 m，列車進(jìn)站前最高運(yùn)行速度為78 km/h，則可縮短折返間隔約為6.5 s，如圖4 所示。

圖4 站臺(tái)追蹤示意圖Fig.4 Schematic diagram of platform tracking

4 實(shí)例分析

城市軌道交通線路的折返間隔決定了線路的行車能力，是整個(gè)線路行車能力的制約點(diǎn)。以某工程項(xiàng)目終端折返站折返能力為研究對(duì)象，首先分析常規(guī)信號(hào)控制方式及參數(shù)下的折返間隔，其次結(jié)合該項(xiàng)目的線路、車輛參數(shù)及車站配線確定該折返站的優(yōu)化措施，然后分析采用各優(yōu)化措施后的折返間隔及能力提升情況。該折返站配線和信號(hào)布置示意如圖5 所示。

4.1 優(yōu)化前折返間隔分析

對(duì)于該典型折返站，基于常規(guī)的信號(hào)控車方式和常用的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行折返間隔分析。根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況，采用的主要參數(shù)如表2 所示。

圖5 某折返站平面布置圖Fig.5 Layout Diagram of a turn-back station

表2 參數(shù)選取Tab.2 Selection of parameters

經(jīng)計(jì)算，上行站臺(tái)接車間隔為131.0 s，上行站臺(tái)發(fā)車間隔為111.0 s，下行站臺(tái)接車間隔為113.3 s，以上間隔中最大值為接車間隔131.0 s，即為該折返站的追蹤間隔。

4.2 優(yōu)化措施

結(jié)合工程項(xiàng)目的車輛牽引制動(dòng)性能和線路情況，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)控制流程。主要優(yōu)化措施如下。

1）采用允許站臺(tái)追蹤的控制方式。

2）列車出清道岔區(qū)段立即開始辦理出折返軌進(jìn)路。

3）主要參數(shù)優(yōu)化。正線ATO 常用制動(dòng)率：0.6 m/s2。折返軌ATO 常用制動(dòng)率：0.7 m/s2。側(cè)向過岔ATO 速度：26 km/h。進(jìn)站前列車最高運(yùn)行速度：55 km/h。

經(jīng)計(jì)算，上行站臺(tái)接車間隔為107.3 s，上行站臺(tái)發(fā)車間隔為102.0 s，下行站臺(tái)接車間隔為102.6 s，以上間隔中最大值為接車間隔107.3 s，即為該折返站的追蹤間隔。與優(yōu)化前相比，折返追蹤間隔縮短23.7 s。考慮10%的運(yùn)營裕量，該折返站線路通過能力優(yōu)化前為24 對(duì)/小時(shí)，優(yōu)化后為30 對(duì)/小時(shí)，行車能力得到較大提高。

5 結(jié)語

信號(hào)系統(tǒng)能力分析是對(duì)特定信號(hào)系統(tǒng)所提供的運(yùn)營能力的計(jì)算和評(píng)估，其參數(shù)的選取和時(shí)序的確定要與信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際采用的參數(shù)和控制流程保持一致；折返間隔是全線追蹤間隔的制約點(diǎn)，當(dāng)折返間隔不滿足運(yùn)營需求時(shí)，可針對(duì)占用時(shí)間最長的閉塞分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，分解該閉塞分區(qū)所占用的時(shí)間并逐一分析，有針對(duì)性的采用優(yōu)化措施；信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)化措施可以組合使用，但優(yōu)化效果不是各優(yōu)化措施所能優(yōu)化的追蹤間隔的簡單疊加，需綜合分析后確定系統(tǒng)能力提升效果。