基于車車通信的城市軌道交通列車控制系統(tǒng)折返能力分析

吳殿華 范永華 李 聰

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，510010，廣州 ∥ 第一作者，高級工程師)

城市軌道交通列車控制系統(tǒng)(以下簡為“列控系統(tǒng)”)性能關(guān)鍵指標(biāo)包括正線追蹤能力、折返能力及平均旅行速度等。不同制式城市軌道交通的列控系統(tǒng)，正線追蹤能力并無明顯差異，而折返能力各有差異，這往往成為線路運(yùn)能的瓶頸。

1 列車折返過程及影響折返能力的因素

1.1 列車折返能力

列車折返過程主要包括站臺接車、進(jìn)折返軌和出折返軌。如圖1所示，P為列車進(jìn)站的干擾點(diǎn)，A點(diǎn)為列車進(jìn)站停站的位置，B點(diǎn)為列車在折返軌換端的位置，C點(diǎn)為折返完成后停站的位置。

圖1 站后折返示例

當(dāng)前行列車出清站臺防護(hù)區(qū)段后，即可為后車辦理接入接車站臺的進(jìn)路，后車剛好到達(dá)干擾點(diǎn)P；列車從P點(diǎn)到達(dá)折返站臺股道停車，當(dāng)前行列車出清折返軌道岔區(qū)段之后，車站即可重新辦理至折返軌的進(jìn)路，在計(jì)算最小列車行車間隔條件下，此時(shí)后續(xù)列車剛好從上行站臺A點(diǎn)出發(fā)，并由A點(diǎn)駛?cè)胝鄯倒傻繠點(diǎn)進(jìn)行折返；列車到達(dá)折返軌B點(diǎn)后，開始執(zhí)行換端操作，當(dāng)前行列車出清另一側(cè)的折返站臺后折返進(jìn)路建立，列車從B點(diǎn)駛向另一側(cè)站臺C點(diǎn)停車；待停站時(shí)間結(jié)束后，列車即可從C點(diǎn)發(fā)車駛向下一站。

1.2 列車折返能力影響因素

直接影響列車折返能力的因素主要有折返軌長度、列車長度、折返運(yùn)行速度、進(jìn)路辦理時(shí)間、換端時(shí)間等。

1) 折返軌長度。折返軌長度過長會造成土建投資的浪費(fèi)，過短則導(dǎo)致折返間隔的增加，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致全線運(yùn)能的下降。因此折返軌的長度應(yīng)綜合考慮線路的運(yùn)營間隔需求和列控系統(tǒng)折返效率的需求，取得土建投資和折返效率的平衡。

2) 列車長度。城市軌道交通列車的常見編組方式為3節(jié)編組、4節(jié)編組、6節(jié)編組和8節(jié)編組。編組越多，列車越長，則列車折返的走行距離越長，列車在運(yùn)行速度基本相同情況下的出入折返軌走行時(shí)間也越長。

3) 折返運(yùn)行速度。折返線采用的道岔型號不同，道岔側(cè)向限速也不同。例如，9#道岔的側(cè)向列車允許通過速度為35 km/h，側(cè)向列車絕對安全速度為40 km/h。對于折返效率要求較高的折返線，宜采用側(cè)向限速較高的道岔型號，以提高列車在折返過程中的運(yùn)行速度。

4) 進(jìn)路辦理時(shí)間。在傳統(tǒng)列控系統(tǒng)中，進(jìn)路信號機(jī)開放是列車可通過岔區(qū)的前提條件。辦理進(jìn)路包括申請進(jìn)路、聯(lián)鎖檢查條件、動(dòng)作道岔、鎖閉進(jìn)路及開放信號機(jī)等諸多環(huán)節(jié)，耗時(shí)較長。進(jìn)路辦理時(shí)間是列車折返時(shí)間的重要組成部分。

5) 換端時(shí)間。換端時(shí)間為列車到達(dá)折返軌停車點(diǎn)后換端的時(shí)間，分為車輛系統(tǒng)換端時(shí)間和信號車載系統(tǒng)換端時(shí)間，由于車輛換端時(shí)間遠(yuǎn)大于信號換端時(shí)間，所以換端時(shí)間取決于車輛的換端時(shí)間。

在上述影響因素中，列車長度、換端時(shí)間和列車折返時(shí)間是由車輛和線路條件決定的。對列控系統(tǒng)而言，通過優(yōu)化進(jìn)路辦理時(shí)間，可有效提高列車折返性能。

2 基于車車通信的列控系統(tǒng)折返性能分析

基于車地通信的傳統(tǒng)列控系統(tǒng)根據(jù)列車目的地為列車辦理相應(yīng)的進(jìn)路，待聯(lián)鎖檢查條件滿足后開放相應(yīng)的信號機(jī)，使列車根據(jù)速度碼或移動(dòng)授權(quán)駛過道岔區(qū)域。

基于車車通信的列控系統(tǒng)通過精細(xì)化的資源管理，完成列車間信息的直接交互和協(xié)同控制，在保證安全的前提下，提升了線路和道岔資源的使用效率，縮短了列車之間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤間隔，具有安全、高效、靈活、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，代表了下一代高效能城市軌道交通列控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

與基于車地通信的傳統(tǒng)列控系統(tǒng)相比，基于車車通信的列控系統(tǒng)在與列車折返能力相關(guān)的性能方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)。

2.1 信息流傳輸鏈路短

在基于車地通信的列控系統(tǒng)中， ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)子系統(tǒng)需根據(jù)列車的運(yùn)行任務(wù)來申請聯(lián)鎖進(jìn)路；聯(lián)鎖子系統(tǒng)收到進(jìn)路命令后，檢查聯(lián)鎖條件滿足后，操作道岔和開放信號機(jī)，并將道岔位置和信號機(jī)狀態(tài)發(fā)送給軌旁ATC(列車自動(dòng)控制)子系統(tǒng)；軌旁ATC子系統(tǒng)根據(jù)軌旁設(shè)備狀態(tài)和列車位置報(bào)告，為每列列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，并將移動(dòng)授權(quán)發(fā)送至車載控制器；車載控制器根據(jù)接收到的移動(dòng)授權(quán)來控制列車運(yùn)行。

在基于車車通信的列控系統(tǒng)中，列車根據(jù)運(yùn)行任務(wù)自主申請軌旁資源，并通過車車直接通信獲取前方列車位置。在獲得軌旁資源和前車位置信息后，車載控制器自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，進(jìn)而控制列車運(yùn)行。

與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比，基于車車通信的列控系統(tǒng)內(nèi)部信息流傳輸鏈路大幅縮短，實(shí)時(shí)控制效率更高，折返效率也更優(yōu)。

2.2 軌旁資源管理精細(xì)化

基于車地通信的列控系統(tǒng)在道岔區(qū)域運(yùn)行需基于聯(lián)鎖進(jìn)路。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，道岔防護(hù)信號機(jī)距離所防護(hù)的道岔一般不小于8 m?？梢?，從信號機(jī)到信號機(jī)的聯(lián)鎖進(jìn)路范圍較大，所以基于聯(lián)鎖進(jìn)路來分配軌旁資源的管理方式較粗放。

基于車車通信的列控系統(tǒng)不受聯(lián)鎖進(jìn)路約束，對軌旁資源進(jìn)行精細(xì)化管理。列車根據(jù)運(yùn)行任務(wù)按需逐段申請軌旁資源，并根據(jù)列車的精確定位逐段釋放其不再需要的軌旁資源，從而大幅提高道岔區(qū)域的列車通行效率，減小列車折返追蹤間隔，進(jìn)而提高列車折返能力。

2.3 取消了聯(lián)鎖進(jìn)路辦理時(shí)間

對于基于車地通信的列控系統(tǒng)，在列車進(jìn)、出折返軌時(shí)都必須先為列車辦理1條進(jìn)路并開放信號機(jī)，其耗時(shí)達(dá)10 s以上。

基于車車通信的列控系統(tǒng)取消了軌旁設(shè)備集中站聯(lián)鎖子系統(tǒng)，擺脫了聯(lián)鎖進(jìn)路的約束。這樣，在列車進(jìn)、出折返軌時(shí)不需再辦理聯(lián)鎖進(jìn)路和解鎖進(jìn)路，從而節(jié)省了進(jìn)、出折返軌的進(jìn)路辦理時(shí)間及進(jìn)路解鎖時(shí)間。

2.4 防護(hù)區(qū)段短

基于車車通信的列控系統(tǒng)采用扁平化架構(gòu)，提升了列控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比，基于車車通信的列控系統(tǒng)車載設(shè)備自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，使移動(dòng)授權(quán)的更新周期更快、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間更短，故其安全防護(hù)距離較短。這一特點(diǎn)有兩大益處：①對折返軌的長度需求降低，可節(jié)約土建投資；②在同等防護(hù)距離長度下，使用基于車車通信的列控系統(tǒng)可提高列車在折返線的運(yùn)行速度，從而減少列車進(jìn)入折返線的時(shí)間。

3 列車折返時(shí)間的仿真分析

列車折返分為站前折返和站后折返。為節(jié)約土建投資或受環(huán)境制約，較多線路選擇站前折返方式。對于同等規(guī)模車站，一般站后折返能力要明顯優(yōu)于站前折返能力。無論站前折返還是站后折返，其折返間隔應(yīng)能滿足線路遠(yuǎn)期最小運(yùn)營間隔需求。本文基于實(shí)際車站的數(shù)據(jù)，按不同折返方式對列車折返能力進(jìn)行仿真分析。

3.1 站后折返

地鐵站A為典型的站后折返站，采用站后單折返模式，其折返線布置見圖2。

圖2 地鐵站A的站后折返線示意圖

經(jīng)仿真計(jì)算，采用不同列控系統(tǒng)時(shí)的折返時(shí)間見表1。

表1 采用不同列控系統(tǒng)時(shí)的車站A列車折返時(shí)間

由表1可知，采用站后單折返模式時(shí)，與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比，基于車車通信的列控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制效率較高，相應(yīng)的列車折返間隔縮短約20%。

3.2 站前折返

地鐵站B為站前折返站，采用彎進(jìn)直出站前折返模式，其站前折返線布置如圖3所示。

圖3 地鐵站B的站后折返線布置示意圖

通過仿真計(jì)算，采用不同列控系統(tǒng)時(shí)的站B列車折返能力指標(biāo)見表2。

表2 站B的列車折返能力指標(biāo)仿真結(jié)果

由表2可見，在彎進(jìn)直出站前折返模式下，與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比，基于車車通信的列控系統(tǒng)的列車折返間隔縮短約30%?？梢?，基于車車通信的列控系統(tǒng)的線路折返能力明顯更優(yōu)，可有效解決由站前折返導(dǎo)致的運(yùn)能瓶頸問題。

4 結(jié)語

基于車車通信的列控系統(tǒng)采用了扁平化系統(tǒng)架構(gòu)，列車之間直接通信，可自主申請軌旁資源和計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間更快，系統(tǒng)性能明顯更優(yōu)。

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化線網(wǎng)的建成，城市核心區(qū)的骨干軌道交通對運(yùn)能提出了更高的需求，在基于車地通信的列控系統(tǒng)無法滿足運(yùn)營要求時(shí)，可考慮采用效能更高的車車通信列控系統(tǒng)。對于僅配置站前折返的終點(diǎn)站，采用基于車車通信的列控系統(tǒng)可有效解決由站前折返導(dǎo)致的運(yùn)能瓶頸問題。