上海軌道交通寶山路站的匯合能力提升研究

劉 建

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,200070,上海 ∥ 高級工程師)

上海軌道交通3號線(以下簡為“3號線”)自上海南站至江楊北路，全長約為40.7 km，共設(shè)29座車站。上海軌道交通4號線(以下簡為“4號線”)為環(huán)線，不含與3號線共線部分的線路長約22.3 km，設(shè)17座車站。4號線與1、2號線共同組成“申”字形線網(wǎng)。4號線在寶山路站至虹橋路站段與3號線共線運營，進而形成“3號線+4號線”的復(fù)合型線路(本文稱為“3/4號線”)。 3/4號線線路如圖1所示。

3/4號線是國內(nèi)唯一采用“共線+環(huán)線”運營方案的地鐵線路，其共線段承載著3號線北段和4號線外圈的客流，也限制了共線段以外的客運能力。自2000年投入運營以來，3/4號線見證了上海的城市發(fā)展，也深受日益增長的客流量困擾。長期以來，受共線段的客運能力限制，高峰時段的3號線北段進站客流一直采用限流措施。

圖1 3/4號線線路示意圖

1 3/4號線運營能力的瓶頸

通過分析3/4號線線路配線和既有信號系統(tǒng)能力發(fā)現(xiàn)，寶山路站是整個3/4號線中最重要的車站。如圖2所示，4號線線路跨越3號線線路后，以大坡度下坡接入3號線正線。其簡易接軌方式存在一定安全風險。

圖2 寶山路站處的簡易接軌示意圖

寶山路站下行方向并線處的信號設(shè)備布置如圖3所示。為保證4號線以大坡度接入3號線正線處的行車安全，其信號聯(lián)鎖子系統(tǒng)增加了特殊設(shè)計：①信號燈X3H，開放允許信號的條件是前車出清E點；②信號燈X1H，開放允許信號的條件是前車出清C點； ③道岔SW1H，道岔轉(zhuǎn)動的條件是前車出清C點。

現(xiàn)有信號系統(tǒng)(U200)為基于軌道電路的準移動閉塞制式，其系統(tǒng)能力有限。寶山路站是3號線與4號線下行方向客流匯合車站，其特殊的配線和特殊的聯(lián)鎖設(shè)計在保證行車安全的同時，進一步限制了信號系統(tǒng)能力，使寶山路站的匯合能力成為限制3/4號線運營能力的瓶頸。

圖3 寶山路站下行方向并線處信號設(shè)備布置示意圖

2 寶山路站匯合能力的提升方案

3/4號線的改造,既要滿足客流增長的基本需求，充分滿足線路的規(guī)劃功能，最大限度實現(xiàn)線路最大運營能力；又要根據(jù)客流分析，通過靈活的交路設(shè)計，盡量減少客流沿途換乘次數(shù)，降低對乘客乘車習慣的影響。要提升3/4號線的運營能力，必須對提升寶山路站的匯合能力進行分析研究。

3/4號線信號系統(tǒng)已到大修期，本文主要從信號系統(tǒng)更新改造來提升運能的角度探討研究。

2.1 信號系統(tǒng)制式

20世紀末至21世紀初，地鐵信號系統(tǒng)主要采用的是固定閉塞或者是基于軌道電路的準移動閉塞。例如，3/4號線采用的ALSTOM U200系統(tǒng)就是基于軌道電路的準移動閉塞系統(tǒng)。

目前，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)是軌道交通信號系統(tǒng)的主流系統(tǒng)制式。CBTC系統(tǒng)是以軌旁設(shè)備為中心，通過地面ZC(區(qū)域控制器)來統(tǒng)一管理列車，如圖4所示。

圖4 CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

近年來，隨著信號技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于車車通信的CBTC系統(tǒng)——TACS(列車自主控制系統(tǒng))。TACS系統(tǒng)以列車為中心，取消了地面的聯(lián)鎖和區(qū)域控制器子系統(tǒng)，ATS(列車自動監(jiān)控系統(tǒng))直接與VOBC(車載控制器)進行通信,如圖5所示。

圖5 TACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

相較于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，TACS系統(tǒng)精簡了軌旁設(shè)備，簡化了車地間交互的信息量及交互時間，并提高了車載系統(tǒng)性能。與上海軌道交通3/4號線信號U200系統(tǒng)相比，CBTC系統(tǒng)和TACS系統(tǒng)的移動授權(quán)更新時間更短。鑒于不同信號系統(tǒng)供貨商系統(tǒng)的差異，本文采用了經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同制式系統(tǒng)移動授權(quán)更新時間

TACS系統(tǒng)在移動授權(quán)更新時間上更短，不僅減少了反應(yīng)時間，而且還大大提高了追蹤能力，提升了整個信號系統(tǒng)的性能。

3/4號線信號系統(tǒng)在更新改造的同時，還肩負著提升運營能力的使命。鑒于此，本文就不同信號制式對寶山路站的匯合能力進行分析。

2.2 匯合能力的提升

2.2.1 仿真參數(shù)

在不同的信號系統(tǒng)制式下，列車的牽引、制動及沖擊率等常用參數(shù)一致。牽引加速能力如表2所示。

表2 牽引加速能力表

最大常用制動加速度的絕對值為1.44 m/s2；保障緊急制動加速度絕對值為 0.85 m/s2。在牽引和制動時，車輛最大沖擊率為0.75 m/s3。打滑率為15%。最大坡度的最大加速度為0.28 m/s2。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量占空車質(zhì)量的6.76%。

由于信號系統(tǒng)架構(gòu)的不同，不同制式的信號系統(tǒng)存在部分特殊的經(jīng)驗仿真參數(shù)。本研究采用的特殊仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同制式系統(tǒng)特殊參數(shù) s

2.2.2 匯合能力的影響因素

經(jīng)仿真分析，在3種不同信號系統(tǒng)制式下，寶山路站的匯合能力同約束條件和干擾點的列車運行速度有關(guān)(如圖6所示)。

圖6 不同系統(tǒng)制式干擾點示意圖

1) 約束條件。在既有的U200系統(tǒng)中，信號燈X3H(B點)的開放允許信號條件為前車出清E點。在CBTC系統(tǒng)中,信號燈X3H(B點)的開放允許信號條件為前車出清C點；在TACS系統(tǒng)中,列車在F點獲得道岔資源的條件為前車出清D點。

2) 干擾點速度。當采用U200系統(tǒng)或CBTC系統(tǒng)時，列車運行至B點或A點的干擾點的速度均相對較高。由于道岔側(cè)向限速，因此列車從B點干擾點至列車到寶山路站臺停穩(wěn)的運行時間相對較長。當采用TACS系統(tǒng)時，相對于G點，列車運行至干擾點(F點)的速度較低，因此列車從F點至寶山路站臺停穩(wěn)的運行時間較短。

2.2.3 匯合能力計算

經(jīng)仿真計算，在3種不同信號系統(tǒng)制式下，寶山路站的匯合間隔時間如表4所示。

由表4可知， TACS系統(tǒng)的精細化管理，使寶山路站的匯合能力大幅提升。計算結(jié)果表明，不考慮寶山路站的線路其他因素，通過適當調(diào)整3號線與4號線的列車開行比例，可使寶山路站下行方向的匯合間隔時間縮短到100 s左右，匯合能力可達36對/h。

表4 不同系統(tǒng)制式寶山路站匯合間隔時間

由于信號系統(tǒng)能力提升并不能解決大坡道簡易接軌的安全問題，故還應(yīng)結(jié)合配線調(diào)整，采用將站前接軌改為站后接軌(如圖7所示)或增加安全線等措施，在提高運營安全的同時，進一步提升寶山路站的匯合能力。

圖7 寶山路站接軌改造后干擾點示意圖

本文選取了寶山路站站前接軌改為站后接軌的配線改造方案進行匯合間隔時間分析。站前接軌改為站后接軌既解除了大下坡道簡易接軌的安全隱患，改善了信號系統(tǒng)的干擾點影響，又提高了信號系統(tǒng)的匯合能力。

經(jīng)仿真計算，在不同信號系統(tǒng)制式下，寶山路站接軌改造后的匯合間隔時間如表5所示。

不難發(fā)現(xiàn)，信號系統(tǒng)的更新改造和土建配線形式調(diào)整均可以在一定程度上應(yīng)對不斷增長的客流需求。此外，根據(jù)客流變化情況適當調(diào)整3號線與4號線的列車開行比例，可以更好地提升線路的服務(wù)水平。

表5 接軌改造后的寶山路站匯合間隔時間

3 結(jié)語

3/4號線客流量與日俱增，具有信號系統(tǒng)更新改造和運能提升的迫切需求。本文基于不同信號系統(tǒng)制式，通過仿真計算，深入分析寶山路站匯合能力提升方案。計算結(jié)果表明，選擇合適的信號系統(tǒng)制式、采取土建配線改造措施、調(diào)整列車開行比例，能有效提升寶山路站的匯合能力。研究結(jié)果可為其他線路信號系統(tǒng)制式選擇和運營能力提升提供一定的參考。