不同列車(chē)編組運(yùn)行信號(hào)設(shè)計(jì)方案研究

阮杰 張成國(guó)

國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的城市軌道交通項(xiàng)目在初期客流量較少，但隨著城市發(fā)展及近遠(yuǎn)期項(xiàng)目的開(kāi)通，客流量會(huì)逐漸增加，進(jìn)而要求列車(chē)編組數(shù)量也隨之增多，于是就形成了“初期小編組，近期混合編組，遠(yuǎn)期大編組”的編組形式。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目情況，分析研究在項(xiàng)目初期的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以便在近遠(yuǎn)期增加大編組列車(chē)時(shí)，有效減少項(xiàng)目實(shí)施成本，降低對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

1 項(xiàng)目概況

以某城市軌道交通X3線為例，按照“初期小編組，近期混合編組，遠(yuǎn)期大編組”的項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)要求，全線列車(chē)采用的方案是初期4輛編組，近期4/6輛混編，遠(yuǎn)期6輛編組。初期配屬車(chē)數(shù)量為20列/80輛，近 期 配 屬 車(chē) 數(shù) 量 為20（18）列/188輛，遠(yuǎn)期配屬車(chē)數(shù)量為44列/264輛。

本文以卡斯柯信號(hào)有限公司的CBTC系統(tǒng)為例，討論列車(chē)編組變化對(duì)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，以便進(jìn)行方案的制定選擇。

2 編組變化的影響

信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)是整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為后續(xù)的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考輸入。子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含ATC、ATS、CI、DCS、MSS等方面，它們直接影響著項(xiàng)目的硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)軟件。

列車(chē)編組變化會(huì)導(dǎo)致列車(chē)的長(zhǎng)度、重量、牽引加速度、制動(dòng)率等參數(shù)變化，進(jìn)而影響到總體設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)，例如移動(dòng)授權(quán)的長(zhǎng)度、緩沖區(qū)域的長(zhǎng)度。列車(chē)長(zhǎng)度的變化，會(huì)使停車(chē)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要分別考慮2種車(chē)型，進(jìn)而在站臺(tái)、轉(zhuǎn)換軌、折返軌的信標(biāo)、計(jì)軸的布置和數(shù)量上都會(huì)不同。

1）對(duì)列車(chē)自動(dòng)控制子系統(tǒng)ATC的影響。ATC直接與車(chē)輛接口，結(jié)合總體設(shè)計(jì)中信標(biāo)、停車(chē)點(diǎn)等相關(guān)內(nèi)容，以及列車(chē)編組變化帶來(lái)的車(chē)輛參數(shù)更新，需要修改軌旁ATC設(shè)備布置和車(chē)載計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)軟件。

2）對(duì)列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)ATS的影響。ATS主要負(fù)責(zé)監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行，安排每天的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。列車(chē)長(zhǎng)度的變化會(huì)影響到ATS的邏輯區(qū)段劃分，同時(shí)ATS發(fā)車(chē)指示器的位置也受到停車(chē)點(diǎn)位置的影響，具體是否移動(dòng)需根據(jù)停車(chē)點(diǎn)的設(shè)計(jì)而定。

3）對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖子系統(tǒng)CI的影響。CI主要負(fù)責(zé)信號(hào)機(jī)、區(qū)段和道岔的聯(lián)鎖控制，與站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行接口。不同的列車(chē)編組將需要聯(lián)鎖提供不同的站臺(tái)門(mén)開(kāi)門(mén)命令，以滿足不同編組列車(chē)到站時(shí)的站臺(tái)門(mén)控制，這將影響到站臺(tái)門(mén)開(kāi)門(mén)命令相關(guān)的繼電器和電路設(shè)計(jì)。

4）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)DCS和維護(hù)支持系統(tǒng)MSS，基本不受列車(chē)編組變化的影響。

3 方案分析

在已經(jīng)明確“初期小編組，近期混合編組，遠(yuǎn)期大編組”的情況下，結(jié)合上述影響分析，信號(hào)系統(tǒng)的初期設(shè)計(jì)可主要采取2個(gè)方案。

方案1：初期只有4輛小編組，不考慮6輛編組的車(chē)輛參數(shù)和預(yù)留設(shè)備，在近期新增6輛編組列車(chē)后，再根據(jù)明確的車(chē)輛參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和設(shè)備增加。優(yōu)點(diǎn)是不考慮預(yù)留6輛編組，相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)更加明確，設(shè)計(jì)人工成本降低；不預(yù)留計(jì)軸、信標(biāo)、站臺(tái)門(mén)繼電器等設(shè)備，初期成本相對(duì)較少。缺點(diǎn)是在項(xiàng)目近期新增6輛編組列車(chē)后，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需根據(jù)新的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)參數(shù)變化較大，更新修改的風(fēng)險(xiǎn)和成本較大；在項(xiàng)目近期才增加計(jì)軸、無(wú)源信標(biāo)，增加站臺(tái)門(mén)6輛編組開(kāi)門(mén)命令相關(guān)的繼電器等設(shè)備，需要現(xiàn)場(chǎng)軌旁及機(jī)柜內(nèi)重新布線，類(lèi)似于線路改造，對(duì)運(yùn)營(yíng)和調(diào)試的影響較大，工期較長(zhǎng)。

方案2：在初期設(shè)計(jì)時(shí)考慮將6輛編組的車(chē)輛參數(shù)預(yù)留，同時(shí)對(duì)近期混合編組情況下需要增加的計(jì)軸、信標(biāo)、站臺(tái)門(mén)繼電器等進(jìn)行預(yù)留設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是初期預(yù)留6輛編組的車(chē)輛參數(shù)，在近期系統(tǒng)設(shè)計(jì)中人工成本和風(fēng)險(xiǎn)大大降低；預(yù)留計(jì)軸、無(wú)源信標(biāo)的設(shè)計(jì)安裝，以及站臺(tái)門(mén)6輛編組開(kāi)門(mén)的繼電器電路設(shè)計(jì)和安裝，使近期基本無(wú)需新增設(shè)備及安裝，對(duì)運(yùn)營(yíng)和調(diào)試的影響大大降低，降低了全生命周期成本。缺點(diǎn)是初期設(shè)計(jì)會(huì)增加人工和設(shè)備成本。

綜上所述，雖然初期設(shè)計(jì)考慮預(yù)留6輛編組列車(chē)的車(chē)輛參數(shù)和相關(guān)設(shè)備導(dǎo)致成本增加，但是在近期新增6輛編組列車(chē)后，升級(jí)和整改的施工量大大降低，對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響較小。所以從整個(gè)項(xiàng)目生命周期來(lái)看，方案2更加科學(xué)合理。但采用方案2，需要在初期考慮預(yù)留6輛編組的參數(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)備，以便確定CBTC信號(hào)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)實(shí)施方案。

4 方案實(shí)施

4.1 轉(zhuǎn)換軌設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換軌是列車(chē)從場(chǎng)段內(nèi)進(jìn)入正線時(shí)，由RM限制駕駛模式升級(jí)為CBTC模式的區(qū)段。在項(xiàng)目初期需充分考慮4/6輛編組列車(chē)混跑的需求，使轉(zhuǎn)換軌具備識(shí)別出不同編組列車(chē)的能力。RM車(chē)是非CBTC車(chē)，當(dāng)它駛?cè)胝€區(qū)域控制器管轄區(qū)域，且次級(jí)列車(chē)檢測(cè)設(shè)備被占用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非通信車(chē)包絡(luò)。非通信車(chē)因?yàn)闆](méi)有精確定位，產(chǎn)生的包絡(luò)會(huì)充滿整個(gè)占用的區(qū)段轉(zhuǎn)換軌設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)換軌設(shè)計(jì)

若只有一種列車(chē)編組的項(xiàng)目，一般只設(shè)計(jì)1個(gè)區(qū)段作為轉(zhuǎn)換軌。但是對(duì)于不同列車(chē)編組混跑運(yùn)行的項(xiàng)目，需考慮設(shè)計(jì)2個(gè)區(qū)段作為轉(zhuǎn)換軌，見(jiàn)圖1中的G2和G3。

當(dāng)4輛編組列車(chē)駛?cè)朕D(zhuǎn)換軌，并將G3占用同時(shí)出清G2。此時(shí)根據(jù)無(wú)線通信，車(chē)載計(jì)算機(jī)能夠?qū)⒕_定位計(jì)算后發(fā)送給區(qū)域控制器，通過(guò)G3來(lái)識(shí)別4輛編組列車(chē)非通信車(chē)防護(hù)包絡(luò)，并升級(jí)為通信車(chē)包絡(luò)。

當(dāng)列車(chē)同時(shí)占用G2和G3，則表示6輛編組列車(chē)駛?cè)朕D(zhuǎn)換軌，區(qū)域控制器將把6輛編組列車(chē)的非通信車(chē)防護(hù)包絡(luò)升級(jí)為通信車(chē)包絡(luò)。

4.2 停車(chē)點(diǎn)設(shè)計(jì)

停車(chē)點(diǎn)的設(shè)計(jì)分為站臺(tái)布置和站間布置。站間布置是站間設(shè)置折返的區(qū)域需要布置停車(chē)點(diǎn)，其布置原則是4輛編組與6輛編組的車(chē)某個(gè)端頭對(duì)齊即可，一般考慮折返效率，會(huì)設(shè)置為換端后發(fā)車(chē)點(diǎn)對(duì)齊。

站臺(tái)停車(chē)點(diǎn)布置主要分為以下2種方案：

方案1：4輛編組與6輛編組的車(chē)中心與站臺(tái)門(mén)中心對(duì)齊。需要對(duì)4輛編組和6輛編組精確停車(chē)分別設(shè)置無(wú)源信標(biāo)，同時(shí)存在車(chē)頭車(chē)尾司機(jī)室門(mén)和滑動(dòng)門(mén)均錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)。

方案2：6輛編組的車(chē)中心與站中心對(duì)齊，4輛編組列車(chē)車(chē)頭與6輛編組的車(chē)頭對(duì)齊。這樣可節(jié)省無(wú)源信標(biāo)，而且車(chē)頭司機(jī)室門(mén)和滑動(dòng)門(mén)可以對(duì)齊。

本項(xiàng)目中選用方案2，典型的站臺(tái)停車(chē)點(diǎn)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

4.3 無(wú)源信標(biāo)布置

當(dāng)以ATO模式駕駛時(shí)，要求列車(chē)精確停在每個(gè)停車(chē)點(diǎn)。因此在接近停車(chē)點(diǎn)SSP的過(guò)程中，需要在軌道上安裝第1接近信標(biāo)和第2接近信標(biāo)來(lái)定位列車(chē)。參見(jiàn)圖3車(chē)站站臺(tái)，需在信標(biāo)天線前D1距離布置一個(gè)信標(biāo)，在天線前D2距離布置一個(gè)信標(biāo)。另外，在天線D3距離前布置一個(gè)信標(biāo)，保證列車(chē)精確停在乘客交換區(qū)域內(nèi)。無(wú)源信標(biāo)布置針對(duì)4輛和6輛編組的情況，主要考慮折返、站臺(tái)及轉(zhuǎn)換軌對(duì)于無(wú)源信標(biāo)的復(fù)用。

圖3中，T1代表初期的4輛編組列車(chē)，T2代表近遠(yuǎn)期的6輛編組列車(chē)。

4.4 站臺(tái)門(mén)接口

4輛、6輛編組混跑時(shí)，需要保證站臺(tái)門(mén)滑動(dòng)要同時(shí)能分別對(duì)應(yīng)兩種車(chē)型的車(chē)門(mén)，并保證4輛編組列車(chē)?？寇?chē)站時(shí)，對(duì)應(yīng)4輛編組列車(chē)車(chē)門(mén)的站臺(tái)門(mén)滑動(dòng)開(kāi)啟，其余滑動(dòng)門(mén)則要求鎖閉不開(kāi)啟。因此，在4輛編組和6輛編組列車(chē)的上下客作業(yè)時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)的接口需要特殊考慮，以具備4、6輛編組列車(chē)車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)的聯(lián)動(dòng)功能。

如圖4所示，電路中分4、6輛編組列車(chē)不同情況開(kāi)門(mén)，針對(duì)不同編組的列車(chē)，ATC發(fā)送不同的開(kāi)門(mén)命令給聯(lián)鎖系統(tǒng)，由聯(lián)鎖和站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)接口，站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)執(zhí)行開(kāi)門(mén)操作。關(guān)門(mén)不需要區(qū)分4、6輛編組列車(chē)。

4.5 ATS設(shè)計(jì)

由于ATS發(fā)車(chē)指示器的位置受到停車(chē)點(diǎn)位置的影響，按照停車(chē)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案2，4輛編組和6輛編組的車(chē)頭停車(chē)點(diǎn)位置都是在站臺(tái)端頭部，ATS發(fā)車(chē)指示器在項(xiàng)目初期可安裝在站臺(tái)端頭部，在近遠(yuǎn)期增加大編組列車(chē)時(shí)，也不需變更位置。

ATS界面中邏輯區(qū)段的劃分是以車(chē)長(zhǎng)為基準(zhǔn)，在初期設(shè)計(jì)時(shí)，按考慮預(yù)留6輛編組列車(chē)長(zhǎng)度進(jìn)行劃分，避免在近遠(yuǎn)期重新劃分，減少對(duì)設(shè)計(jì)以及操作使用的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

X3線屬于新建城市軌道交通項(xiàng)目，目前所有設(shè)計(jì)方案均已通過(guò)評(píng)審，項(xiàng)目數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)室內(nèi)測(cè)試，并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試階段。

本文對(duì)近遠(yuǎn)期不同列車(chē)編組運(yùn)行的項(xiàng)目在初期的信號(hào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析比較，并從不同方面介紹了具體的初期實(shí)施方案，在近遠(yuǎn)期增加大編組列車(chē)時(shí)，可有效減少設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的工作量，減少全生命周期成本，降低對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。該項(xiàng)設(shè)計(jì)可為類(lèi)似近遠(yuǎn)期不同列車(chē)編組運(yùn)行項(xiàng)目的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 站臺(tái)停車(chē)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖3 單向運(yùn)行車(chē)站無(wú)源信標(biāo)布置

圖4 信號(hào)與站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)接口