城軌信號系統(tǒng)接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護技術(shù)研究

沈家明

傳統(tǒng)接觸網(wǎng)禁停區(qū)一般是在線路上安裝停車指示牌或設(shè)立標識，通過司機辨認標識人工防護［1］。列車非預(yù)期迫停在禁停區(qū)時，司機需要降雙弓后，手動逐個升單弓并駕駛列車駛出禁停區(qū)。由于目前城軌線路大多采用自動運行模式（ATO）或全自動運行模式（FAO）運營［2-3］，因此當發(fā)生列車迫停在禁停區(qū)時，需要司機或運營人員先將列車轉(zhuǎn)換到手動駕駛模式，再操作升降弓駕駛列車駛出禁停區(qū)。復(fù)雜的操作會使得列車長時間停留在禁停區(qū)內(nèi)，容易發(fā)生受電弓與接觸網(wǎng)間拉弧放電，甚至燒斷接觸線導(dǎo)致斷電的故障，造成大量乘客滯留需要疏散［4］，運營中斷可長達數(shù)小時。為防止此類重大運營故障的發(fā)生，若由供電專業(yè)進行接觸網(wǎng)改造，工程規(guī)模巨大且成本過高，因此地鐵運營方提出由信號專業(yè)基于列車自動防護技術(shù)對接觸網(wǎng)禁停區(qū)進行防護。本文闡述接觸網(wǎng)禁停區(qū)的設(shè)置原則，深入研究信號系統(tǒng)在不同場景下的接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護方案。

1 接觸網(wǎng)禁停區(qū)設(shè)置原則

一個典型的接觸網(wǎng)禁停區(qū)示例見圖1。根據(jù)供電專業(yè)提供的絕緣錨段關(guān)節(jié)相關(guān)信息，定義從A點到B點為絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域。信號系統(tǒng)在設(shè)置接觸網(wǎng)禁停區(qū)時，需考慮列車前弓和后弓均不在絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)域內(nèi)且包含一定的設(shè)計余量。以前弓為例，前弓在A 點進入錨段關(guān)節(jié)區(qū)域時，計算前弓到車鉤距離再加3 m 為禁停點C。列車繼續(xù)從A 點往B點行駛，前弓在B點離開錨段關(guān)節(jié)區(qū)域時，計算前弓到車鉤距離再加3 m 為禁停點D。C 點到D點為前弓的禁停區(qū)域。以同樣方法計算出后弓的禁停區(qū)域為E 點到F 點。結(jié)合目前運營規(guī)程，列車仍需在接觸網(wǎng)停車牌T 點前停車，最終確定信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中該處接觸網(wǎng)禁停區(qū)范圍為T 點到F 點。信號系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的接觸網(wǎng)禁停區(qū)，通過移動授權(quán)管理，提供列車自動防護功能。

圖1 接觸網(wǎng)禁停區(qū)示例

2 不同區(qū)域接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護

2.1 區(qū)間接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護

列車在區(qū)間運行時，車載控制器（VOBC）將判斷前方移動授權(quán)范圍。若移動授權(quán)超過接觸網(wǎng)禁停區(qū)加上車鉤到后弓的距離（見圖2），即VOBC判斷可以不停車經(jīng)過接觸網(wǎng)禁停區(qū)，則控制2 車繼續(xù)運行。如果上述距離不滿足（見圖3），列車將停在接觸網(wǎng)禁停區(qū)邊界處。VOBC 計算2 車的停車位置時，將考慮定位誤差，并計算出最不利情況下的停車距離［5-6］，在該距離前觸發(fā)制動命令，保證列車可以在接觸網(wǎng)禁停區(qū)外的停車點停車。實際列車停車時，車頭可能停在距接觸網(wǎng)禁停區(qū)邊界更遠的位置。

圖2 列車越過接觸網(wǎng)禁停區(qū)

圖3 列車在接觸網(wǎng)禁停區(qū)前停車

2.2 站臺接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護

2.2.1接觸網(wǎng)停車點離站臺較近

當接觸網(wǎng)停車點離站臺較近且接觸網(wǎng)禁停區(qū)較短，而站臺區(qū)域有車時，見圖4（a），2 車VOBC在計算移動授權(quán)時將考慮前車的回退防護距離、后溜防護距離和授權(quán)余量等因素［7］，導(dǎo)致移動授權(quán)終點在接觸網(wǎng)停車點外方，列車將在距離接觸網(wǎng)禁停區(qū)外更遠的位置停車。

圖4 站臺停車

2.2.2接觸網(wǎng)停車點離站臺較遠

當接觸網(wǎng)停車點離站臺較遠且接觸網(wǎng)禁停區(qū)較長，而站臺區(qū)域有車且移動授權(quán)終點在接觸網(wǎng)停車點內(nèi)方時，見圖4（b），2 車VOBC 根據(jù)移動授權(quán)停車點位置，判斷在移動授權(quán)內(nèi)有接觸網(wǎng)停車點，將以接觸網(wǎng)停車點位置作為當前停車依據(jù)。

當站臺區(qū)域沒有列車占用，列車進站還未進入接觸網(wǎng)禁停區(qū)時，若此時站臺門故障或緊急停車按鈕激活［8］，將導(dǎo)致站臺軌道關(guān)閉，移動授權(quán)回撤。VOBC 根據(jù)回撤后的移動授權(quán)計算停車點，當判斷接觸網(wǎng)停車點更接近列車位置，列車將在接觸網(wǎng)停車點位置停車。

3 不同列車模式下的接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護

3.1 列車自動運行模式

當列車在自動運行模式（Automatic Train Operation， ATO）下移動授權(quán)越過接觸網(wǎng)禁停區(qū)時，VOBC 需要根據(jù)移動授權(quán)計算停車點。如圖5 所示，如果計算的停車點不能使列車完全通過接觸網(wǎng)禁停區(qū)，則VOBC 將停車點設(shè)置在接觸網(wǎng)禁停區(qū)外方，列車將不會進入接觸網(wǎng)禁停區(qū)。列車自動監(jiān)控系統(tǒng) （Automatic Train Supervision，ATS）將顯示對應(yīng)的接觸網(wǎng)禁停區(qū)域來提醒調(diào)度人員。司機顯示單元（Train Operator Display，TOD）將彈出信息提示［9］，告知司機當前列車停車點為接觸網(wǎng)停車點。

圖5 ATO模式列車在禁停區(qū)外停車示意

移動授權(quán)延伸可以滿足列車后弓完全越過禁停區(qū)或列車已經(jīng)進入禁停區(qū)域時，VOBC 將不再考慮接觸網(wǎng)停車點，列車按正常行駛速度越過禁停區(qū)，TOD將不顯示接觸網(wǎng)停車點信息。

ATO 模式下系統(tǒng)判斷列車能夠越過接觸網(wǎng)禁停區(qū)并已經(jīng)動車時，如前方發(fā)生緊急停車按鈕激活、站臺門非安全狀態(tài)、調(diào)度人工關(guān)閉軌道、道岔失表故障等導(dǎo)致移動授權(quán)回撤的場景［9］，此時已經(jīng)啟動的列車將會施加緊急制動，可能會停留在接觸網(wǎng)禁停區(qū)域內(nèi)，從而導(dǎo)致預(yù)期的防護功能失效。在這種情況下，司機必須與調(diào)度員取得聯(lián)系，獲得調(diào)度員授權(quán)后以手動模式駕駛列車離開禁停區(qū)域［10］。

3.2 列車自動防護手動駕駛模式

在列車自動防護手動駕駛模式（Automatic Train Protection Manual，ATPM）下，VOBC 仍會根據(jù)接觸網(wǎng)禁停區(qū)數(shù)據(jù)并結(jié)合移動授權(quán)終點，實時計算列車的停車點。列車接近接觸網(wǎng)停車點時，若VOBC 判斷列車受電弓無法完全出清接觸網(wǎng)禁停區(qū)，需要在接觸網(wǎng)禁停區(qū)外方停車時，將通過ATS 線路概覽顯示和TOD 彈出信息提示調(diào)度員和司機。同時TOD 將顯示車頭到接觸網(wǎng)停車點的距離，司機需要按照TOD 顯示的接觸網(wǎng)停車點距離手動控制列車在接觸網(wǎng)禁停區(qū)外停車。

ATPM 模式下列車在接觸網(wǎng)停車點外方停車后，TOD 上目標距離顯示為0 m，但顯示保持最大速度［11］，司機仍然可以按ATPM 模式駕駛列車進入接觸網(wǎng)禁停區(qū)。該類操作司機必須和調(diào)度員確認并獲得調(diào)度員授權(quán)后再進行動車。

4 接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護的影響分析

4.1 信號系統(tǒng)降級后的禁停區(qū)防護方式

在信號系統(tǒng)故障或者降級模式下，禁停區(qū)設(shè)置將影響非通信列車的運行效率。CBTC 模式降級后，通信列車降級成非受控列車，并以點式人工模式［12］或受限的人工模式運行。非受控列車只能遵循固定閉塞的原則動車，司機將信號機顯示作為動車憑證。由于VOBC 無法獲取移動授權(quán)信息，只能通過軌旁設(shè)備獲取基于信號機防護的區(qū)段授權(quán)。列車無法判斷接觸網(wǎng)禁停區(qū)和當前授權(quán)停車點的準確位置。因此信號系統(tǒng)降級模式下司機仍按辨識接觸網(wǎng)禁停區(qū)標識的方式進行人工防護。

4.2 高密度運營間隔的影響評估

對于接觸網(wǎng)停車點離站臺較近且禁停區(qū)域較短的情況，后車接近時速度較低，需要前車車尾包絡(luò)出清接觸網(wǎng)禁停區(qū)加后車車鉤到后弓的距離，后車才能越過禁停區(qū)。兩車緊密追蹤時，相比于無禁停區(qū)設(shè)置的情況，前車出清站臺后，后車需要運行更長的距離才能到站，這對于高密度運營線路將會增加運營間隔。ATPM 模式下由于采用手動方式駕駛列車，司機可能將列車停在更遠的位置，相比ATO模式列車，對運營間隔的影響更大。

根據(jù)實際接觸網(wǎng)禁停區(qū)的長度及禁停區(qū)距車站的距離等數(shù)據(jù)計算發(fā)車間隔時間［13］。禁停區(qū)的設(shè)置將增加區(qū)間追蹤間隔5~10 s 左右。經(jīng)過評估，該數(shù)量級的區(qū)間追蹤間隔增加可通過ATS 的運營調(diào)整策略進行修正，因此禁停區(qū)設(shè)置對區(qū)間運行的影響基本可忽略不計。而正常運營場景下決定交路能力的瓶頸是折返、分叉匯合、折返站追蹤間隔等。根據(jù)新的發(fā)車間隔模型在線路行車能力仿真系統(tǒng)上進行上海地鐵6 號線、8 號線和9 號線運營模擬，結(jié)果顯示折返間隔符合交路要求，對折返站間隔沒有影響。折返站間隔影響分析見表1。

表1 上海地鐵部分線路折返站間隔影響分析

5 結(jié)束語

本文闡述了城軌交通接觸網(wǎng)禁停區(qū)設(shè)置原則，結(jié)合運營場景和運行模式提出多種接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護方案，并分析了接觸網(wǎng)禁停區(qū)設(shè)置對既有系統(tǒng)的影響。目前接觸網(wǎng)禁停區(qū)防護功能已在上海地鐵6號、8號、9號線等線路中應(yīng)用，且運行穩(wěn)定。從工程項目角度考慮，通過信號專業(yè)實現(xiàn)對接觸網(wǎng)禁停區(qū)的防護，為跨專業(yè)的供電系統(tǒng)提供了一個可靠且改造成本相對較低的解決方案。但需要注意的是，信號系統(tǒng)僅能盡量減小列車在禁停區(qū)停車的概率，而不能完全避免該類場景發(fā)生。要想徹底解決接觸網(wǎng)禁停區(qū)問題，還需要供電和車輛等專業(yè)共同對接觸網(wǎng)絕緣錨段關(guān)節(jié)設(shè)置［14］、受電弓、接觸線材質(zhì)等要素進行深入研究。