城市轨道交通线折送线的多专业匹配研究

城市轨道交通线折送线的多专业匹配研究

作为缓解城市交通压力的最有效手段之一，城市公共交通已在世界范围内得到广泛认可，并已成为居民的首选之一。随着城市轨道交通日客流量的快速攀升,虽然CBTC(CommunicationsBasedTrainControl,基于通信的列车控制)系统作为当前最先进的信号系统工程应用产品,已在上海、北京、广州、南京等多个城市的轨道交通线路广泛应用,但由于城市轨道交通日乘坐客流分布的不均匀性,线路运行能力仍不能满足高峰时段客流乘坐需求,部分线路高峰时段的列车满载率远超线路设计指标。城市轨道交通的线路运行能力是由折返站折返能力、车辆基地列车出入段/场能力、正线运行能力、不同运营交路分叉运行能力、不同运营交路汇合运行能力等因素共同决定。根据实际线路运营情况分析,通常折返站折返能力无法满足高峰时段的正线运行能力[1~2],已成为制约线路运行能力提升的关键瓶颈之一。从工程设计角度分析,导致折返站折返能力不足的原因主要在于:折返站折返能力受到信号、线路、限界、车辆、行车、供电等多个专业设计结果的共同制约,在列车选型确定的前提下,限制较大的是信号、线路和限界专业,由于缺乏对信号系统的全面了解,在折返站设计过程中,各专业未从多专业匹配设计层面,对各专业设计结果进行有效验证,最终导致折返站折返能力无法满足工程应用需求,进而限制了城市轨道交通网络化运营服务水平的快速提升。本文将结合信号系统基本原理,通过对列车折返运行过程的详细分析,从多专业匹配性设计层面,对限制折返站折返能力较大的信号、线路和限界专业设计要求,进行具体说明。1折返站的划分由于受到线路规划、城市用地、地质条件等因素的影响,折返站的站型无法实现统一化标准设计。根据折返站的站型不同,折返方式通常可分为站前折返、站后折返和混合折返方式。无论何种折返方式,列车折返运行控制过程一般可分为3个作业过程,分别是接车作业、折返轨作业和发车作业。1.1列车接车干扰点7假设站前折返方式的列车折返路径如图1中箭头所示,通常无独立的折返轨作业时间,该作业时间包含在接车作业时间内,那么相应作业过程如下。(1)接车作业。列车由接车干扰点P1(根据相应列车运行控制系统制式,前一列列车不会影响后一列列车在该点进行接车作业,即后一列列车无需提前进行制动),经1/3道岔反位至折返站上行站台,停站上下客,等至接到发车作业信号,列车准备启动。(2)折返轨作业。将折返站上行站台站内轨道视作折返轨2,列车在折返轨2进行列车车载设备换端作业和等待发车作业信号,该作业时间包含在接车作业时间内。(3)发车作业。列车由折返站上行站台启动至出清折返站上行站台及安全防护距离。1.2折返轨作业作业假设站后折返方式的列车折返路径如图2中箭头所示,那么相应作业过程如下。(1)接车作业。列车由接车干扰点P2至折返站下行站台,停站上下客,等至接到折返轨作业信号,列车准备启动。(2)折返轨作业。列车由折返站下行站台启动,经1/3道岔反位至折返轨2,停车进行列车车载设备换端作业,等至收到发车作业信号,列车由折返轨2启动运行至折返站上行站台停站上下客,等至接到发车作业信号,列车准备启动。(3)发车作业。列车由折返站上行站台启动至出清折返站上行站台及安全防护距离。1.3组合折返方式混合折返方式是一种站前和站后折返的组合折返方式,相应的接车作业、折返轨作业和发车作业仍分别隶属于各自的站前或站后折返方式,在此不予累述。2返回站点的返回能力模拟以某城市轨道交通的某线折返站的站后折返方式为实例,根据既有列车的动力性能参数,对不同信号系统制式下的折返站折返能力进行仿真计算。2.1列车催化速度(1)同一折返站的同一站后折返运行路径;(2)站后交叉渡线采用9号道岔,限速35km/h;(3)全线为平直股道,土建限速80km/h,站台限速60km/h;(4)固定闭塞和准移动闭塞系统制式的正线闭塞设计间隔为150s,移动闭塞系统的正线闭塞设计间隔为90s。(5)含道岔转换的进路办理时间为13s,无道岔转换的进路办理时间为2s;(6)列车为6节A型车编组,列车长度为140m;(7)基于舒适度控制的列车加速度和常用制动减速度为0.8m/s2,保障紧急制动率为0.85m/s2;(8)选取的固定闭塞系统为双红灯防护的点式ATP(AutomaticTrainProtection,列车自动防护)系统,准移动闭塞系统为目标距离方式的点式ATO(AutomaticTrainOperation,列车自动驾驶)系统,移动闭塞系统为CBTC系统。2.2折返运行工况在列车连续折返运行过程中,为保证前一列列车不影响后一列列车的接车作业、折返轨作业和发车作业过程,根据不同的信号系统制式,需对折返运行过程中的冲突点的间隔条件进行分析。2.2.1折返站下行收费站该系统采用计轴设备替代传统的轨道电路,对线路进行划分,正线运行的前后两列车间至少有2个闭塞分区空闲(无列车占用)。站后折返方式的列车折返路径如图3中箭头所示。(1)冲突点1。X0003─X0004闭塞分区的50m距离不满足站台限速条件下的列车保障紧急制动距离,故折返站下行站台安全防护区段应为X0003─X0005闭塞分区。列车1出清X0003信号机后,需出清X1002信号机,经1/3道岔定位,X0002信号机才能开放,即折返站下行站台具备接车条件,X0003和X0004信号机为禁止信号,列车2距折返站最近位置点为接车干扰点P1,如果列车2在X0003信号机前因故冒进禁止信号,系统将紧急制动保证列车2在X0005信号机前停车。(2)冲突点2。列车1出清X0007信号机,经1/3道岔反位且X0003和X0004信号机开放,列车2可由折返站下行站台启动进行折返轨作业;(3)冲突点3。列车1出清X1004信号机,即出清折返站上行站台安全防护区段,列车2可从折返轨2启动至折返站上行站台。2.2.2折返站接车干扰点安全防护区段该系统制式采用计轴设备替代传统的轨道电路,对线路进行划分,正线运行的前后两列车间至少有1个闭塞分区和1个计轴区段空闲(无列车占用)。站后折返方式的列车折返路径如图4中箭头所示。(1)冲突点1。X0003─X0004闭塞分区的50m距离满足站台限速条件下的保障紧急制动距离与常用制动距离之差,故折返站下行站台安全防护区段应为X0003─X0004闭塞分区。列车1出清X0004信号机,X0002信号机开放,X0003信号机为禁止信号,列车2距折返站最近位置点为接车干扰点P2,如果列车2在X0003信号机前因故冒进禁止信号时,系统将紧急制动保证列车2在X0004信号机前停车。(2)冲突点2。列车1出清X0007信号机,经1/3道岔反位且X0003和X0004信号机开放,列车2可由折返站下行站台启动进行折返轨作业。(3)冲突点3。列车1出清AC1004计轴,即出清折返站上行站台安全防护区段,列车2可从折返轨2启动至折返站上行站台。2.2.3双冲突点作业系统该系统制式采用计轴设备替代传统的轨道电路,仅在道岔区域对线路进行划分,后车移动授权可延伸至前车尾部安全防护包络末端,前后两列车距离间隔根据后车运行速度动态变化。站后折返方式的列车折返路径如图5中箭头所示。(1)冲突点1。折返站下行站台左侧边缘至X0004的55m距离满足站台限速条件下的保障紧急制动距离与常用制动距离之差,故折返站下行站台安全防护距离在折返站下行站台左侧边缘至X0004距离之内。在列车1出清折返站下行站台安全防护距离末端S1,列车2距折返站最近位置点为接车干扰点P3,如果列车2因故冲出折返站下行站台时,系统将紧急制动保证列车2在S1内停车。(2)冲突点2。对于折返轨作业,列车1出清X0007信号机,经1/3道岔反位且X0004信号机开放,列车2可由折返站下行站台启动进行折返轨作业。(3)冲突点3。列车1出清S2,即出清折返站上行站台安全防护区段,列车2可从折返轨2启动至折返站上行站台。2.3折返站折返能力仿真依据实例所述列车折返运行控制过程中的接车作业、折返轨作业和发车作业的具体内容和相关冲突点的间隔条件,根据不同的信号系统制式,对折返站折返能力进行了仿真计算[4~5],相关仿真结果如表1所示。上述仿真结果未考虑设备反应延迟、空气隧道阻力、列车司机操作规则等复杂因素对折返站折返能力的影响,如考虑上述因素,折返站折返能力有所降低。上述折返站折返能力等于接车干扰点至下行站台运行时间、下行站台停站时分、下行站台至折返轨2运行时间和含道岔转换的进路办理时间之和。2.4双性质列车折返站折返能力根据上述仿真结果可见,折返站折返能力是接车作业、折返轨作业和发车作业能力的最大值,对于同一折返站,所采用的信号系统制式等级越高,折返站折返能力越高,其具体原因分析如下。(1)在保障紧急制动触发速度和线路条件相同的条件下,相比固定闭塞系统,准移动闭塞系统的安全防护区段长度更短。对于固定闭塞系统,其安全防护区段设置需考虑列车保障紧急制动距离、列车潜在位移、列车悬长等因素;对于准移动闭塞系统,其安全防护区段设置需考虑列车保障紧急制动与常用制动距离之差、列车潜在位移、列车悬长等因素,因而与固定闭塞系统相比,在保障紧急制动触发速度相同的条件下,准移动闭塞系统的安全防护区段长度更短。(2)在保障紧急制动触发速度和线路条件相同的条件下,相比准移动闭塞系统的安全防护区段长度,移动闭塞系统的安全防护距离通常较短。移动闭塞系统的安全防护距离是根据列车保障紧急制动触发速度和线路条件实时计算而得出的,计算需考虑的因素包括列车保障紧急制动与常用制动距离之差、列车潜在位移、列车端部安全保护包络等因素。在保障紧急制动触发速度和线路条件相同的条件下,与准移动闭塞系统的安全防护区段长度相比,在列车端部安全保护包络较小的情况下,移动闭塞系统的安全防护距离通常较短。(3)折返站折返能力通常受到接车作业能力的限制,相比固定闭塞系统,在相同正线闭塞设计间隔条件下,采用准移动闭塞系统的折返站折返能力更高。如图3所示,折返站下行站台左侧边缘距X0004信号机仅为55m,站台限速为60km/h,对于固定闭塞系统,其安全防护区段长度需170.84m,需将X0003-X0005闭塞分区作为折返站下行站台安全防护区段,在接车作业过程中,列车1出清X1002信号机后,经1/3道岔定位和X0002信号机开放,折返站下行站台才具备接车条件;对于准移动闭塞系统,其安全防护区段长度需48.67m,将X0003-X0004闭塞分区作为折返站下行站台安全防护区段即可,在接车作业过程中,列车1出清X0004信号机后,X0002信号机开放,折返站下行站台即具备接车条件。相比固定闭塞系统,准移动闭塞系统中前一列列车从折返站下行站台启动,运行较短的一段距离后,折返站下行站台就具备接车条件,即占用较少的列车折返轨作业时间,提高了接车作业能力。(4)折返站折返能力通常受到接车作业能力的限制,相比准移动闭塞系统,采用移动闭塞系统的折返站折返能力更高。如图4、图5所示,折返站下行站台左侧边缘距X0004信号机为55m,站台限速为60km/h,对于准移动闭塞系统,其安全防护区段距离需48.67m,对于移动闭塞系统,其安全防护距离需45.27m,因而接车作业能力的关键限制因素不是安全防护距离,而是接车干扰点至折返站下行站台左侧边缘的距离,准移动闭塞系统为2049.70m,运行时间为117.57s,移动闭塞系统为963.93m,运行时间为61.73s,显然移动闭塞系统的接车作业效率更高。(5)折返站折返轨作业能力通常受到道岔区域运行时间和折返轨车载设备换端作业时间的限制。城市轨道交通正线通常按照限速80km/h设计,而道岔区域通常采用9号道岔,其限速为35km/h,如图3所示,列车从折返站启动进行折返轨作业,一方面考虑9号道岔限速较低,需提前将列车速度降至限速要求,另一方面,如线间距较大,列车出清道岔区域的运行时间会相应增加。同时若采用折返轨车载设备人工换端作业方式,一方面作业人员配备数量会相应增加,另一方面由于人工操作水平的差异性,车载设备换端作业时间控制难度较大。(6)除速度线控制方式之外的固定闭塞系统,对于最高运行效率的列车运行策略,不同信号系统制式条件下的折返轨作业时间基本相同。对于准移动和移动闭塞系统,其列车运行曲线是目标-距离方式,对于最高运行效率的列车运行策略而言,若采用ATO系统控制模式,其列车运行曲线基本相同,因而折返轨作业时间基本相同。对于速度线控制方式之外的固定闭塞系统,通常只有ATP系统,列车驾驶过程中需司机瞭望信号机状态人工驾驶,但对于驾驶作业水平较高的列车司机,理论上也可在ATO系统控制模式下的折返轨作业时间内完成作业。(7)折返站发车作业能力通常受到正线闭塞设计能力的限制。在不考虑正线闭塞设计能力的前提下,如表1所示,对于固定闭塞系统,发车作业间隔为22.88s;对于准移动闭塞系统,发车作业间隔为21.08s;对于移动闭塞系统,发车作业间隔为20.82s。若考虑不影响正线正常运营的前提下,则需考虑正线闭塞设计能力,本文中固定和准移动闭塞系统为150s,移动闭塞系统为90s,显然正线闭塞设计能力是限制折返站发车作业能力的关键因素。3对于折返轨的控制根据折返站折返能力仿真分析结果,在列车选型确定的前提下,对于限制折返站折返能力较大的信号、线路和限界专业,在新线建设或既有线改造阶段,需采用“多专业匹配设计和仿真伴随验证”的方式,以提高折返站折返能力设计质量,保证线路运行能力满足高峰时段客流乘坐需求。具体包括以下需求。(1)在新线建设或既有线改造成本不作为关键影响因素的前提下,尽量选取信号系统制式等级较高的移动闭塞系统,以提高折返站折返能力,并采用A