地鐵信號系統車場與正線運行控制模式一體化研究

王喜軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300251,天津∥高級工程師)

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地鐵信號系統車場與正線運行控制模式一體化研究

王喜軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300251,天津∥高級工程師)

城市軌道交通地鐵信號系統的車場與正線運行模式一體化是提高車輛出入場段效率的重要技術手段。從工程設計及工程應用的角度,結合規劃與設計過程,給出了地鐵信號系統的車場與正線運行控制模式一體化運行要考慮的相關要素、主要設計思路和解決方案,提出了配套優化措施。

地鐵; 信號系統; 車場; 正線; 一體化

Author′s address The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,300251,Tianjin,China

在城市軌道交通系統中,一般車場和正線有明顯的分界,車場采用獨立的聯鎖系統。在車場和正線的銜接地帶,通常情況下都設置轉換軌,列車經由轉換軌時實現信號系統駕駛模式的轉換,登記進入ATC(列車自動控制)系統。控制中心識別列車后,組織列車在正線運行。

與傳統數字軌道電路不同的是,正線采用CBTC(基于通信的列車控制)系統后,不設置軌道電路,采用計軸系統作為一種輔助的列車檢測手段。因此,在轉換軌區域,有CBTC系統,也有計軸系統;而在車場,則采用50 Hz單軌條軌道電路(個別城市的車場也有采用計軸設備作為列車檢測手段)。

列車在車場采用人工駕駛,而正線一般采用自動駕駛。列車由車場進入正線或者由正線進入車場,均需完成信號系統駕駛模式的轉換,這對運營效率、管理水平、作業強度等都提出了較高的需求,故研究車場與正線運行控制(以下簡稱“運控”)模式的一體化及其加快實施,是個較為迫切的課題。

1 車場與正線的常規運控模式

一般情況下,車場都在地面,有的是地面線和車場銜接,有的是地下線或高架線和車場銜接,所以,在轉換區都不同程度地存在一定的坡度。通過對比國內各城市軌道交通車場和正線的出入線情況來看,在滿足行車安全和制動距離的情況下,出入線不短于2個車長且坡度不大于35‰的情況下,加上30～50 m的緩坡,是能夠滿足信號系統的控制要求。

從信號系統的角度看,出入線轉換軌是設計的一個瓶頸地帶,嚴重制約著車場與正線效率的匹配。整個轉換軌的設計及運營管理模式,關系到車輛出入段場的能力,車輛出入段場能力必須和正線的行車能力相匹配。只有車場與正線的運行模式實現一體化,才能切實減少模式轉換對運營效率的制約,否則,在列車早晚出入段場時受到一定程度的限制,會影響行車效率、降低服務水準、加大運營人員的工作強度。

2 車場與正線的一體化運控模式

車場與正線一體化運營,就是在車場范圍內也按照ATC的控制模式來實現列車的相關控制。車場ATC系統控制模式應包括控制中心自動控制、控制中心自動控制時的人工介入控制、車站自動控制及車站人工控制。其控制等級應遵循車站人工控制優先于控制中心人工控制,控制中心人工控制優先于控制中心的自動控制或車站控制。對車場來說,在控制點的模型上,可以假設為一個多停車線的車站。

在列車駕駛模式方面,駕駛模式可包括列車自動駕駛、列車自動防護、限制人工、非限制人工及無人駕駛等5種模式。就車場而言,其布局緊湊、咽喉區道岔密集、道岔型號較小,列車限速一般按照庫外25 km/h、庫內5 km/h來限制。但無論列車速度高低,車場的駕駛模式均可歸納到正線的駕駛模式下。

3 車場與正線運控一體化的方案設計

3.1 設計思路

進一步集約化管理的思路:集約化管理是現代企業集團提高效率與效益的基本取向。集約化的“集”就是指集中,集合人力、物力、財力、管理等生產要素,進行統一配置,集約化的“約”是指在集中、統一配置生產要素的過程中,以節儉、約束、高效為價值取向,從而達到降低成本、高效管理,進而使企業集中核心力量,獲得可持續競爭的優勢。自動化車場,就是車場和正線一體化,車輛在車場內也采用ATC,車輛從出庫即載入時刻表,實現列車自動運行,減輕司機駕駛的壓力。采取自動化車場,主要是節約了車場與正線之間轉換駕駛模式的時間。同時,采用自動化后,實施車次號跟蹤,控制中心管理方便。自動化車場的主要設計思想是將正線和場段一體化,集中控制,但工程造價較高。

3.2 車場信號設備配置

傳統的場段內信號系統配置如下:聯鎖裝置、信號機、轉轍機,區段檢查采用計軸設備或軌道電路,車地通信采用無線方式(見圖1)。

圖1 車場(車輛段)信號系統典型構成圖

若要實現自動化車場則需要從信號系統行車指揮的角度來更新設計和運營思維,需要完成如下兩方面的運營儲備:

(1) 車輛進出場段實行不停車轉換模式,按照ATC模式直接由正線到達車場大庫。信號系統直接參與行車組織的相關庫線,納入控制中心集中管理,系統配置按照正線的標準配置,其他庫線納入車場內運轉值班室管理。

(2) 車場設備實現自動化運營后,需要完善相關的運營管理措施及行車規則。通過采用自動化車場段實現場段與正線設備一體化運行,場段將能最大限度地滿足運營效率要求,實現效率匹配。

自動化車輛段及停車場信號系統由聯鎖設備、ATS(列車自動監控)設備、ATP(列車自動防護)設備、ATO(列車自動運行)設備、集中監測設備等組成,同時配置車地通信設備,保證車地通信的可靠,配置必要的列車停車對位設備,保證列車在停車線準確停位(見圖2)。

圖2 無人駕駛自動化車輛段整體布局示意圖

聯鎖設備:目前可供選擇的聯鎖設備有國內供貨和國外供貨兩類。由于車場內的作業方式主要是列車的進、出段(場)和段(場)內的調車作業,采用國產計算機聯鎖設備完全能滿足列車運行和各種接口要求。聯鎖控制采用微機聯鎖控制臺與彩色顯示器、鍵盤及鼠標器相結合方式,設于車輛段、停車場行車控制室內。彩色顯示器可顯示聯鎖范圍內的全部站型。聯鎖設備及維修終端設置在信號設備室內。出、入聯絡線均納入正線控制范圍,并按雙向運行設計。

ATS設備:車輛段/停車場行車控制室設ATS分機,用于采集車輛段/停車場內進路、道岔軌道電路、信號機的狀態信息等,實現車輛段/停車場內列車車體號的跟蹤,通過ATS分機與車場聯絡設備的數據接口,將車輛段/停車場納入ATS監視范圍,同時也作為車輛段/停車場ATS工作站與正線ATS設備之間的信息傳輸設備。

在實際的項目中,配置車輛段和停車場的線路則在車輛段、停車場的派班室各設一臺ATS工作站,與車輛段、停車場分機相連,用于車輛段、停車場派班室值班員組織調度列車出入段場。

微機監測設備:車輛段和停車場的站場面積較大,養護維修工作量較多,為實現信號設備的“狀態修”,需設置計算機監測系統。主要監測對象有軌道電路接收端電壓、電纜絕緣性能、電源狀況、轉轍機動作狀況與電流特性等,可通過車場ATS分機與維修中心信號維護工作站聯網。

車地通信設備:自動化車場或車輛段,車地通信設備按照正線的標準配置。通信方式和傳輸媒介應該和正線同等配置,但應充分考慮工程實施便捷性、工程造價合理性等相關因素。一般來講,車地通信媒介不外乎是無線電臺、漏泄波導管、漏纜、環線等。在自動化車輛段內,車地通信的效果通過北京、上海的實施來看,已技術成熟、運行穩定,為無人駕駛控制技術的全面推廣提供了重要的基礎技術支撐。

停車對位設備:停車對位功能的實現分兩部分,一部分是初始停車功能的實現,一部分是停車精準對位。初始停車可以依靠軌旁車地通信為平臺,按照ATC運行曲線實現一次停車,但停車的精準度還需要一定的調整。精準位置的調整可以通過應答器組、感應環線、接觸感應器等實現。

3.3 工程造價分析

采用車場與正線一體化的設計方案后,在既有車場采用聯鎖設備的基礎上,以CBTC系統為例,需要在車場增加無線網絡覆蓋設備,以保證可靠的車地通信。在硬件上需要增加無線網絡設備,軟件上需要將車場的控制元素納入正線控制的范疇,建立車場控制的相關數據庫,同時車場按照移動閉塞的要求設計,提高車場與正線的銜接能力。

與傳統的車場、正線控制模式相比較,車場與正線一體化控制后,增加的主要是無線網絡設備、車場控制ATP/ATO相關設備。從工程統籌實施的角度來看,增加的ATP/ATO相關設備及車地通信設備費用大約在350～450萬元人民幣。當前設備國產化的進程加快,在市場預期良好的情況下,或許工程造價更低。

3.4 方案可實施性分析

無人駕駛的自動化車輛段,如北京地鐵機場線和上海軌道交通10號線,車場與正線基本上都實現了一體化運行模式。不同之處在于自動化車場是無人駕駛技術實現的基本條件,但自動駕駛的項目,基本上都是采用車輛段單獨聯鎖控制。當前車場與車輛段的建設,從運營的角度要求在停車列檢庫內實現車地通信的無線覆蓋,以期測試車地通信的完好性。

天津地鐵2號線李明莊車輛段信號系統首次實現對車輛段大庫全面信號覆蓋,實現信號系統車載設備與信號系統的全面無線銜接,為天津市軌道交通實現正線與車場一體化運營打下了基礎,同時對大庫內車輛的管理,車載設備維修、測試、軟件更新等工序進行了嘗試。

自動化車場與常規獨立聯鎖控制的車場相比,增加的信號設備主要有ATP/ATO相關設備、車地通信設備、相關視頻設備。從工程實施、技術發展的角度來看,自動化車場的方案是可行的,必將在城市軌道交通建設、運營過程中成為一種重要的發展趨勢。

4 相關配套措施

4.1 調整道岔配置,改善限速條件

咽喉區道岔配置是影響出入場段的重要因素。以往設計時主要是考慮土地利用狀況、車輛段工藝需求、功能用房配置等因素,關于車輛出入場段的效率只是簡單估算,建設后直接交付運營。但目前來看,調整道岔配置能夠有效提高車輛在咽喉區走行的速度,進而提高車輛出入場段的效率。

車輛段/停車場站場設計完畢后,由行車專業反算,必要的情況下進行仿真模擬并計算車輛段的接發車能力是否與正線相匹配,是否能夠滿足設計周期內的車輛出入場段能力。建議在車輛段適當位置可以選取大號碼道岔,通過合理交叉配置,以提高車輛出入場段的效率。地鐵運營時間一般是5:00—23:00,采用較大號碼道岔可以為效率的提升提供有利條件。從表1可比較出常用道岔的速度差異,若從全天效率累積的角度來看,調整道岔配置能提高車輛出入場段的效率。

表1 道岔的限速

4.2 設計階段的運控一體化方案仿真

城市軌道交通規劃與城市的整體規劃緊密相關,其中車場或車輛段占用土地的規模較大,與城市的整體發展布局關系密切,是城市整體布局的重要組成部分。城市軌道交通線路的規劃、車輛段/停車場的規劃、資源共享的架構,要充分考慮運營的效率問題。車場或車輛段作為資源共享的重要內容,建設過程中既要照顧到軌道交通,又要和城市整體發展及布局相協調。因此,在初期規劃車輛基地的時候,對正線與車場的距離、正線線路的配置方式、場段的站場布局等方面,應該由行車專業進行檢算,按照一定的設計深度實施系統仿真,詳實把握車輛出入場段的能力與正線要求能力的匹配性,優化車場布局。

5 結語

根據以上對信號系統車場與正線運行模式一體化的相關探討,從信號系統的角度規劃場段的工藝布局,提升車輛出入場段的效率,優化軌道交通線網布置與城市規劃的布局。希望在后續建設項目中能夠引起規劃設計部門的重視,場段布局不僅要資源共享,更要注重運營效率和便捷性。

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Integrated Operation Mode of Subway Traffic Signal System for Yard and Line

WANG Xijun

Integrated operation mode for yards and lineis an important technical means to improve the traffic efficiency of vehicle access.The integration has important significance on improving the technical conditions of the engineering design,optimizing the city layout,resolving the contradiction arrangement of segment layout and urban planning.From the view of engineering design and engineering application, also combined with planning and design, the related elements,design ideas and integration scheme for yard and line are obtained. Further optimization measures are also proposed.

subway; signal system; yard; line; integration

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.08.003

2015-02-27)