市域軌道交通區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)布點(diǎn)原則研究

鄧志翔

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥高級(jí)工程師)

市域軌道交通區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)布點(diǎn)原則研究

鄧志翔

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥高級(jí)工程師)

市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)采用基于ETCS (歐洲列車控制系統(tǒng))-1平臺(tái)的點(diǎn)式ATC (列車自動(dòng)控制)系統(tǒng),其區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)的布置原則對(duì)行車效率具有一定的影響。以最高限速120 km/h的市域軌道交通工程實(shí)例為研究對(duì)象,通過(guò)仿真計(jì)算,分析并確定了不同站間距情況下的區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)的布點(diǎn)原則,為工程建設(shè)提供了理論依據(jù)。

市域軌道交通; 通過(guò)信號(hào)機(jī); 布點(diǎn)原則

Author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

基于ETCS(歐洲列車控制系統(tǒng))-1平臺(tái)的點(diǎn)式ATC (列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)(也稱為ETCS/CBTC (基于通信的列車控制)系統(tǒng)),作為市域軌道交通性價(jià)比很高的信號(hào)系統(tǒng)方案,正在被越來(lái)越多的城市建設(shè)方和國(guó)內(nèi)外信號(hào)系統(tǒng)集成商所重視和接受[1]。點(diǎn)式ATC系統(tǒng)主要通過(guò)軌旁歐式應(yīng)答器將移動(dòng)授權(quán)和相關(guān)信息發(fā)送給車輛[2];然后,其車載信號(hào)系統(tǒng)可根據(jù)移動(dòng)授權(quán)指令來(lái)控制列車運(yùn)行。在站臺(tái)及接近區(qū)域內(nèi)增設(shè)的車地?zé)o線雙向通信設(shè)備,可在列車接近站臺(tái)時(shí),實(shí)時(shí)通知列車站臺(tái)區(qū)域的安全狀態(tài)信息。點(diǎn)式ATC系統(tǒng)具備區(qū)間自動(dòng)駕駛、自動(dòng)折返、臨時(shí)限速、精確停車及車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)等自動(dòng)化功能。

作為公交化的運(yùn)輸工具,市域軌道交通行車的安全和效率必須得到保障。作為軌道交通指導(dǎo)和警醒司機(jī)的信號(hào)設(shè)備,信號(hào)機(jī)的合理布局不僅可提高線路通過(guò)效率,優(yōu)化線路運(yùn)營(yíng)能力,而且還可指導(dǎo)信號(hào)系統(tǒng)的投資,合理控制工程造價(jià)。

1 市域軌道交通的特點(diǎn)

市域軌道交通作為介于城市軌道交通和城際鐵路之間的交通運(yùn)輸模式,相比城際鐵路更具公交化運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)在建和規(guī)劃中的市域軌道交通項(xiàng)目眾多,包括浙江省十?dāng)?shù)條市域軌道交通項(xiàng)目(在杭州、溫州、臺(tái)州及金華等城市),以及北京都市圈市域快軌、重慶都市圈市域軌道等,其線路規(guī)劃總長(zhǎng)度已遠(yuǎn)超城市軌道交通。市域軌道交通具有以下特點(diǎn):

(1) 行車密度適中，一般線路開(kāi)通初、近期的行車間隔大于5 min,遠(yuǎn)期則大于2.5 min。

(2) 平均站間距大，一般大于2.5 km,郊區(qū)站間距可達(dá)7.0～10.0 km,市區(qū)站間距為1.0～2.0 km。

(3) 速度目標(biāo)值高，線路允許最高運(yùn)行速度為120～160 km/h[3]。

(4) 旅行速度高,一般大于50 km/h。

2 點(diǎn)式ATC信號(hào)機(jī)顯示方案

根據(jù)市域軌道交通站場(chǎng)配線情況,點(diǎn)式ATC系統(tǒng)正線信號(hào)機(jī)可大致分為進(jìn)站信號(hào)機(jī)、出發(fā)信號(hào)機(jī)和區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)。出發(fā)信號(hào)機(jī)和區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)的機(jī)構(gòu)類型相同,均采用“黃、綠、紅”三燈位機(jī)構(gòu);進(jìn)站信號(hào)機(jī)采用“黃、綠、黃、封、紅”五燈位機(jī)構(gòu)。

出發(fā)信號(hào)機(jī)的燈光顯示含義為:綠色燈光表示前方至少有2個(gè)閉塞分區(qū)空閑;黃色燈光表示前方有1個(gè)閉塞分區(qū)空閑;紅色燈光表示禁止列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī);紅黃為燈光引導(dǎo)信號(hào)顯示,表示準(zhǔn)許列車以不大于規(guī)定速度越過(guò)該信號(hào)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行,并隨時(shí)準(zhǔn)備停車。

進(jìn)站信號(hào)機(jī)的燈光顯示含義為:綠色燈光表示列車以不大于站臺(tái)允許的速度通過(guò)車站;黃色燈光(單黃燈光)表示列車經(jīng)道岔直向進(jìn)入車站站臺(tái)停車;雙黃燈光表示列車經(jīng)道岔側(cè)向進(jìn)入車站站臺(tái)/存車線停車;紅色燈光表示禁止列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī);紅黃燈光(或雙黃燈光)為引導(dǎo)信號(hào)顯示,表示準(zhǔn)許列車以不大于規(guī)定速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行,并隨時(shí)準(zhǔn)備停車。

區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)的燈光顯示含義為:綠色燈光表示前方至少有2個(gè)閉塞分區(qū)空閑;黃色燈光表示前方有1個(gè)閉塞分區(qū)空閑;紅色燈光表示禁止列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī);紅黃燈光為引導(dǎo)信號(hào)顯示,表示準(zhǔn)許列車以不大于規(guī)定速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行,并隨時(shí)準(zhǔn)備停車。

出發(fā)信號(hào)機(jī)一般設(shè)置在距離站臺(tái)端7 m處。對(duì)于無(wú)配線車站,進(jìn)站信號(hào)機(jī)一般設(shè)置在距離站臺(tái)端8 m處;對(duì)于有配線車站,進(jìn)站信號(hào)機(jī)一般設(shè)置在距離最外方道岔岔尖前基本軌縫外方約7 m處。然而,區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)的布點(diǎn)則會(huì)對(duì)行車效率產(chǎn)生一定的影響[4]。

3 區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)布點(diǎn)原則

點(diǎn)式ATC系統(tǒng)在區(qū)間追蹤運(yùn)行實(shí)際采用的是固定閉塞方案,以線路限速作為“頂棚”速度。而列車在ATP(列車自動(dòng)防護(hù))下所能達(dá)到的實(shí)際最高速度會(huì)小于該數(shù)值。而每個(gè)閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度必須大于列車最高運(yùn)行速度下的緊急制動(dòng)距離。

3.1 緊急制動(dòng)過(guò)程

列車的緊急制動(dòng)模型(如圖1所示)包括A→E等5個(gè)制動(dòng)階段。根據(jù)實(shí)際工程條件,線路最高限速vmax=120 km/h=33.3 m/s;ATP超速檢測(cè)最高速度為108 km/h;列車正處于坡度i=3%的下坡道;ATP超速允許量和速度測(cè)量偏差都是正誤差,則開(kāi)始制動(dòng)的實(shí)際速度(圖中的Y點(diǎn)速度)為112 km/h。正常情況下,列車的緊急制動(dòng)加速度為1.2 m/s2,但在最不利條件下,列車可保障的最大緊急制動(dòng)加速度會(huì)降低(設(shè)為0.8 m/s2)。重力加速度g=9.8 m/s2。

圖1 列車緊急制動(dòng)模型

因此列車在3%的坡道上,從最高速到停車所運(yùn)行的距離L1=D1+D2+D3+D4+D5=1 238 m。

最后,信號(hào)工程設(shè)計(jì)中針對(duì)120 km/h限速的線路,還需要考慮司機(jī)對(duì)緊急情況的反應(yīng)時(shí)間及系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,以及列車位置的不確定性。因此最小閉塞分區(qū)長(zhǎng)度LEB=1 300 m。

3.2 加速過(guò)程

3.2.1 全加速過(guò)程

市域軌道交通的列車根據(jù)不同的牽引方式、動(dòng)拖比及軸重有著不同的加速能力。一般而言,當(dāng)列車速度從0升至40 km/h時(shí),加速度為定值aa=0.8 m/s2;當(dāng)速度繼續(xù)增大,則加速度降低,當(dāng)列車速度從40 km/h升至120 km/h時(shí),加速度ab(t) =1-0.018v(t)。列車加速度和速度關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 列車加速度和速度的關(guān)系曲線

在恒定加速階段,列車加速的時(shí)間t6=v6/a1= 13.9 s,運(yùn)行距離s6=v2/2a1=77.16 m。此階段最終速度v6=40 km/h。

在變加速階段,初始條件為v(t0)=40 km/h ≈11.11 m/s,v(ts)=108 km/h≈30 m/s。由加速度公式可歸結(jié)微分方程并求等通解,s(t)=c1+c2e-0.018t+t/0.018。根據(jù)初始條件可得c1=-2 469.12,c2=2 469.12。經(jīng)計(jì)算得可ts=30.74 s,走行距離s(ts)=658.6 m。

綜上所述,完全加速過(guò)程需持續(xù)t=t6+ts= 45 s,走行距離L=s6+s(ts)≈736 m。

3.2.2 加速出清保護(hù)區(qū)段過(guò)程

為了提高運(yùn)營(yíng)效率,并保證列車進(jìn)站的安全,在出發(fā)信號(hào)機(jī)防護(hù)外方一般會(huì)設(shè)置1個(gè)小的保護(hù)區(qū)段,其長(zhǎng)度一般為Dp= 250 m。只有當(dāng)列車出清了該保護(hù)區(qū)段之后,進(jìn)站信號(hào)機(jī)方可開(kāi)放。因此,列車從站臺(tái)出發(fā)到完全出清保護(hù)區(qū)段需走行的距離約為L(zhǎng)p=Lc+Dp+7 m≈397 m(Lc為1列列車長(zhǎng)度,取140 m)。那么列車進(jìn)過(guò)恒定加速階段之后,將在變加速階段運(yùn)行400 m-77.16 m≈323 m,耗時(shí)18.3 s。

因此,列車出清保護(hù)區(qū)段則一共需要13.9 s+18.3 s=32.2 s。

3.3 進(jìn)站減速過(guò)程

根據(jù)新的《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,站臺(tái)區(qū)域列車限速為60 km/h,因此,列車在越過(guò)進(jìn)站信號(hào)機(jī)之前,就需先將速度降低至站臺(tái)限速(進(jìn)站信號(hào)機(jī)內(nèi)方無(wú)道岔區(qū)段時(shí)),再進(jìn)站停車。列車的進(jìn)站停車過(guò)程如圖3所示。其中,車輛的正常減速度為ad=1.0 m/s2。

圖3 列車進(jìn)站減速過(guò)程

通過(guò)計(jì)算可知,列車由A1至A2點(diǎn)減速運(yùn)行,距離為311 m,耗時(shí)約為13.3 s;列車由A2至A3點(diǎn)勻速運(yùn)行,距離為8 m,耗時(shí)約為0.5 s;列車由A3至A4點(diǎn)減速運(yùn)行,距離為140 m,耗時(shí)約為16.7 s。

因此,從減速點(diǎn)A1到停車點(diǎn),列車一共行走459 m,耗時(shí)約為30.5 s。

3.4 滿足最小列車間隔2.5 min運(yùn)營(yíng)要求且無(wú)區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)時(shí)的最大站間距

根據(jù)上文的分析可知列車在加速出站及減速進(jìn)站等各個(gè)階段所行駛的距離及耗時(shí)。假設(shè)2個(gè)車站之間沒(méi)有區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī),列車仍要滿足2.5 min的追蹤間隔，則只有當(dāng)車站1的列車出清保護(hù)區(qū)段之后,車站2的發(fā)車信號(hào)機(jī)才可開(kāi)放綠燈信號(hào),允許司機(jī)發(fā)車。此過(guò)程如圖4所示。根據(jù)上文，全加速過(guò)程的列車行駛距離為736 m,耗時(shí)約為45 s。減速進(jìn)站的列車行駛距離為459 m,耗時(shí)約為30.5 s。進(jìn)站停車耗時(shí)約為25 s。出清保護(hù)區(qū)段的列車行駛距離為397 m,耗時(shí)約為32.2 s。

那么列車可以最高速度勻速行駛的時(shí)間為150 s-45 s-30.5 s-25 s-32.2 s=17.3 s,則勻速過(guò)程可行駛距離為519 m。

綜上所述,當(dāng)區(qū)間不設(shè)置區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī),且滿足2.5 min運(yùn)營(yíng)要求時(shí),兩站站中心最大距離為736 m+519 m+311 m+7 m+8 m+140 m=1 721 m。即當(dāng)站中心距離小于等于1 721 m時(shí),可不設(shè)置區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī),也可滿足列車最小間隔2.5 min的運(yùn)營(yíng)要求。

3.5 區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)設(shè)置原則

郊區(qū)與市區(qū)的市域軌道交通站間距差別較大,因此區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)的布置原則必須適應(yīng)不同站間距的需求。如圖5所示,站間距Ls為2個(gè)車站站中心之間的距離,區(qū)間有效長(zhǎng)度為車站2的出發(fā)信號(hào)機(jī)至車站1的進(jìn)站信號(hào)機(jī)之間的距離Lx。

(1) 當(dāng)Ls≤1 721 m時(shí),區(qū)間可不設(shè)置區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)。

圖5 區(qū)間無(wú)通過(guò)信號(hào)機(jī)

(2) 當(dāng)1 721 m

圖6 區(qū)間設(shè)1架通過(guò)信號(hào)機(jī)

(3) 當(dāng)2LEB

圖7 一接近區(qū)段最長(zhǎng)距離

4 結(jié)語(yǔ)

一般情況下,市域軌道交通遠(yuǎn)期規(guī)劃的行車間隔均不小于2.5 min。點(diǎn)式ATC系統(tǒng)是利用區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)將區(qū)間分割為若干閉塞分區(qū),并以此來(lái)保障列車的行車安全和效率。若區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)設(shè)置過(guò)多,則會(huì)增加信號(hào)設(shè)備投資,造成運(yùn)營(yíng)能力的浪費(fèi)。若區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)設(shè)置過(guò)少或位置不當(dāng),則會(huì)影響運(yùn)營(yíng)能力,難以達(dá)到遠(yuǎn)期2.5 min的行車密度。

本文以最高時(shí)速120 km/h的市域軌道交通實(shí)際工程條件為例,明確了3種不同站間距情況下的區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)布置原則,為市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 楊舟.溫州市域軌道交通建設(shè)和發(fā)展研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(6):78-82.

[2] 李晶.市域快速軌道交通信號(hào)制式的選擇[J].城市軌道交通研究,2014(12):57-61.

[3] 趙瑩瑩,楊中平,林飛,等.城市軌道交通市域快線最高運(yùn)行速度值研究[J].都市快軌交通,2013(6):43-47.

[4] 張博,錢偉,魏東閣.京廣線鄭武段區(qū)間信號(hào)機(jī)布置方案探討[J].鐵道通信信號(hào),2010(8):23-25.

Layout Principle of Block Signal Devices in Suburban Rail Transit Sections

DENG Zhixiang

The intermittent signal system of suburban rail transit adopts a one-platform point ATC system based on ETCS(European train control system).In which,the layout principle of block signal devices has certain influence on train running efficiency.Taking a suburban rail transit project with the maximum speed limit of 120 km/h as the research object,a numerical simulation is conducted to analyze and decide the layout principle of block signal devices at different station intervals.This research will provide theoretical support for other similar projects.

suburban rail transit; block signal; layout principle

U 284.1

10.16037/j.1007-869x.2016.12.011

2015-10-28)