基于車車通信的城市軌道交通列車控制系統折返能力分析

吳殿華 范永華 李 聰

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，510010，廣州 ∥ 第一作者，高級工程師)

城市軌道交通列車控制系統(以下簡為“列控系統”)性能關鍵指標包括正線追蹤能力、折返能力及平均旅行速度等。不同制式城市軌道交通的列控系統，正線追蹤能力并無明顯差異，而折返能力各有差異，這往往成為線路運能的瓶頸。

1 列車折返過程及影響折返能力的因素

1.1 列車折返能力

列車折返過程主要包括站臺接車、進折返軌和出折返軌。如圖1所示，P為列車進站的干擾點，A點為列車進站停站的位置，B點為列車在折返軌換端的位置，C點為折返完成后停站的位置。

圖1 站后折返示例

當前行列車出清站臺防護區段后，即可為后車辦理接入接車站臺的進路，后車剛好到達干擾點P；列車從P點到達折返站臺股道停車，當前行列車出清折返軌道岔區段之后，車站即可重新辦理至折返軌的進路，在計算最小列車行車間隔條件下，此時后續列車剛好從上行站臺A點出發，并由A點駛入折返股道B點進行折返；列車到達折返軌B點后，開始執行換端操作，當前行列車出清另一側的折返站臺后折返進路建立，列車從B點駛向另一側站臺C點停車；待停站時間結束后，列車即可從C點發車駛向下一站。

1.2 列車折返能力影響因素

直接影響列車折返能力的因素主要有折返軌長度、列車長度、折返運行速度、進路辦理時間、換端時間等。

1) 折返軌長度。折返軌長度過長會造成土建投資的浪費，過短則導致折返間隔的增加，嚴重時會導致全線運能的下降。因此折返軌的長度應綜合考慮線路的運營間隔需求和列控系統折返效率的需求，取得土建投資和折返效率的平衡。

2) 列車長度。城市軌道交通列車的常見編組方式為3節編組、4節編組、6節編組和8節編組。編組越多，列車越長，則列車折返的走行距離越長，列車在運行速度基本相同情況下的出入折返軌走行時間也越長。

3) 折返運行速度。折返線采用的道岔型號不同，道岔側向限速也不同。例如，9#道岔的側向列車允許通過速度為35 km/h，側向列車絕對安全速度為40 km/h。對于折返效率要求較高的折返線，宜采用側向限速較高的道岔型號，以提高列車在折返過程中的運行速度。

4) 進路辦理時間。在傳統列控系統中，進路信號機開放是列車可通過岔區的前提條件。辦理進路包括申請進路、聯鎖檢查條件、動作道岔、鎖閉進路及開放信號機等諸多環節，耗時較長。進路辦理時間是列車折返時間的重要組成部分。

5) 換端時間。換端時間為列車到達折返軌停車點后換端的時間，分為車輛系統換端時間和信號車載系統換端時間，由于車輛換端時間遠大于信號換端時間，所以換端時間取決于車輛的換端時間。

在上述影響因素中，列車長度、換端時間和列車折返時間是由車輛和線路條件決定的。對列控系統而言，通過優化進路辦理時間，可有效提高列車折返性能。

2 基于車車通信的列控系統折返性能分析

基于車地通信的傳統列控系統根據列車目的地為列車辦理相應的進路，待聯鎖檢查條件滿足后開放相應的信號機，使列車根據速度碼或移動授權駛過道岔區域。

基于車車通信的列控系統通過精細化的資源管理，完成列車間信息的直接交互和協同控制，在保證安全的前提下，提升了線路和道岔資源的使用效率，縮短了列車之間的實時動態追蹤間隔，具有安全、高效、靈活、經濟的特點，代表了下一代高效能城市軌道交通列控系統的發展方向。

與基于車地通信的傳統列控系統相比，基于車車通信的列控系統在與列車折返能力相關的性能方面具有顯著優點。

2.1 信息流傳輸鏈路短

在基于車地通信的列控系統中， ATS(列車自動監控)子系統需根據列車的運行任務來申請聯鎖進路；聯鎖子系統收到進路命令后，檢查聯鎖條件滿足后，操作道岔和開放信號機，并將道岔位置和信號機狀態發送給軌旁ATC(列車自動控制)子系統；軌旁ATC子系統根據軌旁設備狀態和列車位置報告，為每列列車計算移動授權，并將移動授權發送至車載控制器；車載控制器根據接收到的移動授權來控制列車運行。

在基于車車通信的列控系統中，列車根據運行任務自主申請軌旁資源，并通過車車直接通信獲取前方列車位置。在獲得軌旁資源和前車位置信息后，車載控制器自主計算移動授權，進而控制列車運行。

與基于車地通信的列控系統相比，基于車車通信的列控系統內部信息流傳輸鏈路大幅縮短，實時控制效率更高，折返效率也更優。

2.2 軌旁資源管理精細化

基于車地通信的列控系統在道岔區域運行需基于聯鎖進路。根據設計規則，道岔防護信號機距離所防護的道岔一般不小于8 m。可見，從信號機到信號機的聯鎖進路范圍較大，所以基于聯鎖進路來分配軌旁資源的管理方式較粗放。

基于車車通信的列控系統不受聯鎖進路約束，對軌旁資源進行精細化管理。列車根據運行任務按需逐段申請軌旁資源，并根據列車的精確定位逐段釋放其不再需要的軌旁資源，從而大幅提高道岔區域的列車通行效率，減小列車折返追蹤間隔，進而提高列車折返能力。

2.3 取消了聯鎖進路辦理時間

對于基于車地通信的列控系統，在列車進、出折返軌時都必須先為列車辦理1條進路并開放信號機，其耗時達10 s以上。

基于車車通信的列控系統取消了軌旁設備集中站聯鎖子系統，擺脫了聯鎖進路的約束。這樣，在列車進、出折返軌時不需再辦理聯鎖進路和解鎖進路，從而節省了進、出折返軌的進路辦理時間及進路解鎖時間。

2.4 防護區段短

基于車車通信的列控系統采用扁平化架構，提升了列控系統的實時性。與基于車地通信的列控系統相比，基于車車通信的列控系統車載設備自主計算移動授權，使移動授權的更新周期更快、系統響應時間更短，故其安全防護距離較短。這一特點有兩大益處：①對折返軌的長度需求降低，可節約土建投資；②在同等防護距離長度下，使用基于車車通信的列控系統可提高列車在折返線的運行速度，從而減少列車進入折返線的時間。

3 列車折返時間的仿真分析

列車折返分為站前折返和站后折返。為節約土建投資或受環境制約，較多線路選擇站前折返方式。對于同等規模車站，一般站后折返能力要明顯優于站前折返能力。無論站前折返還是站后折返，其折返間隔應能滿足線路遠期最小運營間隔需求。本文基于實際車站的數據，按不同折返方式對列車折返能力進行仿真分析。

3.1 站后折返

地鐵站A為典型的站后折返站，采用站后單折返模式，其折返線布置見圖2。

圖2 地鐵站A的站后折返線示意圖

經仿真計算，采用不同列控系統時的折返時間見表1。

表1 采用不同列控系統時的車站A列車折返時間

由表1可知，采用站后單折返模式時，與基于車地通信的列控系統相比，基于車車通信的列控系統實時控制效率較高，相應的列車折返間隔縮短約20%。

3.2 站前折返

地鐵站B為站前折返站，采用彎進直出站前折返模式，其站前折返線布置如圖3所示。

圖3 地鐵站B的站后折返線布置示意圖

通過仿真計算，采用不同列控系統時的站B列車折返能力指標見表2。

表2 站B的列車折返能力指標仿真結果

由表2可見，在彎進直出站前折返模式下，與基于車地通信的列控系統相比，基于車車通信的列控系統的列車折返間隔縮短約30%。可見，基于車車通信的列控系統的線路折返能力明顯更優，可有效解決由站前折返導致的運能瓶頸問題。

4 結語

基于車車通信的列控系統采用了扁平化系統架構，列車之間直接通信，可自主申請軌旁資源和計算移動授權，系統響應時間更快，系統性能明顯更優。

隨著城市軌道交通網絡化線網的建成，城市核心區的骨干軌道交通對運能提出了更高的需求，在基于車地通信的列控系統無法滿足運營要求時，可考慮采用效能更高的車車通信列控系統。對于僅配置站前折返的終點站，采用基于車車通信的列控系統可有效解決由站前折返導致的運能瓶頸問題。