跨座式單軌折返站折返能力研究

付昌友，吳煜博

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著我國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)制式的多元化發(fā)展，跨座式單軌.中低速磁浮.膠輪有軌電車等新型軌道交通系統(tǒng)百家爭(zhēng)鳴，相互之間車輛及道岔等設(shè)備性能各不相同，與傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)差異大，在折返能力計(jì)算方面缺乏系統(tǒng)性研究。跨座式單軌系統(tǒng)采用橡膠輪胎騎跨于軌道梁的方式運(yùn)行，與其他鋼輪鋼軌系統(tǒng)黏著驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)制式在車體結(jié)構(gòu).轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu).驅(qū)動(dòng)模式.牽引制動(dòng)性能等方面都不同，按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的折返能力存在較大誤差。

城市軌道交通系統(tǒng)折返能力的相關(guān)研究眾多，李莉研究了城市軌道交通列車折返能力綜合優(yōu)化[1]，董松對(duì)信號(hào)系統(tǒng)提升車站折返能力進(jìn)行了研究[2]，翟恭娟作了城市軌道交通折返能力分析的研究[3]，江志彬等作了多股道城市軌道交通車站站前折返能力分析[4]，陳俊等對(duì)設(shè)置站前交叉渡線的折返能力適應(yīng)性進(jìn)行了研究[5]。此外，王曉凱[6].唐玉川[7]等都對(duì)城市軌道交通折返能力開展了相關(guān)研究。針對(duì)跨座式單軌系統(tǒng)相關(guān)能力的研究?jī)?nèi)容則不多，主要有廖亞莎[8]對(duì)有關(guān)跨座式單軌運(yùn)輸能力的探究和夏贊?jì)t[9]對(duì)龐巴迪單軌關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)與革新研究等。

以上研究?jī)?nèi)容都未能系統(tǒng)性地對(duì)跨座式單軌系統(tǒng)折返能力進(jìn)行分析，現(xiàn)有的GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)系統(tǒng)能力的要求是不小于24對(duì)/h，隨著輕型跨座式單軌系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，小編組高密度提高服務(wù)質(zhì)量是必然趨勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)能力達(dá)到30對(duì)/h存在實(shí)際需求。鑒于此，結(jié)合有關(guān)國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn).車輛及信號(hào)設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)跨座式單軌系統(tǒng)折返站的折返能力計(jì)算原理和計(jì)算方法展開研究，并通過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)算進(jìn)行驗(yàn)證。

2 跨座式單軌折返站配線分析

2.1 折返站主要布置形式

跨座式單軌系統(tǒng)與傳統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)在配線布置形式上的主要區(qū)別在于前者基本不采用交叉渡線，因此，折返站配線形式也與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)有所區(qū)別[10]。

2.1.1 站前折返

根據(jù)不同的站臺(tái)布置形式和道岔布置形式，跨座式單軌系統(tǒng)的站前折返可分為島式站前.側(cè)式站前和多站線站前折返等，如圖1所示[6]。圖1(a).圖1(b)多用于終點(diǎn)站站前折返，圖1(a)的道岔更靠近站端，便于養(yǎng)護(hù)維修，但岔區(qū)走行距離較長(zhǎng)；圖1(b)岔區(qū)范圍較短，交替接發(fā)車時(shí)能力更大[11]。圖1(c)常用于臨時(shí)終點(diǎn)站站前折返，通常僅設(shè)置一條單渡線，作為永久終點(diǎn)站交替折返時(shí)會(huì)造成乘客選擇站臺(tái)的困擾[12]。圖1(d)可用于小交路折返站，折返列車停站清客不會(huì)對(duì)通過列車造成影響，但道岔數(shù)量多，工程投資大，國(guó)內(nèi)暫無在跨座式單軌系統(tǒng)中的應(yīng)用案例。

圖1 站前折返配線布置示意

2.1.2 站后折返

最常見的島式站后折返大致可分為三大類，第一類是停車線兼折返線，第二類是出入場(chǎng)段線兼折返線，第三類是單渡線利用正線折返[3]。如圖2所示。

圖2 站后折返配線布置示意

根據(jù)不同的工程條件和功能需求，三大類折返布置形式還存在著各種變化，特別是連接車輛段出入線時(shí)，配線布置具有多樣性特征，但核心都是要滿足能力需要。

此外，還有混合折返和環(huán)形折返等形式，但在跨座式單軌系統(tǒng)中基本沒有應(yīng)用案例，此處不再詳述[11]。

3 折返能力計(jì)算的基礎(chǔ)

3.1 列車進(jìn)站運(yùn)行控制原理

根據(jù)CBTC移動(dòng)閉塞系統(tǒng)列車追蹤運(yùn)行基本原理，列車運(yùn)行最高限制速度不能超過線路最高限制速度(或臨時(shí)限速)。根據(jù)列車運(yùn)行最高限制速度和列車運(yùn)行狀況動(dòng)態(tài)計(jì)算確定ATP系統(tǒng)限制速度，根據(jù)ATP系統(tǒng)限制速度實(shí)時(shí)計(jì)算確定ATP系統(tǒng)緊急制動(dòng)觸發(fā)速度[13]。

當(dāng)列車運(yùn)行達(dá)到緊急制動(dòng)觸發(fā)速度時(shí)，ATP系統(tǒng)車載設(shè)備向車輛發(fā)出緊急制動(dòng)觸發(fā)命令，車輛實(shí)施緊急制動(dòng)。在ATP緊急制動(dòng)指令執(zhí)行延遲響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，應(yīng)確保列車運(yùn)行速度不超過ATP系統(tǒng)限制速度[3]。

當(dāng)前行列車進(jìn)站停車時(shí)，后行列車的防護(hù)終點(diǎn)為進(jìn)站信號(hào)機(jī)外方，如圖3所示。

圖3 列車進(jìn)站運(yùn)行控制過程示意

設(shè)計(jì)折返能力計(jì)算時(shí)，一般按前車停站不影響后車正常的運(yùn)行速度考慮[14]。兩車之間的最小間隔應(yīng)滿足后車在區(qū)間按ATO速度運(yùn)行時(shí)，異常情況下不會(huì)突破ATP系統(tǒng)限制速度。通過確定圖3中①～⑤過程列車運(yùn)行的距離和時(shí)間，再確定后車位置的不確定性最大值(AB距離)，加和之后即可得出起模點(diǎn)距離站外信號(hào)機(jī)的距離[15]。據(jù)此提出列車進(jìn)站起模點(diǎn)計(jì)算的通用模型，如式(1)所示

式中l(wèi)進(jìn)站——列車進(jìn)站運(yùn)行距離，m；

v0——列車進(jìn)站初速度，m/s；

l安——安全防護(hù)距離，m；

l誤——停車誤差距離，m；

l列——列車長(zhǎng)度，m；

l岔區(qū)——進(jìn)站信號(hào)機(jī)與站臺(tái)端部距離，m；

l安全制動(dòng)——列車安全制動(dòng)距離，m；

l常用制動(dòng)——列車常用制動(dòng)距離，m；

a緊急制動(dòng)——列車緊急制動(dòng)加速度，m/s2；

t緊急制動(dòng)——列車建立緊急制動(dòng)所需時(shí)間，s；

vATP限速——列車超速防護(hù)限速，m/s2；

l緊急制動(dòng)——列車緊急制動(dòng)距離，m。

3.2 基本參數(shù)選取

系統(tǒng)制式與車輛選型不同.道岔系統(tǒng)不同.信號(hào)系統(tǒng)不同，折返能力計(jì)算的基本參數(shù)也不同，以下列舉兩種車型(MA1.MB1).兩種道岔類型(關(guān)節(jié)可撓型.替換梁型)進(jìn)行案例分析，方案1采用MA1型車和關(guān)節(jié)可撓型道岔，方案2采用MB1型車和替換梁型道岔。前者作為大型單軌的代表，后者作為輕型單軌的代表。實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)車輛選型及信號(hào)參數(shù)進(jìn)行核算。

(1)車輛性能參數(shù)

車輛性能參數(shù)分別選取了MB1型車6輛編組數(shù)據(jù)和MA1型車8輛編組數(shù)據(jù)[16]。詳見表1。

表1 車輛性能參數(shù)

(2)道岔系統(tǒng)參數(shù)

關(guān)節(jié)可撓型單開道岔側(cè)向最大容許速度25 km/h，計(jì)算時(shí)采用20 km/h；替換梁型單開道岔側(cè)向最大容許速度32 km/h，計(jì)算時(shí)采用28 km/h[17]。

(3)信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)

信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)在車輛參數(shù)基礎(chǔ)上留下余量，常用制動(dòng)減速度按照不大于0.9 m/s2考慮。

(4)其他參數(shù)

①保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度

在計(jì)算進(jìn)站起模點(diǎn)時(shí)，各設(shè)計(jì)單位對(duì)其中的保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度(包括安全防護(hù)距離和停車誤差距離)以采用固定值居多，固定值一般為經(jīng)驗(yàn)值[18]。根據(jù)式(1)計(jì)算，跨座式單軌系統(tǒng)的區(qū)間和站臺(tái)保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度均采用40 m。

②線路平.縱斷面

線路平面和縱斷面也是折返能力計(jì)算的輸入條件之一，平面確定工程限速條件，縱斷面將影響列車進(jìn)出站加速度.影響走行距離和時(shí)間[18]。作為案例計(jì)算時(shí)，進(jìn)站線路平.縱斷面按平直道考慮。

4 折返能力計(jì)算

折返能力的計(jì)算流程主要差異在于站前折返和站后折返[19]，為了對(duì)比兩個(gè)方案的折返能力差異，此處以側(cè)式站后折返為例進(jìn)行分析。

4.1 列車折返流程分解

側(cè)式站臺(tái)站后折返通常配置站后單渡線，利用正線折返，多用于永久終點(diǎn)，或預(yù)留延伸條件的終點(diǎn)。

站后折返的主要流程為：①辦理接車進(jìn)路；②列車進(jìn)Ⅰ道停車；③列車停站清客，同時(shí)辦理進(jìn)折返線進(jìn)路；④列車進(jìn)折返線，當(dāng)尾部出清C點(diǎn)時(shí)，可辦理后車接車進(jìn)路；⑤駕駛室換端，同時(shí)辦理出折返線進(jìn)路；⑥列車出折返線進(jìn)Ⅱ道停車，尾部出清D點(diǎn)后可辦理后車進(jìn)折返線進(jìn)路；⑦列車停站上客，同時(shí)辦理列車出站徑路；⑧列車出站，尾部出清E點(diǎn)后可辦理后車出折返線進(jìn)路。如圖4所示。

圖4 側(cè)式站后單渡線折返作業(yè)距離示意

4.2 列車進(jìn)站時(shí)間

(1)列車進(jìn)站起模點(diǎn)計(jì)算

按照公式(1)和兩個(gè)方案的參數(shù)各自計(jì)算。

方案1的進(jìn)站距離l進(jìn)站一=393 m。

方案2的進(jìn)站距離l進(jìn)站二=322 m。

方案1較方案2長(zhǎng)71 m(其中列車長(zhǎng)度差值44 m)。

(2)進(jìn)站時(shí)間

根據(jù)列車進(jìn)站運(yùn)行控制原理，列車進(jìn)站經(jīng)歷了最高運(yùn)行速度勻速運(yùn)行.減速至站臺(tái)限速.按站臺(tái)限速勻速運(yùn)行.減速至停站4個(gè)過程，按照進(jìn)站起模點(diǎn)位置.站臺(tái)限速.車輛參數(shù)進(jìn)行牽引模擬計(jì)算。

方案1列車進(jìn)站時(shí)間t進(jìn)站一=32 s。

方案2列車進(jìn)站時(shí)間t進(jìn)站二=27 s。

方案1較方案2多5 s。

4.3 列車停站時(shí)間

方案1車型客室門開度為1.3 m，方案2車型客室門開度為1.6 m，相比之下，方案2車型更方便乘客上下車。為便于對(duì)比，考慮折返站上下車客流量以及折返清客時(shí)間，兩方案列車停站時(shí)間均按照t停站=30 s計(jì)列。

4.4 列車進(jìn)折返線時(shí)間

列車進(jìn)折返線經(jīng)歷了加速至道岔限速.按道岔限速勻速運(yùn)行.減速至停車3個(gè)過程。按照道岔限速.車輛參數(shù)進(jìn)行牽引模擬計(jì)算。

方案1列車進(jìn)折返線時(shí)間t進(jìn)折返一=40 s。

方案2列車進(jìn)折返線時(shí)間t進(jìn)折返二=27 s。

列車尾部出清C點(diǎn)時(shí)，就可辦理后車進(jìn)站進(jìn)路，經(jīng)計(jì)算，兩方案列車尾部出清C點(diǎn)的時(shí)間分別為：方案1 37 s，方案2 24 s。

不論是進(jìn)入折返線停車，還是列車尾部出清C點(diǎn)，方案1較方案2多13 s。

4.5 列車出折返線時(shí)間

與列車進(jìn)折返線不同，因不存在道岔限速，且列車最高速度尚未達(dá)到站臺(tái)限速值，列車出折返線過程理論上無勻速過程。按照車輛參數(shù)進(jìn)行牽引模擬計(jì)算。

方案1列車出折返線時(shí)間為t出折返一=29 s。

方案2列車出折返線時(shí)間為t出折返二=26 s。

列車尾部出清D點(diǎn)時(shí)，可辦理后車進(jìn)折返線進(jìn)路，經(jīng)計(jì)算，兩方案列車尾部出清D點(diǎn)所需時(shí)間分別為：方案1 21 s，方案2 18 s。

兩方案在列車出折返線時(shí)間方面差別不大，方案1較方案2多3 s。

4.6 列車出站時(shí)間

如圖4所示，列車出站出清E點(diǎn)即可辦理后車進(jìn)站臺(tái)進(jìn)路，按照車輛參數(shù)進(jìn)行牽引模擬計(jì)算。

方案1列車出站出清E點(diǎn)的時(shí)間t出站=18 s。

方案2列車出站出清E點(diǎn)的時(shí)間t出站=15 s。

兩方案在列車出站時(shí)間方面差別不大，方案1較方案2多3 s。

4.7 折返間隔時(shí)間

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制列車折返間隔示意圖，計(jì)算結(jié)果如下。

方案1列車到達(dá)間隔為123 s，折返間隔為105 s，出發(fā)間隔為101 s，系統(tǒng)折返能力受到達(dá)間隔限制，為29.2對(duì)/h，考慮預(yù)留10%余量，實(shí)際能力可取值26對(duì)/h。如圖5所示。

圖5 方案1折返能力示意

方案2列車到達(dá)間隔為105 s，折返間隔為89 s，出發(fā)間隔為95 s，系統(tǒng)折返能力受到達(dá)間隔限制，為34.2對(duì)/h，考慮預(yù)留10%余量，實(shí)際能力可取值31對(duì)/h。如圖6所示。

圖6 方案2折返能力示意

從計(jì)算結(jié)果來看，顯然方案2能夠?qū)崿F(xiàn)更大的折返能力，除了因?yàn)榉桨?的列車編組較小外，還體現(xiàn)在其單車更短而胖.加減速性能更好等方面。

5 結(jié)論與建議

跨座式單軌系統(tǒng)折返能力直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的服務(wù)水平和服務(wù)能力，也關(guān)系到車站輔助配線設(shè)置，進(jìn)而影響工程投資。針對(duì)跨座式單軌系統(tǒng)折返能力進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，提出了計(jì)算方法和參數(shù)，并對(duì)大型單軌和輕型單軌進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，輕型跨座式單軌具有加減速性能好.單車體短而胖等特點(diǎn)，且MB1型車車門更寬，有利于乘客快速乘降，再配置側(cè)向速度更高的替換梁型道岔，折返效率有明顯提高。通過計(jì)算，得出輕型跨座式單軌系統(tǒng)站后折返的折返能力可達(dá)到30對(duì)/h及以上的結(jié)論，遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值和單軌國(guó)標(biāo)的建議值24對(duì)/h，該結(jié)論對(duì)跨座式單軌項(xiàng)目的系統(tǒng)選型和列車編組選擇，以及單軌國(guó)標(biāo)的修編提供了可量化的參考和依據(jù)。

本文提出的計(jì)算方法具有普遍適用性，具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)與信號(hào).線路.車輛專業(yè)密切配合，掌握能力計(jì)算的基礎(chǔ)條件和基本參數(shù)，尤其是車輛性能參數(shù).信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)和信號(hào)平面布置圖，同時(shí)還應(yīng)掌握不同信號(hào)廠商的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和前沿動(dòng)態(tài)，以便在折返能力計(jì)算中綜合考慮。