軌道交通車輛基地無人駕駛改造設計方案

占 俊

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥工程師)

全自動無人駕駛軌道交通的研究和設計工作已在我國許多城市開展，大量既有的城市軌道交通線路與新設計的全自動無人駕駛的城市軌道交通線路需要貫通運營，這就涉及到既有線路的升級改造問題。本文結合蘇州軌道交通7號線(以下簡為“7號線”)全自動無人駕駛的要求，對既有支線停車場全自動駕駛車輛基地的改造方案進行分析，研究無人駕駛車輛基地改造方案，提出既有庫線的改造、轉換軌設計、分區設計等方案，以期為后續全自動無人駕駛車輛基地的設計與建造提供參考。

1 蘇州軌道交通7號線項目概況

1.1 基本概況

7號線為全自動駕駛線路，整體呈南北走向，在既有4號線支線基礎上向南北延伸。全線約52 km，分為北段、南段及原4號線支線。7號線北段起于華陽路站，止于紅莊站;南段起于龍翔路站，止于涇南路站。

本次設計研究范圍包含7號線的北段、南段及原4號線支線。7號線實施段(莫陽站—紅莊站)北起南天成路與蘇虞張路路口東側的莫陽站，南至紅莊站(不含);線路長約29 km，設站25座(不含紅莊站)，均為地下站。全線設置的2處地面車輛基地含在本次研究范圍內，其中，車輛段位于天鵝蕩(基于原4號線天鵝蕩停車場擴建而成，即原線路拆解后，原4號線支線天鵝蕩停車場擴建改造為7號線天鵝蕩車輛段);停車場選址位于蘇虞張路、太東路與京滬高鐵所夾地塊。

1.2 列車運用交路

7號線初、近、遠期列車運用交路如圖1所示。

圖1 7號線初、近、遠期列車運用交路圖Fig.1 Preliminary，short-term and long-term train operation routing diagram of Line 7

1.3 車輛配屬表

本工程車輛選型為架空接觸網受電B2型車，與蘇州市既有軌道交通線路車輛選型一致。根據本線行車交路運用車數資料，計算初、近、遠期B2型車配屬車輛，如表1所示。

表1 7號線車輛配屬表Tab.1 Line 7 vehicle allocation table

2 7號線車輛檢修工作量、檢修設施的設計規模及車輛運用設施分配

2.1 車輛檢修工作量

根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》［1］中車輛檢修周期要求和車輛配屬數，計算7號線全線的車輛檢修工作量，如表2所示。

表2 7號線車輛檢修工作量計算表Tab.2 Calculation of Line 7 vehicle maintenance workload

2.2 檢修設施的設計規模

7號線檢修設施的設計規模，如表3所示。

表3 7號線檢修設施的設計規模Tab.3 Design scale of Line 7 maintenance facilities單位:列位

2.3 車輛運用設施分配

車輛檢修設施全部設于天鵝蕩車輛基地。根據7號線線路長度、全日開行計劃等資料，結合車輛段、停車場用地條件，為避免列車空載運營的距離過大，方便運營，確定天鵝蕩車輛段和莫陽停車場近、遠期車輛運用設施規模，如表4所示。

表4 7號線車輛運用設施分配表Tab.4 Allocation of Line 7 vehicle operation facilities

3 天鵝蕩無人駕駛車輛基地設計方案

3.1 采用無人駕駛的必要性

全自動無人駕駛已成為城市軌道交通發展的方向。全自動無人駕駛不僅可以提高地鐵列車的收發車效率，減少站間等候時間，還能提高列車的行駛安全性，提升乘客的乘坐舒適感。

3.2 基地特點

與常規有人駕駛車輛基地相比，全自動無人駕駛系統的車輛段有以下特點:

1)全自動無人駕駛地鐵車輛段分為有人駕駛區和無人駕駛區。

2)停車列檢庫設置無人駕駛防護分區和地下通道。

3)由于無人駕駛防護分區開展列檢作業管理，并且檢修天窗的時間不足，1線2列位的停車列檢庫庫內檢修地溝按100%設置。

4)考慮到信號防護距離，停車列檢庫2列位之間的安全距離按不小于20 m設置;庫尾車鉤距車擋應不小于15 m的安全保護距離(不含車擋)。

3.3 設計原則

車輛基地無人駕駛改造設計原則如下:①保證工藝順暢、避免工程浪費、節約投資;②滿足無人駕駛等要求，分區合理，需改造既有停車庫線為無人駕駛庫線;③改擴建后的車輛基地滿足全自動無人駕駛功能及信號要求;④改造設計方案應避免對既有4號線支線停車場運營和收發車造成影響，不能中斷線路運營。

3.4 改造方案

3.4.1 既有停車場總平面布置和預留擴建總圖方案

3.4.1.1 既有設施

4號線天鵝蕩停車場的功能定位為承擔4號線支線配屬車輛的停放和維保，其設計規模為5條停車列檢線(1線2列位)共10列位。用地面積約13.1萬m2，總建筑面積約2.3萬m2。既有設施包括運用庫(停車列檢)、綜合樓、變電所、污水處理站、材料棚、材料線及堆場等。

4號線天鵝蕩停車場總平面呈南北向布置，運用庫和預留設施采用逆向倒裝式布置。運用庫設在出入場線西南、東南兩側。其中，西南側運用庫為既有4號線支線天鵝蕩停車場設施，采用盡端式布置。材料棚、材料線及材料堆場設在運用庫北側。材料棚北側空地布置有污水處理站，且牽引降壓混合變電所亦設置在材料棚北側。

停車場設置綜合樓和物業樓，綜合樓建筑面積約6 660 m2，停車場辦公、信號樓、綜合維修工區、食堂、浴室、乘務員公寓等均合設于樓內。停車場內設有用于運輸、消防的環行道路，停車場出入口設2處，主出入口設在停車場的西側、綜合樓附近;次出入口設在東南角。4號線既有天鵝蕩停車場總平面布置見圖2。

圖2 4號線既有天鵝蕩停車場總平面布置圖Fig.2 General layout of existing Tian'edang Parking Lot on Line 4

3.4.1.2 車輛基地改造方案總圖布置

天鵝蕩停車場既有生產生活設施的功能用房主要滿足4號線支線的運營需求，拆解后功能定位為7號線天鵝蕩車輛段，其綜合樓、變電所、運用庫、檢修庫等設施建筑面積和設計能力均需要增加補強以滿足7號線的運營需求。

本文研究的天鵝蕩車輛段在原4號線支線天鵝蕩停車場基礎上進行改擴建，其功能定位為7號線定修段。天鵝蕩車輛段按無人駕駛車輛段考慮，設計規模為:存車規模為20條停車列檢線(1線2列位)+4條周月檢線(1線1列位)。用地面積約33.4萬m2，總建筑面積約8.3萬m2。新建設施包括新建運用庫、聯合車庫、物資總庫、洗車庫、工程車庫、試車線、綜合樓(1.2萬m2)等。

新建7號線天鵝蕩車輛段整體呈倒樁式布置，其運用庫位于既有運用庫東側。考慮到未來物業開發和建設無人駕駛車輛段的可能性，新建7號線天鵝蕩車輛段按無人駕駛車輛段進行設計，以滿足遠期檢修運用的需要。聯合車庫設在預留停車列檢庫的北側，采用盡端式布置。聯合車庫由定/臨修庫及輔助車間、靜調庫、吹掃庫、鏇輪庫組成。在聯合車庫東南側預留有物資總庫。預留洗車庫設置在咽喉區西側，采用八字式布置。

預留工程車庫設在既有運用庫西側。在聯合車庫東側、北側預留有發展用地，作為生活辦公房屋、主變電所的用地。在車輛段用地的東北角預留1處出口。新建天鵝蕩車輛段總平面布置見圖3。

圖3 新建天鵝蕩車輛段總平面布置Fig.3 General layout of new Tian'edang Depot

3.4.2 改造過渡期拆解接入方案分析

7號線施工時，需保證既有4號線支線及原天鵝蕩停車場(即7號線一期工程)正常運營。為此，擬采用如下方案對既有4號線支線進行拆解后接入/新建7號線。

1)維持既有4號線支線天鵝蕩停車場停車列檢庫、污水處理站、變電所、材料棚綜合樓、物業樓等生產生活設施在7號線實施過渡期的正常運轉。

2)新建設施包括新建運用庫、聯合車庫、物資總庫、洗車庫、工程車庫、試車線、綜合樓(1.2萬m2)等，主要在原天鵝蕩停車場址東側預留用地范圍內實施。需考慮新建設施工期及進度，避免影響原天鵝蕩停車場既有停車列檢庫、運轉綜合樓、出入段線、場區咽喉等運用檢修設施的正常使用。

3)由于7號線按無人駕駛線路考慮，因此新建停車列檢庫線和段場分區均按無人駕駛條件設計。7號線天鵝蕩車輛段按無人駕駛車輛段建設完成后，原天鵝蕩停車列檢庫需考慮改造為無人駕駛停車列檢庫或維持既有功能設施和條件。

3.4.2.1 新建7號線天鵝蕩車輛段完成后再進行既有停車列檢庫改造(方案1)

7號線天鵝蕩車輛段按無人駕駛車輛段新建完成，并在4號線支線拆解完成后，初期維持既有停車列檢庫土建設施。既有停車列檢庫土建設施，包括檢修地溝、車頂作業平臺等均不進行改造，僅考慮局部改造通信信號系統為無人駕駛模式。改造后的無人駕駛停車列檢庫線按1線1列位停車。遠期7號線線路延伸工程實施時，既有停車列檢庫可根據運營需求與莫陽停車場擴建工程一并實施改造為完善的1線2列位無人駕駛停車列檢庫。遠期改造內容包括:停車列檢庫線延長，無人駕駛地下通道設置，庫線隔離柵欄設置，通信信號系統改造，供電系統改造，以及既有停車列檢庫房土建結構改造等。

改造工程帶來的影響:本方案為初期既有停車列檢庫部分改造為無人駕駛庫線，改造內容與改造工程量較小、改造周期短;拆解完成后，既有停車庫原存放車輛考慮停放于新建天鵝蕩停車列檢庫，對7號線無人駕駛運營組織有一定影響。需考慮新建設施工期及進度，結合既有情況與相關專業制定改造方案。

改造工程對相關設施及系統引起的變化包括:停車列檢庫供電系統改造，通信和信號系統改造，綜合監控系統改造，DCC(車輛段控制中心)改造，軌道改造，以及變電所容量增加等。

3.4.2.2 既有停車列檢庫改造與7號線天鵝蕩車輛段新建工程同步實施(方案2)

既有停車列檢庫改造與本次天鵝蕩改擴建工程同步實施并完工。在7號線車輛段改擴建實施階段，為保證4號線支線的正常運營，原4號線支線配屬車輛不再停放在既有停車列檢庫，考慮在4號線主線松陵車輛段或元和停車場停放和維保。本方案對4號線支線收發車有一定影響，需運營單位做相應準備。

改造工程帶來的影響如下:本方案為既有停車列檢庫全部改造為無人駕駛庫線，改造內容多、改造工程量大、改造周期長;拆解完成后，既有停車庫原存放車輛考慮停放于新建天鵝蕩停車列檢。本方案需考慮新建天鵝蕩車輛段工期及進度，結合既有情況制定改造方案。

改造工程對相關設施及系統引起的變化包括:停車列檢庫供電系統改造，通信和信號系統改造，綜合監控系統改造，DCC改造，軌道改造，以及變電所容量增加等。

3.4.3 風險分析

1)在不影響既有區域運營的前提下，對新建區域進行施工。新建區域建成后，與入場線咽喉合攏。合攏時可能會影響到已建股道區停車列檢線的運用，需要運營單位做相應準備。

2)4號線支線拆解及天鵝蕩車輛段改擴建，會對運營組織及運營現狀造成一定影響，需要運營單位在實際實施階段前制定詳細方案。

4 天鵝蕩無人駕駛車輛基地改造特點分析

4.1 停車列檢庫線設計

設計的無人駕駛停車列檢庫線按1線2列位布置，結合既有場區條件，其庫線長應滿足GB 50157—2013《地鐵設計規范》［1］的要求，同時考慮無人駕駛信號保護距離及要求。無人駕駛停車列位之間的安全距離取20 m，無人駕駛停車列位距車檔附加安全距離(含車檔)取15 m，停車庫兩端橫向通道總寬度取9 m。

則最小停車列檢庫線長的計算公式［1］如下:

式中:

Ljk——列檢庫長度，m;

L——車輛長度，m;

Ni——每條線列檢列位數，列位。

由式(1)計算得到，本次設計的無人駕駛B2型車停車列檢庫長為295 m。將該長度取為3的模數，則按297 m設計。

本設計的無人駕駛停車列檢庫線寬度方向，考慮每2股道的隔離分區庫線間距要求，停車列檢庫共設10個2線跨，并考慮與30 m寬的4線周月檢庫并庫設置。根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》，庫寬大于150 m時，增設的縱向消防通道寬度取8 m。停車列檢庫寬計算［1］如下:

式中:

d1——無人駕駛2線分區線間距，本次設計的B2型車線間距取4.6 m;

N1——無人駕駛2線分區數，個;

N2——停車列檢線股道數，條;

d2——無人駕駛股道中心線至隔離柵欄/庫邊間距，本次設計的B2型車至庫邊/隔離欄桿間距取3.6m。

由式(2)計算得到，本次設計的無人駕駛運用庫(含周月檢庫和停車列檢庫)寬148 m。

4.2 轉換軌設計方案

轉換軌包括兩種:一種用于駕駛模式轉換，一種用于控制權交接。對于劃分了自動駕駛區和人工駕駛區的車輛基地，需設轉換軌用于駕駛模式轉換，一般將其設于牽出線或兩分區咽喉區的聯絡線上。轉換軌附近一般設置有司機登乘平臺，方便有人駕駛時司機登乘列車。本研究根據無人駕駛總平面布置要求，結合既有預留條件，提出了3種轉換軌設計方案(見圖4)。

圖4 天鵝蕩無人駕駛車輛基地總平面布置及轉換軌設置方案Fig.4 General layout of Tian'edang driverless vehicle base and setting scheme of transfer track

1)方案1:基于改擴建后的車輛段總平面呈倒樁式布置，考慮轉換軌設置于段址北側靠近咽喉區的牽出線上。

2)方案2:基于改擴建后的車輛段總平面呈倒樁式布置，考慮轉換軌設置于段址東南側靠近試車線的牽出線上。

3)方案3:基于改擴建后的車輛段總平面呈倒樁式布置，考慮轉換軌設置于2條牽出線間的聯絡線上。

以上3種方案均滿足無人駕駛車輛基地轉換軌設置的要求，無人駕駛區和有人區分區隔離設計合理。新建停車列檢庫、周月檢庫及既有改造后的停車列檢庫劃分為無人駕駛區，新建聯合車庫、鏇輪庫及試車線設置在有人區。3種方案的優缺點對比見表5。

表5 天鵝蕩無人駕駛車輛基地轉換軌設置方案對比表Tab.5 Scheme comparison table of transfer track setting of Tian'edang driverless vehicle base

通過對比分析3種轉換軌設置方案可以發現，轉換軌方案3相較方案2，其功能分區對于段內道路未產生物理切割，無需增加段內道路分區隔離設施;相較方案1，無人區和有人區分區完整獨立，無重疊進路，不需增加信號進路控制。綜上所述，推薦方案3為無人駕駛轉換軌(牽出線)設計方案。

5 天鵝蕩無人駕駛車輛基地的主要技術經濟指標

天鵝蕩無人駕駛車輛基地的主要技術經濟指標見表6。

表6 天鵝蕩無人駕駛車輛基地的主要技術經濟指標表Tab.6 Main technical and economic indexes of Tian'edang Driverless Vehicle Depot

6 結語

本文基于既有停車場總平面方案和預留擴建條件，通過研究改擴建為無人駕駛車輛段的方案可行性，提出無人駕駛改造方案過渡期的實施策略和對策，以保證工程的可實施性和滿足運營需求，總結提出無人駕駛庫線長的計算方法，并研究分區轉換軌的設計方案，提出聯絡線設置無人駕駛轉換軌的方案，保證了無人駕駛分區各自獨立和段內消防通道的通暢。可為后續無人駕駛車輛基地設計及改造提供參考。