城市軌道交通CBTC系統(tǒng)運(yùn)行能力優(yōu)化研究

謝樹慶

(合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，城市軌道交通信號系統(tǒng)也在科技浪潮中不斷發(fā)展[1]。從最初的固定閉塞系統(tǒng)到當(dāng)前主流的移動閉塞系統(tǒng)，即基于通信的列車控制(communication based train control，CBTC)系統(tǒng)，城市軌道交通信號系統(tǒng)的運(yùn)行能力不斷地提升。由于城市軌道交通的快速發(fā)展，以及其方便、快捷、可靠等優(yōu)點(diǎn)，城市軌道交通越來越多地成為人們出行首選，客流量也隨之增加[2]。因此，在保證安全的前提下，如何進(jìn)一步提高CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行能力、縮短列車行車間隔，是值得研究的方向。

1 CBTC系統(tǒng)運(yùn)行能力現(xiàn)狀分析

CBTC系統(tǒng)是由眾多固定設(shè)備和移動設(shè)備組成的復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，是保證行車安全的關(guān)鍵。縮短行車間隔、提升運(yùn)行效率一直是行業(yè)研究的重點(diǎn)方向。

列車的追蹤間隔是運(yùn)行效率的重要指標(biāo)，是評價線路運(yùn)行能力的主要依據(jù)。國內(nèi)外關(guān)于運(yùn)行能力都有相關(guān)研究。在國外方面：D.Wooland[3]提出不同層級的運(yùn)行能力分析方法，得出CBTC能力作用；Budett和Kozan[4]根據(jù)運(yùn)行能力的瓶頸階段特點(diǎn)和不同列車的混跑比例，綜合計算運(yùn)行能力的上限和下限；Lain[5]建立一種CBTC列車的運(yùn)行能力模型。在國內(nèi)方面：杜文[6]、趙麗珍[7]、孫焰[8]等主要通過扣除系數(shù)法，優(yōu)化不同參數(shù)，提升運(yùn)行能力；滕濤[9]分析重載鐵路列車制動和運(yùn)行能力之間的關(guān)系；徐瑞華[10]提出一種運(yùn)行圖周期分析方法；付印平[11]建立列車追蹤的元胞自動機(jī)模型；李偉[12]提出了適用于估計城市軌道交通運(yùn)行能力的間隔通用模型。

總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，運(yùn)行能力的研究主要集中在干線鐵路，對城市軌道交通線路的研究比較少。因此，本文針對城市軌道交通CBTC系統(tǒng)運(yùn)行能力的保護(hù)區(qū)段和接近區(qū)段等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，提出CBTC系統(tǒng)運(yùn)行能力的優(yōu)化原則。

2 系統(tǒng)運(yùn)行能力關(guān)鍵參數(shù)

2.1 保護(hù)區(qū)段

保護(hù)區(qū)段是在進(jìn)路外方或者包含在進(jìn)路內(nèi)方的一個區(qū)段。列車在辦理及保持進(jìn)路過程中，需將保護(hù)區(qū)段納入聯(lián)鎖檢查[13]。

在CBTC系統(tǒng)中，當(dāng)列車自動監(jiān)控(automatic train supervision，ATS)系統(tǒng)下發(fā)建立保護(hù)區(qū)段的命令時，聯(lián)鎖檢查并鎖閉保護(hù)區(qū)段后，將信息發(fā)送給車載列車自動防護(hù)(automatic train protection，ATP)系統(tǒng)，確保列車的運(yùn)行和精確停車。保護(hù)區(qū)段的主要作用有：①確保CBTC列車及降級列車行車安全[14]；②確保列車進(jìn)站運(yùn)行效率；③確保列車進(jìn)站精確停車。

2.2 接近區(qū)段

接近區(qū)段是信號機(jī)外方的一段區(qū)段。當(dāng)進(jìn)路辦理信號開放后，如要取消，則需要判斷進(jìn)路的接近區(qū)段是否有車占用，從而采取相應(yīng)措施，防止進(jìn)路已先行解鎖而列車沒有及時停下闖入解鎖進(jìn)路。

當(dāng)列車進(jìn)入接近區(qū)段，信號突然關(guān)閉，進(jìn)路處于接近鎖閉狀態(tài)。此時，鎖閉的進(jìn)路不能取消。若要解鎖此鎖閉的進(jìn)路，需要人工進(jìn)行延時解鎖。其目的是使得列車在停穩(wěn)前進(jìn)路保持鎖閉狀態(tài)，以保證進(jìn)路解鎖前列車能在信號機(jī)前停車，或者列車闖入進(jìn)路內(nèi)方時不因進(jìn)路內(nèi)道岔轉(zhuǎn)換而危及行車安全。

3 系統(tǒng)運(yùn)行能力關(guān)鍵參數(shù)計算原則

3.1 保護(hù)區(qū)段計算原則

對保護(hù)區(qū)段長度的計算綜合考慮了系統(tǒng)反應(yīng)時間、司機(jī)反應(yīng)時間、通信延時、線路限速和列車制動率等因素[15]。保護(hù)區(qū)段的計算方式分為后備模式和CBTC模式。保護(hù)區(qū)段長度選取兩種計算方式中更長的長度。

后備模式下，在設(shè)置開口信號機(jī)且保護(hù)區(qū)段獨(dú)立于進(jìn)路外的地點(diǎn)，需滿足：①列車闖紅燈后緊急制動距離要求(若不設(shè)置列車開口，則無需考慮)；②移動授權(quán)(movement authority，MA)安全余量要求；③列車自動駕駛(automatic train operation，ATO)一次性精確停車要求。保護(hù)區(qū)段長度需要滿足不小于列車闖紅燈后緊急制動距離要求和MA安全防護(hù)距離要求的條件之和，并檢查是否滿足ATO一次性精確停車的要求。

CBTC模式下，保護(hù)區(qū)段長度需滿足：①M(fèi)A安全防護(hù)距離要求；②ATO一次性精確停車要求。

后備模式和CBTC模式兩種計算方式都涉及了ATO一次精確停車的要求。因此，本文對ATO目標(biāo)制動曲線的計算進(jìn)行說明。

采用固定制動率的ATO目標(biāo)制動曲線如圖1所示。圖1中：橫坐標(biāo)軸S表示距離；縱坐標(biāo)軸v表示速度。

圖1 ATO目標(biāo)制動曲線示意圖

ATO制動曲線公式為：

(1)

式中：v為ATO目標(biāo)曲線上每一點(diǎn)的速度值；Be為ATO采用固定制動率；Xoff為停車目標(biāo)點(diǎn)X距離PP點(diǎn)距離。

3.2 接近區(qū)段的計算原則

接近區(qū)段的長度要保證列車在未進(jìn)入接近區(qū)段前。若進(jìn)路被人工解鎖，列車可通過施加緊急制動，在信號機(jī)前停車。接近區(qū)段長度的計算要考慮系統(tǒng)的延時時間、車輛的制動性能以及車輛與信號之間的傳輸延時。基于安全性考慮，列車的制動模型需按照最不利情況下的安全制動模型[14]。

后備模式下，接近區(qū)段[16]的長度包括：①在最不利的情況下列車施行緊急制動的停車距離；預(yù)告應(yīng)答器(infill balise，IB)與進(jìn)路始端信號機(jī)的距離；②在關(guān)閉信號機(jī)的延時時間內(nèi)，列車以最高速度運(yùn)行的行走距離；③司機(jī)看到紅燈信號后到按下緊急停車按鈕的反應(yīng)時間內(nèi)列車的走行距離。

CBTC模式下接近區(qū)段的長度包括：①在最不利的情況下列車施行緊急制動的停車距離；②關(guān)閉信號信息經(jīng)過地面設(shè)備發(fā)送給列車的延遲時間內(nèi)列車的走行距離。

4 CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行能力關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化分析

4.1 保護(hù)區(qū)段優(yōu)化分析

保護(hù)區(qū)段長度更主要受制于后備模式計算的長度。本文從后備模式和CBTC模式分別進(jìn)行了優(yōu)化。

①優(yōu)化后備模式影響的CBTC保護(hù)區(qū)段長度。

由于在后備模式下，保護(hù)區(qū)段會考慮列車開口下的緊急制動距離。在目前多數(shù)線路的布置上，線路條件具有不確定性。受線路條件和運(yùn)營的影響，部分線路通常會將出站區(qū)段的一部分設(shè)計為節(jié)能坡。在列車考慮開口速度的情況下，保護(hù)區(qū)段計算長度需要計算列車以開口速度施加緊急制動的距離和MA安全防護(hù)距離。由于坡度值較差，保護(hù)區(qū)段長度也會變大。且在軌旁布置上，保護(hù)區(qū)段是固定的區(qū)段。CBTC模式下，受限于后備模式的保護(hù)區(qū)段長度，保護(hù)區(qū)段將會取最不利的長度。

優(yōu)化前保護(hù)區(qū)段距離公式為：

L1≥max[(a+b)，(b+c)]

(2)

式中：L1為保護(hù)區(qū)段長度；a為滿足ATO一次性精確停車需求的距離;b為MA安全余量要求的距離；c為列車闖紅燈后緊急制動距離要求。

經(jīng)計算，列車以開口速度25 km/h，運(yùn)行經(jīng)過27.8‰的下坡過程中，施加緊急制動指令，走行距離為81 m。考慮列車以退行速度5 km/h主動退行5 m后，運(yùn)行經(jīng)過-27.8‰的下坡過程中，施加緊急制動指令，走行距離為18 m。

保護(hù)區(qū)段長度為開口速度施加緊急制動的距離和MA安全防護(hù)距離之和，即81 m+18 m=99 m。這使得列車出清保護(hù)區(qū)段的時間大大增加，運(yùn)行效率降低。

因此，若需優(yōu)化保護(hù)區(qū)段長度，可不考慮設(shè)置列車的開口狀態(tài)，僅考慮CBTC模式下的保護(hù)區(qū)段要求：MA安全防護(hù)距離和滿足ATO一次性精確停車要求的距離。

優(yōu)化后保護(hù)區(qū)段距離公式為：

L2≥a+b

(3)

式中：L2為優(yōu)化后的保護(hù)區(qū)段長度。

經(jīng)計算，列車以站臺區(qū)域最差2‰的下坡，一次性制動至停車點(diǎn)停穩(wěn)，需要滿足停車點(diǎn)前方有30 m的距離。

優(yōu)化后的保護(hù)區(qū)段長度為滿足ATO一次性精確停車需求的距離和MA安全防護(hù)距離之和，即30 m+18 m=48 m。相比考慮開口速度的緊急制動距離下的保護(hù)區(qū)段，其縮短了51 m。列車出清保護(hù)區(qū)段的運(yùn)行時間由原來的35 s縮短到了23 s，基于列車在全線運(yùn)行的考慮，運(yùn)行效率大大提升。

②優(yōu)化MA安全防護(hù)距離影響的CBTC保護(hù)區(qū)段長度。

列車追蹤行駛過程中，后車MA終點(diǎn)到前車安全車尾需留有安全防護(hù)距離，以避免前車退行或者后溜造成碰撞，從而保證行車安全。

在互聯(lián)互通場景下，區(qū)間不允許退行。此時，MA安全防護(hù)距離僅需考慮后溜過程影響的長度。

若列車以允許溜車的限制速度5 km/h發(fā)生溜車現(xiàn)象，信號系統(tǒng)在列車后溜0.5 m之后會施加緊急制動指令。則考慮線路上最差坡度情況，列車在溜車過程中經(jīng)過2.78‰的下坡。此場景經(jīng)計算后的走行距離為1.35 m。

由以上分析可明顯發(fā)現(xiàn)，僅考慮后溜的安全防護(hù)距離為1.35 m，相比退行下的距離優(yōu)化了16 m，進(jìn)一步縮短了保護(hù)區(qū)段長度。

4.2 接近區(qū)段優(yōu)化分析

接近區(qū)段計算采用緊急制動模型。緊急制動曲線模型如圖2所示。

圖2 緊急制動曲線模型

列車運(yùn)行速度觸碰緊急制動觸發(fā)曲線，將會施加緊急制動。由于列車運(yùn)行速度不同，列車緊急制動距離也會不同。因此，接近區(qū)段長度更主要取決于列車所處區(qū)間的緊急制動觸發(fā)線速度。

緊急制動距離公式為：

L=S1+S2+S3

(4)

式中：S1為列車切斷牽引時，牽引加速度和坡度加速度下的加速走行距離；S2為僅存在坡度加速度下的減速走行距離；S3為緊急制動加速度和坡度加速度下的制動走行距離。

(5)

式中：v0為初始速度；a1為初始加速度；t0為S1階段所用時間。

(6)

式中：v1為S2階段的初始速度；a2為坡度加速度；t1為S2階段所用時間。

(7)

式中：v2為S3階段的初始速度；a3為緊急制動加速度和坡度加速度之和；t2為S3階段所用時間。

本文列舉線路限速90 km/h、87 km/h、85 km/h和80 km/h時，列車施加緊急制動的距離。緊急制動距離數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，在其他條件相同的情況下，緊急制動觸發(fā)速度不同，緊急制動距離差異很大，即接近區(qū)段的長度差異會很大。

表1 緊急制動距離數(shù)據(jù)

依據(jù)《城市軌道交通列車運(yùn)行速度限制與匹配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的描述，線路觸發(fā)緊急制動的時機(jī)為：當(dāng)列車運(yùn)行速度超出ATO目標(biāo)速度+超速容限(如2.5～3.6 km/h)時，信號系統(tǒng)即觸發(fā)緊急制動。因此，在計算接近區(qū)段長度時，采用初始速度可以從緊急制動曲線觸發(fā)速度優(yōu)化為ATO目標(biāo)速度+超速容限。

采用優(yōu)化原則計算接近區(qū)段長度時，線路限速為90 km/h的線路。優(yōu)化前，緊急制動觸發(fā)速度約為88 km/h。優(yōu)化后，緊急制動觸發(fā)速度約為86 km/h；接近區(qū)段長度由450 m縮短至432 m，縮短了4%。

5 結(jié)論

CBTC系統(tǒng)是保證列車安全行駛的核心，對城市軌道交通的運(yùn)行能力有很大影響。本文通過優(yōu)化保護(hù)區(qū)段和接近區(qū)段的計算原則，在保證安全的前提下，可使保護(hù)區(qū)段長度減少50%左右、接近區(qū)段長度減少4%左右、列車追蹤距離縮短5%左右。該方法可有效縮短行車間隔，最大限度提高運(yùn)營效率，提升列車服務(wù)水平。