易立富

易立富:中鐵二院工程集團有限責任公司 高級工程師 610031 成都

作為城市軌道交通運輸系統(tǒng)中的主要交通方式，地鐵運輸能力將決定其服務水平。地鐵列車的旅行速度和追蹤能力更是衡量其運輸能力的重要指標，它體現(xiàn)了地鐵系統(tǒng)的運行效率、實時性和快捷性。

1 基本概念

平均服務旅行速度是指列車從起點站發(fā)車至終點站停車的平均運行速度，即列車在軌道上單向運行所經(jīng)過的路程與所消耗時間(包括所有中間站停站時間，不含起點站和終點站停站時間)的比值。平均服務旅行速度的計算公式為:

Vf=S/Tf

其中，Vf表示平均服務旅行速度，S表示始發(fā)站和終點站中心里程的差值，Tf表示運行時間加停站時間(不含起點站和終點站停站時間)。因此，列車運行速度和停站時間是決定旅行速度的關(guān)鍵因素。

列車追蹤能力通常用列車追蹤間隔指標來體現(xiàn)。列車追蹤間隔是指在同一運行方向上的前后兩列連續(xù)運行列車依次經(jīng)過軌道上同一點的最小運行時間間隔，該間隔應不致使后續(xù)列車的運行速度受到前方列車正常服務表現(xiàn)的限制。地鐵正線列車追蹤間隔由站間追蹤間隔、站臺區(qū)追蹤間隔和折返追蹤間隔三者中的最大值決定，通常折返追蹤間隔是制約全線列車追蹤間隔的關(guān)鍵。

2 關(guān)鍵因素分析

地鐵列車旅行速度和追蹤能力的完美實現(xiàn)，涉及到設計、施工、安裝、調(diào)試、運營等各個環(huán)節(jié)，最為關(guān)鍵的是在設計環(huán)節(jié)，需重點協(xié)調(diào)處理好線路、行車、土建、車輛、信號控制等方面的問題，并按照設計環(huán)節(jié)確定的方案、功能及性能要求，進行土建設施施工與機電設備的制造、安裝和調(diào)試。基于信號和車輛系統(tǒng)對列車的控制機理，結(jié)合對各環(huán)節(jié)相關(guān)專業(yè)接口方案配合的梳理及分析，提煉出以下影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的關(guān)鍵因素。

2.1 線路及土建工程因素

影響地鐵列車運行速度和追蹤能力的線路及土建工程因素包括:線路配線、線路曲線、軌道超高、道岔類型、站臺區(qū)土建限速、終點站車站端部至線路盡頭的長度等。其中線路曲線半徑和軌道超高決定的曲線段土建限速、道岔類型決定的側(cè)向過岔土建限速和站臺區(qū)土建限速，將直接影響信號控車最高允許運行速度。在平坡地段的土建限速與信號控車最高允許運行速度的速度差值約為10 km/h，如圖1所示。

圖1 土建限速與信號控車最高允許運行速度的關(guān)系圖

1．線路曲線和軌道超高。它們決定了列車通過該曲線段線路的允許最高運行速度。在設置相同的軌道超高條件下，線路曲線半徑越小，土建限制速度值越低;在相同的線路曲線半徑條件下，軌道超高設置越低，土建限制速度值也越低。線路曲線和軌道超高決定的土建限速是構(gòu)成列車通過此段線路的頂棚安全限速，因此，它們將直接影響列車的最高運行速度，從而間接影響列車的運行時間和旅行速度。

2．線路配線和道岔類型。折返站的線路配線形式和道岔類型是影響折返間隔(折返追蹤能力)的2個關(guān)鍵因素。

折返站選擇的道岔類型主要有:9號直線尖軌、9號曲線尖軌和12號道岔。參照相關(guān)規(guī)范，其對應的道岔側(cè)向限速分別為30 km/h、35 km/h和45 km/h，這些速度值將決定列車最高側(cè)向過岔速度。道岔側(cè)向過岔速度越高，則列車折返運行所需時間越短，列車的折返追蹤能力越高。

列車交路折返站的功能和折返能力要求，將關(guān)系到其配線形式。不同的車站配線形式，其列車折返作業(yè)程序(如圖2所示典型站前折返和站后折返案例)及列車折返走行距離(如圖3所示典型站后折返兼車輛段接軌站案例)也不同，從而導致折返追蹤能力的差異。

圖2 典型站前折返和站后折返車站配線圖

從圖2看出，站前折返可采用Ⅰ股道和Ⅱ股道交替折返、Ⅰ股道折返或Ⅱ股道折返3種折返方式。站后折返可采用Ⅰ股道站后或Ⅱ股道站后2種折返方式。為提高折返追蹤能力，站前折返通常選用Ⅰ、Ⅱ股道交替折返作業(yè)方式;站后折返通常選用Ⅱ股道站后折返作業(yè)方式。由于站前和站后折返作業(yè)程序及徑路不同，站后Ⅱ股道折返的追蹤間隔通常小于站前Ⅰ股道和Ⅱ股道交替折返追蹤間隔。

從圖3看出，同為站后折返兼車輛段接軌站，配線形式一的折返列車在進入折返軌后，需越過道岔A方能折出。配線形式二的折返列車在進入折返軌后，需越過道岔B方能折出，在選擇相同道岔類型的前提下，配線形式二的折返列車走過的距離通常會大于配線形式一，從而導致配線形式二的折返間隔大于配線形式一。

圖3 典型站后折返兼車輛段接軌站配線圖

3．站臺區(qū)土建限速。此限速主要由站臺區(qū)域線路建筑限界、屏蔽門抗風壓參數(shù)等因素決定。對于最高列車運行速度80 km/h的線路，有些工程站臺區(qū)土建限速定為60 km/h，這個限速將影響列車進站停車的速度控制。為保證列車在最不利情況下的進站端最高速度不超過60km/h，信號系統(tǒng)將提前采取制動措施，將列車進入車站端口的速度控制在50 km/h左右。對于120 m的車站站臺，若列車(B型車)進站采用恒定的常用制動率一次性制動停車，則列車進入車站端口的速度約為55 km/h?？梢钥闯?，60 km/h的站臺區(qū)土建限速將迫使信號系統(tǒng)采取2次制動控制列車進站停車，降低了列車進站速度，增加了進站運行時間，從而導致全線旅行速度降低和車站追蹤間隔增大。

4．終點站車站端部至線路盡頭線路長度。終點站車站端部至線路盡頭的線路段如圖4所示。

圖4 終點站車站端部至線路盡頭距離示意圖

基于不同的車輛參數(shù)，不同信號廠商的控制系統(tǒng)對終點站車站端部至線路盡頭的線路長度要求也不一樣。當線路長度達不到信號控制列車以最高速度進站停車的安全保護區(qū)段長度要求時，信號系統(tǒng)一般采取降低終點站列車進站速度的方式來確保安全，這將增加進站運行時間，從而導致全線旅行速度和終點站折返能力降低。

2.2 行車組織因素

1．列車交路。對于設置大小列車交路套跑的線路，小交路折返站位于線路中間，其折返作業(yè)將影響大交路列車的運行順序和間隔，從而影響大交路列車的旅行速度和追蹤能力。

2．停站時間。它是指從列車進站停穩(wěn)至列車重新啟動所需要的時間，即從車輪停止轉(zhuǎn)動至再次啟動時所需要的時間。它主要由列車開關(guān)門技術(shù)時間和乘客上下車時間構(gòu)成。停站時間是計算全線旅行速度、中間車站追蹤間隔和折返站折返追蹤間隔的一個主要參數(shù)。停站時間越長，則列車單向運行的時間越長，平均服務旅行速度就越低。中間車站停站時間越長，則車站追蹤間隔越大;折返站停站時間越長，則折返追蹤間隔越大;車站追蹤間隔和折返追蹤間隔越大，則該線的列車追蹤能力就越低。

2.3 車輛因素

影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的車輛參數(shù)主要包括:全常用制動率、可保障緊急制動率、牽引切斷時間、緊急制動建立時間(惰行時間)、車輛結(jié)構(gòu)速度和列車長度等。具體分析如下。

車輛結(jié)構(gòu)速度與土建限制速度一樣，將作為列車運行的頂棚安全限速，信號系統(tǒng)需確保各種最不利條件下，列車瞬間最高運行速度也不超過車輛結(jié)構(gòu)速度。車輛結(jié)構(gòu)速度越高，則信號允許最高運行速度也越高，全線旅行速度也越高。

車輛全常用制動率和列車長度將對車站追蹤間隔產(chǎn)生影響，車輛全常用制動率越小，列車進站運行時間越長，車站追蹤間隔中的接車時間也越大;列車長度越長，則列車出站出清安全保護區(qū)段所用時間越長，車站追蹤間隔中的發(fā)車時間也越大。因此，由接車時間、停站時間和發(fā)車時間構(gòu)成的車站追蹤間隔也會越大。由于運行時間的增加，也會導致全線旅行速度降低。

車輛可保障緊急制動率的大小將直接影響信號系統(tǒng)安全保護區(qū)段長度，可保障緊急制動率越大，信號系統(tǒng)安全保護區(qū)段長度越短，則列車追蹤間隔越小，線路追蹤能力越高。

當列車實際速度超過了緊急制動觸發(fā)速度，列車將經(jīng)歷失控加速、惰行和緊急制動3個階段。列車的失控加速時間由車輛牽引切斷時間和車載信號ATP設備反應時間構(gòu)成，車輛牽引切斷時間越長，列車的失控加速時間也越長，根據(jù)IEEE-1474.1標準定義的典型安全制動模型(如圖5所示)，則列車失控加速的上沖速度值越高。為確保列車運行安全，車輛牽引切斷時間過大將迫使信號系統(tǒng)降低列車緊急制動觸發(fā)速度、ATP防護速度和最高運行速度，從而導致全線旅行速度降低。緊急制動建立時間(惰行時間)越長，則列車安全制動距離越長，列車追蹤安全間隔也將越大，線路追蹤能力越低。

2.4 信號控制因素

1．ATP子系統(tǒng)性能。信號ATP子系統(tǒng)是確保列車安全運行的關(guān)鍵系統(tǒng)，它負責列車的速度測量、位置確定、倒溜防護和超速防護等。影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的信號ATP子系統(tǒng)性能因素主要包括:最大列車定位誤差、倒溜防護距離、速度測量誤差、車載信號ATP設備反應時間等。最大列車定位誤差和倒溜防護距離作為列車安全間隔的構(gòu)成要素，其值越小則列車追蹤安全間隔越小，線路追蹤能力也越高。

圖5 典型的列車安全制動模型圖

車載信號ATP設備反應時間與車輛牽引切斷時間共同構(gòu)成列車失控加速時間，其對全線旅行速度和列車追蹤間隔的影響，同上述對車輛牽引切斷時間的分析。

根據(jù)圖5所示，速度測量誤差將直接決定緊急制動觸發(fā)速度與ATP防護速度，以及ATP防護速度與最高實際運行速度之間的速度差值，速度測量誤差越大，則三者間的速度差值越大;在相同的土建限速情況下，若速度測量誤差越大，則推薦最高運行速度越小，導致全線旅行速度和追蹤能力降低。

2．信號系統(tǒng)技術(shù)處理時間。它包括聯(lián)鎖處理時間(含進路建立時間)、ATS系統(tǒng)處理時間、數(shù)據(jù)通信時間、車載設備換端時間等。信號系統(tǒng)技術(shù)處理時間越小，構(gòu)成全線列車運行的技術(shù)作業(yè)時間也越小，列車總運行時間將減小，全線旅行速度得以提高。另外，信號系統(tǒng)技術(shù)處理時間作為構(gòu)成站間追蹤間隔、站臺區(qū)追蹤間隔和折返追蹤間隔的一部分，系統(tǒng)技術(shù)處理時間越小，則列車追蹤間隔越小，線路追蹤能力越高。

2.5 其他因素

1．列車運行調(diào)度指揮管理模式。列車運行調(diào)度指揮包括中心級管理和車站級管理2種模式。正常情況下，調(diào)度指揮由控制中心集中自動管理;當中心級的管理功能失效時，授權(quán)車站級負責列車運行的指揮和管理。中心級集中自動化管理能實時獲取全線的列車運行狀態(tài)信息、線路和設備信息，縮短技術(shù)作業(yè)時間和管理協(xié)調(diào)時間;而車站級管理則不具備中心級管理的全部自動化功能，大量技術(shù)作業(yè)需人工聯(lián)系協(xié)調(diào)辦理，故其所需的技術(shù)作業(yè)時間和管理協(xié)調(diào)時間較長。因此，控制中心自動化管理將縮短全線列車總運行時間，從而提高全線旅行速度。

2．列車駕駛模式。地鐵正線可采用ATO(自動運行駕駛模式)和ATP(ATP監(jiān)控下的人工駕駛模式)2種駕駛模式。ATO模式由系統(tǒng)自動控制列車運行，ATP模式是在ATP系統(tǒng)的防護下由司機人工駕駛。ATP模式下的列車速度和停站等控制均由司機人工完成，列車運行速度和相關(guān)作業(yè)時間受司機的經(jīng)驗、熟練程度和反應時間等因素影響，故司機駕駛水平也是影響列車旅行速度和追蹤能力的因素之一。

3 結(jié)束語

綜上所述，地鐵列車的旅行速度和追蹤能力除受線路及土建工程、行車組織、車輛和信號控制等相關(guān)因素直接影響外，還與運行調(diào)度指揮管理模式及駕駛模式有關(guān)。為了使地鐵列車的旅行速度和追蹤能力滿足線路運營要求，需在地鐵建設的各階段對上述因素予以關(guān)注，理清它們與旅行速度和追蹤間隔的內(nèi)在聯(lián)系，尤其應在設計階段對相關(guān)專業(yè)與系統(tǒng)決定運營能力的方案和參數(shù)進行優(yōu)化完善，協(xié)調(diào)處理好彼此制約的接口因素，使其相互匹配、合理可行，方能確保線路的運營服務水平達到最優(yōu)。

［1］中華人民共和國建設部．建標104-2008．城市軌道交通工程項目建設標準［S］．2008．

［2］中華人民共和國．GB/T12758-2004．城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件［S］．2004．

［3］中華人民共和國．GB 50157-2003．地鐵設計規(guī)范［S］．2003．