譚人升韓 臻王建文

（1.貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽 550081；

2.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073；

3.中國鐵道科學(xué)研究院北京經(jīng)緯信息技術(shù)公司，北京 100081）

大坡道線路條件下信號系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)及ATO節(jié)能的策略

譚人升1韓 臻2王建文3

（1.貴陽市城市軌道交通有限公司，貴陽 550081；

2.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073；

3.中國鐵道科學(xué)研究院北京經(jīng)緯信息技術(shù)公司，北京 100081）

在山地城市軌道交通工程的建設(shè)中，長大坡道已是常見的線路條件。信號系統(tǒng)是城市軌道交通中安全相關(guān)的系統(tǒng)，針對長大坡道線路條件需要提出適應(yīng)性設(shè)計(jì)的措施。結(jié)合貴陽市軌道交通2號線工程案例，提出信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)為適應(yīng)長大坡道線路的幾個(gè)關(guān)鍵策略，同時(shí)對ATO的節(jié)能方案進(jìn)行研究，為類似線路條件下的信號系統(tǒng)方案提供設(shè)計(jì)參考。

城市軌道交通；長大坡道線路；信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)；ATO節(jié)能；設(shè)計(jì)參考

1 概述

關(guān)于線路坡道的規(guī)定在新版《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）（以下簡稱設(shè)計(jì)規(guī)范）中描述為“正線的最大坡道宜采用30‰，困難地段最大坡道可采用35‰。在山地城市的特殊地形地區(qū)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，有充分依據(jù)時(shí)，最大坡度可采用40‰?！?。較《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）有所變化，將“正線最大坡道不宜大于30‰”改為“正線的最大坡道宜采用30‰”，增加“在山地城市的特殊地形地區(qū)最大坡道可采用40‰”的規(guī)定?？梢娦掳嬖O(shè)計(jì)規(guī)范對線路坡道的規(guī)定更符合山地城市的地形條件，為此針對長大坡道線路條件進(jìn)行信號系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究是必要的。

貴陽市地處云貴高原的東斜坡上，地形、地勢起伏較大，海拔最高為1 762 m，最低506 m，市區(qū)平均海拔1 071 m。貴陽市軌道交通2號線一期工程為南北—東西向的骨干線，其信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力要求為：在CBTC模式下，正線最小行車間隔120 s、正線車站及站臺追蹤間隔小于90 s；點(diǎn)式模式下，正線最小行車間隔4 min，且設(shè)計(jì)20%的余量。線路全長27.6 km，全線34‰的坡道段主要分布在北京西路站至頭橋站區(qū)間，如圖1所示，主要有以下內(nèi)容。

1）北京西路至三橋站上、下行區(qū)間各三段長度，約為480 m，34‰大坡道，每段大坡道間隔一段約240 m的20‰坡道；

2）省醫(yī)站到觀水路站上、下行區(qū)間各一段長度為460 m，34‰大坡道；

3）觀水路站至油榨街站上、下行區(qū)間各兩段，一段長度為300 m，34‰上坡道，另一段長度為280 m，34‰下坡道。

2 長大坡道線路條件下信號系統(tǒng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)策略

長大坡道線路條件下的列車行車保障主要取決于車輛系統(tǒng)，包含牽引、制動能力以及加減速率，車輛須確保在最不利情況下使列車制動，減速率須滿足列車運(yùn)行時(shí)停車要求。

圖1 區(qū)間坡道示意圖

在車輛性能的基礎(chǔ)上，信號系統(tǒng)需進(jìn)行相應(yīng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括信號機(jī)的設(shè)置位置、長大坡道線路上列車最高速度（保證最高速度不突破最高限制速度80 km/h或?qū)ζ浼右赃m當(dāng)限制）以及駕駛策略方面的考慮。下文以北京西路站至三橋站區(qū)間舉例說明。

1） 信號機(jī)的設(shè)置

a.北京西路站至三橋站站間距約為2.2 km，由于上、下行區(qū)間有3段34‰大坡道，上行區(qū)間分割信號機(jī)避開大坡道，設(shè)置在距離北京西路站約550 m處，使分割信號機(jī)靠近北京西路站設(shè)置。這樣既可以提高北京西路站上行的接車能力，又可保證三橋站至北京西路站的列車追蹤間隔。即當(dāng)前車在北京西路站進(jìn)行站停作業(yè)時(shí)，三橋站列車可辦理出站發(fā)車，從而確保區(qū)間行車能力不降低。下行區(qū)間分割信號機(jī)設(shè)置在靠近三橋站約520 m處，避免長大坡道（原理同上行線）。

b.經(jīng)牽引理論計(jì)算，上、下行增加區(qū)間分割信號機(jī)后，點(diǎn)式模式下，列車追蹤間隔約為150 s，滿足最小行車間隔要求，如圖2所示。

圖2 信號平面布置示意圖

在34‰線路條件下，若取消區(qū)間分割信號機(jī)，點(diǎn)式模式運(yùn)行時(shí)，下行區(qū)間運(yùn)行時(shí)間約為156 s，追蹤間隔時(shí)間為219 s；上行區(qū)間運(yùn)行時(shí)間約為158 s，追蹤間隔時(shí)間為218 s，不滿足最小行車間隔4 min，且須預(yù)留20%余量設(shè)計(jì)要求。因此，為保證點(diǎn)式模式下列車運(yùn)營能力，上、下行須設(shè)置區(qū)間分割信號機(jī)。

2） 與其他系統(tǒng)接口

根據(jù)運(yùn)營能力要求及車輛性能參數(shù)，信號、車輛及行車專業(yè)需共同研究，確定信號系統(tǒng)在CBTC模式下運(yùn)行時(shí)對長大坡道的列車運(yùn)行間隔控制、移動授權(quán)以及運(yùn)行等級設(shè)置等；另外，可對長大坡道區(qū)段的運(yùn)行列車數(shù)量加以適當(dāng)控制。

3） 列車運(yùn)行策略

列車在坡道變化的長大坡道區(qū)段運(yùn)行策略基本相同，下坡道上充分利用惰行工況運(yùn)行，必要時(shí)用電制動進(jìn)行一次調(diào)速；上坡道上要合理調(diào)節(jié)手柄為牽引工況運(yùn)行，盡量減少工況轉(zhuǎn)換的次數(shù)，保證列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分和旅行速度。

2.2 研究結(jié)論

因上面1）、2）兩個(gè)設(shè)計(jì)策略在工程設(shè)計(jì)時(shí)已予以解決，從列車運(yùn)行策略上研究如下：

1）下行：列車從北京西路站出站采用牽引工況，速度增至43.79 km/h時(shí)采用惰行工況，因曲線限速74 km/h，速度增至63.75 km/h時(shí)，采用電制動調(diào)速運(yùn)行至列車尾部出清該曲線后，再轉(zhuǎn)為惰行工況；速度增至74.54 km/h時(shí)，以電制動工況運(yùn)行至三橋站停車。

2）上行：列車從三橋站出站采用牽引工況，因曲線限速76 km/h，速度增至68.12 km/h時(shí)采用惰行工況；速度降至61 km/h進(jìn)入曲線，調(diào)節(jié)適合的牽引力手柄位，采用牽引工況，速度增至64.92 km/h時(shí)轉(zhuǎn)為惰行工況；速度降至58.25 km/h時(shí)，以電制動工況至北京西路站停車。

3）通過上述研究表明，長大坡道線路條件下列車運(yùn)行操縱的特點(diǎn)：下行列車以牽引工況運(yùn)行至站外，進(jìn)入大下坡道區(qū)段時(shí)，宜采用惰行工況運(yùn)行至前方車站外方，以制動工況運(yùn)行至站內(nèi)停車。上行列車以牽引工況運(yùn)行至站外，在坡度不大的地段以惰行工況運(yùn)行至大上坡道區(qū)段時(shí)，宜采用牽引工況運(yùn)行至前方車站外方，惰行一段時(shí)間后以制動工況運(yùn)行至站內(nèi)停車。

ATO系統(tǒng)下的運(yùn)行策略在下節(jié)“ATO節(jié)能方案”中詳細(xì)描述。

3 ATO節(jié)能方案

3.1 ATO節(jié)能原理

列車在ATO系統(tǒng)模式下的自動運(yùn)行與ATS系統(tǒng)的調(diào)度命令密切相關(guān)。列車在站臺接收ATS系統(tǒng)發(fā)送的當(dāng)前站地址（ID）、下一站地址（ID）、當(dāng)前站發(fā)車時(shí)間、下一站到站時(shí)間等信息。ATO系統(tǒng)根據(jù)ATS系統(tǒng)的信息，對比離線時(shí)計(jì)算的站間運(yùn)行最小時(shí)間和ATS要求的到站時(shí)間，判斷是否需要采用全速運(yùn)行策略，或可以采用節(jié)能策略，并會在運(yùn)行過程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

ATO根據(jù)對應(yīng)車輛性能、行車間隔及供電方式，在滿足準(zhǔn)點(diǎn)到站的前提下，主要有3種節(jié)能方式：

1）最低的巡航速度；

2）最長的惰行時(shí)間；

3）車輛電制動能力最大化。

3.1.1 最低的巡航速度方式

列車的巡航速度越低，則其達(dá)到該巡航速度的牽引時(shí)間就越短，根據(jù)能量守恒原則，其消耗的電能就越少。該方式適用于運(yùn)營初期、低峰時(shí)間，或者長大運(yùn)行交路等運(yùn)營間隔較長的情況。當(dāng)線路坡度較陡，但坡度變化不多的區(qū)間，采用較小的恒定牽引力或制動力保持列車恒速，可以避免出現(xiàn)牽引和制動的來回切換。

原理如圖3所示。

ATO系統(tǒng)在離線時(shí)會定義多條恒速的站間運(yùn)行曲線，每條運(yùn)行曲線被多個(gè)點(diǎn)分割描述并存儲于車載數(shù)據(jù)中。每個(gè)分割點(diǎn)記錄著不同的巡航速度以及不同的剩余到站時(shí)間。當(dāng)列車經(jīng)過一個(gè)分割點(diǎn)時(shí)，ATO根據(jù)到站的剩余時(shí)間，對上、下兩條運(yùn)行曲線進(jìn)行線性插值，計(jì)算出適合的巡航速度。

3.1.2 最長的惰行時(shí)間方式

最長惰行時(shí)間是使列車在站間牽引和制動命令的變化次數(shù)最少，減少小幅度牽引和小幅度制動帶來的能量消耗。同時(shí)采用該方式會產(chǎn)生最好的乘客舒適度，可最大程度的利用進(jìn)站線路節(jié)能坡。故該方式適用于坡度變化較緩，但在坡度變化較多的區(qū)域，應(yīng)避免出現(xiàn)牽引和制動頻繁切換，增加乘客舒適度。

原理如圖4所示。

圖3 離線運(yùn)行曲線示意圖

圖4 ATO惰行狀態(tài)原理圖

列車每經(jīng)過一個(gè)分割點(diǎn)，就會根據(jù)剩余時(shí)間計(jì)算出一個(gè)準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)的平均速度。當(dāng)列車的實(shí)際速度在平均速度上下一定范圍內(nèi)游離時(shí)，ATO將保持惰行狀態(tài)。

當(dāng)列車實(shí)際速度游離到該范圍之外時(shí)，ATO會施加牽引或制動命令，使列車回到該平均速度。

圖4中的虛線代表計(jì)算出的平均速度，兩條實(shí)線的調(diào)節(jié)速度間是ATO保持惰行命令的速度范圍，當(dāng)列車的速度超過兩條調(diào)節(jié)速度范圍時(shí)，ATO將施加牽引或制動命令加以修正。

圖5中坡道均勻變化，在安全防護(hù)速度下，在①區(qū)段為列車處于惰行狀態(tài)，在②區(qū)段為列車施加牽引（或制動）命令，使列車的速度回到允許惰行的范圍內(nèi)。

3.1.3 車輛電制動能力最大化方式

如果列車的電制動可以完全被電網(wǎng)所吸收并且被其他列車所應(yīng)用，根據(jù)車輛的電制動性能和能力，ATO可以在制動時(shí)施加恰當(dāng)?shù)闹苿恿?，使得列車在電空制動轉(zhuǎn)換前，全部使用電制動，沒有氣制動的參與（氣制動會使列車的動能轉(zhuǎn)化為熱能被耗散）。

圖5 ATO運(yùn)行曲線示意圖

在ATO調(diào)試時(shí)，會測試列車的電制動能力（尤其是在高速時(shí)的電制動能力）。通過適當(dāng)設(shè)定ATO參數(shù)，可以使列車在高速時(shí)，先以一個(gè)較小的力度進(jìn)行制動。當(dāng)列車速度降低電制動能力變強(qiáng)時(shí)，再轉(zhuǎn)換為更大的制動力度。

該方式會使制動命令的施加時(shí)間提前，在站間運(yùn)行時(shí)間較長的情況下使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

3.2 節(jié)能策略

結(jié)合上述3種ATO運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)，在制定站間運(yùn)行策略時(shí)，可使用多種方式組合的方法：在坡度較大的區(qū)域，采用定速巡航的策略；在坡度變化小，但變化較頻繁的區(qū)域，使用惰行優(yōu)先的策略，如圖6所示；當(dāng)列車在高速狀態(tài)下由非惰行速度區(qū)域進(jìn)入惰行速度區(qū)域時(shí)，采用符合電制動能力的ATO設(shè)計(jì)。

圖6 ATO惰行策略曲線

如圖7所示，當(dāng)列車在長大下坡道或上坡道線路運(yùn)行時(shí)，ATO采用恒速運(yùn)行策略；在列車進(jìn)站前的緩坡段，ATO采用惰行的運(yùn)行方式，充分利用線路節(jié)能坡的設(shè)計(jì)，減少牽引制動的頻率，保證旅客乘車的舒適性。

3.3 實(shí)際項(xiàng)目節(jié)能效果

圖8是某個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，同一站間，緊湊運(yùn)行曲線和節(jié)能曲線的惰行使用率對比：

1）緊湊運(yùn)行曲線的站間運(yùn)行時(shí)間是92.5 s，惰行使用率8%。

2）節(jié)能曲線的站間運(yùn)行時(shí)間是105.7 s，惰行使用率20.2%。

如圖8所示，對同一站間緊湊運(yùn)行曲線和節(jié)能曲線的牽引制動轉(zhuǎn)換次數(shù)進(jìn)行比較，同時(shí)對每次變化的牽引制、動狀態(tài)用圓圈標(biāo)出。可見在節(jié)能運(yùn)行策略下，列車牽引/制動模式的轉(zhuǎn)換次數(shù)少，列車運(yùn)行速度均勻，乘客舒適度高，節(jié)能效果明顯。

圖7 ATO恒速策略曲線

圖8 緊湊、節(jié)能運(yùn)行曲線示意圖

4 結(jié)束語

上述以貴陽市軌道交通2號線一期工程信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)為工程案例，結(jié)合ATO節(jié)能方案，主要對長大坡道線路條件下信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及ATO節(jié)能策略進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)的安全運(yùn)行及綠色節(jié)能的目標(biāo)，為新建地鐵線路信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50157-2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

In mountainous regions， urban rail transit projects are usually in the line condition with long steep grades. As a safety related system， the signal system should be especially designed suitable to the long steep grade line condition. The paper puts forward several key strategies of signal system design and ATO energy saving strategies that adapt to long steep grade line conditions combining with actual case of implementing Guiyang metro line 2， hopefully providing reference for the similar cases in other projects.

urban rail transit； long steep grade line； signal system design； ATO energy saving； design

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.019

2015-04-23）