徐 亮, 王曉皎

(北京京港地鐵有限公司， 北京 100068)

北京地鐵14號(hào)線全自動(dòng)車輛段設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐 亮, 王曉皎

(北京京港地鐵有限公司， 北京 100068)

為解決傳統(tǒng)車輛段既有接發(fā)車模式中接發(fā)車效率低、調(diào)度人員工作量大等問(wèn)題，并降低由此產(chǎn)生的因操作失誤而導(dǎo)致事故發(fā)生的概率，北京地鐵14號(hào)線車輛段配置具有列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)的全自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域，列車在全自動(dòng)區(qū)域升級(jí)至基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)級(jí)別后可實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)、列車自動(dòng)操作(ATO)功能以及列車自動(dòng)監(jiān)控(ATS)功能，由信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)列車運(yùn)行安全，并能夠以ATO模式自動(dòng)完成進(jìn)出段場(chǎng)的運(yùn)行功能。全自動(dòng)車輛段作為未來(lái)可推廣的車輛段建設(shè)管理模式，對(duì)現(xiàn)行實(shí)施的有關(guān)全自動(dòng)車輛段系統(tǒng)功能、系統(tǒng)配置以及運(yùn)作方式將具有重要的參考意義。

北京地鐵； 全自動(dòng)車輛段； 基于通信的列車控制系統(tǒng)

1 發(fā)展概況

北京地鐵14號(hào)線由于建設(shè)原因，采取了分段開(kāi)通分段運(yùn)營(yíng)的模式，其東西段獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，停車場(chǎng)和車輛段只能分別使用，尤其是東段運(yùn)營(yíng)里程30 km，僅有馬泉營(yíng)車輛段收發(fā)車，隨著運(yùn)營(yíng)間隔逐步縮短，車輛段的發(fā)車效率勢(shì)必需要提升。根據(jù)IEEE Std.1474.1.2004《IEEE基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)的性能和功能要求》規(guī)定，CBTC系統(tǒng)的定義為：利用高精度的列車定位(不依賴于軌道電路)，雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信以及車載、地面的安全功能處理器實(shí)現(xiàn)的一種連續(xù)列車自動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。車輛段在引入全自動(dòng)設(shè)計(jì)后，列車可在全自動(dòng)區(qū)域具備CBTC級(jí)別下的ATP/ATO功能以及ATS監(jiān)控功能。在列車升級(jí)CBTC后，由信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)列車運(yùn)行安全，并能夠以ATO自動(dòng)完成進(jìn)出段場(chǎng)的運(yùn)行功能，車輛段單線發(fā)車能力達(dá)到2 min 15 s，雙線最小間隔可以達(dá)到1 min，而且極大地減輕了司機(jī)及車輛段調(diào)度人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了段場(chǎng)列車運(yùn)作的安全性[2]。

2 14號(hào)線全自動(dòng)車輛段系統(tǒng)配置

北京地鐵14號(hào)線的馬泉營(yíng)車輛段和張儀村停車場(chǎng)內(nèi)劃分有全自動(dòng)控制區(qū)域和非全自動(dòng)控制區(qū)域，其中全自動(dòng)控制區(qū)域納入ATC系統(tǒng)的控制范圍。全自動(dòng)區(qū)域包括停車列檢庫(kù)至轉(zhuǎn)換軌/牽出線，洗車庫(kù)/月修庫(kù)前至轉(zhuǎn)換軌，牽出線至停車列檢庫(kù)/月修庫(kù)/洗車庫(kù)的所有列車進(jìn)路[3]。為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)功能，段場(chǎng)配置獨(dú)立的ZC(區(qū)域控制器)設(shè)備、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)設(shè)備、ATS設(shè)備及車載ATP/ATO設(shè)備，與正線設(shè)置的DSU(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元)設(shè)備(包含段場(chǎng)電子地圖)共同組成完整的ATC系統(tǒng)。段場(chǎng)的停車列檢庫(kù)及全自動(dòng)控制區(qū)域均設(shè)置無(wú)線接入點(diǎn)(AP)以實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋，從而保證列車以CBTC級(jí)別進(jìn)入全自動(dòng)區(qū)域。列車可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求選擇在全自動(dòng)控制區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行級(jí)別[4]。

2.1 信號(hào)設(shè)備配置

在車輛段信號(hào)樓的信號(hào)設(shè)備室內(nèi)配置一套區(qū)域控制器ZC，它負(fù)責(zé)根據(jù)CBTC列車所匯報(bào)的位置信息以及聯(lián)鎖所排列的進(jìn)路和軌道占用/空閑信息，為其控制范圍內(nèi)的CBTC列車計(jì)算生成移動(dòng)授權(quán)(MA)，保證其控制區(qū)域內(nèi)CBTC列車的安全運(yùn)行。在車輛段調(diào)度中心設(shè)置一套車站ATS分機(jī)及現(xiàn)地控制工作站、ATS派班工作站及附屬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)段場(chǎng)的ATS監(jiān)控功能。在咽喉區(qū)及停車列檢庫(kù)內(nèi)，根據(jù)需要分別設(shè)置一定數(shù)量的無(wú)線自由波AP箱、天線和無(wú)源應(yīng)答器。無(wú)線自由波AP箱及天線提供車地間信息的傳輸條件，無(wú)源應(yīng)答器則為列車提供位置校準(zhǔn)信息。在停車列檢庫(kù)內(nèi)靠近列車停車位置處設(shè)置兩個(gè)無(wú)源應(yīng)答器,可使出庫(kù)列車盡早獲取位置信息，升級(jí)運(yùn)行模式[5]。停車列檢庫(kù)配置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 14號(hào)線車輛段停車列檢庫(kù)布置方案示意Fig.1 Sketch map of the layout plan for the parking lot of the depot in line 14

2.2 信號(hào)機(jī)布設(shè)

車輛段采用列調(diào)分離方案，場(chǎng)內(nèi)設(shè)置列車進(jìn)路和調(diào)車進(jìn)路，CBTC列車運(yùn)行采用列車進(jìn)路控制，非CBTC列車運(yùn)行采用列車調(diào)車進(jìn)路控制方式。場(chǎng)內(nèi)信號(hào)機(jī)設(shè)置如下：

1) 進(jìn)場(chǎng)(段)信號(hào)機(jī)。進(jìn)場(chǎng)(段)信號(hào)機(jī)采用高柱(高度根據(jù)車輛高度確定)黃、綠、紅三燈位信號(hào)機(jī)。綠色燈光表明進(jìn)場(chǎng)(段)的進(jìn)路開(kāi)通，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)進(jìn)場(chǎng)(段)；紅色燈光表明不準(zhǔn)列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī)；紅色燈光+黃色燈光表示開(kāi)放引導(dǎo)信號(hào)，準(zhǔn)許列車以不大于規(guī)定的速度(25 km/h)越過(guò)該架信號(hào)機(jī)并隨時(shí)準(zhǔn)備停車。

2) 進(jìn)庫(kù)信號(hào)機(jī)。在進(jìn)場(chǎng)(段)信號(hào)機(jī)內(nèi)第一個(gè)軌道區(qū)段邊界處設(shè)置列車兼調(diào)車信號(hào)機(jī)。采用矮型黃、白、紅三顯示信號(hào)機(jī)。黃色燈光表明列車進(jìn)路開(kāi)通，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)進(jìn)行作業(yè)；白色燈光表明調(diào)車進(jìn)路開(kāi)通，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)；紅色燈光表明不準(zhǔn)列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī)。

3) 出庫(kù)信號(hào)機(jī)。在停車列檢庫(kù)前及洗車庫(kù)前設(shè)置列車兼調(diào)車信號(hào)機(jī)，采用矮型黃、白、紅三顯示信號(hào)機(jī)。黃色燈光表明列車進(jìn)路開(kāi)通，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)進(jìn)行作業(yè)；白色燈光表明調(diào)車進(jìn)路開(kāi)通，準(zhǔn)許列車按規(guī)定的速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)；紅色燈光表明不準(zhǔn)列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī)。

4) 出庫(kù)分隔信號(hào)機(jī)。為滿足車輛段出庫(kù)能力，在適當(dāng)位置設(shè)置分隔信號(hào)機(jī)，采用矮型黃、白、紅三顯示信號(hào)機(jī)。燈色顯示與出庫(kù)信號(hào)機(jī)一致。

5) 調(diào)車信號(hào)機(jī)。場(chǎng)內(nèi)其他地點(diǎn)根據(jù)需要設(shè)置矮型調(diào)車信號(hào)機(jī)。白色燈光表明準(zhǔn)許列車按規(guī)定的速度越過(guò)該架信號(hào)機(jī)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)；藍(lán)色燈光表明調(diào)車進(jìn)路不準(zhǔn)列車越過(guò)該架信號(hào)機(jī)。如果辦理了列車進(jìn)路，無(wú)論列車處于何種駕駛模式，均可以越過(guò)該架信號(hào)機(jī)。

對(duì)于全自動(dòng)車輛段，在列車運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)機(jī)按照如下方式顯示：辦理進(jìn)段場(chǎng)/庫(kù)和出段場(chǎng)/庫(kù)的列車進(jìn)路后，該列車進(jìn)路的始端信號(hào)機(jī)亮燈，列車進(jìn)路內(nèi)的調(diào)車信號(hào)機(jī)保持定位藍(lán)燈顯示。CBTC列車司機(jī)憑車載信號(hào)運(yùn)行，非CBTC列車司機(jī)憑軌旁列車信號(hào)機(jī)的顯示運(yùn)行；段場(chǎng)內(nèi)信號(hào)機(jī)在正常情況下均不滅燈；段場(chǎng)內(nèi)采用固定閉塞的運(yùn)行方式，當(dāng)段場(chǎng)內(nèi)的列車進(jìn)路中有列車占用時(shí)，聯(lián)鎖控制進(jìn)路始端信號(hào)機(jī)為禁止信號(hào)，禁止后續(xù)列車進(jìn)入。

2.3 ATS監(jiān)控方案

ATS子系統(tǒng)將全場(chǎng)納入控制范圍，系統(tǒng)自動(dòng)完成并實(shí)現(xiàn)列車在正線和段場(chǎng)內(nèi)列車識(shí)別號(hào)的連續(xù)追蹤。ATS具備在段場(chǎng)轉(zhuǎn)換軌處停車/不停車情況下自動(dòng)賦予列車識(shí)別號(hào)的功能[6]，并且ATS子系統(tǒng)能夠根據(jù)出入庫(kù)計(jì)劃自動(dòng)設(shè)置列車頭碼，自動(dòng)觸發(fā)停車列檢庫(kù)至轉(zhuǎn)換軌之間的列車進(jìn)路、停車列檢庫(kù)雙列位移庫(kù)調(diào)車進(jìn)路以及進(jìn)出月修庫(kù)的列車進(jìn)路，以提高段場(chǎng)出入庫(kù)運(yùn)行效率。除此以外的進(jìn)路可在遙控級(jí)別由中心人工辦理或調(diào)度權(quán)交接后由場(chǎng)段調(diào)度人員人工辦理[7]。

3 運(yùn)行方式及能力測(cè)試

在段場(chǎng)的全自動(dòng)控制區(qū)域內(nèi)列車可采用CBTC下的ATO/ATP模式、限制人工駕駛模式(RM模式)或非限制人工駕駛模式(EUM模式)運(yùn)行；在非全自動(dòng)控制區(qū)域內(nèi)列車采用限制人工駕駛模式(RM模式)或非限制人工駕駛模式(EUM模式)運(yùn)行。

段場(chǎng)的CBTC列車根據(jù)ZC計(jì)算的移動(dòng)授權(quán)控制運(yùn)行。對(duì)于進(jìn)列檢庫(kù)/月修庫(kù)的列車，移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)在列檢庫(kù)/月修庫(kù)前平交道口CK信號(hào)機(jī)處；對(duì)于進(jìn)洗車庫(kù)的列車，移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)在洗車庫(kù)前方出庫(kù)信號(hào)機(jī)處。CBTC列車可運(yùn)行至移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)前提示降級(jí)，由司機(jī)轉(zhuǎn)換駕駛模式為RM后，人工駕駛?cè)霂?kù)停車。對(duì)于出庫(kù)列車，移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)在出場(chǎng)/段信號(hào)機(jī)后方保護(hù)區(qū)段處。

列車在運(yùn)行過(guò)程中，信號(hào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)路中軌道、道岔的狀態(tài)，若前方軌道區(qū)段占用或道岔未鎖閉在規(guī)定位置，則通知列車緊急制動(dòng)，并需降級(jí)為RM模式后由司機(jī)駕駛。

3.1 列車出庫(kù)流程

由ATS自動(dòng)觸發(fā)或人工辦理出庫(kù)的列車進(jìn)路(出庫(kù)信號(hào)機(jī)至出場(chǎng)/出段信號(hào)機(jī))時(shí)，出庫(kù)信號(hào)機(jī)亮黃燈，進(jìn)路內(nèi)順向調(diào)車信號(hào)機(jī)保持藍(lán)燈顯示。停車列檢庫(kù)雙列位移庫(kù)調(diào)車進(jìn)路和出庫(kù)列車進(jìn)路均可由ATS自動(dòng)觸發(fā)或人工辦理。

出庫(kù)信號(hào)開(kāi)放后，司機(jī)駕駛列車以RM模式向前運(yùn)行至停車庫(kù)庫(kù)門(mén)。經(jīng)過(guò)兩個(gè)應(yīng)答器后獲得位置，列車在庫(kù)線升級(jí)至CBTC級(jí)別，駕駛模式轉(zhuǎn)換至ATP或ATO。

CBTC列車按照Z(yǔ)C發(fā)送的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算防護(hù)曲線及推薦速度曲線控制列車，運(yùn)行至轉(zhuǎn)換軌。

3.2 列車進(jìn)庫(kù)流程

進(jìn)庫(kù)列車從正線進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌以CBTC級(jí)別運(yùn)行。由ATS自動(dòng)觸發(fā)或人工辦理段(場(chǎng))進(jìn)路后，段(場(chǎng))信號(hào)機(jī)亮綠燈。ZC為列車延伸移動(dòng)授權(quán)，列車按照移動(dòng)授權(quán)向前運(yùn)行。停車列檢庫(kù)雙列位移庫(kù)調(diào)車進(jìn)路和進(jìn)庫(kù)列車進(jìn)路均可由ATS自動(dòng)觸發(fā)或人工辦理。

列車辦理進(jìn)庫(kù)進(jìn)路后，進(jìn)庫(kù)信號(hào)機(jī)亮黃燈，進(jìn)路內(nèi)順向調(diào)車信號(hào)機(jī)保持藍(lán)燈。ZC為列車延伸移動(dòng)授權(quán)，列車按照移動(dòng)授權(quán)向前運(yùn)行。

車載設(shè)備按照Z(yǔ)C發(fā)送的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算防護(hù)曲線或推薦速度曲線控制列車，由司機(jī)駕駛或ATO駕駛向庫(kù)線運(yùn)行。

列車以ATO/ATP模式在進(jìn)庫(kù)平交道口前提示司機(jī)降級(jí)為RM模式運(yùn)行，司機(jī)人工將運(yùn)行模式轉(zhuǎn)為RM模式后，可駕駛列車進(jìn)入停車庫(kù)線對(duì)位停車。

3.3 出入段能力測(cè)試

自動(dòng)化停車場(chǎng)從理念的引入至正式投入使用，完成了理論設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，必不可少的環(huán)節(jié)是對(duì)其收發(fā)車能力的測(cè)試。從技術(shù)角度測(cè)試自動(dòng)化車輛段的出入段能力，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的約束條件，得出具體的技術(shù)參數(shù)及管理流程，是全自動(dòng)車輛段可實(shí)現(xiàn)推廣的關(guān)鍵一步[8]。14號(hào)線選取馬泉營(yíng)車輛段為例進(jìn)行研究，組織各方對(duì)車輛段的出入段能力進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

以運(yùn)行間隔作為測(cè)試結(jié)論，測(cè)量從第一輛列車頭經(jīng)過(guò)一個(gè)給定參考點(diǎn)，到下一輛列車頭經(jīng)過(guò)相同的參考點(diǎn)的時(shí)間，以此得出馬泉營(yíng)車輛段的出段能力(見(jiàn)圖2)。測(cè)試設(shè)定的運(yùn)行條件如下：

1) 運(yùn)行速度。庫(kù)內(nèi)至車頭越過(guò)出列檢庫(kù)信號(hào)機(jī)的最高運(yùn)行速度為5 km/h；車頭越過(guò)出列檢庫(kù)信號(hào)機(jī)至轉(zhuǎn)換軌的最高運(yùn)行速度為20 km/h；車頭越過(guò)轉(zhuǎn)換軌出段信號(hào)機(jī)后的最高運(yùn)行速度為75 km/h。

2) 出庫(kù)路徑。最長(zhǎng)路徑：3AG出庫(kù)停車點(diǎn)至ZHG1出段停車點(diǎn)；最短路徑：25AG出庫(kù)停車點(diǎn)至ZHG1出段停車點(diǎn)。

圖2 14號(hào)線馬泉營(yíng)車輛段信號(hào)布置Fig.2 Sketch map of signal arrangement in Majiaying depot of line 14

馬泉營(yíng)車輛段現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)機(jī)的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)兩種出段方式，第一種是采用CQ信號(hào)機(jī)單線單車出段，第二種是采用CQ信號(hào)機(jī)雙線雙車出段。

3.3.1 采用CQ信號(hào)機(jī)單線單車出段

采用CQ信號(hào)機(jī)后分析單線單車出段能力，此方案下存在兩段時(shí)間間隔，需分別計(jì)算取較大值作為出段間隔： 第1列車由分隔信號(hào)機(jī)CQ至出清轉(zhuǎn)換軌保護(hù)區(qū)段時(shí)間(出清轉(zhuǎn)換軌保護(hù)區(qū)段間隔)； 第2列車出庫(kù)至出清CQ時(shí)間(出庫(kù)間隔)。車輛段使用列車進(jìn)路CBTC-ATO模式發(fā)車，提高了馬泉營(yíng)車輛段分隔信號(hào)機(jī)CQ單線發(fā)車能力，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中馬泉營(yíng)車輛段的單線出段能力可達(dá)到2 min 15 s左右(如表1所示)。

表1 馬泉營(yíng)車輛段單線出車能力測(cè)試

3.3.2 采用CQ信號(hào)機(jī)雙線雙車出段

后續(xù)京港地鐵又組織了出入短線雙線出段能力測(cè)試，同時(shí)從ZHG1和ZHG2出車，采用此方式需考慮在進(jìn)路安排上保證兩條出庫(kù)進(jìn)路不能敵對(duì)，若采用分隔信號(hào)機(jī)CQ雙線出段，實(shí)際出段間隔可縮短至1 min左右。

4 結(jié)語(yǔ)

基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)踐，在技術(shù)上已經(jīng)成熟，它也成為國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)信號(hào)系統(tǒng)的首選解決方案[9]。CBTC系統(tǒng)的引入縮短了列車的運(yùn)行間隔，提高了系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率，滿足了客流量不斷增加的需求。但是，目前應(yīng)用的CBTC系統(tǒng)，車輛段與正線建設(shè)并不是同步的[10]。正線采用基于CBTC的列車自動(dòng)控制(automatic train control，ATC)系統(tǒng)設(shè)備，車輛段采用軌道電路及國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備，通過(guò)在出入段線上靠近車輛段處設(shè)置轉(zhuǎn)換軌來(lái)實(shí)現(xiàn)列車出入段時(shí)駕駛模式的轉(zhuǎn)換及相關(guān)的功能。由于車輛段沒(méi)有ATC設(shè)備，列車的出入段需要人工為其排列相應(yīng)的調(diào)車進(jìn)路和列車進(jìn)路，列車在段內(nèi)的追蹤為區(qū)間閉塞的方式，追蹤間隔大，出入段效率低。列車出入段能力與列車正線運(yùn)行間隔不匹配成為影響全線運(yùn)營(yíng)效率的瓶頸。

京港地鐵公司負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)的地鐵14號(hào)線在設(shè)計(jì)之初就引入了全自動(dòng)車輛段的概念，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件配置等方面均有考慮，經(jīng)過(guò)多輪技術(shù)研討、開(kāi)發(fā)以及后續(xù)功能測(cè)試，最終于2015年7月投入使用，滿足了分段運(yùn)營(yíng)的實(shí)際所需，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性非常良好。北京地鐵14號(hào)線的成功實(shí)踐說(shuō)明全自動(dòng)車輛段可以作為地鐵新線建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)之一。

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DesignandApplicationofAutomaticDepotofBeijingMetroLine14

XULiang,WANGXiaojiao

(Beijing MTR Corporation Limited, Beijing 100078)

In order to solve the problems of the low efficiency of the depot exit and entry, the heavy workload of the controller, and the probability of the accident caused by the operation error under the above two conditions, the depot of Beijing Metro Line 14 is configured with automatic operation area with ATC (Automatic Train Control) system. When updated to CBTC (communication-based train control) level in the automatic area, the ATP (automatic train protection), ATO (automatic train operation) and ATS (automatic train supervision) can be achieved. In the automatic operation field the train is protected by signaling system and can complete the function of automatic depot exit and entry with ATO. As an extension of the construction and management mode of the depot, the automatic depot system function, system configuration and operation mode are of great significance for the future.

Beijing metro, automatic depot, Communication-Based Train Control

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.017

U231

A

1672-6073(2017)06-0095-04

2017-03-03

2017-03-20

徐亮，男，碩士研究生，工程師，從事軌道交通運(yùn)營(yíng)與管理方面的研究, bnusunday@163.com

(編輯：王艷菊)