王道敏 李曉剛 呂文龍 楊艷艷

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,100068，北京；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100068，北京;3.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，100070，北京//第一作者，高級(jí)工程師)

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線(以下簡(jiǎn)為“大興機(jī)場(chǎng)線”)是一條聯(lián)系主城與大興機(jī)場(chǎng)、服務(wù)于北京大興機(jī)場(chǎng)航空客流的專用線路。大興機(jī)場(chǎng)線預(yù)定目標(biāo)為半小時(shí)內(nèi)由大興機(jī)場(chǎng)到達(dá)中心城區(qū)金融街，這樣可為大興機(jī)場(chǎng)航空旅客提供快速、直達(dá)、舒適的公共交通服務(wù)。

大興機(jī)場(chǎng)線的服務(wù)質(zhì)量關(guān)系到大興機(jī)場(chǎng)陸側(cè)集疏運(yùn)系統(tǒng)的效率，其中軌道交通線路的行車間隔是關(guān)鍵。為了更好地服務(wù)航空旅客，大興機(jī)場(chǎng)線在實(shí)施過(guò)程中科學(xué)地調(diào)整了運(yùn)營(yíng)方案，加密了列車運(yùn)行間隔。同時(shí)為適應(yīng)調(diào)整后的運(yùn)營(yíng)方案，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)方案也做了相應(yīng)調(diào)整。

1 研究背景

1.1 大興機(jī)場(chǎng)線原運(yùn)營(yíng)方案

大興機(jī)場(chǎng)線工程正線土建工程全長(zhǎng)41.4 km，共設(shè)3座正線車站。初期原配屬車輛為10列8輛編組列車，列車采用7輛+1輛編組形式，其中7輛為乘客車廂，1輛為行李車廂。大興機(jī)場(chǎng)線初期列車運(yùn)行交路為大興機(jī)場(chǎng)站與草橋站之間的單一交路，如圖1所示。由圖1可知，初期運(yùn)營(yíng)高峰行車密度為5對(duì)/h，行車間隔為12 min。

圖1 原方案下大興機(jī)場(chǎng)線初期列車運(yùn)行交路示意圖

1.2 大興機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)需求及列車編組方案調(diào)整

考慮到大興機(jī)場(chǎng)線客流體量相比傳統(tǒng)城區(qū)軌道交通線路較小，單純按照斷面客流數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)力設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致全線的行車間隔較大，且對(duì)于大興機(jī)場(chǎng)線而言，運(yùn)營(yíng)初期的行車間隔尚未達(dá)到北京市機(jī)場(chǎng)線的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

為了進(jìn)一步提升運(yùn)能、效率及服務(wù)品質(zhì)，縮短大興機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)初期的行車間隔，使其不低于北京已運(yùn)營(yíng)的機(jī)場(chǎng)線水平?？紤]到車輛已經(jīng)招標(biāo)，在不改變既有車輛數(shù)量的前提下，將2列8輛編組列車改造拆解為4列4輛編組列車，增加了總配屬列車數(shù)量，其中4輛編組列車所有車廂均為普通客室。大興機(jī)場(chǎng)線的4輛編組列車不考慮重聯(lián)運(yùn)行，采用4輛、8輛編組列車混合運(yùn)行模式。

通過(guò)上述列車編組形式及運(yùn)營(yíng)方案的調(diào)整，可以在滿足客流需求的基礎(chǔ)上，從多樣化編組角度縮短行車間隔，提高全線的服務(wù)水平。

列車編組調(diào)整后，列車初期運(yùn)營(yíng)行車間隔可以達(dá)到6 min 40 s。方案調(diào)整后的初期列車運(yùn)行交路如圖2所示。

圖2 調(diào)整后大興機(jī)場(chǎng)線初期列車運(yùn)行交路示意圖

因列車編組形式調(diào)整，運(yùn)營(yíng)需求調(diào)整如下：

1)由于大興機(jī)場(chǎng)線的8輛編組列車有行李車廂、商務(wù)車廂和普通客室車廂，其中行李車廂和商務(wù)車廂都集中在一端，而4輛編組列車無(wú)行李車廂和商務(wù)車廂，只有普通客室車廂。因此4輛編組列車采用在站臺(tái)軌居中停放的方式。

2)在大興機(jī)場(chǎng)線磁各莊車輛段停車列檢庫(kù)(單列位庫(kù))庫(kù)線長(zhǎng)度不變的前提下，需要滿足每列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車的要求。

3)在大興機(jī)場(chǎng)線路基段停車場(chǎng)停車列檢庫(kù)(雙列位庫(kù))庫(kù)線長(zhǎng)度不變的前提下，需要滿足第1列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車、第2列位停放1列8輛編組列車或2列4輛編組列車的要求。

2 4/8輛不同編組列車混合運(yùn)行信號(hào)方案

2.1 列車編組變化對(duì)信號(hào)專業(yè)的影響

針對(duì)調(diào)整后的大興機(jī)場(chǎng)線車輛編組形式和運(yùn)營(yíng)方案，將2列8輛編組列車改造拆分為4列4輛編組列車，其對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響主要有：

1)因列車數(shù)量增加2列，信號(hào)系統(tǒng)需要增加2列列車的信號(hào)車載設(shè)備。

2)需根據(jù)不同地點(diǎn)的不同運(yùn)營(yíng)需求，確定不同編組列車的停車方案，以及據(jù)此調(diào)整信號(hào)系統(tǒng)軌旁設(shè)備布置方案(含計(jì)軸、應(yīng)答器、停車位置等)。

3)信號(hào)站臺(tái)設(shè)備布置需適應(yīng)4輛編組列車和8輛編組列車的使用。

4)信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門的接口發(fā)生變化，需要區(qū)分4輛編組列車和8輛編組列車的站臺(tái)門開門命令及對(duì)位隔離信息。

5)ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)與站臺(tái)廣播系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)的接口發(fā)生變化，需要向站臺(tái)廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)提供不同編組的信息。

6)信號(hào)系統(tǒng)的列車控制策略、信號(hào)ATS系統(tǒng)界面顯示及ATS相關(guān)功能應(yīng)考慮4輛編組列車和8輛編組列車的差異。

7)4輛編組列車和8輛編組列車對(duì)應(yīng)不同的洗車方式和洗車流程。

2.2 混合運(yùn)行信號(hào)方案

2.2.1 正線車站不同編組列車停車方案及設(shè)備配置方案

由于4輛編組列車采用在站臺(tái)軌居中停放的方式，既有8輛編組列車也采用站臺(tái)軌居中停放的方式，兩種編組列車的頭尾位置均不相同，因此需要調(diào)整站臺(tái)軌軌行區(qū)范圍內(nèi)的地面應(yīng)答器布置，同時(shí)需要調(diào)整站臺(tái)公共區(qū)緊急關(guān)閉按鈕等設(shè)備的布置。

2.2.1.1 地面應(yīng)答器布置方案

大興機(jī)場(chǎng)線工程的站臺(tái)精確停車應(yīng)答器按照頭尾冗余方案布置，雙向站臺(tái)的地面應(yīng)答器應(yīng)考慮兩個(gè)方向頭尾定位的需要進(jìn)行布置。增加4輛編組列車后，需根據(jù)單向站臺(tái)和雙向站臺(tái)精確停車的需要,增加4輛編組列車用站臺(tái)精確停車應(yīng)答器。

2.2.1.2 站臺(tái)公共區(qū)信號(hào)按鈕設(shè)備布置方案

原8輛編組列車運(yùn)行時(shí)，站臺(tái)公共區(qū)的緊急關(guān)閉按鈕及站臺(tái)門控箱按照要求布置于每側(cè)站臺(tái)的車頭、車尾和中央。在增加4輛編組列車后，4輛編組列車采用居中停放的原則，為了兼顧4輛和8輛編組列車的站臺(tái)相關(guān)運(yùn)營(yíng)操作，需要調(diào)整原位于站臺(tái)中央和車尾的緊急關(guān)閉按鈕、站臺(tái)門控箱位置以滿足4輛和8輛編組列車運(yùn)營(yíng)的使用要求，原位于車頭位置的緊急關(guān)閉按鈕和站臺(tái)門控箱位置不做調(diào)整。

由于大興機(jī)場(chǎng)線列車的司機(jī)室采用一體化環(huán)繞設(shè)計(jì)方案，取消了司機(jī)室門，因此將原設(shè)置于站臺(tái)非公共區(qū)司機(jī)室門正對(duì)位置的無(wú)人自動(dòng)折返按鈕調(diào)整至發(fā)車端站臺(tái)公共區(qū)端頭，兼為4輛和8輛編組列車使用。

2.2.1.3 發(fā)車計(jì)時(shí)器方案

既有8輛編組列車的發(fā)車計(jì)時(shí)器布置于每側(cè)站臺(tái)發(fā)車端非公共區(qū)處，其可納入通信專業(yè)的站端設(shè)備整合架，同時(shí)整合架上還整合有通信時(shí)鐘、公務(wù)電話、專用電話、CCTV(閉路電視)站臺(tái)監(jiān)視器等。該整合架只能服務(wù)于8輛編組列車。

4輛編組列車在站臺(tái)停車后司機(jī)室正對(duì)的位置為站臺(tái)公共區(qū)，發(fā)車計(jì)時(shí)器可采用的設(shè)置方案為：在司機(jī)室側(cè)窗正對(duì)公共區(qū)處采用落地緊貼站臺(tái)門玻璃設(shè)置、站臺(tái)門軌行區(qū)側(cè)站臺(tái)門內(nèi)嵌方式安裝、軌行區(qū)側(cè)壁安裝、發(fā)車計(jì)時(shí)器信息上車等方案。經(jīng)分析，前3種方案因無(wú)法安裝牢固、無(wú)法滿足顯示要求、軌行區(qū)內(nèi)粉塵較大及軌行區(qū)內(nèi)隧道沖洗作業(yè)等問(wèn)題不予采納，最后推薦采用發(fā)車計(jì)時(shí)器信息上車的方案，即在信號(hào)車載HMI(人機(jī)接口界面)上顯示列車在站臺(tái)停車的倒計(jì)時(shí)信息。

2.2.1.4 折返軌應(yīng)答器布置及停車方案

正線上的所有折返軌長(zhǎng)度均按照8輛編組列車設(shè)計(jì)，考慮到折返效率，4輛和8輛編組列車進(jìn)折返線的停車點(diǎn)均按照列車尾部對(duì)齊靠近折出的道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)，相應(yīng)增加4輛編組列車的停車點(diǎn)及地面應(yīng)答器。

考慮到大興機(jī)場(chǎng)線大興機(jī)場(chǎng)站和草橋站均為端站，其站后折返線均兼作停車線，具備休眠喚醒功能，因此按照4輛編組列車進(jìn)折返線停車位置相應(yīng)設(shè)置頭部休眠喚醒應(yīng)答器。

2.2.2 磁各莊車輛段停車列檢庫(kù)內(nèi)停車方案

磁各莊車輛段停車列檢庫(kù)為單列位庫(kù)，庫(kù)內(nèi)有20列位，停車條件滿足初期運(yùn)營(yíng)和近期運(yùn)營(yíng)階段全線配屬列車的停放要求。在目前庫(kù)線長(zhǎng)度條件下，可以滿足磁各莊車輛段停車列檢庫(kù)內(nèi)每列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車的運(yùn)營(yíng)要求。兩種編組的列車在庫(kù)內(nèi)的停放布置如圖3所示。

圖3 磁各莊車輛段停車列檢庫(kù)內(nèi)列車停放布置示意圖

采用圖3所示的停車方案，需要在每個(gè)停車股道上為4輛編組列車的入庫(kù)頭端增加休眠喚醒應(yīng)答器、精確停車應(yīng)答器及停車位置標(biāo)。

2.2.3 路基段停車場(chǎng)停車列檢庫(kù)內(nèi)停車方案

路基段停車場(chǎng)停車列檢庫(kù)為雙列位庫(kù)，共5股道，正常情況下能停放10列列車。由于路基段停車場(chǎng)是在磁各莊車輛段不能按期開通時(shí)使用的停車用場(chǎng)地。在目前庫(kù)線長(zhǎng)度不加長(zhǎng)的條件下，為了解決12列列車的停放需求，盡可能滿足列車的停車位置不出現(xiàn)列車之間碰撞及列車與車擋之間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，因此，采用1個(gè)股道的第1列位停放1列8輛編組列車或1列4輛編組列車、第2列位停放1列8輛編組列車或2列4輛編組列車的停車方案。

采用上述停車方案，對(duì)于第2列位停放2列4輛編組列車時(shí)，由于受到庫(kù)線長(zhǎng)度的限制，存在4輛編組列車降級(jí)后不能原地自動(dòng)升級(jí)的問(wèn)題?？紤]到路基段停車場(chǎng)為臨時(shí)使用，且這種停放方式可以滿足路基段停車場(chǎng)初期12列列車的停放要求，因此采用該方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩種編組列車在庫(kù)內(nèi)的停放布置如圖4所示。

采用該停車方案，需要在每個(gè)停車列位上為4輛編組列車增加不能與8輛編組列車復(fù)用的休眠喚醒應(yīng)答器、精確停車應(yīng)答器及停車位置標(biāo)。同時(shí)在第2列位的兩列4輛編組列車之間設(shè)置計(jì)軸磁頭進(jìn)行區(qū)段分隔，并增加并置的虛擬信號(hào)機(jī)。

圖4 路基段停車場(chǎng)停車列檢庫(kù)內(nèi)列車停放布置示意圖

2.2.4 不同編組列車的洗車方案和洗車流程

大興機(jī)場(chǎng)線在磁各莊車輛段設(shè)洗車庫(kù)一處，洗車庫(kù)位于車輛段自動(dòng)控制區(qū)內(nèi)，且與信號(hào)系統(tǒng)具備聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)洗車功能。

大興機(jī)場(chǎng)線采用交流25 kV牽引供電制式，為保證安全，洗車庫(kù)內(nèi)設(shè)置斷電區(qū)。8輛編組列車的2臺(tái)受電弓間距大于斷電區(qū)長(zhǎng)度，8輛編組列車洗車前需要升后弓降前弓，在洗車庫(kù)中間的換弓點(diǎn)處需要降后弓升前弓。

8輛編組列車改造拆分為4輛編組后，4輛編組列車的2臺(tái)受電弓間距約40 m，小于洗車庫(kù)內(nèi)接觸網(wǎng)斷電區(qū)域長(zhǎng)度(65.6 m)，造成如下問(wèn)題：

1)4輛編組列車無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)洗車，需通過(guò)其他非弓網(wǎng)受電牽引方式實(shí)現(xiàn)洗車作業(yè)時(shí)的列車牽引。

2)4輛編組列車無(wú)法采用全自動(dòng)駕駛模式實(shí)現(xiàn)洗車功能。列車需在洗車線降級(jí)后，采用其他牽引方式洗車。

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)4輛編組列車的自動(dòng)洗車功能，推薦4輛編組列車采用蓄電池牽引洗車的方案。

4輛編組列車的洗車流程為：列車采用全自動(dòng)駕駛模式運(yùn)行至洗車庫(kù)前，信號(hào)系統(tǒng)向車輛發(fā)出洗車工況指令，車輛控制列車恒速運(yùn)行至庫(kù)內(nèi)的前端洗位停穩(wěn)停準(zhǔn)后，信號(hào)系統(tǒng)向車輛發(fā)出前端洗位置有效指令，車輛降后弓進(jìn)入蓄電池牽引模式。在前端洗完成后，經(jīng)信號(hào)車載設(shè)備與車輛之間的信息交互，完成車身清洗后在后端洗位置停穩(wěn)停準(zhǔn)后，信號(hào)系統(tǒng)向車輛發(fā)出后端洗位置有效指令，車輛升前弓退出蓄電池牽引模式。在后端洗完成后，車輛控制列車恒速運(yùn)行至洗車折返軌后退出洗車工況，結(jié)束洗車作業(yè)。

由于列車洗車具有一定周期，且考慮到4輛編組的列車只有4列，可以實(shí)現(xiàn)4輛編組列車的全自動(dòng)洗車。雖采用蓄電池洗車對(duì)蓄電池壽命有一定影響，但整個(gè)洗車過(guò)程中只有前后端洗位置之間采用蓄電池牽引洗車，用時(shí)較短，運(yùn)營(yíng)公司可以接受。

2.2.5 信號(hào)系統(tǒng)與站臺(tái)門系統(tǒng)的接口

由于增加4輛編組列車后，列車到站停車后需要信號(hào)系統(tǒng)向站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送不同編組列車對(duì)應(yīng)的開門指令，站臺(tái)門執(zhí)行相應(yīng)編組列車對(duì)應(yīng)的站臺(tái)門開門動(dòng)作。站臺(tái)門關(guān)門指令不需區(qū)分編組種類，信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送關(guān)門指令后由站臺(tái)門執(zhí)行本側(cè)所有站臺(tái)門關(guān)門的命令。

對(duì)于對(duì)位隔離信息，也需增加車輛編組信息，以執(zhí)行站臺(tái)門與列車車門之間的對(duì)位隔離操作。

2.2.6 信號(hào)ATS系統(tǒng)與站臺(tái)廣播系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)的接口

因列車編組變化，ATS系統(tǒng)與站臺(tái)廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)的接口發(fā)生變化，ATS系統(tǒng)需要為站臺(tái)廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)提供不同編組列車的信息，站臺(tái)廣播系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)按照不同編組列車信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)的站臺(tái)廣播和列車信息的顯示。

2.2.7 不同編組列車對(duì)應(yīng)的信號(hào)系統(tǒng)采用的列車控制策略

對(duì)于4輛和8輛不同編組的列車，信號(hào)系統(tǒng)采用的安全控制策略是相同的。針對(duì)不同編組列車，需要將列車長(zhǎng)度、系統(tǒng)緊急制動(dòng)最小減速度、列車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)等基本參數(shù)提取出來(lái)，進(jìn)行不同編組列車的參數(shù)配置，并且按照安全制動(dòng)模型，計(jì)算適用于不同編組列車的緊急制動(dòng)曲線。

同時(shí)對(duì)于4輛和8輛不同編組的列車，采用的閉環(huán)反饋控制策略亦是相同的。針對(duì)不同編組列車，需要將車輛加/減速性能、車輛載重等特性參數(shù)提取出來(lái)，按照ATO 閉環(huán)反饋控制模型，根據(jù)前方不同的停車點(diǎn)信息，計(jì)算適用于不同列車編組的推薦速度曲線，并在AM模式下向車輛輸出牽引/制動(dòng)控制命令，使得列車以貼近推薦速度曲線的實(shí)際速度行駛，從而實(shí)現(xiàn)列車的高效、節(jié)能和舒適運(yùn)行。

除此之外,方案中ATS的相關(guān)功能為:在ATS顯示界面進(jìn)行不同編組列車的顯示區(qū)分;派班計(jì)劃需要根據(jù)4輛編組及8輛編組列車匹配不同的車次，以便于進(jìn)行區(qū)分;針對(duì)停車列檢庫(kù)庫(kù)線的4輛編組及8輛編組列車停放要求，設(shè)定回庫(kù)及出庫(kù)限制等。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合大興機(jī)場(chǎng)線工程不同編組列車在車站站臺(tái)停車、段場(chǎng)停車列檢庫(kù)內(nèi)停車及自動(dòng)洗車等不同的運(yùn)營(yíng)需求，信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整軌旁設(shè)備布置、增加與相關(guān)專業(yè)的接口內(nèi)容、對(duì)不同編組列車進(jìn)行列車控制策略分析、ATS界面顯示和ATS相關(guān)功能調(diào)整等措施，可以實(shí)現(xiàn)大興機(jī)場(chǎng)線工程4輛和8輛編組列車混合運(yùn)行、列車運(yùn)行間隔加密及運(yùn)能提升的目標(biāo)。