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        基于車車通信的城市軌道交通列車控制系統(tǒng)折返能力分析

        2021-04-27 07:29:28吳殿華范永華
        城市軌道交通研究 2021年4期
        關鍵詞:車車車地信號機

        吳殿華 范永華 李 聰

        (廣州地鐵設計研究院股份有限公司,510010,廣州 ∥ 第一作者,高級工程師)

        城市軌道交通列車控制系統(tǒng)(以下簡為“列控系統(tǒng)”)性能關鍵指標包括正線追蹤能力、折返能力及平均旅行速度等。不同制式城市軌道交通的列控系統(tǒng),正線追蹤能力并無明顯差異,而折返能力各有差異,這往往成為線路運能的瓶頸。

        1 列車折返過程及影響折返能力的因素

        1.1 列車折返能力

        列車折返過程主要包括站臺接車、進折返軌和出折返軌。如圖1所示,P為列車進站的干擾點,A點為列車進站停站的位置,B點為列車在折返軌換端的位置,C點為折返完成后停站的位置。

        圖1 站后折返示例

        當前行列車出清站臺防護區(qū)段后,即可為后車辦理接入接車站臺的進路,后車剛好到達干擾點P;列車從P點到達折返站臺股道停車,當前行列車出清折返軌道岔區(qū)段之后,車站即可重新辦理至折返軌的進路,在計算最小列車行車間隔條件下,此時后續(xù)列車剛好從上行站臺A點出發(fā),并由A點駛入折返股道B點進行折返;列車到達折返軌B點后,開始執(zhí)行換端操作,當前行列車出清另一側的折返站臺后折返進路建立,列車從B點駛向另一側站臺C點停車;待停站時間結束后,列車即可從C點發(fā)車駛向下一站。

        1.2 列車折返能力影響因素

        直接影響列車折返能力的因素主要有折返軌長度、列車長度、折返運行速度、進路辦理時間、換端時間等。

        1) 折返軌長度。折返軌長度過長會造成土建投資的浪費,過短則導致折返間隔的增加,嚴重時會導致全線運能的下降。因此折返軌的長度應綜合考慮線路的運營間隔需求和列控系統(tǒng)折返效率的需求,取得土建投資和折返效率的平衡。

        2) 列車長度。城市軌道交通列車的常見編組方式為3節(jié)編組、4節(jié)編組、6節(jié)編組和8節(jié)編組。編組越多,列車越長,則列車折返的走行距離越長,列車在運行速度基本相同情況下的出入折返軌走行時間也越長。

        3) 折返運行速度。折返線采用的道岔型號不同,道岔側向限速也不同。例如,9#道岔的側向列車允許通過速度為35 km/h,側向列車絕對安全速度為40 km/h。對于折返效率要求較高的折返線,宜采用側向限速較高的道岔型號,以提高列車在折返過程中的運行速度。

        4) 進路辦理時間。在傳統(tǒng)列控系統(tǒng)中,進路信號機開放是列車可通過岔區(qū)的前提條件。辦理進路包括申請進路、聯(lián)鎖檢查條件、動作道岔、鎖閉進路及開放信號機等諸多環(huán)節(jié),耗時較長。進路辦理時間是列車折返時間的重要組成部分。

        5) 換端時間。換端時間為列車到達折返軌停車點后換端的時間,分為車輛系統(tǒng)換端時間和信號車載系統(tǒng)換端時間,由于車輛換端時間遠大于信號換端時間,所以換端時間取決于車輛的換端時間。

        在上述影響因素中,列車長度、換端時間和列車折返時間是由車輛和線路條件決定的。對列控系統(tǒng)而言,通過優(yōu)化進路辦理時間,可有效提高列車折返性能。

        2 基于車車通信的列控系統(tǒng)折返性能分析

        基于車地通信的傳統(tǒng)列控系統(tǒng)根據列車目的地為列車辦理相應的進路,待聯(lián)鎖檢查條件滿足后開放相應的信號機,使列車根據速度碼或移動授權駛過道岔區(qū)域。

        基于車車通信的列控系統(tǒng)通過精細化的資源管理,完成列車間信息的直接交互和協(xié)同控制,在保證安全的前提下,提升了線路和道岔資源的使用效率,縮短了列車之間的實時動態(tài)追蹤間隔,具有安全、高效、靈活、經濟的特點,代表了下一代高效能城市軌道交通列控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

        與基于車地通信的傳統(tǒng)列控系統(tǒng)相比,基于車車通信的列控系統(tǒng)在與列車折返能力相關的性能方面具有顯著優(yōu)點。

        2.1 信息流傳輸鏈路短

        在基于車地通信的列控系統(tǒng)中, ATS(列車自動監(jiān)控)子系統(tǒng)需根據列車的運行任務來申請聯(lián)鎖進路;聯(lián)鎖子系統(tǒng)收到進路命令后,檢查聯(lián)鎖條件滿足后,操作道岔和開放信號機,并將道岔位置和信號機狀態(tài)發(fā)送給軌旁ATC(列車自動控制)子系統(tǒng);軌旁ATC子系統(tǒng)根據軌旁設備狀態(tài)和列車位置報告,為每列列車計算移動授權,并將移動授權發(fā)送至車載控制器;車載控制器根據接收到的移動授權來控制列車運行。

        在基于車車通信的列控系統(tǒng)中,列車根據運行任務自主申請軌旁資源,并通過車車直接通信獲取前方列車位置。在獲得軌旁資源和前車位置信息后,車載控制器自主計算移動授權,進而控制列車運行。

        與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比,基于車車通信的列控系統(tǒng)內部信息流傳輸鏈路大幅縮短,實時控制效率更高,折返效率也更優(yōu)。

        2.2 軌旁資源管理精細化

        基于車地通信的列控系統(tǒng)在道岔區(qū)域運行需基于聯(lián)鎖進路。根據設計規(guī)則,道岔防護信號機距離所防護的道岔一般不小于8 m??梢?,從信號機到信號機的聯(lián)鎖進路范圍較大,所以基于聯(lián)鎖進路來分配軌旁資源的管理方式較粗放。

        基于車車通信的列控系統(tǒng)不受聯(lián)鎖進路約束,對軌旁資源進行精細化管理。列車根據運行任務按需逐段申請軌旁資源,并根據列車的精確定位逐段釋放其不再需要的軌旁資源,從而大幅提高道岔區(qū)域的列車通行效率,減小列車折返追蹤間隔,進而提高列車折返能力。

        2.3 取消了聯(lián)鎖進路辦理時間

        對于基于車地通信的列控系統(tǒng),在列車進、出折返軌時都必須先為列車辦理1條進路并開放信號機,其耗時達10 s以上。

        基于車車通信的列控系統(tǒng)取消了軌旁設備集中站聯(lián)鎖子系統(tǒng),擺脫了聯(lián)鎖進路的約束。這樣,在列車進、出折返軌時不需再辦理聯(lián)鎖進路和解鎖進路,從而節(jié)省了進、出折返軌的進路辦理時間及進路解鎖時間。

        2.4 防護區(qū)段短

        基于車車通信的列控系統(tǒng)采用扁平化架構,提升了列控系統(tǒng)的實時性。與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比,基于車車通信的列控系統(tǒng)車載設備自主計算移動授權,使移動授權的更新周期更快、系統(tǒng)響應時間更短,故其安全防護距離較短。這一特點有兩大益處:①對折返軌的長度需求降低,可節(jié)約土建投資;②在同等防護距離長度下,使用基于車車通信的列控系統(tǒng)可提高列車在折返線的運行速度,從而減少列車進入折返線的時間。

        3 列車折返時間的仿真分析

        列車折返分為站前折返和站后折返。為節(jié)約土建投資或受環(huán)境制約,較多線路選擇站前折返方式。對于同等規(guī)模車站,一般站后折返能力要明顯優(yōu)于站前折返能力。無論站前折返還是站后折返,其折返間隔應能滿足線路遠期最小運營間隔需求。本文基于實際車站的數據,按不同折返方式對列車折返能力進行仿真分析。

        3.1 站后折返

        地鐵站A為典型的站后折返站,采用站后單折返模式,其折返線布置見圖2。

        圖2 地鐵站A的站后折返線示意圖

        經仿真計算,采用不同列控系統(tǒng)時的折返時間見表1。

        表1 采用不同列控系統(tǒng)時的車站A列車折返時間

        由表1可知,采用站后單折返模式時,與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比,基于車車通信的列控系統(tǒng)實時控制效率較高,相應的列車折返間隔縮短約20%。

        3.2 站前折返

        地鐵站B為站前折返站,采用彎進直出站前折返模式,其站前折返線布置如圖3所示。

        圖3 地鐵站B的站后折返線布置示意圖

        通過仿真計算,采用不同列控系統(tǒng)時的站B列車折返能力指標見表2。

        表2 站B的列車折返能力指標仿真結果

        由表2可見,在彎進直出站前折返模式下,與基于車地通信的列控系統(tǒng)相比,基于車車通信的列控系統(tǒng)的列車折返間隔縮短約30%??梢?,基于車車通信的列控系統(tǒng)的線路折返能力明顯更優(yōu),可有效解決由站前折返導致的運能瓶頸問題。

        4 結語

        基于車車通信的列控系統(tǒng)采用了扁平化系統(tǒng)架構,列車之間直接通信,可自主申請軌旁資源和計算移動授權,系統(tǒng)響應時間更快,系統(tǒng)性能明顯更優(yōu)。

        隨著城市軌道交通網絡化線網的建成,城市核心區(qū)的骨干軌道交通對運能提出了更高的需求,在基于車地通信的列控系統(tǒng)無法滿足運營要求時,可考慮采用效能更高的車車通信列控系統(tǒng)。對于僅配置站前折返的終點站,采用基于車車通信的列控系統(tǒng)可有效解決由站前折返導致的運能瓶頸問題。

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