劉 建

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,200070,上海 ∥ 高級(jí)工程師)

上海軌道交通3號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“3號(hào)線”)自上海南站至江楊北路，全長(zhǎng)約為40.7 km，共設(shè)29座車(chē)站。上海軌道交通4號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“4號(hào)線”)為環(huán)線，不含與3號(hào)線共線部分的線路長(zhǎng)約22.3 km，設(shè)17座車(chē)站。4號(hào)線與1、2號(hào)線共同組成“申”字形線網(wǎng)。4號(hào)線在寶山路站至虹橋路站段與3號(hào)線共線運(yùn)營(yíng)，進(jìn)而形成“3號(hào)線+4號(hào)線”的復(fù)合型線路(本文稱為“3/4號(hào)線”)。 3/4號(hào)線線路如圖1所示。

3/4號(hào)線是國(guó)內(nèi)唯一采用“共線+環(huán)線”運(yùn)營(yíng)方案的地鐵線路，其共線段承載著3號(hào)線北段和4號(hào)線外圈的客流，也限制了共線段以外的客運(yùn)能力。自2000年投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，3/4號(hào)線見(jiàn)證了上海的城市發(fā)展，也深受日益增長(zhǎng)的客流量困擾。長(zhǎng)期以來(lái)，受共線段的客運(yùn)能力限制，高峰時(shí)段的3號(hào)線北段進(jìn)站客流一直采用限流措施。

圖1 3/4號(hào)線線路示意圖

1 3/4號(hào)線運(yùn)營(yíng)能力的瓶頸

通過(guò)分析3/4號(hào)線線路配線和既有信號(hào)系統(tǒng)能力發(fā)現(xiàn)，寶山路站是整個(gè)3/4號(hào)線中最重要的車(chē)站。如圖2所示，4號(hào)線線路跨越3號(hào)線線路后，以大坡度下坡接入3號(hào)線正線。其簡(jiǎn)易接軌方式存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 寶山路站處的簡(jiǎn)易接軌示意圖

寶山路站下行方向并線處的信號(hào)設(shè)備布置如圖3所示。為保證4號(hào)線以大坡度接入3號(hào)線正線處的行車(chē)安全，其信號(hào)聯(lián)鎖子系統(tǒng)增加了特殊設(shè)計(jì)：①信號(hào)燈X3H，開(kāi)放允許信號(hào)的條件是前車(chē)出清E點(diǎn)；②信號(hào)燈X1H，開(kāi)放允許信號(hào)的條件是前車(chē)出清C點(diǎn)； ③道岔SW1H，道岔轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是前車(chē)出清C點(diǎn)。

現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)(U200)為基于軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式，其系統(tǒng)能力有限。寶山路站是3號(hào)線與4號(hào)線下行方向客流匯合車(chē)站，其特殊的配線和特殊的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)在保證行車(chē)安全的同時(shí)，進(jìn)一步限制了信號(hào)系統(tǒng)能力，使寶山路站的匯合能力成為限制3/4號(hào)線運(yùn)營(yíng)能力的瓶頸。

圖3 寶山路站下行方向并線處信號(hào)設(shè)備布置示意圖

2 寶山路站匯合能力的提升方案

3/4號(hào)線的改造,既要滿足客流增長(zhǎng)的基本需求，充分滿足線路的規(guī)劃功能，最大限度實(shí)現(xiàn)線路最大運(yùn)營(yíng)能力；又要根據(jù)客流分析，通過(guò)靈活的交路設(shè)計(jì)，盡量減少客流沿途換乘次數(shù)，降低對(duì)乘客乘車(chē)習(xí)慣的影響。要提升3/4號(hào)線的運(yùn)營(yíng)能力，必須對(duì)提升寶山路站的匯合能力進(jìn)行分析研究。

3/4號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)已到大修期，本文主要從信號(hào)系統(tǒng)更新改造來(lái)提升運(yùn)能的角度探討研究。

2.1 信號(hào)系統(tǒng)制式

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，地鐵信號(hào)系統(tǒng)主要采用的是固定閉塞或者是基于軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞。例如，3/4號(hào)線采用的ALSTOM U200系統(tǒng)就是基于軌道電路的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)。

目前，CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流系統(tǒng)制式。CBTC系統(tǒng)是以軌旁設(shè)備為中心，通過(guò)地面ZC(區(qū)域控制器)來(lái)統(tǒng)一管理列車(chē)，如圖4所示。

圖4 CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

近年來(lái)，隨著信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于車(chē)車(chē)通信的CBTC系統(tǒng)——TACS(列車(chē)自主控制系統(tǒng))。TACS系統(tǒng)以列車(chē)為中心，取消了地面的聯(lián)鎖和區(qū)域控制器子系統(tǒng)，ATS(列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng))直接與VOBC(車(chē)載控制器)進(jìn)行通信,如圖5所示。

圖5 TACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

相較于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，TACS系統(tǒng)精簡(jiǎn)了軌旁設(shè)備，簡(jiǎn)化了車(chē)地間交互的信息量及交互時(shí)間，并提高了車(chē)載系統(tǒng)性能。與上海軌道交通3/4號(hào)線信號(hào)U200系統(tǒng)相比，CBTC系統(tǒng)和TACS系統(tǒng)的移動(dòng)授權(quán)更新時(shí)間更短。鑒于不同信號(hào)系統(tǒng)供貨商系統(tǒng)的差異，本文采用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同制式系統(tǒng)移動(dòng)授權(quán)更新時(shí)間

TACS系統(tǒng)在移動(dòng)授權(quán)更新時(shí)間上更短，不僅減少了反應(yīng)時(shí)間，而且還大大提高了追蹤能力，提升了整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的性能。

3/4號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)在更新改造的同時(shí)，還肩負(fù)著提升運(yùn)營(yíng)能力的使命。鑒于此，本文就不同信號(hào)制式對(duì)寶山路站的匯合能力進(jìn)行分析。

2.2 匯合能力的提升

2.2.1 仿真參數(shù)

在不同的信號(hào)系統(tǒng)制式下，列車(chē)的牽引、制動(dòng)及沖擊率等常用參數(shù)一致。牽引加速能力如表2所示。

表2 牽引加速能力表

最大常用制動(dòng)加速度的絕對(duì)值為1.44 m/s2；保障緊急制動(dòng)加速度絕對(duì)值為 0.85 m/s2。在牽引和制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛最大沖擊率為0.75 m/s3。打滑率為15%。最大坡度的最大加速度為0.28 m/s2。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量占空車(chē)質(zhì)量的6.76%。

由于信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)的不同，不同制式的信號(hào)系統(tǒng)存在部分特殊的經(jīng)驗(yàn)仿真參數(shù)。本研究采用的特殊仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同制式系統(tǒng)特殊參數(shù) s

2.2.2 匯合能力的影響因素

經(jīng)仿真分析，在3種不同信號(hào)系統(tǒng)制式下，寶山路站的匯合能力同約束條件和干擾點(diǎn)的列車(chē)運(yùn)行速度有關(guān)(如圖6所示)。

圖6 不同系統(tǒng)制式干擾點(diǎn)示意圖

1) 約束條件。在既有的U200系統(tǒng)中，信號(hào)燈X3H(B點(diǎn))的開(kāi)放允許信號(hào)條件為前車(chē)出清E點(diǎn)。在CBTC系統(tǒng)中,信號(hào)燈X3H(B點(diǎn))的開(kāi)放允許信號(hào)條件為前車(chē)出清C點(diǎn)；在TACS系統(tǒng)中,列車(chē)在F點(diǎn)獲得道岔資源的條件為前車(chē)出清D點(diǎn)。

2) 干擾點(diǎn)速度。當(dāng)采用U200系統(tǒng)或CBTC系統(tǒng)時(shí)，列車(chē)運(yùn)行至B點(diǎn)或A點(diǎn)的干擾點(diǎn)的速度均相對(duì)較高。由于道岔側(cè)向限速，因此列車(chē)從B點(diǎn)干擾點(diǎn)至列車(chē)到寶山路站臺(tái)停穩(wěn)的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。當(dāng)采用TACS系統(tǒng)時(shí)，相對(duì)于G點(diǎn)，列車(chē)運(yùn)行至干擾點(diǎn)(F點(diǎn))的速度較低，因此列車(chē)從F點(diǎn)至寶山路站臺(tái)停穩(wěn)的運(yùn)行時(shí)間較短。

2.2.3 匯合能力計(jì)算

經(jīng)仿真計(jì)算，在3種不同信號(hào)系統(tǒng)制式下，寶山路站的匯合間隔時(shí)間如表4所示。

由表4可知， TACS系統(tǒng)的精細(xì)化管理，使寶山路站的匯合能力大幅提升。計(jì)算結(jié)果表明，不考慮寶山路站的線路其他因素，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整3號(hào)線與4號(hào)線的列車(chē)開(kāi)行比例，可使寶山路站下行方向的匯合間隔時(shí)間縮短到100 s左右，匯合能力可達(dá)36對(duì)/h。

表4 不同系統(tǒng)制式寶山路站匯合間隔時(shí)間

由于信號(hào)系統(tǒng)能力提升并不能解決大坡道簡(jiǎn)易接軌的安全問(wèn)題，故還應(yīng)結(jié)合配線調(diào)整，采用將站前接軌改為站后接軌(如圖7所示)或增加安全線等措施，在提高運(yùn)營(yíng)安全的同時(shí)，進(jìn)一步提升寶山路站的匯合能力。

圖7 寶山路站接軌改造后干擾點(diǎn)示意圖

本文選取了寶山路站站前接軌改為站后接軌的配線改造方案進(jìn)行匯合間隔時(shí)間分析。站前接軌改為站后接軌既解除了大下坡道簡(jiǎn)易接軌的安全隱患，改善了信號(hào)系統(tǒng)的干擾點(diǎn)影響，又提高了信號(hào)系統(tǒng)的匯合能力。

經(jīng)仿真計(jì)算，在不同信號(hào)系統(tǒng)制式下，寶山路站接軌改造后的匯合間隔時(shí)間如表5所示。

不難發(fā)現(xiàn)，信號(hào)系統(tǒng)的更新改造和土建配線形式調(diào)整均可以在一定程度上應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的客流需求。此外，根據(jù)客流變化情況適當(dāng)調(diào)整3號(hào)線與4號(hào)線的列車(chē)開(kāi)行比例，可以更好地提升線路的服務(wù)水平。

表5 接軌改造后的寶山路站匯合間隔時(shí)間

3 結(jié)語(yǔ)

3/4號(hào)線客流量與日俱增，具有信號(hào)系統(tǒng)更新改造和運(yùn)能提升的迫切需求。本文基于不同信號(hào)系統(tǒng)制式，通過(guò)仿真計(jì)算，深入分析寶山路站匯合能力提升方案。計(jì)算結(jié)果表明，選擇合適的信號(hào)系統(tǒng)制式、采取土建配線改造措施、調(diào)整列車(chē)開(kāi)行比例，能有效提升寶山路站的匯合能力。研究結(jié)果可為其他線路信號(hào)系統(tǒng)制式選擇和運(yùn)營(yíng)能力提升提供一定的參考。