影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的關(guān)鍵因素

易立富

易立富:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 高級工程師 610031 成都

作為城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的主要交通方式，地鐵運(yùn)輸能力將決定其服務(wù)水平。地鐵列車的旅行速度和追蹤能力更是衡量其運(yùn)輸能力的重要指標(biāo)，它體現(xiàn)了地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行效率、實(shí)時(shí)性和快捷性。

1 基本概念

平均服務(wù)旅行速度是指列車從起點(diǎn)站發(fā)車至終點(diǎn)站停車的平均運(yùn)行速度，即列車在軌道上單向運(yùn)行所經(jīng)過的路程與所消耗時(shí)間(包括所有中間站停站時(shí)間，不含起點(diǎn)站和終點(diǎn)站停站時(shí)間)的比值。平均服務(wù)旅行速度的計(jì)算公式為:

Vf=S/Tf

其中，Vf表示平均服務(wù)旅行速度，S表示始發(fā)站和終點(diǎn)站中心里程的差值，Tf表示運(yùn)行時(shí)間加停站時(shí)間(不含起點(diǎn)站和終點(diǎn)站停站時(shí)間)。因此，列車運(yùn)行速度和停站時(shí)間是決定旅行速度的關(guān)鍵因素。

列車追蹤能力通常用列車追蹤間隔指標(biāo)來體現(xiàn)。列車追蹤間隔是指在同一運(yùn)行方向上的前后兩列連續(xù)運(yùn)行列車依次經(jīng)過軌道上同一點(diǎn)的最小運(yùn)行時(shí)間間隔，該間隔應(yīng)不致使后續(xù)列車的運(yùn)行速度受到前方列車正常服務(wù)表現(xiàn)的限制。地鐵正線列車追蹤間隔由站間追蹤間隔、站臺區(qū)追蹤間隔和折返追蹤間隔三者中的最大值決定，通常折返追蹤間隔是制約全線列車追蹤間隔的關(guān)鍵。

2 關(guān)鍵因素分析

地鐵列車旅行速度和追蹤能力的完美實(shí)現(xiàn)，涉及到設(shè)計(jì)、施工、安裝、調(diào)試、運(yùn)營等各個(gè)環(huán)節(jié)，最為關(guān)鍵的是在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)協(xié)調(diào)處理好線路、行車、土建、車輛、信號控制等方面的問題，并按照設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)確定的方案、功能及性能要求，進(jìn)行土建設(shè)施施工與機(jī)電設(shè)備的制造、安裝和調(diào)試?；谛盘柡蛙囕v系統(tǒng)對列車的控制機(jī)理，結(jié)合對各環(huán)節(jié)相關(guān)專業(yè)接口方案配合的梳理及分析，提煉出以下影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的關(guān)鍵因素。

2.1 線路及土建工程因素

影響地鐵列車運(yùn)行速度和追蹤能力的線路及土建工程因素包括:線路配線、線路曲線、軌道超高、道岔類型、站臺區(qū)土建限速、終點(diǎn)站車站端部至線路盡頭的長度等。其中線路曲線半徑和軌道超高決定的曲線段土建限速、道岔類型決定的側(cè)向過岔土建限速和站臺區(qū)土建限速，將直接影響信號控車最高允許運(yùn)行速度。在平坡地段的土建限速與信號控車最高允許運(yùn)行速度的速度差值約為10 km/h，如圖1所示。

圖1 土建限速與信號控車最高允許運(yùn)行速度的關(guān)系圖

1．線路曲線和軌道超高。它們決定了列車通過該曲線段線路的允許最高運(yùn)行速度。在設(shè)置相同的軌道超高條件下，線路曲線半徑越小，土建限制速度值越低;在相同的線路曲線半徑條件下，軌道超高設(shè)置越低，土建限制速度值也越低。線路曲線和軌道超高決定的土建限速是構(gòu)成列車通過此段線路的頂棚安全限速，因此，它們將直接影響列車的最高運(yùn)行速度，從而間接影響列車的運(yùn)行時(shí)間和旅行速度。

2．線路配線和道岔類型。折返站的線路配線形式和道岔類型是影響折返間隔(折返追蹤能力)的2個(gè)關(guān)鍵因素。

折返站選擇的道岔類型主要有:9號直線尖軌、9號曲線尖軌和12號道岔。參照相關(guān)規(guī)范，其對應(yīng)的道岔側(cè)向限速分別為30 km/h、35 km/h和45 km/h，這些速度值將決定列車最高側(cè)向過岔速度。道岔側(cè)向過岔速度越高，則列車折返運(yùn)行所需時(shí)間越短，列車的折返追蹤能力越高。

列車交路折返站的功能和折返能力要求，將關(guān)系到其配線形式。不同的車站配線形式，其列車折返作業(yè)程序(如圖2所示典型站前折返和站后折返案例)及列車折返走行距離(如圖3所示典型站后折返兼車輛段接軌站案例)也不同，從而導(dǎo)致折返追蹤能力的差異。

圖2 典型站前折返和站后折返車站配線圖

從圖2看出，站前折返可采用Ⅰ股道和Ⅱ股道交替折返、Ⅰ股道折返或Ⅱ股道折返3種折返方式。站后折返可采用Ⅰ股道站后或Ⅱ股道站后2種折返方式。為提高折返追蹤能力，站前折返通常選用Ⅰ、Ⅱ股道交替折返作業(yè)方式;站后折返通常選用Ⅱ股道站后折返作業(yè)方式。由于站前和站后折返作業(yè)程序及徑路不同，站后Ⅱ股道折返的追蹤間隔通常小于站前Ⅰ股道和Ⅱ股道交替折返追蹤間隔。

從圖3看出，同為站后折返兼車輛段接軌站，配線形式一的折返列車在進(jìn)入折返軌后，需越過道岔A方能折出。配線形式二的折返列車在進(jìn)入折返軌后，需越過道岔B方能折出，在選擇相同道岔類型的前提下，配線形式二的折返列車走過的距離通常會大于配線形式一，從而導(dǎo)致配線形式二的折返間隔大于配線形式一。

圖3 典型站后折返兼車輛段接軌站配線圖

3．站臺區(qū)土建限速。此限速主要由站臺區(qū)域線路建筑限界、屏蔽門抗風(fēng)壓參數(shù)等因素決定。對于最高列車運(yùn)行速度80 km/h的線路，有些工程站臺區(qū)土建限速定為60 km/h，這個(gè)限速將影響列車進(jìn)站停車的速度控制。為保證列車在最不利情況下的進(jìn)站端最高速度不超過60km/h，信號系統(tǒng)將提前采取制動措施，將列車進(jìn)入車站端口的速度控制在50 km/h左右。對于120 m的車站站臺，若列車(B型車)進(jìn)站采用恒定的常用制動率一次性制動停車，則列車進(jìn)入車站端口的速度約為55 km/h?？梢钥闯?，60 km/h的站臺區(qū)土建限速將迫使信號系統(tǒng)采取2次制動控制列車進(jìn)站停車，降低了列車進(jìn)站速度，增加了進(jìn)站運(yùn)行時(shí)間，從而導(dǎo)致全線旅行速度降低和車站追蹤間隔增大。

4．終點(diǎn)站車站端部至線路盡頭線路長度。終點(diǎn)站車站端部至線路盡頭的線路段如圖4所示。

圖4 終點(diǎn)站車站端部至線路盡頭距離示意圖

基于不同的車輛參數(shù)，不同信號廠商的控制系統(tǒng)對終點(diǎn)站車站端部至線路盡頭的線路長度要求也不一樣。當(dāng)線路長度達(dá)不到信號控制列車以最高速度進(jìn)站停車的安全保護(hù)區(qū)段長度要求時(shí)，信號系統(tǒng)一般采取降低終點(diǎn)站列車進(jìn)站速度的方式來確保安全，這將增加進(jìn)站運(yùn)行時(shí)間，從而導(dǎo)致全線旅行速度和終點(diǎn)站折返能力降低。

2.2 行車組織因素

1．列車交路。對于設(shè)置大小列車交路套跑的線路，小交路折返站位于線路中間，其折返作業(yè)將影響大交路列車的運(yùn)行順序和間隔，從而影響大交路列車的旅行速度和追蹤能力。

2．停站時(shí)間。它是指從列車進(jìn)站停穩(wěn)至列車重新啟動所需要的時(shí)間，即從車輪停止轉(zhuǎn)動至再次啟動時(shí)所需要的時(shí)間。它主要由列車開關(guān)門技術(shù)時(shí)間和乘客上下車時(shí)間構(gòu)成。停站時(shí)間是計(jì)算全線旅行速度、中間車站追蹤間隔和折返站折返追蹤間隔的一個(gè)主要參數(shù)。停站時(shí)間越長，則列車單向運(yùn)行的時(shí)間越長，平均服務(wù)旅行速度就越低。中間車站停站時(shí)間越長，則車站追蹤間隔越大;折返站停站時(shí)間越長，則折返追蹤間隔越大;車站追蹤間隔和折返追蹤間隔越大，則該線的列車追蹤能力就越低。

2.3 車輛因素

影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的車輛參數(shù)主要包括:全常用制動率、可保障緊急制動率、牽引切斷時(shí)間、緊急制動建立時(shí)間(惰行時(shí)間)、車輛結(jié)構(gòu)速度和列車長度等。具體分析如下。

車輛結(jié)構(gòu)速度與土建限制速度一樣，將作為列車運(yùn)行的頂棚安全限速，信號系統(tǒng)需確保各種最不利條件下，列車瞬間最高運(yùn)行速度也不超過車輛結(jié)構(gòu)速度。車輛結(jié)構(gòu)速度越高，則信號允許最高運(yùn)行速度也越高，全線旅行速度也越高。

車輛全常用制動率和列車長度將對車站追蹤間隔產(chǎn)生影響，車輛全常用制動率越小，列車進(jìn)站運(yùn)行時(shí)間越長，車站追蹤間隔中的接車時(shí)間也越大;列車長度越長，則列車出站出清安全保護(hù)區(qū)段所用時(shí)間越長，車站追蹤間隔中的發(fā)車時(shí)間也越大。因此，由接車時(shí)間、停站時(shí)間和發(fā)車時(shí)間構(gòu)成的車站追蹤間隔也會越大。由于運(yùn)行時(shí)間的增加，也會導(dǎo)致全線旅行速度降低。

車輛可保障緊急制動率的大小將直接影響信號系統(tǒng)安全保護(hù)區(qū)段長度，可保障緊急制動率越大，信號系統(tǒng)安全保護(hù)區(qū)段長度越短，則列車追蹤間隔越小，線路追蹤能力越高。

當(dāng)列車實(shí)際速度超過了緊急制動觸發(fā)速度，列車將經(jīng)歷失控加速、惰行和緊急制動3個(gè)階段。列車的失控加速時(shí)間由車輛牽引切斷時(shí)間和車載信號ATP設(shè)備反應(yīng)時(shí)間構(gòu)成，車輛牽引切斷時(shí)間越長，列車的失控加速時(shí)間也越長，根據(jù)IEEE-1474.1標(biāo)準(zhǔn)定義的典型安全制動模型(如圖5所示)，則列車失控加速的上沖速度值越高。為確保列車運(yùn)行安全，車輛牽引切斷時(shí)間過大將迫使信號系統(tǒng)降低列車緊急制動觸發(fā)速度、ATP防護(hù)速度和最高運(yùn)行速度，從而導(dǎo)致全線旅行速度降低。緊急制動建立時(shí)間(惰行時(shí)間)越長，則列車安全制動距離越長，列車追蹤安全間隔也將越大，線路追蹤能力越低。

2.4 信號控制因素

1．ATP子系統(tǒng)性能。信號ATP子系統(tǒng)是確保列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)列車的速度測量、位置確定、倒溜防護(hù)和超速防護(hù)等。影響地鐵列車旅行速度和追蹤能力的信號ATP子系統(tǒng)性能因素主要包括:最大列車定位誤差、倒溜防護(hù)距離、速度測量誤差、車載信號ATP設(shè)備反應(yīng)時(shí)間等。最大列車定位誤差和倒溜防護(hù)距離作為列車安全間隔的構(gòu)成要素，其值越小則列車追蹤安全間隔越小，線路追蹤能力也越高。

圖5 典型的列車安全制動模型圖

車載信號ATP設(shè)備反應(yīng)時(shí)間與車輛牽引切斷時(shí)間共同構(gòu)成列車失控加速時(shí)間，其對全線旅行速度和列車追蹤間隔的影響，同上述對車輛牽引切斷時(shí)間的分析。

根據(jù)圖5所示，速度測量誤差將直接決定緊急制動觸發(fā)速度與ATP防護(hù)速度，以及ATP防護(hù)速度與最高實(shí)際運(yùn)行速度之間的速度差值，速度測量誤差越大，則三者間的速度差值越大;在相同的土建限速情況下，若速度測量誤差越大，則推薦最高運(yùn)行速度越小，導(dǎo)致全線旅行速度和追蹤能力降低。

2．信號系統(tǒng)技術(shù)處理時(shí)間。它包括聯(lián)鎖處理時(shí)間(含進(jìn)路建立時(shí)間)、ATS系統(tǒng)處理時(shí)間、數(shù)據(jù)通信時(shí)間、車載設(shè)備換端時(shí)間等。信號系統(tǒng)技術(shù)處理時(shí)間越小，構(gòu)成全線列車運(yùn)行的技術(shù)作業(yè)時(shí)間也越小，列車總運(yùn)行時(shí)間將減小，全線旅行速度得以提高。另外，信號系統(tǒng)技術(shù)處理時(shí)間作為構(gòu)成站間追蹤間隔、站臺區(qū)追蹤間隔和折返追蹤間隔的一部分，系統(tǒng)技術(shù)處理時(shí)間越小，則列車追蹤間隔越小，線路追蹤能力越高。

2.5 其他因素

1．列車運(yùn)行調(diào)度指揮管理模式。列車運(yùn)行調(diào)度指揮包括中心級管理和車站級管理2種模式。正常情況下，調(diào)度指揮由控制中心集中自動管理;當(dāng)中心級的管理功能失效時(shí)，授權(quán)車站級負(fù)責(zé)列車運(yùn)行的指揮和管理。中心級集中自動化管理能實(shí)時(shí)獲取全線的列車運(yùn)行狀態(tài)信息、線路和設(shè)備信息，縮短技術(shù)作業(yè)時(shí)間和管理協(xié)調(diào)時(shí)間;而車站級管理則不具備中心級管理的全部自動化功能，大量技術(shù)作業(yè)需人工聯(lián)系協(xié)調(diào)辦理，故其所需的技術(shù)作業(yè)時(shí)間和管理協(xié)調(diào)時(shí)間較長。因此，控制中心自動化管理將縮短全線列車總運(yùn)行時(shí)間，從而提高全線旅行速度。

2．列車駕駛模式。地鐵正線可采用ATO(自動運(yùn)行駕駛模式)和ATP(ATP監(jiān)控下的人工駕駛模式)2種駕駛模式。ATO模式由系統(tǒng)自動控制列車運(yùn)行，ATP模式是在ATP系統(tǒng)的防護(hù)下由司機(jī)人工駕駛。ATP模式下的列車速度和停站等控制均由司機(jī)人工完成，列車運(yùn)行速度和相關(guān)作業(yè)時(shí)間受司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)、熟練程度和反應(yīng)時(shí)間等因素影響，故司機(jī)駕駛水平也是影響列車旅行速度和追蹤能力的因素之一。

3 結(jié)束語

綜上所述，地鐵列車的旅行速度和追蹤能力除受線路及土建工程、行車組織、車輛和信號控制等相關(guān)因素直接影響外，還與運(yùn)行調(diào)度指揮管理模式及駕駛模式有關(guān)。為了使地鐵列車的旅行速度和追蹤能力滿足線路運(yùn)營要求，需在地鐵建設(shè)的各階段對上述因素予以關(guān)注，理清它們與旅行速度和追蹤間隔的內(nèi)在聯(lián)系，尤其應(yīng)在設(shè)計(jì)階段對相關(guān)專業(yè)與系統(tǒng)決定運(yùn)營能力的方案和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善，協(xié)調(diào)處理好彼此制約的接口因素，使其相互匹配、合理可行，方能確保線路的運(yùn)營服務(wù)水平達(dá)到最優(yōu)。

［1］中華人民共和國建設(shè)部．建標(biāo)104-2008．城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］．2008．

［2］中華人民共和國．GB/T12758-2004．城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術(shù)條件［S］．2004．

［3］中華人民共和國．GB 50157-2003．地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．2003．