地鐵信號系統(tǒng)車場與正線運行控制模式一體化研究

王喜軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,300251,天津∥高級工程師)

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地鐵信號系統(tǒng)車場與正線運行控制模式一體化研究

王喜軍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,300251,天津∥高級工程師)

城市軌道交通地鐵信號系統(tǒng)的車場與正線運行模式一體化是提高車輛出入場段效率的重要技術(shù)手段。從工程設(shè)計及工程應(yīng)用的角度,結(jié)合規(guī)劃與設(shè)計過程,給出了地鐵信號系統(tǒng)的車場與正線運行控制模式一體化運行要考慮的相關(guān)要素、主要設(shè)計思路和解決方案,提出了配套優(yōu)化措施。

地鐵; 信號系統(tǒng); 車場; 正線; 一體化

Author′s address The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,300251,Tianjin,China

在城市軌道交通系統(tǒng)中,一般車場和正線有明顯的分界,車場采用獨立的聯(lián)鎖系統(tǒng)。在車場和正線的銜接地帶,通常情況下都設(shè)置轉(zhuǎn)換軌,列車經(jīng)由轉(zhuǎn)換軌時實現(xiàn)信號系統(tǒng)駕駛模式的轉(zhuǎn)換,登記進(jìn)入ATC(列車自動控制)系統(tǒng)?？刂浦行淖R別列車后,組織列車在正線運行。

與傳統(tǒng)數(shù)字軌道電路不同的是,正線采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)后,不設(shè)置軌道電路,采用計軸系統(tǒng)作為一種輔助的列車檢測手段。因此,在轉(zhuǎn)換軌區(qū)域,有CBTC系統(tǒng),也有計軸系統(tǒng);而在車場,則采用50 Hz單軌條軌道電路(個別城市的車場也有采用計軸設(shè)備作為列車檢測手段)。

列車在車場采用人工駕駛,而正線一般采用自動駕駛。列車由車場進(jìn)入正線或者由正線進(jìn)入車場,均需完成信號系統(tǒng)駕駛模式的轉(zhuǎn)換,這對運營效率、管理水平、作業(yè)強度等都提出了較高的需求,故研究車場與正線運行控制(以下簡稱“運控”)模式的一體化及其加快實施,是個較為迫切的課題。

1 車場與正線的常規(guī)運控模式

一般情況下,車場都在地面,有的是地面線和車場銜接,有的是地下線或高架線和車場銜接,所以,在轉(zhuǎn)換區(qū)都不同程度地存在一定的坡度。通過對比國內(nèi)各城市軌道交通車場和正線的出入線情況來看,在滿足行車安全和制動距離的情況下,出入線不短于2個車長且坡度不大于35‰的情況下,加上30～50 m的緩坡,是能夠滿足信號系統(tǒng)的控制要求。

從信號系統(tǒng)的角度看,出入線轉(zhuǎn)換軌是設(shè)計的一個瓶頸地帶,嚴(yán)重制約著車場與正線效率的匹配。整個轉(zhuǎn)換軌的設(shè)計及運營管理模式,關(guān)系到車輛出入段場的能力,車輛出入段場能力必須和正線的行車能力相匹配。只有車場與正線的運行模式實現(xiàn)一體化,才能切實減少模式轉(zhuǎn)換對運營效率的制約,否則,在列車早晚出入段場時受到一定程度的限制,會影響行車效率、降低服務(wù)水準(zhǔn)、加大運營人員的工作強度。

2 車場與正線的一體化運控模式

車場與正線一體化運營,就是在車場范圍內(nèi)也按照ATC的控制模式來實現(xiàn)列車的相關(guān)控制。車場ATC系統(tǒng)控制模式應(yīng)包括控制中心自動控制、控制中心自動控制時的人工介入控制、車站自動控制及車站人工控制。其控制等級應(yīng)遵循車站人工控制優(yōu)先于控制中心人工控制,控制中心人工控制優(yōu)先于控制中心的自動控制或車站控制。對車場來說,在控制點的模型上,可以假設(shè)為一個多停車線的車站。

在列車駕駛模式方面,駕駛模式可包括列車自動駕駛、列車自動防護、限制人工、非限制人工及無人駕駛等5種模式。就車場而言,其布局緊湊、咽喉區(qū)道岔密集、道岔型號較小,列車限速一般按照庫外25 km/h、庫內(nèi)5 km/h來限制。但無論列車速度高低,車場的駕駛模式均可歸納到正線的駕駛模式下。

3 車場與正線運控一體化的方案設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

進(jìn)一步集約化管理的思路:集約化管理是現(xiàn)代企業(yè)集團提高效率與效益的基本取向。集約化的“集”就是指集中,集合人力、物力、財力、管理等生產(chǎn)要素,進(jìn)行統(tǒng)一配置,集約化的“約”是指在集中、統(tǒng)一配置生產(chǎn)要素的過程中,以節(jié)儉、約束、高效為價值取向,從而達(dá)到降低成本、高效管理,進(jìn)而使企業(yè)集中核心力量,獲得可持續(xù)競爭的優(yōu)勢。自動化車場,就是車場和正線一體化,車輛在車場內(nèi)也采用ATC,車輛從出庫即載入時刻表,實現(xiàn)列車自動運行,減輕司機駕駛的壓力。采取自動化車場,主要是節(jié)約了車場與正線之間轉(zhuǎn)換駕駛模式的時間。同時,采用自動化后,實施車次號跟蹤,控制中心管理方便。自動化車場的主要設(shè)計思想是將正線和場段一體化,集中控制,但工程造價較高。

3.2 車場信號設(shè)備配置

傳統(tǒng)的場段內(nèi)信號系統(tǒng)配置如下:聯(lián)鎖裝置、信號機、轉(zhuǎn)轍機,區(qū)段檢查采用計軸設(shè)備或軌道電路,車地通信采用無線方式(見圖1)。

圖1 車場(車輛段)信號系統(tǒng)典型構(gòu)成圖

若要實現(xiàn)自動化車場則需要從信號系統(tǒng)行車指揮的角度來更新設(shè)計和運營思維,需要完成如下兩方面的運營儲備:

(1) 車輛進(jìn)出場段實行不停車轉(zhuǎn)換模式,按照ATC模式直接由正線到達(dá)車場大庫。信號系統(tǒng)直接參與行車組織的相關(guān)庫線,納入控制中心集中管理,系統(tǒng)配置按照正線的標(biāo)準(zhǔn)配置,其他庫線納入車場內(nèi)運轉(zhuǎn)值班室管理。

(2) 車場設(shè)備實現(xiàn)自動化運營后,需要完善相關(guān)的運營管理措施及行車規(guī)則。通過采用自動化車場段實現(xiàn)場段與正線設(shè)備一體化運行,場段將能最大限度地滿足運營效率要求,實現(xiàn)效率匹配。

自動化車輛段及停車場信號系統(tǒng)由聯(lián)鎖設(shè)備、ATS(列車自動監(jiān)控)設(shè)備、ATP(列車自動防護)設(shè)備、ATO(列車自動運行)設(shè)備、集中監(jiān)測設(shè)備等組成,同時配置車地通信設(shè)備,保證車地通信的可靠,配置必要的列車停車對位設(shè)備,保證列車在停車線準(zhǔn)確停位(見圖2)。

圖2 無人駕駛自動化車輛段整體布局示意圖

聯(lián)鎖設(shè)備:目前可供選擇的聯(lián)鎖設(shè)備有國內(nèi)供貨和國外供貨兩類。由于車場內(nèi)的作業(yè)方式主要是列車的進(jìn)、出段(場)和段(場)內(nèi)的調(diào)車作業(yè),采用國產(chǎn)計算機聯(lián)鎖設(shè)備完全能滿足列車運行和各種接口要求。聯(lián)鎖控制采用微機聯(lián)鎖控制臺與彩色顯示器、鍵盤及鼠標(biāo)器相結(jié)合方式,設(shè)于車輛段、停車場行車控制室內(nèi)。彩色顯示器可顯示聯(lián)鎖范圍內(nèi)的全部站型。聯(lián)鎖設(shè)備及維修終端設(shè)置在信號設(shè)備室內(nèi)。出、入聯(lián)絡(luò)線均納入正線控制范圍,并按雙向運行設(shè)計。

ATS設(shè)備:車輛段/停車場行車控制室設(shè)ATS分機,用于采集車輛段/停車場內(nèi)進(jìn)路、道岔軌道電路、信號機的狀態(tài)信息等,實現(xiàn)車輛段/停車場內(nèi)列車車體號的跟蹤,通過ATS分機與車場聯(lián)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)接口,將車輛段/停車場納入ATS監(jiān)視范圍,同時也作為車輛段/停車場ATS工作站與正線ATS設(shè)備之間的信息傳輸設(shè)備。

在實際的項目中,配置車輛段和停車場的線路則在車輛段、停車場的派班室各設(shè)一臺ATS工作站,與車輛段、停車場分機相連,用于車輛段、停車場派班室值班員組織調(diào)度列車出入段場。

微機監(jiān)測設(shè)備:車輛段和停車場的站場面積較大,養(yǎng)護維修工作量較多,為實現(xiàn)信號設(shè)備的“狀態(tài)修”,需設(shè)置計算機監(jiān)測系統(tǒng)。主要監(jiān)測對象有軌道電路接收端電壓、電纜絕緣性能、電源狀況、轉(zhuǎn)轍機動作狀況與電流特性等,可通過車場ATS分機與維修中心信號維護工作站聯(lián)網(wǎng)。

車地通信設(shè)備:自動化車場或車輛段,車地通信設(shè)備按照正線的標(biāo)準(zhǔn)配置。通信方式和傳輸媒介應(yīng)該和正線同等配置,但應(yīng)充分考慮工程實施便捷性、工程造價合理性等相關(guān)因素。一般來講,車地通信媒介不外乎是無線電臺、漏泄波導(dǎo)管、漏纜、環(huán)線等。在自動化車輛段內(nèi),車地通信的效果通過北京、上海的實施來看,已技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定,為無人駕駛控制技術(shù)的全面推廣提供了重要的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

停車對位設(shè)備:停車對位功能的實現(xiàn)分兩部分,一部分是初始停車功能的實現(xiàn),一部分是停車精準(zhǔn)對位。初始停車可以依靠軌旁車地通信為平臺,按照ATC運行曲線實現(xiàn)一次停車,但停車的精準(zhǔn)度還需要一定的調(diào)整。精準(zhǔn)位置的調(diào)整可以通過應(yīng)答器組、感應(yīng)環(huán)線、接觸感應(yīng)器等實現(xiàn)。

3.3 工程造價分析

采用車場與正線一體化的設(shè)計方案后,在既有車場采用聯(lián)鎖設(shè)備的基礎(chǔ)上,以CBTC系統(tǒng)為例,需要在車場增加無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)備,以保證可靠的車地通信。在硬件上需要增加無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,軟件上需要將車場的控制元素納入正線控制的范疇,建立車場控制的相關(guān)數(shù)據(jù)庫,同時車場按照移動閉塞的要求設(shè)計,提高車場與正線的銜接能力。

與傳統(tǒng)的車場、正線控制模式相比較,車場與正線一體化控制后,增加的主要是無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、車場控制ATP/ATO相關(guān)設(shè)備。從工程統(tǒng)籌實施的角度來看,增加的ATP/ATO相關(guān)設(shè)備及車地通信設(shè)備費用大約在350～450萬元人民幣。當(dāng)前設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)程加快,在市場預(yù)期良好的情況下,或許工程造價更低。

3.4 方案可實施性分析

無人駕駛的自動化車輛段,如北京地鐵機場線和上海軌道交通10號線,車場與正線基本上都實現(xiàn)了一體化運行模式。不同之處在于自動化車場是無人駕駛技術(shù)實現(xiàn)的基本條件,但自動駕駛的項目,基本上都是采用車輛段單獨聯(lián)鎖控制。當(dāng)前車場與車輛段的建設(shè),從運營的角度要求在停車列檢庫內(nèi)實現(xiàn)車地通信的無線覆蓋,以期測試車地通信的完好性。

天津地鐵2號線李明莊車輛段信號系統(tǒng)首次實現(xiàn)對車輛段大庫全面信號覆蓋,實現(xiàn)信號系統(tǒng)車載設(shè)備與信號系統(tǒng)的全面無線銜接,為天津市軌道交通實現(xiàn)正線與車場一體化運營打下了基礎(chǔ),同時對大庫內(nèi)車輛的管理,車載設(shè)備維修、測試、軟件更新等工序進(jìn)行了嘗試。

自動化車場與常規(guī)獨立聯(lián)鎖控制的車場相比,增加的信號設(shè)備主要有ATP/ATO相關(guān)設(shè)備、車地通信設(shè)備、相關(guān)視頻設(shè)備。從工程實施、技術(shù)發(fā)展的角度來看,自動化車場的方案是可行的,必將在城市軌道交通建設(shè)、運營過程中成為一種重要的發(fā)展趨勢。

4 相關(guān)配套措施

4.1 調(diào)整道岔配置,改善限速條件

咽喉區(qū)道岔配置是影響出入場段的重要因素。以往設(shè)計時主要是考慮土地利用狀況、車輛段工藝需求、功能用房配置等因素,關(guān)于車輛出入場段的效率只是簡單估算,建設(shè)后直接交付運營。但目前來看,調(diào)整道岔配置能夠有效提高車輛在咽喉區(qū)走行的速度,進(jìn)而提高車輛出入場段的效率。

車輛段/停車場站場設(shè)計完畢后,由行車專業(yè)反算,必要的情況下進(jìn)行仿真模擬并計算車輛段的接發(fā)車能力是否與正線相匹配,是否能夠滿足設(shè)計周期內(nèi)的車輛出入場段能力。建議在車輛段適當(dāng)位置可以選取大號碼道岔,通過合理交叉配置,以提高車輛出入場段的效率。地鐵運營時間一般是5:00—23:00,采用較大號碼道岔可以為效率的提升提供有利條件。從表1可比較出常用道岔的速度差異,若從全天效率累積的角度來看,調(diào)整道岔配置能提高車輛出入場段的效率。

表1 道岔的限速

4.2 設(shè)計階段的運控一體化方案仿真

城市軌道交通規(guī)劃與城市的整體規(guī)劃緊密相關(guān),其中車場或車輛段占用土地的規(guī)模較大,與城市的整體發(fā)展布局關(guān)系密切,是城市整體布局的重要組成部分。城市軌道交通線路的規(guī)劃、車輛段/停車場的規(guī)劃、資源共享的架構(gòu),要充分考慮運營的效率問題。車場或車輛段作為資源共享的重要內(nèi)容,建設(shè)過程中既要照顧到軌道交通,又要和城市整體發(fā)展及布局相協(xié)調(diào)。因此,在初期規(guī)劃車輛基地的時候,對正線與車場的距離、正線線路的配置方式、場段的站場布局等方面,應(yīng)該由行車專業(yè)進(jìn)行檢算,按照一定的設(shè)計深度實施系統(tǒng)仿真,詳實把握車輛出入場段的能力與正線要求能力的匹配性,優(yōu)化車場布局。

5 結(jié)語

根據(jù)以上對信號系統(tǒng)車場與正線運行模式一體化的相關(guān)探討,從信號系統(tǒng)的角度規(guī)劃場段的工藝布局,提升車輛出入場段的效率,優(yōu)化軌道交通線網(wǎng)布置與城市規(guī)劃的布局。希望在后續(xù)建設(shè)項目中能夠引起規(guī)劃設(shè)計部門的重視,場段布局不僅要資源共享,更要注重運營效率和便捷性。

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Integrated Operation Mode of Subway Traffic Signal System for Yard and Line

WANG Xijun

Integrated operation mode for yards and lineis an important technical means to improve the traffic efficiency of vehicle access.The integration has important significance on improving the technical conditions of the engineering design,optimizing the city layout,resolving the contradiction arrangement of segment layout and urban planning.From the view of engineering design and engineering application, also combined with planning and design, the related elements,design ideas and integration scheme for yard and line are obtained. Further optimization measures are also proposed.

subway; signal system; yard; line; integration

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.08.003

2015-02-27)