城市軌道交通信號系統(tǒng)填充距離的研究

孫 磊，王宜純，孟凡超，安建燕

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

1 概述

近年來城市軌道交通發(fā)展迅速，對列車運(yùn)行安全、高效、舒適的運(yùn)營需求催生了新一代信號系統(tǒng)——基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng) (CBTC)，集合了通信、信息、列車控制等技術(shù)，提高了列車控制的自動化水平，列車運(yùn)營間隔縮小到 90 s，大大提升了運(yùn)輸效率[1]。CBTC系統(tǒng)有連續(xù)通信式列車控制模式、點(diǎn)式列車控制模式、聯(lián)鎖級列車控制模式 3 種控制等級，支持不同控制等級的列車混線運(yùn)行[2]。列車在站間運(yùn)行的理想模型為出站一次性牽引加速，惰性運(yùn)行，一次性制動到站停車。點(diǎn)式控制模式的列車只能通過線路上點(diǎn)式分布的有源應(yīng)答器獲取移動授權(quán)，按照固定閉塞方式運(yùn)行，列車在區(qū)間運(yùn)行的效率和平穩(wěn)性與信號機(jī)設(shè)置及填充距離直接相關(guān)。

填充距離指填充應(yīng)答器所在位置與其關(guān)聯(lián)的區(qū)間信號機(jī)間的距離。填充應(yīng)答器屬于有源應(yīng)答器，與區(qū)間信號機(jī)配套設(shè)置，用于向點(diǎn)式控制模式列車提前預(yù)告以其關(guān)聯(lián)信號機(jī)為始端的進(jìn)路信息，使列車在區(qū)間信號機(jī)前不停車連續(xù)運(yùn)行。點(diǎn)式模式列車運(yùn)行控制原理如圖 1 所示，當(dāng)點(diǎn)式控制模式列車接近時(shí)，聯(lián)鎖設(shè)備將進(jìn)路開放信號傳給軌旁電子單元 (LEU)，由 LEU 生成可變報(bào)文發(fā)送給相應(yīng)的主信號應(yīng)答器和填充應(yīng)答器，當(dāng)列車經(jīng)過有源應(yīng)答器時(shí)，車載應(yīng)答器傳輸模塊(BTM) 利用電磁感應(yīng)效應(yīng)通過非接觸的方式實(shí)現(xiàn)與地面應(yīng)答器天線之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸，獲取應(yīng)答器報(bào)文傳給車載設(shè)備 (VOBC)，VOBC根據(jù)報(bào)文中的進(jìn)路信息，結(jié)合車載電子地圖中的參數(shù)，計(jì)算移動授權(quán)的終點(diǎn)，生成新的制動曲線，控制列車平穩(wěn)運(yùn)行[2-5]。

當(dāng)填充距離不足時(shí)，列車按照以信號機(jī) S2 為停車點(diǎn)的制動曲線先減速運(yùn)行，待越過填充應(yīng)答器 IB2 后再加速運(yùn)行，直到下一停車點(diǎn)停車。此過程不能滿足一次性制動的用戶需求，增加列車運(yùn)行時(shí)牽引制動的次數(shù)，不僅降低客乘的舒適性，也不利于節(jié)能降耗[6]。通常區(qū)間信號機(jī)為縮小追蹤間隔或增加道岔防護(hù)而設(shè)置，位置相對固定，因而填充距離更多受制于填充應(yīng)答器的位置，而填充應(yīng)答器的位置選取受以下 3 個條件制約。

圖1 點(diǎn)式模式列車運(yùn)行控制原理Fig.1 Principle of intermittent train operating control

圖2 應(yīng)答器布置示意圖Fig.2 Diagram of the layout of balises

（1）填充應(yīng)答器的位置不能設(shè)置在同方向上一架信號機(jī)的前方，否則會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題。應(yīng)答器布置示意圖如圖 2 所示，如果有列車停在信號機(jī) S2 前，且信號機(jī) S2 已經(jīng)開放，填充應(yīng)答器 IB2如果設(shè)置在信號機(jī) S3 的前方，此時(shí)若有列車越過IB2 會闖紅燈 (信號機(jī) S3)，可能追尾前方列車。

（2）前方信號開放時(shí)列車經(jīng)過填充應(yīng)答器不能減速。須計(jì)算列車以區(qū)間信號機(jī)為停車點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的減速點(diǎn)，將填充應(yīng)答器設(shè)置在減速點(diǎn)之前，既填充距離應(yīng)大于列車常用制動的距離。

（3）與列車追蹤間隔相關(guān)。在圖 2 中，如果IB2 過于遠(yuǎn)離減速點(diǎn)，使得 IB2 與前方車站出站保護(hù)區(qū)段遠(yuǎn)端計(jì)軸點(diǎn)之間的列車運(yùn)行時(shí)間：T ＞點(diǎn)式追蹤間隔，極易造成追蹤列車越過 IB2 時(shí)信號機(jī) S2還未開放，而列車必須在信號機(jī) S2 前停車，從而失去設(shè)置填充應(yīng)答器的意義。因此，填充應(yīng)答器的位置應(yīng)考慮追蹤間隔限制點(diǎn)制約。

2 城市軌道交通信號系統(tǒng)填充距離的研究

2.1 問題分析

由于填充距離受站場信號機(jī)設(shè)置和填充應(yīng)答器設(shè)置條件的嚴(yán)格制約，在城市軌道交通中常會遇到填充距離不足的情況，以重慶軌道交通 10 號線一期工程為例進(jìn)行分析，該線路共設(shè)車站 19 座，其中有岔站 13 座，站型多樣，在多個有岔車站出現(xiàn) 2架信號機(jī)距離較近的情況，使得其中一架信號機(jī)的填充應(yīng)答器的填充距離不足。典型車站中央公園站信號設(shè)備布置如圖 3 所示。

圖3 中央公園站信號設(shè)備布置圖Fig.3 Signaling equipment at the central park station

中央公園站設(shè)有站后折返軌，信號機(jī) S6 為折返阻擋兼區(qū)間通過信號機(jī)，兼顧信號機(jī) S2 向信號機(jī)S6方向發(fā)車的需要，信號機(jī) S6 的填充應(yīng)答器 IB6須設(shè)置在道岔前方。列車從 S4 發(fā)車以S6 為終點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的減速點(diǎn)位置計(jì)算公式為

式中：X 為站臺列車停車點(diǎn)至減速點(diǎn)的距離；V0為列車從站臺啟動的初始速度；V1為列車運(yùn)行至減速點(diǎn)的速度；a1為此段列車運(yùn)行的加速度；t1為此段列車運(yùn)行時(shí)間；Y 為減速點(diǎn)至信號機(jī) S6 關(guān)聯(lián)計(jì)軸點(diǎn)的距離；V2為列車在信號機(jī) S6 前停車的速度；a2為此段列車運(yùn)行的減速度；t2為此段列車運(yùn)行的時(shí)間。

計(jì)算可得 X ≈ 93 m，即減速點(diǎn)位于道岔后方，對于直向運(yùn)行的列車，IB6 的填充距離不足。而從信號機(jī) S2 走道岔側(cè)向發(fā)車，車速較低，制動距離短，IB6 的填充距離可滿足要求。

民心佳園站進(jìn)站前的兩架區(qū)間信號機(jī) S3，S9距離較近，信號機(jī) S3 的填充應(yīng)答器 IB3 須設(shè)置在道岔后方，民心佳園站信號設(shè)備布置如圖 4 所示，列車以信號機(jī) S3 為終點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的減速點(diǎn)計(jì)算公式為

式中：Z 為減速點(diǎn)至信號機(jī) S3 關(guān)聯(lián)計(jì)軸點(diǎn)的距離；t 為此段列車運(yùn)行時(shí)間；a 為此段列車運(yùn)行的減速度；V 為列車運(yùn)行到減速點(diǎn)的速度。

計(jì)算可得 Z ≈ 675 m，因而填充應(yīng)答器 IB3 的填充距離不滿足要求。

圖4 民心佳園站信號設(shè)備布置圖Fig.4 Signaling equipment at the minxinjiayuan station

2.2 解決方案

填充距離的不足制約了信號系統(tǒng)的整體性能，為解決此問題提出以下解決方案。

2.2.1 減少信號機(jī)設(shè)置

減少區(qū)間信號機(jī)設(shè)置可完全消除填充距離不足產(chǎn)生的影響。信號機(jī)的設(shè)置可以減小追蹤間隔，過多設(shè)置會限制點(diǎn)式控制模式的列車在區(qū)間運(yùn)行的最高速度，降低列車運(yùn)行效率[7]。圖 3 中信號機(jī) S6為站后折返阻擋信號機(jī)，不是為減小追蹤間隔而設(shè)置，如果取消在類似站形的車站作站后交路折返的需求，則可取消信號機(jī) S6。圖 4 中信號機(jī) S3 為岔后防護(hù)信號機(jī)，兼有車站防護(hù)功能，而信號機(jī) S9距離車站較近，取消信號機(jī) S3 不會影響列車追蹤間隔，在地鐵運(yùn)營中，列車作業(yè)方式主要是追蹤運(yùn)行，作業(yè)方式簡單，可用信號機(jī) S9 對其后方道岔及車站進(jìn)行防護(hù)，用其替代信號機(jī) S3。

該方案可簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低建設(shè)和維護(hù)成本，消除填充應(yīng)答器填充距離不足的弊端。

2.2.2 主信號應(yīng)答器兼做填充應(yīng)答器

兩架相鄰的同方向區(qū)間信號機(jī)，在第 1 架信號機(jī)的主信號應(yīng)答器報(bào)文中加入第 2 架信號機(jī)填充應(yīng)答器的報(bào)文，讓其兼做填充應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)填充功能。此方案不需再設(shè)置第 2 架信號機(jī)的填充應(yīng)答器，當(dāng)列車越過第 1 架信號機(jī)的主信號應(yīng)答器時(shí)，可同時(shí)獲取以第 2 架信號機(jī)為始端的進(jìn)路信息。

用主信號應(yīng)答器兼做填充應(yīng)答器是從軟件處理的角度出發(fā)，通過調(diào)整應(yīng)答器報(bào)文發(fā)送機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，以圖 3 為例，用主信號應(yīng)答器 VB4 兼做信號機(jī)S6 的填充應(yīng)答器，VB4 的報(bào)文發(fā)送機(jī)制如表 1 所示。

該方案在保留信號機(jī)設(shè)置不變的情況下，發(fā)掘系統(tǒng)潛能，通過軟件的調(diào)整解決填充距離不足的問題，減少填充應(yīng)答器設(shè)置。

3 應(yīng)用分析

在信號系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，信號機(jī)的設(shè)置通常在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)中由各方協(xié)商確定，填充距離不足時(shí)，在信號機(jī)不能減少的情況下，可采用上節(jié)描述的解決方案二，其應(yīng)用效果以重慶軌道交通 10 號線的典型站為例進(jìn)行分析。

（1）中央公園站。中央公園站的實(shí)際站場布置以圖 3 為例，取消填充應(yīng)答器 IB6，用主信號應(yīng)答器 VB2、VB4 兼做信號機(jī) S6 的填充應(yīng)答器，通過仿真牽引計(jì)算可知調(diào)整后中央公園站至中央公園西站的追蹤間隔變?yōu)?159 s，滿足點(diǎn)式追蹤間隔要求，仿真牽引計(jì)算截圖如圖 5a 所示。

該站為臨時(shí)交路折返站，用主信號應(yīng)答器兼做填充應(yīng)答器不影響站前折返及站后折返的限制點(diǎn)[8]，對折返間隔沒有影響，同時(shí)解決了填充距離不足的問題，保證了正向列車追蹤作業(yè)的平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）民心佳園站。民心佳園站的實(shí)際站場布置以圖 4 為例，取消填充應(yīng)答器 IB3，用主信號應(yīng)答器 VB9 兼做信號機(jī) S3 的填充應(yīng)答器，填充距離增加了 40 m，但 VB9 的位置與以信號機(jī) S3 為終點(diǎn)的列車減速點(diǎn)相差較多，未完全解決填充距離不足的問題，當(dāng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)列車制動距離相應(yīng)減少 40 m，最大限度降低填充距離不足產(chǎn)生的影響。從圖 5b仿真牽引計(jì)算可知，調(diào)整后三亞灣站至民心佳園站的追蹤間隔為 103 s，仍然滿足點(diǎn)式追蹤間隔要求。

表1 VB4 的報(bào)文發(fā)送機(jī)制Tab.1 Mechanism of the VB4 signaling system

圖5 仿真牽引計(jì)算截圖Fig.5 Screenshot of the traction calculation simulation

4 結(jié)束語

在城市軌道交通中，受站場條件和信號機(jī)設(shè)置的限制，造成信號系統(tǒng)部分填充應(yīng)答器的填充距離不足，致使點(diǎn)式控制模式的列車產(chǎn)生不合理的牽引制動，影響列車的平穩(wěn)性和客乘舒適性，以及信號系統(tǒng)的整體性能。因此，研究用主信號應(yīng)答器兼做下一架信號機(jī)的填充應(yīng)答器的方案，結(jié)合重慶軌道交通 10 號線典型車站進(jìn)行詳細(xì)分析，通過調(diào)整主信號應(yīng)答器的報(bào)文發(fā)送機(jī)制實(shí)現(xiàn)填充功能以解決填充距離不足的問題，故此方案的應(yīng)用效果與主信號應(yīng)答器的位置密切相關(guān)。主信號應(yīng)答器兼做填充應(yīng)答器的方案提供一種新的問題處理思路，在實(shí)際站場形式和信號機(jī)設(shè)置的制約下，可以最大限度降低填充距離不足對信號系統(tǒng)整體性能的影響，從而為工程設(shè)計(jì)人員解決類似問題提供參考。

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