基于運(yùn)營能力的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)可行性研究

魯秋子

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，城市軌道交通線路類型逐漸多樣化，不僅包括城市核心區(qū)的大運(yùn)量地鐵項(xiàng)目，還包括郊區(qū)線、市域鐵路、城際鐵路等。這些項(xiàng)目的客流、最高運(yùn)行速度、行車間隔、運(yùn)營要求不盡相同。近來，在信號(hào)系統(tǒng)列車控制方案的選擇上，越來越多的此類項(xiàng)目在可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段將點(diǎn)式列車自動(dòng)控制（ATC，Automatic Train Control）系統(tǒng)作為主方案與基于通信的列車自動(dòng)控制（CBTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)進(jìn)行比選。

對于列車控制系統(tǒng)的選擇，大多數(shù)研究者主要從信號(hào)系統(tǒng)閉塞制式控制原理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)等方面對信號(hào)制式的選擇進(jìn)行研究，沒有具體分析不同線路條件下運(yùn)營能力對方案選擇的影響，如文獻(xiàn)[1-2]。文獻(xiàn)[3]給出了常規(guī)閉塞制式下追蹤間隔計(jì)算模型，針對城市軌道交通點(diǎn)式ATC系統(tǒng)的追蹤間隔模型還未有分析。本文主要對點(diǎn)式ATC系統(tǒng)運(yùn)營能力進(jìn)行分析，依據(jù)點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下列車運(yùn)行的特點(diǎn)，計(jì)算不同速度等級、不同長度列車下點(diǎn)式系統(tǒng)的最小追蹤間隔，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定方案的可行性，為信號(hào)控制系統(tǒng)方案的比選提供依據(jù)。

1 點(diǎn)式ATC系統(tǒng)概述

目前，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)普遍采用CBTC系統(tǒng)，基于計(jì)軸和有源信標(biāo)的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)可作為CBTC主系統(tǒng)的降級系統(tǒng)。點(diǎn)式ATC系統(tǒng)在車地?zé)o線通信中斷，或者初期未能開通CBTC系統(tǒng)時(shí)，可維持一定水平的自動(dòng)運(yùn)營，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)勢，但是較CBTC系統(tǒng)的追蹤能力和功能方面稍弱。

點(diǎn)式ATC系統(tǒng)是采用高信息容量的點(diǎn)式通信設(shè)備（如信標(biāo)）進(jìn)行地對車通信的列車控制系統(tǒng)，列車制動(dòng)的終點(diǎn)總在某一個(gè)分區(qū)的邊界，其閉塞制式屬于固定閉塞[4]。

在點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下，前行列車在閉塞分區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，列車的安全運(yùn)行間隔從本架信號(hào)機(jī)到下一架信號(hào)機(jī)，后續(xù)列車的追蹤點(diǎn)在防護(hù)該閉塞分區(qū)的信號(hào)機(jī)外方，保證列車不會(huì)進(jìn)入被防護(hù)區(qū)域。當(dāng)前行列車駛出閉塞分區(qū)，信號(hào)開放的信息由有源信標(biāo)傳送至后續(xù)列車，后續(xù)列車根據(jù)讀取相關(guān)進(jìn)路信息計(jì)算列車的速度防護(hù)曲線。

如圖1所示，區(qū)間的進(jìn)路防護(hù)信號(hào)機(jī)前設(shè)置有預(yù)告信標(biāo)，可以避免列車在區(qū)間不必要的停車。預(yù)告信標(biāo)設(shè)置在與其關(guān)聯(lián)的信號(hào)機(jī)的停車制動(dòng)曲線的變速點(diǎn)前，以使列車能夠不減速、高速通過[5]。

圖1 點(diǎn)式ATC系統(tǒng)布點(diǎn)示意圖

2 點(diǎn)式ATC系統(tǒng)能力計(jì)算

2.1 線路通過能力

在地鐵的設(shè)計(jì)過程中，線路通過能力是一個(gè)重要評價(jià)參數(shù)。

通過能力是指在采用一定的車輛類型、信號(hào)設(shè)備和行車組織方法條件下，軌道交通系統(tǒng)線路的各項(xiàng)固定設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)通過的列車數(shù)[6]。

城市軌道交通線路通常采用雙線自動(dòng)閉塞，每站停車，列車追蹤運(yùn)行。線路通過能力的計(jì)算公式如下[7]：

其中，nmax—線路最大通過能力，即單位小時(shí)內(nèi)能通過的最大列車數(shù)，列；h—列車追蹤間隔時(shí)間。

2.2 點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下列車追蹤運(yùn)行

計(jì)算線路通過能力的關(guān)鍵是確定列車追蹤間隔時(shí)間。列車追蹤間隔時(shí)間是運(yùn)行的兩列車之間的最小允許間隔時(shí)間，主要取決于軌道交通所采用的信號(hào)制式、列車長度、站臺(tái)限速、停站時(shí)間等因素。

在點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下列車追蹤運(yùn)行，后續(xù)列車的運(yùn)行位置取決于前行列車的運(yùn)行位置。當(dāng)前行列車出清閉塞分區(qū)，在確保行車安全的條件下，后續(xù)列車以列車運(yùn)行圖規(guī)定的速度經(jīng)過信號(hào)機(jī)前方的預(yù)告信標(biāo)，接收進(jìn)路開放信息，計(jì)算相應(yīng)的列車運(yùn)行曲線，此時(shí)后車運(yùn)行不受前車影響[8]。

2.3 點(diǎn)式ATC系統(tǒng)最小追蹤間隔時(shí)間計(jì)算

為便于闡述點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下列車最小追蹤間隔的原理，筆者做出以下合理化的假設(shè)。假定列車長度為L列，安全距離為L安，列車制動(dòng)前最大速度為Vmax，前后兩列車都具有相同的啟動(dòng)加速度a、制動(dòng)減速度b，信號(hào)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為t信，停站時(shí)間為t停。

如圖2所示，前行列車出清閉塞分區(qū)并駛過安全防護(hù)區(qū)段時(shí)，后續(xù)列車剛好到達(dá)預(yù)告信標(biāo)接收到前方進(jìn)路開放的信號(hào)，預(yù)告信標(biāo)至信號(hào)機(jī)之間的長度為制動(dòng)距離加制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)所行使的距離，即：

圖2 點(diǎn)式ATC系統(tǒng)列車追蹤運(yùn)行示意圖

在點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下，列車安全間隔時(shí)間T，由以下3部分組成：

（1）t安+t列：當(dāng)列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，其值為：

當(dāng)前行列車出清車站并駛過安全防護(hù)區(qū)段L安所需要的時(shí)間，其計(jì)算分為兩種情況：

a.前行列車駛過防護(hù)區(qū)段加一列車長距離后，達(dá)到最大速度Vmax，即前行列車以加速度a出清車站并駛過距離L安。此時(shí)，則有

b.前行列車駛過防護(hù)區(qū)段加一列車長距離內(nèi)，達(dá)到最大速度Vmax，即時(shí)，前行列車以加速度a運(yùn)行至Vmax，然后以速度Vmax勻速運(yùn)行，共駛過距離 L安+L列。此時(shí)則有

（2） t勻：后續(xù)列車以最大速度Vmax勻速駛過閉塞分區(qū)L閉所需要的時(shí)間，其值為

（3） t制：后續(xù)列車在預(yù)告信標(biāo)以最大速度Vmax制動(dòng)到停穩(wěn)所需要的時(shí)間，其值為

因此，列車在區(qū)間的安全間隔時(shí)間T區(qū)為： T區(qū)=t信+(t安+t列)+t勻+t制，即

列車在車站的安全間隔時(shí)間T站為：T站= t信+t停+(t安+t列)+t勻+t制，即 ：

3 能力影響因素分析

點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下，區(qū)間內(nèi)追蹤間隔可以通過增加信號(hào)機(jī)布點(diǎn)使其滿足要求，從原理上來說，追蹤列車間隔時(shí)間在車站區(qū)域內(nèi)會(huì)較大，即列車追蹤間隔時(shí)間取決于各車站的列車追蹤間隔時(shí)間[9]。因此，重點(diǎn)分析車站追蹤間隔的影響因素。

對于同一條線路而言，列車性能參數(shù)相同，信號(hào)反應(yīng)時(shí)間和停站時(shí)間固定，安全距離長度固定。閉塞區(qū)間長度可通過信號(hào)機(jī)布點(diǎn)進(jìn)行控制。因此，本節(jié)主要分析最高運(yùn)行速度，列車長度對最小追蹤間隔的影響。

為便于分析比較，本文車站停站時(shí)間均假定為30 s，安全距離長度50 m。列車采用通用參數(shù)，列車編組分為4B（80 m）、6B（120 m）、8B（160 m），啟動(dòng)平均加速度1.0 m/s2，常用制動(dòng)減速度0.8 m/s2，緊急制動(dòng)減速度不低于1.2 m/s2。

3.1 最高運(yùn)行速度對列車追蹤間隔時(shí)間的影響

點(diǎn)式系統(tǒng)下為保證運(yùn)營能力，在車站處設(shè)置的閉塞分區(qū)長度一般較短。城市軌道交通運(yùn)行速度等級主要有80 km/h、100 km/h、120 km/h。根據(jù)理論計(jì)算，在最高運(yùn)行速度高于80 km/h的城市軌道交通運(yùn)行中，列車運(yùn)行速度越低，最小追蹤間隔時(shí)間越短，線路通過能力越好。

3.2 列車長度對追蹤間隔的影響

列車長度與最小追蹤間隔時(shí)間成正比。列車長度越短，最小追蹤間隔越小，線路通過能力越好。

4 實(shí)例分析

本次研究選取城市軌道交通中不同速度等級的一些代表線路，包括青島藍(lán)色硅谷線（120 km/h）、北京昌平線（100 km/h）、北京7號(hào)線（80 km/h）進(jìn)行模擬分析。依據(jù)全線線路平縱斷面圖、全線限速表及車輛性能參數(shù)，采用Open Track仿真軟件對列車運(yùn)行過程進(jìn)行建模仿真。并進(jìn)一步延伸假定了更多的列車編組，分為4B（80 m）、6B（120 m）、8B（160 m）進(jìn)行計(jì)算。

信號(hào)系統(tǒng)采用基于計(jì)軸和有源信標(biāo)的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)。進(jìn)路建立時(shí)間5 s，車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間1 s。既有線路信號(hào)布點(diǎn)按照系統(tǒng)降級至點(diǎn)式下3 min布置。

實(shí)例分析選取的3條地鐵線路，并根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中 “系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期最大能力應(yīng)滿足行車密度不小于30對/h”的要求[10]進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此最小追蹤間隔時(shí)間不能大于120 s。列車運(yùn)行過程中會(huì)受到多種因素的干擾，為保證列車能夠按照計(jì)劃運(yùn)行圖到達(dá)，列車實(shí)際間隔發(fā)車比理論發(fā)車間隔時(shí)間長，需添加一個(gè)額外的附加時(shí)間，因此，考慮理論計(jì)算值不應(yīng)大于110 s，在實(shí)際運(yùn)行過程中可滿足規(guī)范要求。

通過計(jì)算，區(qū)間內(nèi)的追蹤間隔可以通過信號(hào)布點(diǎn)使其滿足運(yùn)營能力需求。不同長度的列車在3條不同速度等級的線路上運(yùn)行的最小追蹤間隔時(shí)間主要取決于車站的追蹤間隔時(shí)間。需要增加的信號(hào)布點(diǎn)數(shù)量及不同情況下的最小追蹤間隔時(shí)間如下。

4.1 青島藍(lán)色硅谷線

青島藍(lán)色硅谷線全長約58.35 km，設(shè)置車站22座。線路最高運(yùn)行速度為120 km/h。

在最高運(yùn)行速度為120 km/h的情況下，將進(jìn)站信號(hào)機(jī)盡可能地靠近站臺(tái)邊緣，正線區(qū)間可在4B編組下達(dá)到110 s追蹤間隔時(shí)間，6B編組下達(dá)到120 s追蹤間隔時(shí)間。8B編組列車無法達(dá)到2 min追蹤間隔時(shí)間要求。

為達(dá)到2 min追蹤間隔時(shí)間，需增加信號(hào)機(jī)布點(diǎn)如下：

下行，有16個(gè)區(qū)間需在進(jìn)站處增加信號(hào)機(jī)及相應(yīng)信標(biāo)；有4個(gè)區(qū)間需在區(qū)間增加區(qū)間通過信號(hào)機(jī)。

上行，有16個(gè)區(qū)間需在進(jìn)站處增加信號(hào)機(jī)及相應(yīng)信標(biāo)；有3個(gè)區(qū)間需在區(qū)間增加區(qū)間通過信號(hào)機(jī)。

共增加信號(hào)機(jī)39架。

4.2 昌平線

昌平線線路全長約31.7 km，設(shè)置車站12座。線路最高運(yùn)行速度為100 km/h。

在最高運(yùn)行速度100 km/h的情況下，4B編組列車追蹤間隔時(shí)間在100 s內(nèi)，6B編組列車追蹤間隔時(shí)間在110 s內(nèi)，8B編組的列車達(dá)不到120 s追蹤間隔時(shí)間。

為達(dá)到2 min追蹤間隔時(shí)間，需在原信號(hào)平面布置圖上增加設(shè)備布點(diǎn)如下：

下行，有5個(gè)區(qū)間需在進(jìn)站處增加信號(hào)機(jī)及相應(yīng)信標(biāo)。

上行，有7個(gè)區(qū)間需在進(jìn)站處增加信號(hào)機(jī)及相應(yīng)信標(biāo)。

共增加信號(hào)機(jī)12架。

4.3 北京7號(hào)線

北京7號(hào)線線路全長約22.8 km，設(shè)置車站21座。線路最高運(yùn)行速度為80 km/h。

在最高運(yùn)行速度80 km/h的情況下，4B、6B追蹤間隔時(shí)間均能在110 s內(nèi)。8B編組追蹤間隔時(shí)間在120 s以內(nèi)。

為達(dá)到2 min追蹤間隔時(shí)間，需在原信號(hào)平面布置圖上增加設(shè)備布點(diǎn)如下：

下行，有17個(gè)區(qū)間需在進(jìn)站處增加信號(hào)機(jī)及相應(yīng)信標(biāo)。

上行，有11個(gè)區(qū)間需在進(jìn)站處增加信號(hào)機(jī)及相應(yīng)信標(biāo)。

共增加信號(hào)機(jī)28架。

4.4 對比分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果，得到表1。從表1可以看出，列車運(yùn)行速度越低、閉塞分區(qū)及列車長度越短，最小追蹤間隔越小，線路通過能力越好，與理論計(jì)算模型分析結(jié)果一致。

表1 不同編組列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間對比表

表1中，最小追蹤間隔時(shí)間≤110 s的部分，滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范運(yùn)營能力的要求，可采用點(diǎn)式ATC系統(tǒng)。對于＞110 s的部分，即使增加信號(hào)機(jī)也不能滿足規(guī)范要求，對于2 min運(yùn)營間隔時(shí)間要求的線路不適用。若線路的運(yùn)營能力要求不高，行車間隔時(shí)間要求達(dá)到2 min30 s 以上，則均可考慮采用點(diǎn)式ATC系統(tǒng)。

當(dāng)然，在列車控制系統(tǒng)選擇中，地面設(shè)備的復(fù)雜程度也需要考慮，由于各個(gè)運(yùn)營方對于設(shè)備復(fù)雜程度要求不一，本文僅給出不同線路的地面信號(hào)設(shè)備增加數(shù)量作為參考，建議在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營要求進(jìn)行分析。

5 結(jié)束語

面對日益多樣化的城市軌道交通項(xiàng)目類型，本文以點(diǎn)式ATC系統(tǒng)下列車運(yùn)行原理為依據(jù)，給出列車在最小追蹤間隔時(shí)間計(jì)算模型及其影響因素，通過仿真計(jì)算得出不同速度等級和列車長度下最小追蹤間隔時(shí)間的計(jì)算值及變化規(guī)律，為信號(hào)控制系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。在今后的工作中，應(yīng)更深入的研究列車牽引制動(dòng)全過程，同時(shí)考慮線路參數(shù)對模型的影響，進(jìn)一步細(xì)化模型，使得結(jié)果更能貼近實(shí)際工程，更具說服力。