列車自主運行系統(tǒng)下城市軌道交通線路配線需求研究

陳紹文

(卡斯柯信號有限公司， 200072, 上?！胃呒壒こ處?

目前，城市軌道交通線路的信號系統(tǒng)設計主要是基于傳統(tǒng)CBTC (基于通信的列車控制)進行，該技術已較為成熟。TACS(列車自主運行系統(tǒng))作為城市軌道交通信號系統(tǒng)的新制式，是城市軌道交通技術研究的熱點之一。TACS的應用仍較少，已投入運營的TACS線路有深圳地鐵20號線，正在實施的項目有上海軌道交通3號線、4號線信號系統(tǒng)改造項目等。由此，基于TACS線路的配線設計研究也相對較少，并未形成行業(yè)標準。本文根據TACS的特征及FAO(全自動運行)技術，對TACS線路的配線設計進行研究。

1 TACS區(qū)別于CBTC的特征

在進行線路配線研究之前，有必要先分析TACS的特征，并與傳統(tǒng)CBTC進行對比：

1) TACS不再配置聯鎖系統(tǒng)。因此，采用TACS的線路，其軌道不再需要劃分物理區(qū)段，軌道電路或計軸也隨之被取消。傳統(tǒng)CBTC對各個功能區(qū)段進行劃分及計軸點設置等原則在TACS中也不再適用。

2) 與CBTC線路相比，TACS線路的安全防護距離更短。這直接體現在軌道末端、庫線長度、停車點距離道岔/警沖標等距離的減少。

2 安全防護距離

由于安全防護距離直接影響到線路配線長度，本文對CBTC和TACS兩種信號制式下的安全防護距離要求作詳細說明。

2.1 安全防護距離的基本概念

安全防護距離為列車在最不利條件下停車點與ATO(列車自動運行)停車點之間的距離。圖1為在給定線路參數和車輛參數情況下的安全防護距離仿真結果示例。只有在安全防護距離大于25.85 m時，列車才能實現在設定的ATO停車點精確停車。

2.2 安全防護距離對列車折返效率的影響

2.2.1 CBTC下安全防護距離對折返效率的影響

本文設定CBTC線路的仿真條件如下：①列車(車長140 m)在站臺停車；②列車以最高限速(35 km/h)通過道岔反位后駛入折返線；③從站臺停車點至折返線停車點的距離設定為270 m，其站型如圖2所示。

注：ATP——列車自動防護；dA——EB(緊急制動)觸發(fā)曲線下停車點到防護終點的距離；dA+dB——ATO目標停車點到防護終點的距離；dA+dB+dC——ATO實際停車點到防護終點的距離。

圖2 列車站后折返時的安全防護距離示意圖

基于上述仿真條件，本文測算了CBTC線路不同安全防護距離下的列車入折返線耗時(從站臺發(fā)車至駛入折返線停穩(wěn)的時間)，其結果如表1所示。

表1 安全防護距離與列車入折返線耗時對照表

仿真結果表明：①安全防護距離從10 m增大到50 m時，列車折返效率的提升較明顯；②當安全防護距離由50 m增大至60 m時，列車折返效率提升微乎其微；③安全防護距離大于60 m時，對列車折返效率不再有影響。由此可知，CBTC線路的安全防護距離越大，列車入折返線耗時越短，列車折返效率越高。設計時一般要求列車進站或折返時的安全防護距離大于50 m。

2.2.2 TACS下安全防護距離對折返效率的影響

TACS線路的仿真條件與CBTC線路完全一致。表2為不同安全防護距離下TACS線路列車站后折返時間仿真結果。仿真結果表明：①安全防護距離為22 m時，列車站后折返時間為91.0 s；②安全防護距離由22 m增加到30 m時，列車站后折返時間減少了3.0 s；③安全防護距離由30 m增加到40 m時，列車站后折返時間減少了1.5 s；④安全防護距離由40 m增加到50 m時，列車站后折返時間減少了0.9 s。若再增加安全防護距離，列車站后折返時間的減少值將小于1.0 s。

表2 不同安全防護距離下TACS線路的列車站后折返時間

由此可知，TACS線路的安全防護距離越大，列車站后折返時間越小。TACS下安全防護距離由22 m增加至40 m時，列車折返效率的提升較為明顯；安全防護距離大于40 m時，其數值再繼續(xù)增加，對列車折返效率的影響并不大。因此，建議TACS線路的安全防護距離設為40 m。

2.2.3 相同安全防護距離下CBTC線路和TACS線路列車站后折返時間對比

本文對安全防護距離為50 m時兩種信號制式下的列車站后折返時間進行對比，其仿真結果如表3所示。當安全防護距離為50 m時，CBTC線路列車站后折返時間為108.0 s，TACS線路列車站后折返時間為85.6 s。由此可知：與CBTC相比，TACS下的列車折返效率更高。在達到同樣折返時間的情況下，TACS所需要的安全防護距離更短。

表3 TACS線路和CBTC線路列車折返時間對比

3 TACS下城市軌道交通線路配線設計

本文基于以下前提條件TACS下城市軌道交通線路的配線設計進行研究：①采用啟驥TACS系統(tǒng)；②研究對象為城市軌道交通線的地下區(qū)段；③線路的最高限速為85 km/h，站臺區(qū)域最高限速為60 km/h；④列車緊急保障制動率為0.85 m/s2；⑤列車的懸長(第一輪對至車端的距離)為4.5 m，2個輪對的間距為2.5 m。

3.1 停車場庫線設計

自動化場段作為FAO項目的標準配置，其重點關注的設計內容為自動區(qū)域的劃分、停車庫線長度設置、停車庫地道設置、門禁系統(tǒng)、工作人員防護分區(qū)設置、列檢庫行走路線及登車平臺設置等。基于CBTC的自動化場段設計目前相對較成熟，國內已投入運營的自動化場段也較多。如果自動化場段改為基于TACS設計，則可沿用一部分的設計方案，其余設計方案可在CBTC基礎上進一步優(yōu)化。其中，最重要的優(yōu)化項目是停車庫線長度的優(yōu)化。

本文以雙列位庫線為例予以說明。如圖3所示，d11為列車1車端與車擋的距離；d12為列車1的長度；d13為列車1和列車2的間距；d14為列車2的長度；d15為列車2車端與計軸點的距離。

圖3 自動化場段內雙列位庫線長度示意圖

CBTC下自動化場段的庫線長度要求2列車的間距不小于20.0 m，列車車端與車擋的距離不小于15.0 m，即d11≥15.0 m、d13≥20.0 m。與CBTC線路相比，TACS線路列車緊急制動耗時更少。按照IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)發(fā)布的IEEE-1474標準對安全制動模型的定義，TACS線路下列車所需要的安全防護距離要求比CBTC線路更短，在TACS線路實際的工程設計中，只需要d11≥12.0 m、d13≥15.0 m，即可滿足列車自動入庫精確停車要求。

3.2 正線存車線設計

以圖4所示的站型為例，正線存車線設計時主要考慮的因素包括站臺端至出站信號機的距離d22、計軸點至道岔警沖標的距離d23及停車點(停車站設置于站臺端)至軌道末端的距離d24。

注：d21——站臺長度。

CBTC線路中，考慮列車停車誤差和司機瞭望，d22一般取值為5.0 m；考慮后溜距離、列車懸長及2個輪對間距要求，d23≥9.5 m；考慮列車停車安全防護距離要求，d24≥40.0 m。而在TACS線路中，只需d23≥5.0 m、d24≥30.0 m即可滿足要求，此時d21、d22可參照CBTC線路取值。

3.3 正線折返線設計

本文以圖5所示的列車站后折返站型為例，對正線折返線設計進行說明。圖5中，d31為站臺停車點至計軸點距離；d32為停車點至軌道末端的距離；d33為計軸點至基本軌縫的距離；d34為停車點至計軸點/信號機的距離；d35為列車車長；d36為安全防護距離。

圖5 站后折返線設計示例

1) CBTC線路中，只有前車出清防護區(qū)段后方才允許為后車辦理站臺接車進路，因此，列車進站需要建立防護區(qū)段，防護區(qū)段一般選擇出站道岔的側向，要求d31≥50.0 m，以最大限度提高列車的進站效率及列車折返效率。而TACS線路對d31不再有嚴格的限制。

2) CBTC線路中，如果接車防護區(qū)段建立在出站道岔的定位，一般要求d32≥50.0 m。而在TACS線路中，在列車進站停車不需要折返的情況下，如果停車點至出站道岔岔尖的距離大于15.0 m，出站道岔可以不鎖閉。即使在道岔資源申請為定位鎖閉的情況下，在不影響進站效率時也只需d32≥30.0 m，這相較于CBTC線路減少了20.0 m。

3) TACS線路中，因不再配置計軸設備，由此不需要考慮d33。

4) CBTC線路中，考慮列車的后溜距離(2.5 m)和計軸漏計1個輪對(2個輪對間距 2.5 m)的可能性，一般取d34=5.0 m。TACS線路中，因不需要考慮計軸的影響，可取d34=2.5 m。

5)d35為車長，CBTC線路和TACS線路中該參數的取值相同。

6) CBTC線路中，為提升列車折返效率，按站后折返間隔為120 s進行設計時，一般取d35=50.0 m。TACS線路中，若線路折返時間取值與CBTC相同(均為120 s)，可取d35=30.0 m。實際上，根據表2中的仿真結果，在安全防護距離為30.0 m的條件下，TACS下線路折返時間可以控制在90 s以內。

3.4 轉換軌設計

CBTC線路中，轉換軌用于列車由停車場進入正線后模式的升級轉換，同時列車也在轉換軌處匹配正線運行時刻表。如圖6所示，CBTC線路自動化車場下轉換軌長度由d41和d42兩部分組成，其中：d41為停車場邊界至列車車端的距離；d42為列車長度加上車端距離計軸點的長度。為了列車能在轉換軌上完成列車識別，d41應小于線路上最小工程車車長；d42一般為列車長度加上5.0～6.0 m。而對于CBTC線路的非自動化場段，為了避免場段區(qū)段占用對正線造成影響，一般在轉換軌與停車場之間再增加1個計軸區(qū)段。

圖6 CBTC線路轉換軌配線圖

如圖7所示，TACS線路中由于列車識別由車載子系統(tǒng)負責管理，不再需要軌旁設備，因此也不再需要配置物理上的轉換軌來完成列車識別任務。由此，只需要在系統(tǒng)數據中配置1段虛擬轉換軌(長度為d41)即可，在線路設計時無需特殊考慮d41的取值。

圖7 TACS線路虛擬轉換軌配線圖

4 結語

本文基于TACS線路和CBTC線路的特征，對城市軌道交通線路前期配線設計進行研究，重點對停車場庫線、正線存車線、正線折返線和轉換軌等配線設計進行了對比分析。通過分析可以看出，TACS線路對配線的要求更低。如果新建的城市軌道交通線路擬采用TACS，可以在確保運營效能不降低的基礎上進一步降低土建成本。

對于既有線信號系統(tǒng)更新改造工程而言，由于配線已經無法再變動，因TACS對配線的要求更低，采用TACS可更容易滿足工程需求。尤其是將既有線信號系統(tǒng)改造為FAO系統(tǒng)時，由于TACS對停車場庫線的長度要求比CBTC短得多，其優(yōu)勢更為明顯，因此可在最大程度上減少停車場配線改動的工程量。