影响地铁列车旅行速度和追踪能力的关键因素

易立富

易立富:中铁二院工程集团有限责任公司 高级工程师 610031 成都

作为城市轨道交通运输系统中的主要交通方式，地铁运输能力将决定其服务水平。地铁列车的旅行速度和追踪能力更是衡量其运输能力的重要指标，它体现了地铁系统的运行效率、实时性和快捷性。

1 基本概念

平均服务旅行速度是指列车从起点站发车至终点站停车的平均运行速度，即列车在轨道上单向运行所经过的路程与所消耗时间(包括所有中间站停站时间，不含起点站和终点站停站时间)的比值。平均服务旅行速度的计算公式为:

Vf=S/Tf

其中，Vf表示平均服务旅行速度，S表示始发站和终点站中心里程的差值，Tf表示运行时间加停站时间(不含起点站和终点站停站时间)。因此，列车运行速度和停站时间是决定旅行速度的关键因素。

列车追踪能力通常用列车追踪间隔指标来体现。列车追踪间隔是指在同一运行方向上的前后两列连续运行列车依次经过轨道上同一点的最小运行时间间隔，该间隔应不致使后续列车的运行速度受到前方列车正常服务表现的限制。地铁正线列车追踪间隔由站间追踪间隔、站台区追踪间隔和折返追踪间隔三者中的最大值决定，通常折返追踪间隔是制约全线列车追踪间隔的关键。

2 关键因素分析

地铁列车旅行速度和追踪能力的完美实现，涉及到设计、施工、安装、调试、运营等各个环节，最为关键的是在设计环节，需重点协调处理好线路、行车、土建、车辆、信号控制等方面的问题，并按照设计环节确定的方案、功能及性能要求，进行土建设施施工与机电设备的制造、安装和调试。基于信号和车辆系统对列车的控制机理，结合对各环节相关专业接口方案配合的梳理及分析，提炼出以下影响地铁列车旅行速度和追踪能力的关键因素。

2.1 线路及土建工程因素

影响地铁列车运行速度和追踪能力的线路及土建工程因素包括:线路配线、线路曲线、轨道超高、道岔类型、站台区土建限速、终点站车站端部至线路尽头的长度等。其中线路曲线半径和轨道超高决定的曲线段土建限速、道岔类型决定的侧向过岔土建限速和站台区土建限速，将直接影响信号控车最高允许运行速度。在平坡地段的土建限速与信号控车最高允许运行速度的速度差值约为10 km/h，如图1所示。

图1 土建限速与信号控车最高允许运行速度的关系图

1．线路曲线和轨道超高。它们决定了列车通过该曲线段线路的允许最高运行速度。在设置相同的轨道超高条件下，线路曲线半径越小，土建限制速度值越低;在相同的线路曲线半径条件下，轨道超高设置越低，土建限制速度值也越低。线路曲线和轨道超高决定的土建限速是构成列车通过此段线路的顶棚安全限速，因此，它们将直接影响列车的最高运行速度，从而间接影响列车的运行时间和旅行速度。

2．线路配线和道岔类型。折返站的线路配线形式和道岔类型是影响折返间隔(折返追踪能力)的2个关键因素。

折返站选择的道岔类型主要有:9号直线尖轨、9号曲线尖轨和12号道岔。参照相关规范，其对应的道岔侧向限速分别为30 km/h、35 km/h和45 km/h，这些速度值将决定列车最高侧向过岔速度。道岔侧向过岔速度越高，则列车折返运行所需时间越短，列车的折返追踪能力越高。

列车交路折返站的功能和折返能力要求，将关系到其配线形式。不同的车站配线形式，其列车折返作业程序(如图2所示典型站前折返和站后折返案例)及列车折返走行距离(如图3所示典型站后折返兼车辆段接轨站案例)也不同，从而导致折返追踪能力的差异。

图2 典型站前折返和站后折返车站配线图

从图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种折返方式。站后折返可采用Ⅰ股道站后或Ⅱ股道站后2种折返方式。为提高折返追踪能力，站前折返通常选用Ⅰ、Ⅱ股道交替折返作业方式;站后折返通常选用Ⅱ股道站后折返作业方式。由于站前和站后折返作业程序及径路不同，站后Ⅱ股道折返的追踪间隔通常小于站前Ⅰ股道和Ⅱ股道交替折返追踪间隔。

从图3看出，同为站后折返兼车辆段接轨站，配线形式一的折返列车在进入折返轨后，需越过道岔A方能折出。配线形式二的折返列车在进入折返轨后，需越过道岔B方能折出，在选择相同道岔类型的前提下，配线形式二的折返列车走过的距离通常会大于配线形式一，从而导致配线形式二的折返间隔大于配线形式一。

图3 典型站后折返兼车辆段接轨站配线图

3．站台区土建限速。此限速主要由站台区域线路建筑限界、屏蔽门抗风压参数等因素决定。对于最高列车运行速度80 km/h的线路，有些工程站台区土建限速定为60 km/h，这个限速将影响列车进站停车的速度控制。为保证列车在最不利情况下的进站端最高速度不超过60km/h，信号系统将提前采取制动措施，将列车进入车站端口的速度控制在50 km/h左右。对于120 m的车站站台，若列车(B型车)进站采用恒定的常用制动率一次性制动停车，则列车进入车站端口的速度约为55 km/h。可以看出，60 km/h的站台区土建限速将迫使信号系统采取2次制动控制列车进站停车，降低了列车进站速度，增加了进站运行时间，从而导致全线旅行速度降低和车站追踪间隔增大。

4．终点站车站端部至线路尽头线路长度。终点站车站端部至线路尽头的线路段如图4所示。

图4 终点站车站端部至线路尽头距离示意图

基于不同的车辆参数，不同信号厂商的控制系统对终点站车站端部至线路尽头的线路长度要求也不一样。当线路长度达不到信号控制列车以最高速度进站停车的安全保护区段长度要求时，信号系统一般采取降低终点站列车进站速度的方式来确保安全，这将增加进站运行时间，从而导致全线旅行速度和终点站折返能力降低。

2.2 行车组织因素

1．列车交路。对于设置大小列车交路套跑的线路，小交路折返站位于线路中间，其折返作业将影响大交路列车的运行顺序和间隔，从而影响大交路列车的旅行速度和追踪能力。

2．停站时间。它是指从列车进站停稳至列车重新启动所需要的时间，即从车轮停止转动至再次启动时所需要的时间。它主要由列车开关门技术时间和乘客上下车时间构成。停站时间是计算全线旅行速度、中间车站追踪间隔和折返站折返追踪间隔的一个主要参数。停站时间越长，则列车单向运行的时间越长，平均服务旅行速度就越低。中间车站停站时间越长，则车站追踪间隔越大;折返站停站时间越长，则折返追踪间隔越大;车站追踪间隔和折返追踪间隔越大，则该线的列车追踪能力就越低。

2.3 车辆因素

影响地铁列车旅行速度和追踪能力的车辆参数主要包括:全常用制动率、可保障紧急制动率、牵引切断时间、紧急制动建立时间(惰行时间)、车辆结构速度和列车长度等。具体分析如下。

车辆结构速度与土建限制速度一样，将作为列车运行的顶棚安全限速，信号系统需确保各种最不利条件下，列车瞬间最高运行速度也不超过车辆结构速度。车辆结构速度越高，则信号允许最高运行速度也越高，全线旅行速度也越高。

车辆全常用制动率和列车长度将对车站追踪间隔产生影响，车辆全常用制动率越小，列车进站运行时间越长，车站追踪间隔中的接车时间也越大;列车长度越长，则列车出站出清安全保护区段所用时间越长，车站追踪间隔中的发车时间也越大。因此，由接车时间、停站时间和发车时间构成的车站追踪间隔也会越大。由于运行时间的增加，也会导致全线旅行速度降低。

车辆可保障紧急制动率的大小将直接影响信号系统安全保护区段长度，可保障紧急制动率越大，信号系统安全保护区段长度越短，则列车追踪间隔越小，线路追踪能力越高。

当列车实际速度超过了紧急制动触发速度，列车将经历失控加速、惰行和紧急制动3个阶段。列车的失控加速时间由车辆牵引切断时间和车载信号ATP设备反应时间构成，车辆牵引切断时间越长，列车的失控加速时间也越长，根据IEEE-1474.1标准定义的典型安全制动模型(如图5所示)，则列车失控加速的上冲速度值越高。为确保列车运行安全，车辆牵引切断时间过大将迫使信号系统降低列车紧急制动触发速度、ATP防护速度和最高运行速度，从而导致全线旅行速度降低。紧急制动建立时间(惰行时间)越长，则列车安全制动距离越长，列车追踪安全间隔也将越大，线路追踪能力越低。

2.4 信号控制因素

1．ATP子系统性能。信号ATP子系统是确保列车安全运行的关键系统，它负责列车的速度测量、位置确定、倒溜防护和超速防护等。影响地铁列车旅行速度和追踪能力的信号ATP子系统性能因素主要包括:最大列车定位误差、倒溜防护距离、速度测量误差、车载信号ATP设备反应时间等。最大列车定位误差和倒溜防护距离作为列车安全间隔的构成要素，其值越小则列车追踪安全间隔越小，线路追踪能力也越高。

图5 典型的列车安全制动模型图

车载信号ATP设备反应时间与车辆牵引切断时间共同构成列车失控加速时间，其对全线旅行速度和列车追踪间隔的影响，同上述对车辆牵引切断时间的分析。

根据图5所示，速度测量误差将直接决定紧急制动触发速度与ATP防护速度，以及ATP防护速度与最高实际运行速度之间的速度差值，速度测量误差越大，则三者间的速度差值越大;在相同的土建限速情况下，若速度测量误差越大，则推荐最高运行速度越小，导致全线旅行速度和追踪能力降低。

2．信号系统技术处理时间。它包括联锁处理时间(含进路建立时间)、ATS系统处理时间、数据通信时间、车载设备换端时间等。信号系统技术处理时间越小，构成全线列车运行的技术作业时间也越小，列车总运行时间将减小，全线旅行速度得以提高。另外，信号系统技术处理时间作为构成站间追踪间隔、站台区追踪间隔和折返追踪间隔的一部分，系统技术处理时间越小，则列车追踪间隔越小，线路追踪能力越高。

2.5 其他因素

1．列车运行调度指挥管理模式。列车运行调度指挥包括中心级管理和车站级管理2种模式。正常情况下，调度指挥由控制中心集中自动管理;当中心级的管理功能失效时，授权车站级负责列车运行的指挥和管理。中心级集中自动化管理能实时获取全线的列车运行状态信息、线路和设备信息，缩短技术作业时间和管理协调时间;而车站级管理则不具备中心级管理的全部自动化功能，大量技术作业需人工联系协调办理，故其所需的技术作业时间和管理协调时间较长。因此，控制中心自动化管理将缩短全线列车总运行时间，从而提高全线旅行速度。

2．列车驾驶模式。地铁正线可采用ATO(自动运行驾驶模式)和ATP(ATP监控下的人工驾驶模式)2种驾驶模式。ATO模式由系统自动控制列车运行，ATP模式是在ATP系统的防护下由司机人工驾驶。ATP模式下的列车速度和停站等控制均由司机人工完成，列车运行速度和相关作业时间受司机的经验、熟练程度和反应时间等因素影响，故司机驾驶水平也是影响列车旅行速度和追踪能力的因素之一。

3 结束语

综上所述，地铁列车的旅行速度和追踪能力除受线路及土建工程、行车组织、车辆和信号控制等相关因素直接影响外，还与运行调度指挥管理模式及驾驶模式有关。为了使地铁列车的旅行速度和追踪能力满足线路运营要求，需在地铁建设的各阶段对上述因素予以关注，理清它们与旅行速度和追踪间隔的内在联系，尤其应在设计阶段对相关专业与系统决定运营能力的方案和参数进行优化完善，协调处理好彼此制约的接口因素，使其相互匹配、合理可行，方能确保线路的运营服务水平达到最优。

［1］中华人民共和国建设部．建标104-2008．城市轨道交通工程项目建设标准［S］．2008．

［2］中华人民共和国．GB/T12758-2004．城市轨道交通信号系统通用技术条件［S］．2004．

［3］中华人民共和国．GB 50157-2003．地铁设计规范［S］．2003．