市域轨道交通区间通过信号机布点原则研究

邓志翔

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥高级工程师)

市域轨道交通区间通过信号机布点原则研究

邓志翔

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥高级工程师)

市域轨道交通信号系统采用基于ETCS (欧洲列车控制系统)-1平台的点式ATC (列车自动控制)系统,其区间通过信号机的布置原则对行车效率具有一定的影响。以最高限速120 km/h的市域轨道交通工程实例为研究对象,通过仿真计算,分析并确定了不同站间距情况下的区间通过信号机的布点原则,为工程建设提供了理论依据。

市域轨道交通; 通过信号机; 布点原则

Author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

基于ETCS(欧洲列车控制系统)-1平台的点式ATC (列车自动控制)系统(也称为ETCS/CBTC (基于通信的列车控制)系统),作为市域轨道交通性价比很高的信号系统方案,正在被越来越多的城市建设方和国内外信号系统集成商所重视和接受[1]。点式ATC系统主要通过轨旁欧式应答器将移动授权和相关信息发送给车辆[2];然后,其车载信号系统可根据移动授权指令来控制列车运行。在站台及接近区域内增设的车地无线双向通信设备,可在列车接近站台时,实时通知列车站台区域的安全状态信息。点式ATC系统具备区间自动驾驶、自动折返、临时限速、精确停车及车门/站台门联动等自动化功能。

作为公交化的运输工具,市域轨道交通行车的安全和效率必须得到保障。作为轨道交通指导和警醒司机的信号设备,信号机的合理布局不仅可提高线路通过效率,优化线路运营能力,而且还可指导信号系统的投资,合理控制工程造价。

1 市域轨道交通的特点

市域轨道交通作为介于城市轨道交通和城际铁路之间的交通运输模式,相比城际铁路更具公交化运营特点。目前国内在建和规划中的市域轨道交通项目众多,包括浙江省十数条市域轨道交通项目(在杭州、温州、台州及金华等城市),以及北京都市圈市域快轨、重庆都市圈市域轨道等,其线路规划总长度已远超城市轨道交通。市域轨道交通具有以下特点:

(1) 行车密度适中，一般线路开通初、近期的行车间隔大于5 min,远期则大于2.5 min。

(2) 平均站间距大，一般大于2.5 km,郊区站间距可达7.0～10.0 km,市区站间距为1.0～2.0 km。

(3) 速度目标值高，线路允许最高运行速度为120～160 km/h[3]。

(4) 旅行速度高,一般大于50 km/h。

2 点式ATC信号机显示方案

根据市域轨道交通站场配线情况,点式ATC系统正线信号机可大致分为进站信号机、出发信号机和区间通过信号机。出发信号机和区间通过信号机的机构类型相同,均采用“黄、绿、红”三灯位机构;进站信号机采用“黄、绿、黄、封、红”五灯位机构。

出发信号机的灯光显示含义为:绿色灯光表示前方至少有2个闭塞分区空闲;黄色灯光表示前方有1个闭塞分区空闲;红色灯光表示禁止列车越过该架信号机;红黄为灯光引导信号显示,表示准许列车以不大于规定速度越过该信号机继续运行,并随时准备停车。

进站信号机的灯光显示含义为:绿色灯光表示列车以不大于站台允许的速度通过车站;黄色灯光(单黄灯光)表示列车经道岔直向进入车站站台停车;双黄灯光表示列车经道岔侧向进入车站站台/存车线停车;红色灯光表示禁止列车越过该架信号机;红黄灯光(或双黄灯光)为引导信号显示,表示准许列车以不大于规定速度越过该架信号机继续运行,并随时准备停车。

区间通过信号机的灯光显示含义为:绿色灯光表示前方至少有2个闭塞分区空闲;黄色灯光表示前方有1个闭塞分区空闲;红色灯光表示禁止列车越过该架信号机;红黄灯光为引导信号显示,表示准许列车以不大于规定速度越过该架信号机继续运行,并随时准备停车。

出发信号机一般设置在距离站台端7 m处。对于无配线车站,进站信号机一般设置在距离站台端8 m处;对于有配线车站,进站信号机一般设置在距离最外方道岔岔尖前基本轨缝外方约7 m处。然而,区间通过信号机的布点则会对行车效率产生一定的影响[4]。

3 区间通过信号机布点原则

点式ATC系统在区间追踪运行实际采用的是固定闭塞方案,以线路限速作为“顶棚”速度。而列车在ATP(列车自动防护)下所能达到的实际最高速度会小于该数值。而每个闭塞分区的长度必须大于列车最高运行速度下的紧急制动距离。

3.1 紧急制动过程

列车的紧急制动模型(如图1所示)包括A→E等5个制动阶段。根据实际工程条件,线路最高限速vmax=120 km/h=33.3 m/s;ATP超速检测最高速度为108 km/h;列车正处于坡度i=3%的下坡道;ATP超速允许量和速度测量偏差都是正误差,则开始制动的实际速度(图中的Y点速度)为112 km/h。正常情况下,列车的紧急制动加速度为1.2 m/s2,但在最不利条件下,列车可保障的最大紧急制动加速度会降低(设为0.8 m/s2)。重力加速度g=9.8 m/s2。

图1 列车紧急制动模型

因此列车在3%的坡道上,从最高速到停车所运行的距离L1=D1+D2+D3+D4+D5=1 238 m。

最后,信号工程设计中针对120 km/h限速的线路,还需要考虑司机对紧急情况的反应时间及系统的响应时间,以及列车位置的不确定性。因此最小闭塞分区长度LEB=1 300 m。

3.2 加速过程

3.2.1 全加速过程

市域轨道交通的列车根据不同的牵引方式、动拖比及轴重有着不同的加速能力。一般而言,当列车速度从0升至40 km/h时,加速度为定值aa=0.8 m/s2;当速度继续增大,则加速度降低,当列车速度从40 km/h升至120 km/h时,加速度ab(t) =1-0.018v(t)。列车加速度和速度关系见图2。

图2 列车加速度和速度的关系曲线

在恒定加速阶段,列车加速的时间t6=v6/a1= 13.9 s,运行距离s6=v2/2a1=77.16 m。此阶段最终速度v6=40 km/h。

在变加速阶段,初始条件为v(t0)=40 km/h ≈11.11 m/s,v(ts)=108 km/h≈30 m/s。由加速度公式可归结微分方程并求等通解,s(t)=c1+c2e-0.018t+t/0.018。根据初始条件可得c1=-2 469.12,c2=2 469.12。经计算得可ts=30.74 s,走行距离s(ts)=658.6 m。

综上所述,完全加速过程需持续t=t6+ts= 45 s,走行距离L=s6+s(ts)≈736 m。

3.2.2 加速出清保护区段过程

为了提高运营效率,并保证列车进站的安全,在出发信号机防护外方一般会设置1个小的保护区段,其长度一般为Dp= 250 m。只有当列车出清了该保护区段之后,进站信号机方可开放。因此,列车从站台出发到完全出清保护区段需走行的距离约为Lp=Lc+Dp+7 m≈397 m(Lc为1列列车长度,取140 m)。那么列车进过恒定加速阶段之后,将在变加速阶段运行400 m-77.16 m≈323 m,耗时18.3 s。

因此,列车出清保护区段则一共需要13.9 s+18.3 s=32.2 s。

3.3 进站减速过程

根据新的《地铁设计规范》,站台区域列车限速为60 km/h,因此,列车在越过进站信号机之前,就需先将速度降低至站台限速(进站信号机内方无道岔区段时),再进站停车。列车的进站停车过程如图3所示。其中,车辆的正常减速度为ad=1.0 m/s2。

图3 列车进站减速过程

通过计算可知,列车由A1至A2点减速运行,距离为311 m,耗时约为13.3 s;列车由A2至A3点匀速运行,距离为8 m,耗时约为0.5 s;列车由A3至A4点减速运行,距离为140 m,耗时约为16.7 s。

因此,从减速点A1到停车点,列车一共行走459 m,耗时约为30.5 s。

3.4 满足最小列车间隔2.5 min运营要求且无区间通过信号机时的最大站间距

根据上文的分析可知列车在加速出站及减速进站等各个阶段所行驶的距离及耗时。假设2个车站之间没有区间通过信号机,列车仍要满足2.5 min的追踪间隔，则只有当车站1的列车出清保护区段之后,车站2的发车信号机才可开放绿灯信号,允许司机发车。此过程如图4所示。根据上文，全加速过程的列车行驶距离为736 m,耗时约为45 s。减速进站的列车行驶距离为459 m,耗时约为30.5 s。进站停车耗时约为25 s。出清保护区段的列车行驶距离为397 m,耗时约为32.2 s。

那么列车可以最高速度匀速行驶的时间为150 s-45 s-30.5 s-25 s-32.2 s=17.3 s,则匀速过程可行驶距离为519 m。

综上所述,当区间不设置区间通过信号机,且满足2.5 min运营要求时,两站站中心最大距离为736 m+519 m+311 m+7 m+8 m+140 m=1 721 m。即当站中心距离小于等于1 721 m时,可不设置区间通过信号机,也可满足列车最小间隔2.5 min的运营要求。

3.5 区间通过信号机设置原则

郊区与市区的市域轨道交通站间距差别较大,因此区间通过信号机的布置原则必须适应不同站间距的需求。如图5所示,站间距Ls为2个车站站中心之间的距离,区间有效长度为车站2的出发信号机至车站1的进站信号机之间的距离Lx。

(1) 当Ls≤1 721 m时,区间可不设置区间通过信号机。

图5 区间无通过信号机

(2) 当1 721 m

图6 区间设1架通过信号机

(3) 当2LEB

图7 一接近区段最长距离

4 结语

一般情况下,市域轨道交通远期规划的行车间隔均不小于2.5 min。点式ATC系统是利用区间通过信号机将区间分割为若干闭塞分区,并以此来保障列车的行车安全和效率。若区间通过信号机设置过多,则会增加信号设备投资,造成运营能力的浪费。若区间通过信号机设置过少或位置不当,则会影响运营能力,难以达到远期2.5 min的行车密度。

本文以最高时速120 km/h的市域轨道交通实际工程条件为例,明确了3种不同站间距情况下的区间通过信号机布置原则,为市域轨道交通信号系统工程设计提供了理论依据。

[1] 杨舟.温州市域轨道交通建设和发展研究[J].铁道工程学报,2013(6):78-82.

[2] 李晶.市域快速轨道交通信号制式的选择[J].城市轨道交通研究,2014(12):57-61.

[3] 赵莹莹,杨中平,林飞,等.城市轨道交通市域快线最高运行速度值研究[J].都市快轨交通,2013(6):43-47.

[4] 张博,钱伟,魏东阁.京广线郑武段区间信号机布置方案探讨[J].铁道通信信号,2010(8):23-25.

Layout Principle of Block Signal Devices in Suburban Rail Transit Sections

DENG Zhixiang

The intermittent signal system of suburban rail transit adopts a one-platform point ATC system based on ETCS(European train control system).In which,the layout principle of block signal devices has certain influence on train running efficiency.Taking a suburban rail transit project with the maximum speed limit of 120 km/h as the research object,a numerical simulation is conducted to analyze and decide the layout principle of block signal devices at different station intervals.This research will provide theoretical support for other similar projects.

suburban rail transit; block signal; layout principle

U 284.1

10.16037/j.1007-869x.2016.12.011

2015-10-28)