城市轨道交通线路限速与列车自动防护顶篷速度匹配性设计探讨

施董燕

(上海申通地铁集团有限公司技术中心,201103,上海∥工程师)



城市轨道交通线路限速与列车自动防护顶篷速度匹配性设计探讨

施董燕

(上海申通地铁集团有限公司技术中心,201103,上海∥工程师)

上海城市轨道交通1～10号线的设计速度为80 km/h,但在运营时部分线路列车实际最高运行速度达不到此设计值。这主要是因为车辆、限界、线路、结构、信号等专业之间未能进行充分的匹配,各自都留有安全余量,使得ATP(列车自动防护)顶篷速度设置过于保守,ATO(列车自动运行)速度无法达到线路设计速度,降低了线路的运行效率。基于线路ATO速度能达到80 km/h的设计目标,提出了3个等级的线路限速值以及与ATP顶篷速度匹配的设计思路,在确保仍能实现信号安全防护的前提下,通过提高ATP顶篷速度,来实现设计速度目标。

城市轨道交通; 线路设计速度; 线路限速; 线路曲线临界速度; 列车自动防护顶篷速度; 列车自动运行速度; 匹配性设计

Author′s address Technology Center of Shanghai Shentong Metro Group Co.,Ltd.,201103,Shanghai,China

对于设计最高运行速度为80 km/h的线路,GB 50157—2013《地铁设计规范》中规定旅行速度不宜低于35 km/h[1]。然而上海轨道交通运营线路中,部分线路实际旅行速度达不到此设计要求。这种现象一方面降低了车辆利用率,造成了车辆紧缺,无法适应客流快速增长的需要;另一方面，由于旅行速度降低,配属车需求增加,车辆基地规模预留不够,制约了未来线路运能提升的可实施性。影响旅行速度的主要因素有站间距、停站时间和列车运行速度,对于实际旅行速度达不到设计要求,除实际停站时间比设计长外,最高运行速度达不到80 km/h也是重要原因。GB 50157—2013《地铁设计规范》明确指出,最高运行速度是指列车可以持续运行的速度,说明列车运行时瞬时可以达到的速度并不是最高运行速度。表1给出了上海城市轨道交通1～10号线列车运行速度情况。由表1可见,直线段ATP(列车自动防护)顶篷速度为80～86 km/h,对应的ATO(列车自动运行)速度为75～80 km/h;曲线段ATP顶篷速度为80和86 km/h,对应的ATO速度为70～80 km/h。除了2号线和5号线ATO速度能达到80 km/h外,其他线路直线段和曲线段的ATO速度均不能达到80 km/h。信号有ATP安全防护功能,ATO速度与ATP顶篷速度之间有一定差值,以保证超速防护触发紧急制动后的最大速度不超过顶篷速度,当ATP顶篷速度设置不够高时,ATO速度向下折减后就不能达到80 km/h,降低了线路运行效率。由于曲线段ATP顶篷速度设置和线路限速有关,因此本文基于线路ATO速度能达到80 km/h的目标,研究了线路限速的取值,以及其与ATP顶篷速度的匹配关系,探讨在保证安全的前提下,提高ATP顶篷速度至85 km/h以上的可行性,从而提高ATO速度,以充分发挥线路的运行能力,提高旅行速度,提高车辆利用率。

表1 上海城市轨道交通运营线路运行速度情况表

1 线路限速和ATP顶篷速度匹配性现状

如表1所示,1、2、5号线的ATP顶篷速度约为86 km/h(根据ATP限速80 km/h估算)时,ATO速度基本能达到80 km/h,旅行速度要高于同样站间距水平的线路,基本能达到设计要求的35 km/h;3号线、4号线、6～8号线,10号线的ATP顶篷速度为75 km/h,旅行速度仅在30 km/h左右。分析1～10号线信号限速的设计情况,具体如下:直线段ATP顶篷速度有多种设计,其在3、4号线等于线路设计速度80 km/h,在6～10号线等于线路设计速度80 km/h+5 km/h;1、2号线将线路设计速度80 km/h作为一个门限值,超过门限值触发超速报警,3 s内无制动触发紧急制动,经估算ATP顶篷速度为86 km/h;5号线将线路设计速度80 km/h作为一个门限值,超过门限值1 km/h报警,超过2 km/h采用常用制动,超过5 km/h则紧急制动,经估算ATP顶篷速度为86 km/h。曲线段ATP顶篷速度等于土建限速(1、2、5号线除外),不同的设计院提供给信号供应商土建限速的情况也不同,归纳起来主要有3类:①根据半径和缓和曲线长度的设计,取规范曲线设计表的设计速度;②根据半径、缓和曲线长度和超高的设计,取规范曲线设计表的设计速度和允许欠超高为61.2 mm时两者限速的最小值;③根据半径和超高的设计,取允许欠超高为61.2 mm时的限速值,当计算值大于或等于线路设计速度时,取线路设计速度作为限速值。上面3种土建限速取值方法,无论采用哪一种,土建限速都不会超过线路设计速度,曲线段ATP顶篷速度不应超过土建限速,因此这些线路曲线段的ATP顶篷速度不高于80 km/h。6～9号线曲线段和3、4号线小半径曲线段的ATO速度仅70 km/h,显然将设计速度作为土建限速,提供给信号供应商作为ATP顶篷速度的限值是不合理的。

2 线路限速

上文总结了设计院提供给信号供应商土建限速的取值情况,笔者认为土建限速主要受线路限速控制,研究线路限速的临界取值,可为提高ATP顶篷速度提供支撑。本文结合现行轨道交通设计规范[1-2],《铁路轨道设计规范》[3],以及对国外相关情况[4-5]的调研分析,经研究提出曲线段3个等级的线路限速:①曲线设计速度;②曲线临界速度;③曲线安全性限速。

2.1 曲线设计速度

线路曲线设计速度,是乘客无不舒适或稍有感觉的速度,主要和未被平衡的横向加速度a、超高时变率f、未被平衡的横向加速度时变率β有关。依据《城市轨道交通设计规范》[2],a=0.4 m/s2、f=40 mm/s、β=0.3 m/s3是根据各个城市运营情况的合理取值,三者对应的限值按式(1)～(5)计算,取其最小值即为曲线段设计速度。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中:

v——曲线设计速度，km/h；

R——曲线半径,m;

h——实设超高,mm;

ls——缓和曲线长度,m;

i——超高顺坡率。

2.2 曲线临界速度

线路曲线临界速度是指乘客有明显不舒适的感觉,但可以忍受的上限速度,主要和未被平衡的横向加速度a有关。根据GB 50157—2013《地铁设计规范》a在0.50～0.65 m/s2为“有些不舒适的感觉,但可以忍受”的范围。铁道科学研究院在试验的基础上,将旅客舒适度指数划分为4档:0级,旅客没有感觉,舒适度良好;1级,旅客轻微感觉,舒适度一般;2级,旅客明显感觉,舒适度可以接受;3级,旅客强烈感觉,舒适度不可接受。当舒适度指数为1级时对应欠超高为78 mm(a=0.51 m/s2);为1.5级时对应欠超高为115 mm(a=0.75 m/s2)[4]。德国试验表明,当未平衡离心加速度值为0.65 m/s2时(欠超高99 mm),旅客无不良反应;英国试验表明,当欠超高为168 mm时(未平衡离心加速度值为1.1 m/s2),旅客已有明显感觉但没有不适反应;美国试验表明，当欠超高为176 mm时(未平衡离心加速度值为1.15 m/s2),旅客虽有感觉但没感到不舒服;法国和意大利试验表明,欠超高为130 mm时(未平衡离心加速度值为0.85 m/s2),旅客没有不适感觉[4]。国外铁路绝大多数的未被平衡离心加速度取值在0.50～0.70 m/s2(占11个统计国家的82%),其中多数集中在0.60～0.65 m/s2,对应的欠超高值在92～100 mm[5];中国TB 10082—2005《铁路轨道设计规范》和铁运[2006]146号《铁路线路修理规则》明确未被平衡欠超高不应大于75 mm,困难情况下不应大于90 mm[3]。

综合上述国内外情况、铁路设计规范和地铁设计规范,本文认为城市轨道交通a=0.65 m/s2(对应的欠超高为99.45 mm)作为临界舒适性指标是合理的,a=0.65 m/s2对应的限速即为线路曲线临界速度,按下式计算：

(6)

2.3 曲线安全性限速

线路曲线安全性限速是指车辆不会发生脱轨和倾覆的安全速度。按《铁路轨道设计规范》对于行车平稳性的分析,稳定系数n一般不应小于3,按上海地铁目前所有车型的最不利情况，列车重心高度H=1 800 mm,轨距S1=1 500 mm时,经式(7)计算最大允许的欠超高为208 mm。由于还有其他因素,如风力、车辆不良状况等,《铁路轨道设计规范》规定曲线外轨设计最大超高值不应大于150 mm[3]。因此，建议可取150 mm的最大欠超高作为安全性指标。

(7)

式中:

S1——轨距;

Δh——最大允许欠超高。

安全性限速按式(8)计算:

(8)

2.4 3种线路限速的计算情况

表2为在一定半径、缓和曲线长度和超高设置情况下,规范设计速度与曲线设计速度、曲线临界速度、曲线安全性限速的计算值对比。3种线路限速均要高于规范设计速度,R≥450 m时,曲线临界速度>90 km/h;300≤R<450时,曲线临界速度≥80 km/h。因此对于大部分曲线,本文提出将曲线临界速度与ATP顶篷速度相匹配的设计思路,ATP顶篷速度提高至85 km/h以上都是可行的。

3 ATP顶篷速度与线路限速匹配性设计

3.1 ATP顶篷速度与线路曲线临界速度匹配设计

图1是ATP超速防护控制图,ATP系统检测到超速后，EB(紧急制动)触发,信号发送切牵引指令给车辆(过程A)；车辆收到切牵引指令后，进行切牵引(过程B)；经过惰行(过程C)和车辆紧急制动建立(过程D)，车辆开始保障紧急制动(过程E)，最终列车完成紧急制动。期间EB触发后列车可能达到的最高速度值就是ATP顶篷速度,是超速防护下的一个瞬时最高速度,不是列车持续最高运行速度。因此，按以往设计将ATP顶篷速度等于线路设计速度是不合理的。顶篷速度不应超过车辆、限界、线路、结构等专业对最高速度的限制值要求,理论上ATP顶篷速度只要不超过安全性限速,线路均能保证安全运行。但考虑到城市轨道交通对乘客舒适性的要求较高,顶篷速度应满足临界舒适性要求,因此取曲线临界速度(未被平衡的离心加速度为0.65 m/s2)作为ATP顶篷速度的控制值。ATP顶篷速度除了考虑线路限速,还应考虑车辆、限界、线路、结构等的限制要求。

表2 不同曲线要素下的线路限速值

图1 ATP超速防护控制示意图

3.2 ATO速度与曲线设计速度匹配设计

将ATO速度与曲线设计速度两者进行匹配,能保证列车运行时乘客的舒适性。ATO速度围绕ATO中心速度上下小幅波动,鉴于舒适性指标是在试验基础上得到的理论或经验值,每个国家的取值要求也各不相同,故规范的舒适性指标尚有富余。若将ATO中心速度与线路舒适性限速匹配,仍能保证ATO速度波动范围内的速度满足舒适性要求,本文建议将ATO中心速度与线路曲线设计速度进行匹配。

3.3 ATP顶篷速度与线路限速匹配性设计

(1) 线路最高的ATP顶篷速度根据线路设计速度和车辆紧急制动触发速度来确定。对于80 km/h设计速度的线路,车辆构造速度为90 km/h时车辆紧急制动触发速度为88 km/h,ATP顶篷速度取87 km/h(小于车辆紧急制动触发速度1 km/h),可保证正常情况下ATO速度控制时,不出现车辆触发紧急制动的情况。

(2) 曲线段的ATP顶篷速度等于线路曲线临界速度,当计算值大于等于车辆紧急触发速度时,取车辆紧急触发速度减1km/h为曲线临界速度。

(3) 曲线段的ATP顶篷速度还应考虑线路曲线设计速度对ATO速度的要求。若按照上述两种方式确定顶篷速度后,信号设计仿真时若ATO中心速度高于曲线设计速度,则应降低此曲线段ATP顶篷速度,直到ATO中心速度也能满足线路曲线设计速度的要求,以确保运行过程中乘客的舒适性。

3.4 6号线设计改进方式

按照本文提出的线路限速和信号速度匹配的设计思路,对上海轨道交通6号线的信号设计进行改进,前提条件是6号线的车辆构造速度不低于90 km/h,车辆紧急制动触发速度不低于88 km/h,限界、结构等设计都能满足构造速度的设计要求。如表3所示,经过改进设计后，直线段的ATP顶篷速度从85 km/h提高到87 km/h,则ATO中心速度可从75 km/h提高到77 km/h(假设ATP顶篷速度和ATO中心速度差值为10 km/h,实际情况应以信号供应商的系统设计情况为准)。曲线段的最高ATP顶篷速度从80 km/h提高到87 km/h,和直线段一致,其他小半径曲线ATP顶篷速度取曲线临界速度,半径为300 m的曲线1,经过设计改进后ATP顶篷速度从65 km/h提高到74 km/h。通过设计改进,提高了线路ATO速度,从而可以提高旅行速度,提高车辆的利用率,对于线间距较大的线路,提升能力更加明显。

表3 上海轨道交通6号线直线段与部分曲线段限速设计改进表

4 结语

本文探讨了线路限速的取值以及与ATP顶篷速度的匹配性设计,通过提高ATP顶篷速度来提高ATO速度,使得线路能充分发挥其运行效率,提高旅行速度,进而提高车辆利用率。同时,线路的最高运行速度还需要车辆、限界、线路、结构、信号等专业进行匹配性设计,这有待于今后进一步地系统化研究。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范:GB 50157—2013 [S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2] 上海市建设和管理委员会.城市轨道交通设计规范:DGJ 08-109—2004 [S].上海：[出版者不详],2003.

[3] 中华人民共和国铁道部.《铁路轨道设计规范》:TB 10082—2005，J 448—2005 [S].北京:中国铁道出版社,2005.

[4] 于春华,杨其振.城轨交通曲线未被平衡离心加速度容许值的探讨[J].铁道标准设计,2007(8):20-23.

[5] 刘语冰.道岔构造和设计 [M].北京:中国铁道出版社,1983.

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On the Matching Design of Line Limited Speed and Siganl Speed for Urban Mass Transit

SHI Dongyan

The actual running speed of Shanghai urban mass transit lines can′t achieve 80 km/h when the designed speed is 80 km/h. The most important reason is that the vehicle, clearance, line, structure,signal and other majors haven′t fully matched, each of them containes a safety margin, which makes the ATP ceiling speed setting too conservative and the ATOspeed lower than 80 km/h. Aiming at the target that the ATO speed should arrive at 80 km/h, three levels of line limited speed and their matching with signal speed are proposed. On the condition that the signal safety protection can still be ensured,the design target can be achieved by improving the ATP ceiling speed.

urban mass transit; designed line speed; limited line speed; curve critical speed; ATP(automatic train protection)ceiling speed; ATO(automatic train operation)speed; matching design

U 231+.7

10.16037/j.1007-869x.2017.05.017

2015-06-10)