城市轨道交通信号系统填充距离的研究

孙 磊，王宜纯，孟凡超，安建燕

（中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081）

1 概述

近年来城市轨道交通发展迅速，对列车运行安全、高效、舒适的运营需求催生了新一代信号系统——基于通信的列车运行控制系统 (CBTC)，集合了通信、信息、列车控制等技术，提高了列车控制的自动化水平，列车运营间隔缩小到 90 s，大大提升了运输效率[1]。CBTC系统有连续通信式列车控制模式、点式列车控制模式、联锁级列车控制模式 3 种控制等级，支持不同控制等级的列车混线运行[2]。列车在站间运行的理想模型为出站一次性牵引加速，惰性运行，一次性制动到站停车。点式控制模式的列车只能通过线路上点式分布的有源应答器获取移动授权，按照固定闭塞方式运行，列车在区间运行的效率和平稳性与信号机设置及填充距离直接相关。

填充距离指填充应答器所在位置与其关联的区间信号机间的距离。填充应答器属于有源应答器，与区间信号机配套设置，用于向点式控制模式列车提前预告以其关联信号机为始端的进路信息，使列车在区间信号机前不停车连续运行。点式模式列车运行控制原理如图 1 所示，当点式控制模式列车接近时，联锁设备将进路开放信号传给轨旁电子单元 (LEU)，由 LEU 生成可变报文发送给相应的主信号应答器和填充应答器，当列车经过有源应答器时，车载应答器传输模块(BTM) 利用电磁感应效应通过非接触的方式实现与地面应答器天线之间的能量和数据传输，获取应答器报文传给车载设备 (VOBC)，VOBC根据报文中的进路信息，结合车载电子地图中的参数，计算移动授权的终点，生成新的制动曲线，控制列车平稳运行[2-5]。

当填充距离不足时，列车按照以信号机 S2 为停车点的制动曲线先减速运行，待越过填充应答器 IB2 后再加速运行，直到下一停车点停车。此过程不能满足一次性制动的用户需求，增加列车运行时牵引制动的次数，不仅降低客乘的舒适性，也不利于节能降耗[6]。通常区间信号机为缩小追踪间隔或增加道岔防护而设置，位置相对固定，因而填充距离更多受制于填充应答器的位置，而填充应答器的位置选取受以下 3 个条件制约。

图1 点式模式列车运行控制原理Fig.1 Principle of intermittent train operating control

图2 应答器布置示意图Fig.2 Diagram of the layout of balises

（1）填充应答器的位置不能设置在同方向上一架信号机的前方，否则会产生严重的安全问题。应答器布置示意图如图 2 所示，如果有列车停在信号机 S2 前，且信号机 S2 已经开放，填充应答器 IB2如果设置在信号机 S3 的前方，此时若有列车越过IB2 会闯红灯 (信号机 S3)，可能追尾前方列车。

（2）前方信号开放时列车经过填充应答器不能减速。须计算列车以区间信号机为停车点运行时的减速点，将填充应答器设置在减速点之前，既填充距离应大于列车常用制动的距离。

（3）与列车追踪间隔相关。在图 2 中，如果IB2 过于远离减速点，使得 IB2 与前方车站出站保护区段远端计轴点之间的列车运行时间：T ＞点式追踪间隔，极易造成追踪列车越过 IB2 时信号机 S2还未开放，而列车必须在信号机 S2 前停车，从而失去设置填充应答器的意义。因此，填充应答器的位置应考虑追踪间隔限制点制约。

2 城市轨道交通信号系统填充距离的研究

2.1 问题分析

由于填充距离受站场信号机设置和填充应答器设置条件的严格制约，在城市轨道交通中常会遇到填充距离不足的情况，以重庆轨道交通 10 号线一期工程为例进行分析，该线路共设车站 19 座，其中有岔站 13 座，站型多样，在多个有岔车站出现 2架信号机距离较近的情况，使得其中一架信号机的填充应答器的填充距离不足。典型车站中央公园站信号设备布置如图 3 所示。

图3 中央公园站信号设备布置图Fig.3 Signaling equipment at the central park station

中央公园站设有站后折返轨，信号机 S6 为折返阻挡兼区间通过信号机，兼顾信号机 S2 向信号机S6方向发车的需要，信号机 S6 的填充应答器 IB6须设置在道岔前方。列车从 S4 发车以S6 为终点运行时的减速点位置计算公式为

式中：X 为站台列车停车点至减速点的距离；V0为列车从站台启动的初始速度；V1为列车运行至减速点的速度；a1为此段列车运行的加速度；t1为此段列车运行时间；Y 为减速点至信号机 S6 关联计轴点的距离；V2为列车在信号机 S6 前停车的速度；a2为此段列车运行的减速度；t2为此段列车运行的时间。

计算可得 X ≈ 93 m，即减速点位于道岔后方，对于直向运行的列车，IB6 的填充距离不足。而从信号机 S2 走道岔侧向发车，车速较低，制动距离短，IB6 的填充距离可满足要求。

民心佳园站进站前的两架区间信号机 S3，S9距离较近，信号机 S3 的填充应答器 IB3 须设置在道岔后方，民心佳园站信号设备布置如图 4 所示，列车以信号机 S3 为终点运行时的减速点计算公式为

式中：Z 为减速点至信号机 S3 关联计轴点的距离；t 为此段列车运行时间；a 为此段列车运行的减速度；V 为列车运行到减速点的速度。

计算可得 Z ≈ 675 m，因而填充应答器 IB3 的填充距离不满足要求。

图4 民心佳园站信号设备布置图Fig.4 Signaling equipment at the minxinjiayuan station

2.2 解决方案

填充距离的不足制约了信号系统的整体性能，为解决此问题提出以下解决方案。

2.2.1 减少信号机设置

减少区间信号机设置可完全消除填充距离不足产生的影响。信号机的设置可以减小追踪间隔，过多设置会限制点式控制模式的列车在区间运行的最高速度，降低列车运行效率[7]。图 3 中信号机 S6为站后折返阻挡信号机，不是为减小追踪间隔而设置，如果取消在类似站形的车站作站后交路折返的需求，则可取消信号机 S6。图 4 中信号机 S3 为岔后防护信号机，兼有车站防护功能，而信号机 S9距离车站较近，取消信号机 S3 不会影响列车追踪间隔，在地铁运营中，列车作业方式主要是追踪运行，作业方式简单，可用信号机 S9 对其后方道岔及车站进行防护，用其替代信号机 S3。

该方案可简化系统设计，降低建设和维护成本，消除填充应答器填充距离不足的弊端。

2.2.2 主信号应答器兼做填充应答器

两架相邻的同方向区间信号机，在第 1 架信号机的主信号应答器报文中加入第 2 架信号机填充应答器的报文，让其兼做填充应答器，实现填充功能。此方案不需再设置第 2 架信号机的填充应答器，当列车越过第 1 架信号机的主信号应答器时，可同时获取以第 2 架信号机为始端的进路信息。

用主信号应答器兼做填充应答器是从软件处理的角度出发，通过调整应答器报文发送机制来实现，以图 3 为例，用主信号应答器 VB4 兼做信号机S6 的填充应答器，VB4 的报文发送机制如表 1 所示。

该方案在保留信号机设置不变的情况下，发掘系统潜能，通过软件的调整解决填充距离不足的问题，减少填充应答器设置。

3 应用分析

在信号系统的工程设计中，信号机的设置通常在设计联络中由各方协商确定，填充距离不足时，在信号机不能减少的情况下，可采用上节描述的解决方案二，其应用效果以重庆轨道交通 10 号线的典型站为例进行分析。

（1）中央公园站。中央公园站的实际站场布置以图 3 为例，取消填充应答器 IB6，用主信号应答器 VB2、VB4 兼做信号机 S6 的填充应答器，通过仿真牵引计算可知调整后中央公园站至中央公园西站的追踪间隔变为 159 s，满足点式追踪间隔要求，仿真牵引计算截图如图 5a 所示。

该站为临时交路折返站，用主信号应答器兼做填充应答器不影响站前折返及站后折返的限制点[8]，对折返间隔没有影响，同时解决了填充距离不足的问题，保证了正向列车追踪作业的平稳运行。

（2）民心佳园站。民心佳园站的实际站场布置以图 4 为例，取消填充应答器 IB3，用主信号应答器 VB9 兼做信号机 S3 的填充应答器，填充距离增加了 40 m，但 VB9 的位置与以信号机 S3 为终点的列车减速点相差较多，未完全解决填充距离不足的问题，当连续运行时列车制动距离相应减少 40 m，最大限度降低填充距离不足产生的影响。从图 5b仿真牵引计算可知，调整后三亚湾站至民心佳园站的追踪间隔为 103 s，仍然满足点式追踪间隔要求。

表1 VB4 的报文发送机制Tab.1 Mechanism of the VB4 signaling system

图5 仿真牵引计算截图Fig.5 Screenshot of the traction calculation simulation

4 结束语

在城市轨道交通中，受站场条件和信号机设置的限制，造成信号系统部分填充应答器的填充距离不足，致使点式控制模式的列车产生不合理的牵引制动，影响列车的平稳性和客乘舒适性，以及信号系统的整体性能。因此，研究用主信号应答器兼做下一架信号机的填充应答器的方案，结合重庆轨道交通 10 号线典型车站进行详细分析，通过调整主信号应答器的报文发送机制实现填充功能以解决填充距离不足的问题，故此方案的应用效果与主信号应答器的位置密切相关。主信号应答器兼做填充应答器的方案提供一种新的问题处理思路，在实际站场形式和信号机设置的制约下，可以最大限度降低填充距离不足对信号系统整体性能的影响，从而为工程设计人员解决类似问题提供参考。

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