基于车车通信的城市轨道交通列车控制系统折返能力分析

吴殿华 范永华 李 聪

(广州地铁设计研究院股份有限公司，510010，广州 ∥ 第一作者，高级工程师)

城市轨道交通列车控制系统(以下简为“列控系统”)性能关键指标包括正线追踪能力、折返能力及平均旅行速度等。不同制式城市轨道交通的列控系统，正线追踪能力并无明显差异，而折返能力各有差异，这往往成为线路运能的瓶颈。

1 列车折返过程及影响折返能力的因素

1.1 列车折返能力

列车折返过程主要包括站台接车、进折返轨和出折返轨。如图1所示，P为列车进站的干扰点，A点为列车进站停站的位置，B点为列车在折返轨换端的位置，C点为折返完成后停站的位置。

图1 站后折返示例

当前行列车出清站台防护区段后，即可为后车办理接入接车站台的进路，后车刚好到达干扰点P；列车从P点到达折返站台股道停车，当前行列车出清折返轨道岔区段之后，车站即可重新办理至折返轨的进路，在计算最小列车行车间隔条件下，此时后续列车刚好从上行站台A点出发，并由A点驶入折返股道B点进行折返；列车到达折返轨B点后，开始执行换端操作，当前行列车出清另一侧的折返站台后折返进路建立，列车从B点驶向另一侧站台C点停车；待停站时间结束后，列车即可从C点发车驶向下一站。

1.2 列车折返能力影响因素

直接影响列车折返能力的因素主要有折返轨长度、列车长度、折返运行速度、进路办理时间、换端时间等。

1) 折返轨长度。折返轨长度过长会造成土建投资的浪费，过短则导致折返间隔的增加，严重时会导致全线运能的下降。因此折返轨的长度应综合考虑线路的运营间隔需求和列控系统折返效率的需求，取得土建投资和折返效率的平衡。

2) 列车长度。城市轨道交通列车的常见编组方式为3节编组、4节编组、6节编组和8节编组。编组越多，列车越长，则列车折返的走行距离越长，列车在运行速度基本相同情况下的出入折返轨走行时间也越长。

3) 折返运行速度。折返线采用的道岔型号不同，道岔侧向限速也不同。例如，9#道岔的侧向列车允许通过速度为35 km/h，侧向列车绝对安全速度为40 km/h。对于折返效率要求较高的折返线，宜采用侧向限速较高的道岔型号，以提高列车在折返过程中的运行速度。

4) 进路办理时间。在传统列控系统中，进路信号机开放是列车可通过岔区的前提条件。办理进路包括申请进路、联锁检查条件、动作道岔、锁闭进路及开放信号机等诸多环节，耗时较长。进路办理时间是列车折返时间的重要组成部分。

5) 换端时间。换端时间为列车到达折返轨停车点后换端的时间，分为车辆系统换端时间和信号车载系统换端时间，由于车辆换端时间远大于信号换端时间，所以换端时间取决于车辆的换端时间。

在上述影响因素中，列车长度、换端时间和列车折返时间是由车辆和线路条件决定的。对列控系统而言，通过优化进路办理时间，可有效提高列车折返性能。

2 基于车车通信的列控系统折返性能分析

基于车地通信的传统列控系统根据列车目的地为列车办理相应的进路，待联锁检查条件满足后开放相应的信号机，使列车根据速度码或移动授权驶过道岔区域。

基于车车通信的列控系统通过精细化的资源管理，完成列车间信息的直接交互和协同控制，在保证安全的前提下，提升了线路和道岔资源的使用效率，缩短了列车之间的实时动态追踪间隔，具有安全、高效、灵活、经济的特点，代表了下一代高效能城市轨道交通列控系统的发展方向。

与基于车地通信的传统列控系统相比，基于车车通信的列控系统在与列车折返能力相关的性能方面具有显著优点。

2.1 信息流传输链路短

在基于车地通信的列控系统中， ATS(列车自动监控)子系统需根据列车的运行任务来申请联锁进路；联锁子系统收到进路命令后，检查联锁条件满足后，操作道岔和开放信号机，并将道岔位置和信号机状态发送给轨旁ATC(列车自动控制)子系统；轨旁ATC子系统根据轨旁设备状态和列车位置报告，为每列列车计算移动授权，并将移动授权发送至车载控制器；车载控制器根据接收到的移动授权来控制列车运行。

在基于车车通信的列控系统中，列车根据运行任务自主申请轨旁资源，并通过车车直接通信获取前方列车位置。在获得轨旁资源和前车位置信息后，车载控制器自主计算移动授权，进而控制列车运行。

与基于车地通信的列控系统相比，基于车车通信的列控系统内部信息流传输链路大幅缩短，实时控制效率更高，折返效率也更优。

2.2 轨旁资源管理精细化

基于车地通信的列控系统在道岔区域运行需基于联锁进路。根据设计规则，道岔防护信号机距离所防护的道岔一般不小于8 m。可见，从信号机到信号机的联锁进路范围较大，所以基于联锁进路来分配轨旁资源的管理方式较粗放。

基于车车通信的列控系统不受联锁进路约束，对轨旁资源进行精细化管理。列车根据运行任务按需逐段申请轨旁资源，并根据列车的精确定位逐段释放其不再需要的轨旁资源，从而大幅提高道岔区域的列车通行效率，减小列车折返追踪间隔，进而提高列车折返能力。

2.3 取消了联锁进路办理时间

对于基于车地通信的列控系统，在列车进、出折返轨时都必须先为列车办理1条进路并开放信号机，其耗时达10 s以上。

基于车车通信的列控系统取消了轨旁设备集中站联锁子系统，摆脱了联锁进路的约束。这样，在列车进、出折返轨时不需再办理联锁进路和解锁进路，从而节省了进、出折返轨的进路办理时间及进路解锁时间。

2.4 防护区段短

基于车车通信的列控系统采用扁平化架构，提升了列控系统的实时性。与基于车地通信的列控系统相比，基于车车通信的列控系统车载设备自主计算移动授权，使移动授权的更新周期更快、系统响应时间更短，故其安全防护距离较短。这一特点有两大益处：①对折返轨的长度需求降低，可节约土建投资；②在同等防护距离长度下，使用基于车车通信的列控系统可提高列车在折返线的运行速度，从而减少列车进入折返线的时间。

3 列车折返时间的仿真分析

列车折返分为站前折返和站后折返。为节约土建投资或受环境制约，较多线路选择站前折返方式。对于同等规模车站，一般站后折返能力要明显优于站前折返能力。无论站前折返还是站后折返，其折返间隔应能满足线路远期最小运营间隔需求。本文基于实际车站的数据，按不同折返方式对列车折返能力进行仿真分析。

3.1 站后折返

地铁站A为典型的站后折返站，采用站后单折返模式，其折返线布置见图2。

图2 地铁站A的站后折返线示意图

经仿真计算，采用不同列控系统时的折返时间见表1。

表1 采用不同列控系统时的车站A列车折返时间

由表1可知，采用站后单折返模式时，与基于车地通信的列控系统相比，基于车车通信的列控系统实时控制效率较高，相应的列车折返间隔缩短约20%。

3.2 站前折返

地铁站B为站前折返站，采用弯进直出站前折返模式，其站前折返线布置如图3所示。

图3 地铁站B的站后折返线布置示意图

通过仿真计算，采用不同列控系统时的站B列车折返能力指标见表2。

表2 站B的列车折返能力指标仿真结果

由表2可见，在弯进直出站前折返模式下，与基于车地通信的列控系统相比，基于车车通信的列控系统的列车折返间隔缩短约30%。可见，基于车车通信的列控系统的线路折返能力明显更优，可有效解决由站前折返导致的运能瓶颈问题。

4 结语

基于车车通信的列控系统采用了扁平化系统架构，列车之间直接通信，可自主申请轨旁资源和计算移动授权，系统响应时间更快，系统性能明显更优。

随着城市轨道交通网络化线网的建成，城市核心区的骨干轨道交通对运能提出了更高的需求，在基于车地通信的列控系统无法满足运营要求时，可考虑采用效能更高的车车通信列控系统。对于仅配置站前折返的终点站，采用基于车车通信的列控系统可有效解决由站前折返导致的运能瓶颈问题。