上海轨道交通宝山路站的汇合能力提升研究

刘 建

(中铁上海设计院集团有限公司,200070,上海 ∥ 高级工程师)

上海轨道交通3号线(以下简为“3号线”)自上海南站至江杨北路，全长约为40.7 km，共设29座车站。上海轨道交通4号线(以下简为“4号线”)为环线，不含与3号线共线部分的线路长约22.3 km，设17座车站。4号线与1、2号线共同组成“申”字形线网。4号线在宝山路站至虹桥路站段与3号线共线运营，进而形成“3号线+4号线”的复合型线路(本文称为“3/4号线”)。 3/4号线线路如图1所示。

3/4号线是国内唯一采用“共线+环线”运营方案的地铁线路，其共线段承载着3号线北段和4号线外圈的客流，也限制了共线段以外的客运能力。自2000年投入运营以来，3/4号线见证了上海的城市发展，也深受日益增长的客流量困扰。长期以来，受共线段的客运能力限制，高峰时段的3号线北段进站客流一直采用限流措施。

图1 3/4号线线路示意图

1 3/4号线运营能力的瓶颈

通过分析3/4号线线路配线和既有信号系统能力发现，宝山路站是整个3/4号线中最重要的车站。如图2所示，4号线线路跨越3号线线路后，以大坡度下坡接入3号线正线。其简易接轨方式存在一定安全风险。

图2 宝山路站处的简易接轨示意图

宝山路站下行方向并线处的信号设备布置如图3所示。为保证4号线以大坡度接入3号线正线处的行车安全，其信号联锁子系统增加了特殊设计：①信号灯X3H，开放允许信号的条件是前车出清E点；②信号灯X1H，开放允许信号的条件是前车出清C点； ③道岔SW1H，道岔转动的条件是前车出清C点。

现有信号系统(U200)为基于轨道电路的准移动闭塞制式，其系统能力有限。宝山路站是3号线与4号线下行方向客流汇合车站，其特殊的配线和特殊的联锁设计在保证行车安全的同时，进一步限制了信号系统能力，使宝山路站的汇合能力成为限制3/4号线运营能力的瓶颈。

图3 宝山路站下行方向并线处信号设备布置示意图

2 宝山路站汇合能力的提升方案

3/4号线的改造,既要满足客流增长的基本需求，充分满足线路的规划功能，最大限度实现线路最大运营能力；又要根据客流分析，通过灵活的交路设计，尽量减少客流沿途换乘次数，降低对乘客乘车习惯的影响。要提升3/4号线的运营能力，必须对提升宝山路站的汇合能力进行分析研究。

3/4号线信号系统已到大修期，本文主要从信号系统更新改造来提升运能的角度探讨研究。

2.1 信号系统制式

20世纪末至21世纪初，地铁信号系统主要采用的是固定闭塞或者是基于轨道电路的准移动闭塞。例如，3/4号线采用的ALSTOM U200系统就是基于轨道电路的准移动闭塞系统。

目前，CBTC(基于通信的列车控制)系统是轨道交通信号系统的主流系统制式。CBTC系统是以轨旁设备为中心，通过地面ZC(区域控制器)来统一管理列车，如图4所示。

图4 CBTC系统数据流向示意图

近年来，随着信号技术的发展，出现了一种基于车车通信的CBTC系统——TACS(列车自主控制系统)。TACS系统以列车为中心，取消了地面的联锁和区域控制器子系统，ATS(列车自动监控系统)直接与VOBC(车载控制器)进行通信,如图5所示。

图5 TACS系统数据流向示意图

相较于传统CBTC系统，TACS系统精简了轨旁设备，简化了车地间交互的信息量及交互时间，并提高了车载系统性能。与上海轨道交通3/4号线信号U200系统相比，CBTC系统和TACS系统的移动授权更新时间更短。鉴于不同信号系统供货商系统的差异，本文采用了经验数据，如表1所示。

表1 不同制式系统移动授权更新时间

TACS系统在移动授权更新时间上更短，不仅减少了反应时间，而且还大大提高了追踪能力，提升了整个信号系统的性能。

3/4号线信号系统在更新改造的同时，还肩负着提升运营能力的使命。鉴于此，本文就不同信号制式对宝山路站的汇合能力进行分析。

2.2 汇合能力的提升

2.2.1 仿真参数

在不同的信号系统制式下，列车的牵引、制动及冲击率等常用参数一致。牵引加速能力如表2所示。

表2 牵引加速能力表

最大常用制动加速度的绝对值为1.44 m/s2；保障紧急制动加速度绝对值为 0.85 m/s2。在牵引和制动时，车辆最大冲击率为0.75 m/s3。打滑率为15%。最大坡度的最大加速度为0.28 m/s2。旋转质量占空车质量的6.76%。

由于信号系统架构的不同，不同制式的信号系统存在部分特殊的经验仿真参数。本研究采用的特殊仿真数据如表3所示。

表3 不同制式系统特殊参数 s

2.2.2 汇合能力的影响因素

经仿真分析，在3种不同信号系统制式下，宝山路站的汇合能力同约束条件和干扰点的列车运行速度有关(如图6所示)。

图6 不同系统制式干扰点示意图

1) 约束条件。在既有的U200系统中，信号灯X3H(B点)的开放允许信号条件为前车出清E点。在CBTC系统中,信号灯X3H(B点)的开放允许信号条件为前车出清C点；在TACS系统中,列车在F点获得道岔资源的条件为前车出清D点。

2) 干扰点速度。当采用U200系统或CBTC系统时，列车运行至B点或A点的干扰点的速度均相对较高。由于道岔侧向限速，因此列车从B点干扰点至列车到宝山路站台停稳的运行时间相对较长。当采用TACS系统时，相对于G点，列车运行至干扰点(F点)的速度较低，因此列车从F点至宝山路站台停稳的运行时间较短。

2.2.3 汇合能力计算

经仿真计算，在3种不同信号系统制式下，宝山路站的汇合间隔时间如表4所示。

由表4可知， TACS系统的精细化管理，使宝山路站的汇合能力大幅提升。计算结果表明，不考虑宝山路站的线路其他因素，通过适当调整3号线与4号线的列车开行比例，可使宝山路站下行方向的汇合间隔时间缩短到100 s左右，汇合能力可达36对/h。

表4 不同系统制式宝山路站汇合间隔时间

由于信号系统能力提升并不能解决大坡道简易接轨的安全问题，故还应结合配线调整，采用将站前接轨改为站后接轨(如图7所示)或增加安全线等措施，在提高运营安全的同时，进一步提升宝山路站的汇合能力。

图7 宝山路站接轨改造后干扰点示意图

本文选取了宝山路站站前接轨改为站后接轨的配线改造方案进行汇合间隔时间分析。站前接轨改为站后接轨既解除了大下坡道简易接轨的安全隐患，改善了信号系统的干扰点影响，又提高了信号系统的汇合能力。

经仿真计算，在不同信号系统制式下，宝山路站接轨改造后的汇合间隔时间如表5所示。

不难发现，信号系统的更新改造和土建配线形式调整均可以在一定程度上应对不断增长的客流需求。此外，根据客流变化情况适当调整3号线与4号线的列车开行比例，可以更好地提升线路的服务水平。

表5 接轨改造后的宝山路站汇合间隔时间

3 结语

3/4号线客流量与日俱增，具有信号系统更新改造和运能提升的迫切需求。本文基于不同信号系统制式，通过仿真计算，深入分析宝山路站汇合能力提升方案。计算结果表明，选择合适的信号系统制式、采取土建配线改造措施、调整列车开行比例，能有效提升宝山路站的汇合能力。研究结果可为其他线路信号系统制式选择和运营能力提升提供一定的参考。