轨道交通车辆基地无人驾驶改造设计方案

占 俊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥工程师)

全自动无人驾驶轨道交通的研究和设计工作已在我国许多城市开展，大量既有的城市轨道交通线路与新设计的全自动无人驾驶的城市轨道交通线路需要贯通运营，这就涉及到既有线路的升级改造问题。本文结合苏州轨道交通7号线(以下简为“7号线”)全自动无人驾驶的要求，对既有支线停车场全自动驾驶车辆基地的改造方案进行分析，研究无人驾驶车辆基地改造方案，提出既有库线的改造、转换轨设计、分区设计等方案，以期为后续全自动无人驾驶车辆基地的设计与建造提供参考。

1 苏州轨道交通7号线项目概况

1.1 基本概况

7号线为全自动驾驶线路，整体呈南北走向，在既有4号线支线基础上向南北延伸。全线约52 km，分为北段、南段及原4号线支线。7号线北段起于华阳路站，止于红庄站;南段起于龙翔路站，止于泾南路站。

本次设计研究范围包含7号线的北段、南段及原4号线支线。7号线实施段(莫阳站—红庄站)北起南天成路与苏虞张路路口东侧的莫阳站，南至红庄站(不含);线路长约29 km，设站25座(不含红庄站)，均为地下站。全线设置的2处地面车辆基地含在本次研究范围内，其中，车辆段位于天鹅荡(基于原4号线天鹅荡停车场扩建而成，即原线路拆解后，原4号线支线天鹅荡停车场扩建改造为7号线天鹅荡车辆段);停车场选址位于苏虞张路、太东路与京沪高铁所夹地块。

1.2 列车运用交路

7号线初、近、远期列车运用交路如图1所示。

图1 7号线初、近、远期列车运用交路图Fig.1 Preliminary，short-term and long-term train operation routing diagram of Line 7

1.3 车辆配属表

本工程车辆选型为架空接触网受电B2型车，与苏州市既有轨道交通线路车辆选型一致。根据本线行车交路运用车数资料，计算初、近、远期B2型车配属车辆，如表1所示。

表1 7号线车辆配属表Tab.1 Line 7 vehicle allocation table

2 7号线车辆检修工作量、检修设施的设计规模及车辆运用设施分配

2.1 车辆检修工作量

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》［1］中车辆检修周期要求和车辆配属数，计算7号线全线的车辆检修工作量，如表2所示。

表2 7号线车辆检修工作量计算表Tab.2 Calculation of Line 7 vehicle maintenance workload

2.2 检修设施的设计规模

7号线检修设施的设计规模，如表3所示。

表3 7号线检修设施的设计规模Tab.3 Design scale of Line 7 maintenance facilities单位:列位

2.3 车辆运用设施分配

车辆检修设施全部设于天鹅荡车辆基地。根据7号线线路长度、全日开行计划等资料，结合车辆段、停车场用地条件，为避免列车空载运营的距离过大，方便运营，确定天鹅荡车辆段和莫阳停车场近、远期车辆运用设施规模，如表4所示。

表4 7号线车辆运用设施分配表Tab.4 Allocation of Line 7 vehicle operation facilities

3 天鹅荡无人驾驶车辆基地设计方案

3.1 采用无人驾驶的必要性

全自动无人驾驶已成为城市轨道交通发展的方向。全自动无人驾驶不仅可以提高地铁列车的收发车效率，减少站间等候时间，还能提高列车的行驶安全性，提升乘客的乘坐舒适感。

3.2 基地特点

与常规有人驾驶车辆基地相比，全自动无人驾驶系统的车辆段有以下特点:

1)全自动无人驾驶地铁车辆段分为有人驾驶区和无人驾驶区。

2)停车列检库设置无人驾驶防护分区和地下通道。

3)由于无人驾驶防护分区开展列检作业管理，并且检修天窗的时间不足，1线2列位的停车列检库库内检修地沟按100%设置。

4)考虑到信号防护距离，停车列检库2列位之间的安全距离按不小于20 m设置;库尾车钩距车挡应不小于15 m的安全保护距离(不含车挡)。

3.3 设计原则

车辆基地无人驾驶改造设计原则如下:①保证工艺顺畅、避免工程浪费、节约投资;②满足无人驾驶等要求，分区合理，需改造既有停车库线为无人驾驶库线;③改扩建后的车辆基地满足全自动无人驾驶功能及信号要求;④改造设计方案应避免对既有4号线支线停车场运营和收发车造成影响，不能中断线路运营。

3.4 改造方案

3.4.1 既有停车场总平面布置和预留扩建总图方案

3.4.1.1 既有设施

4号线天鹅荡停车场的功能定位为承担4号线支线配属车辆的停放和维保，其设计规模为5条停车列检线(1线2列位)共10列位。用地面积约13.1万m2，总建筑面积约2.3万m2。既有设施包括运用库(停车列检)、综合楼、变电所、污水处理站、材料棚、材料线及堆场等。

4号线天鹅荡停车场总平面呈南北向布置，运用库和预留设施采用逆向倒装式布置。运用库设在出入场线西南、东南两侧。其中，西南侧运用库为既有4号线支线天鹅荡停车场设施，采用尽端式布置。材料棚、材料线及材料堆场设在运用库北侧。材料棚北侧空地布置有污水处理站，且牵引降压混合变电所亦设置在材料棚北侧。

停车场设置综合楼和物业楼，综合楼建筑面积约6 660 m2，停车场办公、信号楼、综合维修工区、食堂、浴室、乘务员公寓等均合设于楼内。停车场内设有用于运输、消防的环行道路，停车场出入口设2处，主出入口设在停车场的西侧、综合楼附近;次出入口设在东南角。4号线既有天鹅荡停车场总平面布置见图2。

图2 4号线既有天鹅荡停车场总平面布置图Fig.2 General layout of existing Tian'edang Parking Lot on Line 4

3.4.1.2 车辆基地改造方案总图布置

天鹅荡停车场既有生产生活设施的功能用房主要满足4号线支线的运营需求，拆解后功能定位为7号线天鹅荡车辆段，其综合楼、变电所、运用库、检修库等设施建筑面积和设计能力均需要增加补强以满足7号线的运营需求。

本文研究的天鹅荡车辆段在原4号线支线天鹅荡停车场基础上进行改扩建，其功能定位为7号线定修段。天鹅荡车辆段按无人驾驶车辆段考虑，设计规模为:存车规模为20条停车列检线(1线2列位)+4条周月检线(1线1列位)。用地面积约33.4万m2，总建筑面积约8.3万m2。新建设施包括新建运用库、联合车库、物资总库、洗车库、工程车库、试车线、综合楼(1.2万m2)等。

新建7号线天鹅荡车辆段整体呈倒桩式布置，其运用库位于既有运用库东侧。考虑到未来物业开发和建设无人驾驶车辆段的可能性，新建7号线天鹅荡车辆段按无人驾驶车辆段进行设计，以满足远期检修运用的需要。联合车库设在预留停车列检库的北侧，采用尽端式布置。联合车库由定/临修库及辅助车间、静调库、吹扫库、镟轮库组成。在联合车库东南侧预留有物资总库。预留洗车库设置在咽喉区西侧，采用八字式布置。

预留工程车库设在既有运用库西侧。在联合车库东侧、北侧预留有发展用地，作为生活办公房屋、主变电所的用地。在车辆段用地的东北角预留1处出口。新建天鹅荡车辆段总平面布置见图3。

图3 新建天鹅荡车辆段总平面布置Fig.3 General layout of new Tian'edang Depot

3.4.2 改造过渡期拆解接入方案分析

7号线施工时，需保证既有4号线支线及原天鹅荡停车场(即7号线一期工程)正常运营。为此，拟采用如下方案对既有4号线支线进行拆解后接入/新建7号线。

1)维持既有4号线支线天鹅荡停车场停车列检库、污水处理站、变电所、材料棚综合楼、物业楼等生产生活设施在7号线实施过渡期的正常运转。

2)新建设施包括新建运用库、联合车库、物资总库、洗车库、工程车库、试车线、综合楼(1.2万m2)等，主要在原天鹅荡停车场址东侧预留用地范围内实施。需考虑新建设施工期及进度，避免影响原天鹅荡停车场既有停车列检库、运转综合楼、出入段线、场区咽喉等运用检修设施的正常使用。

3)由于7号线按无人驾驶线路考虑，因此新建停车列检库线和段场分区均按无人驾驶条件设计。7号线天鹅荡车辆段按无人驾驶车辆段建设完成后，原天鹅荡停车列检库需考虑改造为无人驾驶停车列检库或维持既有功能设施和条件。

3.4.2.1 新建7号线天鹅荡车辆段完成后再进行既有停车列检库改造(方案1)

7号线天鹅荡车辆段按无人驾驶车辆段新建完成，并在4号线支线拆解完成后，初期维持既有停车列检库土建设施。既有停车列检库土建设施，包括检修地沟、车顶作业平台等均不进行改造，仅考虑局部改造通信信号系统为无人驾驶模式。改造后的无人驾驶停车列检库线按1线1列位停车。远期7号线线路延伸工程实施时，既有停车列检库可根据运营需求与莫阳停车场扩建工程一并实施改造为完善的1线2列位无人驾驶停车列检库。远期改造内容包括:停车列检库线延长，无人驾驶地下通道设置，库线隔离栅栏设置，通信信号系统改造，供电系统改造，以及既有停车列检库房土建结构改造等。

改造工程带来的影响:本方案为初期既有停车列检库部分改造为无人驾驶库线，改造内容与改造工程量较小、改造周期短;拆解完成后，既有停车库原存放车辆考虑停放于新建天鹅荡停车列检库，对7号线无人驾驶运营组织有一定影响。需考虑新建设施工期及进度，结合既有情况与相关专业制定改造方案。

改造工程对相关设施及系统引起的变化包括:停车列检库供电系统改造，通信和信号系统改造，综合监控系统改造，DCC(车辆段控制中心)改造，轨道改造，以及变电所容量增加等。

3.4.2.2 既有停车列检库改造与7号线天鹅荡车辆段新建工程同步实施(方案2)

既有停车列检库改造与本次天鹅荡改扩建工程同步实施并完工。在7号线车辆段改扩建实施阶段，为保证4号线支线的正常运营，原4号线支线配属车辆不再停放在既有停车列检库，考虑在4号线主线松陵车辆段或元和停车场停放和维保。本方案对4号线支线收发车有一定影响，需运营单位做相应准备。

改造工程带来的影响如下:本方案为既有停车列检库全部改造为无人驾驶库线，改造内容多、改造工程量大、改造周期长;拆解完成后，既有停车库原存放车辆考虑停放于新建天鹅荡停车列检。本方案需考虑新建天鹅荡车辆段工期及进度，结合既有情况制定改造方案。

改造工程对相关设施及系统引起的变化包括:停车列检库供电系统改造，通信和信号系统改造，综合监控系统改造，DCC改造，轨道改造，以及变电所容量增加等。

3.4.3 风险分析

1)在不影响既有区域运营的前提下，对新建区域进行施工。新建区域建成后，与入场线咽喉合拢。合拢时可能会影响到已建股道区停车列检线的运用，需要运营单位做相应准备。

2)4号线支线拆解及天鹅荡车辆段改扩建，会对运营组织及运营现状造成一定影响，需要运营单位在实际实施阶段前制定详细方案。

4 天鹅荡无人驾驶车辆基地改造特点分析

4.1 停车列检库线设计

设计的无人驾驶停车列检库线按1线2列位布置，结合既有场区条件，其库线长应满足GB 50157—2013《地铁设计规范》［1］的要求，同时考虑无人驾驶信号保护距离及要求。无人驾驶停车列位之间的安全距离取20 m，无人驾驶停车列位距车档附加安全距离(含车档)取15 m，停车库两端横向通道总宽度取9 m。

则最小停车列检库线长的计算公式［1］如下:

式中:

Ljk——列检库长度，m;

L——车辆长度，m;

Ni——每条线列检列位数，列位。

由式(1)计算得到，本次设计的无人驾驶B2型车停车列检库长为295 m。将该长度取为3的模数，则按297 m设计。

本设计的无人驾驶停车列检库线宽度方向，考虑每2股道的隔离分区库线间距要求，停车列检库共设10个2线跨，并考虑与30 m宽的4线周月检库并库设置。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》，库宽大于150 m时，增设的纵向消防通道宽度取8 m。停车列检库宽计算［1］如下:

式中:

d1——无人驾驶2线分区线间距，本次设计的B2型车线间距取4.6 m;

N1——无人驾驶2线分区数，个;

N2——停车列检线股道数，条;

d2——无人驾驶股道中心线至隔离栅栏/库边间距，本次设计的B2型车至库边/隔离栏杆间距取3.6m。

由式(2)计算得到，本次设计的无人驾驶运用库(含周月检库和停车列检库)宽148 m。

4.2 转换轨设计方案

转换轨包括两种:一种用于驾驶模式转换，一种用于控制权交接。对于划分了自动驾驶区和人工驾驶区的车辆基地，需设转换轨用于驾驶模式转换，一般将其设于牵出线或两分区咽喉区的联络线上。转换轨附近一般设置有司机登乘平台，方便有人驾驶时司机登乘列车。本研究根据无人驾驶总平面布置要求，结合既有预留条件，提出了3种转换轨设计方案(见图4)。

图4 天鹅荡无人驾驶车辆基地总平面布置及转换轨设置方案Fig.4 General layout of Tian'edang driverless vehicle base and setting scheme of transfer track

1)方案1:基于改扩建后的车辆段总平面呈倒桩式布置，考虑转换轨设置于段址北侧靠近咽喉区的牵出线上。

2)方案2:基于改扩建后的车辆段总平面呈倒桩式布置，考虑转换轨设置于段址东南侧靠近试车线的牵出线上。

3)方案3:基于改扩建后的车辆段总平面呈倒桩式布置，考虑转换轨设置于2条牵出线间的联络线上。

以上3种方案均满足无人驾驶车辆基地转换轨设置的要求，无人驾驶区和有人区分区隔离设计合理。新建停车列检库、周月检库及既有改造后的停车列检库划分为无人驾驶区，新建联合车库、镟轮库及试车线设置在有人区。3种方案的优缺点对比见表5。

表5 天鹅荡无人驾驶车辆基地转换轨设置方案对比表Tab.5 Scheme comparison table of transfer track setting of Tian'edang driverless vehicle base

通过对比分析3种转换轨设置方案可以发现，转换轨方案3相较方案2，其功能分区对于段内道路未产生物理切割，无需增加段内道路分区隔离设施;相较方案1，无人区和有人区分区完整独立，无重叠进路，不需增加信号进路控制。综上所述，推荐方案3为无人驾驶转换轨(牵出线)设计方案。

5 天鹅荡无人驾驶车辆基地的主要技术经济指标

天鹅荡无人驾驶车辆基地的主要技术经济指标见表6。

表6 天鹅荡无人驾驶车辆基地的主要技术经济指标表Tab.6 Main technical and economic indexes of Tian'edang Driverless Vehicle Depot

6 结语

本文基于既有停车场总平面方案和预留扩建条件，通过研究改扩建为无人驾驶车辆段的方案可行性，提出无人驾驶改造方案过渡期的实施策略和对策，以保证工程的可实施性和满足运营需求，总结提出无人驾驶库线长的计算方法，并研究分区转换轨的设计方案，提出联络线设置无人驾驶转换轨的方案，保证了无人驾驶分区各自独立和段内消防通道的通畅。可为后续无人驾驶车辆基地设计及改造提供参考。