列车自主运行系统下城市轨道交通线路配线需求研究

2022-12-10陈绍文

城市轨道交通研究 2022年11期

陈绍文

(卡斯柯信号有限公司， 200072, 上海∥高级工程师)

目前，城市轨道交通线路的信号系统设计主要是基于传统CBTC (基于通信的列车控制)进行，该技术已较为成熟。TACS(列车自主运行系统)作为城市轨道交通信号系统的新制式，是城市轨道交通技术研究的热点之一。TACS的应用仍较少，已投入运营的TACS线路有深圳地铁20号线，正在实施的项目有上海轨道交通3号线、4号线信号系统改造项目等。由此，基于TACS线路的配线设计研究也相对较少，并未形成行业标准。本文根据TACS的特征及FAO(全自动运行)技术，对TACS线路的配线设计进行研究。

1 TACS区别于CBTC的特征

在进行线路配线研究之前，有必要先分析TACS的特征，并与传统CBTC进行对比：

1) TACS不再配置联锁系统。因此，采用TACS的线路，其轨道不再需要划分物理区段，轨道电路或计轴也随之被取消。传统CBTC对各个功能区段进行划分及计轴点设置等原则在TACS中也不再适用。

2) 与CBTC线路相比，TACS线路的安全防护距离更短。这直接体现在轨道末端、库线长度、停车点距离道岔/警冲标等距离的减少。

2 安全防护距离

由于安全防护距离直接影响到线路配线长度，本文对CBTC和TACS两种信号制式下的安全防护距离要求作详细说明。

2.1 安全防护距离的基本概念

安全防护距离为列车在最不利条件下停车点与ATO(列车自动运行)停车点之间的距离。图1为在给定线路参数和车辆参数情况下的安全防护距离仿真结果示例。只有在安全防护距离大于25.85 m时，列车才能实现在设定的ATO停车点精确停车。

2.2 安全防护距离对列车折返效率的影响

2.2.1 CBTC下安全防护距离对折返效率的影响

本文设定CBTC线路的仿真条件如下：①列车(车长140 m)在站台停车；②列车以最高限速(35 km/h)通过道岔反位后驶入折返线；③从站台停车点至折返线停车点的距离设定为270 m，其站型如图2所示。

注：ATP——列车自动防护；dA——EB(紧急制动)触发曲线下停车点到防护终点的距离；dA+dB——ATO目标停车点到防护终点的距离；dA+dB+dC——ATO实际停车点到防护终点的距离。

图2 列车站后折返时的安全防护距离示意图

基于上述仿真条件，本文测算了CBTC线路不同安全防护距离下的列车入折返线耗时(从站台发车至驶入折返线停稳的时间)，其结果如表1所示。

表1 安全防护距离与列车入折返线耗时对照表

仿真结果表明：①安全防护距离从10 m增大到50 m时，列车折返效率的提升较明显；②当安全防护距离由50 m增大至60 m时，列车折返效率提升微乎其微；③安全防护距离大于60 m时，对列车折返效率不再有影响。由此可知，CBTC线路的安全防护距离越大，列车入折返线耗时越短，列车折返效率越高。设计时一般要求列车进站或折返时的安全防护距离大于50 m。

2.2.2 TACS下安全防护距离对折返效率的影响

TACS线路的仿真条件与CBTC线路完全一致。表2为不同安全防护距离下TACS线路列车站后折返时间仿真结果。仿真结果表明：①安全防护距离为22 m时，列车站后折返时间为91.0 s；②安全防护距离由22 m增加到30 m时，列车站后折返时间减少了3.0 s；③安全防护距离由30 m增加到40 m时，列车站后折返时间减少了1.5 s；④安全防护距离由40 m增加到50 m时，列车站后折返时间减少了0.9 s。若再增加安全防护距离，列车站后折返时间的减少值将小于1.0 s。

表2 不同安全防护距离下TACS线路的列车站后折返时间

由此可知，TACS线路的安全防护距离越大，列车站后折返时间越小。TACS下安全防护距离由22 m增加至40 m时，列车折返效率的提升较为明显；安全防护距离大于40 m时，其数值再继续增加，对列车折返效率的影响并不大。因此，建议TACS线路的安全防护距离设为40 m。

2.2.3 相同安全防护距离下CBTC线路和TACS线路列车站后折返时间对比

本文对安全防护距离为50 m时两种信号制式下的列车站后折返时间进行对比，其仿真结果如表3所示。当安全防护距离为50 m时，CBTC线路列车站后折返时间为108.0 s，TACS线路列车站后折返时间为85.6 s。由此可知：与CBTC相比，TACS下的列车折返效率更高。在达到同样折返时间的情况下，TACS所需要的安全防护距离更短。

表3 TACS线路和CBTC线路列车折返时间对比

3 TACS下城市轨道交通线路配线设计

本文基于以下前提条件TACS下城市轨道交通线路的配线设计进行研究：①采用启骥TACS系统；②研究对象为城市轨道交通线的地下区段；③线路的最高限速为85 km/h，站台区域最高限速为60 km/h；④列车紧急保障制动率为0.85 m/s2；⑤列车的悬长(第一轮对至车端的距离)为4.5 m，2个轮对的间距为2.5 m。

3.1 停车场库线设计

自动化场段作为FAO项目的标准配置，其重点关注的设计内容为自动区域的划分、停车库线长度设置、停车库地道设置、门禁系统、工作人员防护分区设置、列检库行走路线及登车平台设置等。基于CBTC的自动化场段设计目前相对较成熟，国内已投入运营的自动化场段也较多。如果自动化场段改为基于TACS设计，则可沿用一部分的设计方案，其余设计方案可在CBTC基础上进一步优化。其中，最重要的优化项目是停车库线长度的优化。

本文以双列位库线为例予以说明。如图3所示，d11为列车1车端与车挡的距离；d12为列车1的长度；d13为列车1和列车2的间距；d14为列车2的长度；d15为列车2车端与计轴点的距离。

图3 自动化场段内双列位库线长度示意图

CBTC下自动化场段的库线长度要求2列车的间距不小于20.0 m，列车车端与车挡的距离不小于15.0 m，即d11≥15.0 m、d13≥20.0 m。与CBTC线路相比，TACS线路列车紧急制动耗时更少。按照IEEE(电气和电子工程师协会)发布的IEEE-1474标准对安全制动模型的定义，TACS线路下列车所需要的安全防护距离要求比CBTC线路更短，在TACS线路实际的工程设计中，只需要d11≥12.0 m、d13≥15.0 m，即可满足列车自动入库精确停车要求。

3.2 正线存车线设计

以图4所示的站型为例，正线存车线设计时主要考虑的因素包括站台端至出站信号机的距离d22、计轴点至道岔警冲标的距离d23及停车点(停车站设置于站台端)至轨道末端的距离d24。

注：d21——站台长度。

CBTC线路中，考虑列车停车误差和司机瞭望，d22一般取值为5.0 m；考虑后溜距离、列车悬长及2个轮对间距要求，d23≥9.5 m；考虑列车停车安全防护距离要求，d24≥40.0 m。而在TACS线路中，只需d23≥5.0 m、d24≥30.0 m即可满足要求，此时d21、d22可参照CBTC线路取值。

3.3 正线折返线设计

本文以图5所示的列车站后折返站型为例，对正线折返线设计进行说明。图5中，d31为站台停车点至计轴点距离；d32为停车点至轨道末端的距离；d33为计轴点至基本轨缝的距离；d34为停车点至计轴点/信号机的距离；d35为列车车长；d36为安全防护距离。

图5 站后折返线设计示例

1) CBTC线路中，只有前车出清防护区段后方才允许为后车办理站台接车进路，因此，列车进站需要建立防护区段，防护区段一般选择出站道岔的侧向，要求d31≥50.0 m，以最大限度提高列车的进站效率及列车折返效率。而TACS线路对d31不再有严格的限制。

2) CBTC线路中，如果接车防护区段建立在出站道岔的定位，一般要求d32≥50.0 m。而在TACS线路中，在列车进站停车不需要折返的情况下，如果停车点至出站道岔岔尖的距离大于15.0 m，出站道岔可以不锁闭。即使在道岔资源申请为定位锁闭的情况下，在不影响进站效率时也只需d32≥30.0 m，这相较于CBTC线路减少了20.0 m。

3) TACS线路中，因不再配置计轴设备，由此不需要考虑d33。

4) CBTC线路中，考虑列车的后溜距离(2.5 m)和计轴漏计1个轮对(2个轮对间距 2.5 m)的可能性，一般取d34=5.0 m。TACS线路中，因不需要考虑计轴的影响，可取d34=2.5 m。

5)d35为车长，CBTC线路和TACS线路中该参数的取值相同。

6) CBTC线路中，为提升列车折返效率，按站后折返间隔为120 s进行设计时，一般取d35=50.0 m。TACS线路中，若线路折返时间取值与CBTC相同(均为120 s)，可取d35=30.0 m。实际上，根据表2中的仿真结果，在安全防护距离为30.0 m的条件下，TACS下线路折返时间可以控制在90 s以内。

3.4 转换轨设计

CBTC线路中，转换轨用于列车由停车场进入正线后模式的升级转换，同时列车也在转换轨处匹配正线运行时刻表。如图6所示，CBTC线路自动化车场下转换轨长度由d41和d42两部分组成，其中：d41为停车场边界至列车车端的距离；d42为列车长度加上车端距离计轴点的长度。为了列车能在转换轨上完成列车识别，d41应小于线路上最小工程车车长；d42一般为列车长度加上5.0～6.0 m。而对于CBTC线路的非自动化场段，为了避免场段区段占用对正线造成影响，一般在转换轨与停车场之间再增加1个计轴区段。