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城市轨道交通全自动运行线路自动化场段库线设计方案

2022-12-10李德宏

城市轨道交通研究 2022年11期
关键词:停车库入库长度

李德宏 柴 娟)

(1. 卡斯柯信号有限公司, 200072, 上海; 2. 上海地铁维护保障有限公司, 200235, 上海∥第一作者, 工程师)

自动化的车辆段/停车场(以下简称“场段”)是城市轨道交通FAO(全自动运行)项目的标准配置。但是由于场段的建设用地一般比较紧张,库线的设计长度受到的制约因素较多。FAO模式下列车若要实现自动入库并精确停车的功能,必须配置一定长度的安全防护距离,以满足列车精确停车的相关要求。但是,按照常规的ATP(列车自动防护)模型计算得到的安全防护距离较大,对于场段库线的设计而言,并不是最优方案。由于场段和正线的功能与作用有所不同,设置场段的目的主要是为了存车,场段内没有不涉及载客运营的业务,因此,可对库线采用不同于正线的特殊设计方案,以达到既能让FAO列车精确停车入库又尽可能减少库线长度的目的。尤其对于既有线路的场段改造项目,因既有库线一般不具备改造的条件,本文给出的库线设计方法可进行任何长度库线的列车自动防护设计,可在场段设计条件紧张的情况下完成库线设计任务,将场段改造为自动化场段。

1 传统的库线长度设计方案

列车以FAO模式停车时,根据IEEE Std 1474.1:2004《CBTC的性能和功能要求》定义的安全制动模型,列车需要的安全防护距离约为15 m(不同的信号系统下该距离略有差异)。在工程实施过程中,该安全防护距离还会在此基础上留有一定的余量。如图1所示,以双列位停车库线为例,两列车的间距d1应该保持在20 m以上才能满足需求;列车车端至车挡的距离d4应该大于20 m。一般取列车车端至出发信号机的距离d3=5 m。由此可认为:以ATO(列车自动运行)模式驾驶列车进入场段时,若要列车能够正确停入库线,对于双列位停车库线而言,令d2为列车长度,则设计长度L双的计算式为:

L双>2d2+45 m

(1)

图1 双列位停车库线长度设计

如图2所示,可推导出单列位停车库线的设计长度L单的计算式为:

L单>d2+25 m

(2)

图2 单列位停车库线长度设计

但是,因场段建设用地的限制,实际库线长度难以满足上述设计方案要求的情况并不少见。针对场段库线长度不足情况下的列车自动入库问题,本文给出了一种能量监控禁止模型安全算法,并建立了列车入库计算模型。

2 能量监控禁止模型安全算法

2.1 建立列车自动入库的理论计算模型

能量监控禁止模型安全算法是指通过缩短列车的安全防护距离并控制列车入库时的运行速度,使得列车在入库过程中在允许的撞击速度下运行,在此基础上优化列车前方的安全限制点,进而解决列车自动入库精确停车问题。为了确保安全,采用该算法时,列车紧急制动下的触发速度(即车载信号系统实际计算的瞬时真实速度)由正常ATP防护下的线路限速转变为系统预设的低限速。

在计算列车紧急制动触发速度vEB时,还需考虑线路参数对vEB的影响。对vEB影响较大的参数主要有线路高程差εh(一般取常量0.006 m)和车辆旋转质量系数R。因此,在考虑这2个影响因素后可得:

(3)

vEB=(vLIMIT_E-vD-Δv1)vR

(4)

式中:

vLIMIT——车挡或车钩允许的最大撞击速度;

vLIMIT_E——因线路高程差造成vLIMIT的速度变化值;

g——重力加速度;

vD——列车实施牵引切除及建立紧急制动过程中的速度增量;

Δv1——ATP车载软件1个计算周期T内速度的增加值;

vR——ATP速度和ATO速度校准后的速率比,一般取0.97。

式(4)中,vD需要考虑在列车牵引切除时间内列车以最大加速度运行时所造成的速度增量,以及由于坡度影响所造成的速度增量。设t1为列车牵引切除时间,a1为列车最大牵引加速度,则根据运动学公式可知,列车牵引切除时间内的速度增量为t1a1。此外,在这个过程中,线路坡度的变化也会对速度变化产生影响,这主要是g在平行于线路坡度上的分量导致的。设t2为列车制动的建立时间,a2为列车在线路最大坡度上的加速度,则根据运动学公式可知,在列车制动建立前,列车的速度增量为a2(t1+t2)。因此,vD的计算式为:

vD=t1a1+a2(t1+t2)

(5)

Δv1为列车实际运行时因牵引产生的速度增量。Δv1也需考虑牵引和坡度的影响,其计算式为:

Δv1=0.5T(a1+a2)

(6)

将式(5)、式(6)代入式(4),可以得到vEB的计算式为:

(7)

式(7)的函数模型即为危险点(如车挡)所能承受的最大撞击速度vLIMIT与列车允许运行的最高紧急制动触发速度vEB之间的关系。

2.2 基于理论方法对实际项目进行参数计算

CBTC(基于通信的列车控制)系统对ATP的安全防护计算已有标准的定义,本文不再赘述,仅以此作为库线设计长度对比的依据。表1为本文假设给定的典型车辆参数。基于表1的参数对实际项目中的vEB进行计算,计算时选择场段内库线作为列车的停车区域,线路坡度按平坡(坡度值为0)考虑。

表1 ATP安全防护计算所需的车辆参数取值

基于表1的参数取值,式(7)中各变量的取值为:R=1.04,g=9.8 m/s2,εh=0.006 m,t1=1.52 s,t2=1.00 s,a1=1.35 m/s2,a2=0 m/s2,T=0.20 s,vR=0.97,式(7)可演变为:

(8)

若vLIMIT=15 km/h,则vEB=6.82 km/h。按照此计算结果,对于双列位停车库线而言,只要将图1中两列车所停区段设置为能量监控禁止区域,并设置vEB<6.85 km/h,则不论d1和d4的长度如何,列车都可以实现自动入库并精确停车。

3 结语

本文给出了FAO项目自动化场段内库线长度设计的理论算法。该算法可以在场段土建条件紧张导致库线长度不足的情况下,实现列车自动入库并精确停车。更重要的是,在进行FAO项目自动化场段设计时,参考本文给出的算法进行库线配线设计,可有效地节省土建成本。

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