轨道交通线路折返能力与信号系统

邱 奎

0 引言

线路运营能力是城市轨道交通工程设计中重要的基础数据，在项目设计时需要认真分析和计算，而折返线的列车折返能力是制约整个线路（环形线路除外）运营能力的关键。在轨道交通系统设计时，折返线线路的设置、道岔位置及型号的选择、车辆性能等直接关系折返能力的大小，而信号系统的诸多参数同样会对折返能力产生较大影响，在能力计算时是绝对需要引起重视的因素。

1 信号系统与折返能力相关的参数

折返能力取决于列车在折返线追踪运行时可能的最小间隔时间，与列车安全间隔控制及追踪运行直接相关。在轨道交通运输系统中，信号系统是指挥列车运行、保障行车安全和提高行车效率的重要基础装备，线路折返时的安全间隔由信号系统分析计算后确定，列车的启动、加速、牵引、惰行及制动全过程均由信号系统控制，可以看出，线路折返能力的大小与信号系统有紧密关系，信号系统的诸多参数可以直接决定线路折返能力。

工程设计中进行折返能力计算时，由于在城市轨道交通领域没有相应的技术规范和标准，各家设计院或咨询公司采用的计算软件不同，选取的技术参数特别是与信号系统相关的参数也不尽相同，造成折返能力计算值有偏差，某些线路甚至出现设计计算值与实际运行值相差20%以上，对整个线路设计和最终的运营服务产生极为不利的影响。

线路折返能力的计算是对列车在折返线追踪运行全过程的分析和计算，从对列车的实际控制和运行分析，信号系统对折返能力产生影响的主要参数有以下几方面。

1.1 列车运行速度

由于列车自动防护（ATP）系统的存在，列车运行速度被严格控制，如限速80 km/h的线路，为保证在任何不利的情况下绝对不碰撞80 km/h的限速“红线”，列车紧急制动触发一般定义在78 km/h，常用制动触发定义在75 km/h（不同的信号系统有所区别），在信号列车自动驾驶（ATO）系统设置中，列车的实际运行速度被控制在72 km/h左右而不是人们以为的80 km/h（某些牵引计算软件按该速度设置），其他道岔和曲线限速区ATO设置的运行速度同样需按等级下降。它也是信号系统备受垢病的地方，特别是在运行效率不佳的线路上，该点存在很大争议。但由于信号系统的职责就是在任何不利的情况下都需要绝对保证列车运行安全，限界、曲线、车辆限速“红线”不允许有任何可能突破，信号系统必须按该方式设置，方能确保列车运行安全。在折返能力和线路运营能力分析时，列车运行速度必须按照信号系统规定的运行速度作为计算分析值才能准确有效，并与实际运行的数据相符，否则将会出现较大偏差。

建标104-2008《城市轨道交通工程项目建设标准》第五章第四十三条规定：列车在正线上最高运行速度应与车辆设计最高速度相符合，并允许瞬间超速5 km/h。同时条文解释中说明轨道、限界均可满足车辆瞬间速度的要求，但在道岔和曲线限速区段不适用。这对正线区间列车运行速度有一定的提高，但在折返线由于列车运行主要是经过道岔区，该条可以提高列车运行速度的标准在折返线基本无法起到提高折返能力的作用。而比较致命的是，除环形线路外，线路折返能力往往直接决定了整条线路的运营能力。

1.2 进路办理时间

折返线列车进行折返时，信号系统需要为列车准备进路。在进路建立过程中，信号系统设备主要的工作是转换道岔至列车运行的正确位置并锁闭、检查有无敌对进路和信号、检查区段空闲或锁闭等，它们均要耗费一定时间来完成。

分析进路办理时间需要研究2种进路，一种是有道岔转换的进路，另一种是无道岔转换的进路，2种进路办理时间相差较大。

无道岔转换的进路办理（系统自动办理，不考虑人工办理方式）主要时间组成参考值见表1。

表1 无道岔转换进路办理时间表

考虑系统和设备之间的差异，无道岔转换进路时间可以按6 s取值。

有道岔转换的进路与无道岔转换进路办理时间的差异在于系统输出道岔转换命令及电动转辙机动作时间。由于电动转辙机型号的不同，其转换动作时间也不同，可选取地铁中常用的几种电动转辙机作参考，其转换时间如下：ZD6-D型＜5.5 s；ZDJ9型＜5.8 s；S700K型＜6.6 s。

不同线路选择的转辙机不同，有道岔转换的进路办理时间需要根据转辙机实际参数进行取值。从目前新线建设选用的转辙机类型来看，国产 ZDJ9型被选用比较多，在进行能力分析时道岔转换时间可以取值6 s。加上道岔转换命令的输出及道岔状态信息的采集时间，有道岔转换的进路办理时间可以考虑按无道岔转换进路办理时间加8 s计算，即按14 s计算。

1.3 车载信号设备头尾车转换时间

列车在折返线折返时，需要更换端头，原头车改为尾车，列车车载信号设备也需要换端。由于信号车载设备控制原理、方式及硬件设备的不同，列车换端时间也是不相同的，根据经验和参考几大信号供货厂商提供的换端时间数据，车载信号设备头尾车转换时间可按12 s取值。

1.4 车载设备信号反应时间

车载设备接收到轨旁发送过来列车控制信号后，车载计算机需进行相应处理并将命令发送给列车牵引制动系统，加上命令发出后列车空走时间，需要考虑按2～3 s取值。

2 线路折返能力分析与计算

为详细说明线路折返能力与信号系统关系，可选择一个典型的站后折返线进行实例分析与计算，图1为典型站示意图。

图1 典型折返车站示意图

列车在折返线追踪运行时完整的折返过程包括以下几方面：（1）系统办理前车进入1#站台的进路；（2）前车进入车站1#站台停车；（3）系统办理前车进入折返牵出线的进路；（4）前车经停站时间后启动并运行至牵出线停车；（5）系统办理前车进入 2#站台进路；（6）前车换端后启动并运行至 2#站台停车；（7）前车经停站时间后由2#站台发车。

后车作为追踪运行列车，与前车的运行过程完全一致。后车与前车的追踪运行间隔时间取决于前车的位置及信号系统安全间隔控制原则，也就是前车运行至满足后车安全追踪的条件下方允许后车追踪运行，2列车追踪运行可能的最小间隔时间是计算的主要内容。

从图1的折返线路可以看出，2列车追踪间隔时间需要完整模拟其运行追踪全过程，可以选取的关键间隔参考点有：（1）2列车进入1#站台停稳的间隔时间；（2）2列车从1#站台至牵出线发车时的间隔时间；（3）2列车由牵出线出发时的间隔时间；（4）2列车进入2#站台停稳的间隔时间。

列车折返间隔时间由以上间隔时间比较的最大值决定，它也就是2列车可能的最小运行间隔时间。比较所有的间隔时间需要逐条进行间隔时间分析。

2.1 2列车进入1#站台停稳的间隔时间

前车停稳后，后车进入1#站台并停稳需要经过以下时间：

（1）前车1#站台停站时间T1。在该期间信号系统自动办理前车进入 1#站台的进路，一般情况下，停站时间会大于进路办理14 s时间，进路办理时间在这里被包含在停站时间内。

（2）前车运行出清 JZ2时间T2。在该折返线路条件下，后车如需进入1#站台，前车必须出清计轴设备JZ2，系统方可办理后车接车进路。

（3）系统办理后车接车进路时间T3。在保证后车进入站台且需不影响前车继续往 2#站台折返运行，需要将进入牵出线的道岔转换至直股位置，所以其进路办理时间是有道岔转换的进路14 s，同时可办理前车进入2#站台的进路。

（4）后车车载设备信号反应时间T4。

（5）后车从区间安全距离外运行至1#站台时间T5。该时间取决于列车在区间的运行速度、制动距离等决定的安全距离，并从安全距离外运行至1#站台的运行时间。

则列车间隔时间T=T1+T2+T3+T4+T5。

2.2 2列车从1#站台至牵出线发车时的间隔时间

前车从 1#站台发车至牵出线后，后车如从 1#站台发车需要经历的时间包括：

（1）前车运行至牵出线停稳时间T1。

（2）系统办理前车至2#站台进路时间T2。同时列车在该时进行换端，如果列车换端时间大于进路办理时间，该值需要按列车换端时间计算。

（3）前车车载设备信号反应时间T3。

（4）前车自牵出线向 2#站台运行出清 JZ3时间T4。只有出清该点，系统方可办理后车至牵出线的进路。

（5）系统办理后车至牵出线进路时间T5。

（6）后车车载设备信号反应时间T6。

则列车间隔时间T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.3 2列车由牵出线出发时的间隔时间

2列车由牵出线出发的间隔时间组成：

（1）前车自牵出线向 2#站台运行出清 JZ3时间T1。

（2）系统办理后车至牵出线进路时间T2。

（3）后车车载设备信号反应时间T3。

（4）后车运行至牵出线停稳时间T4。

（5）系统办理后车至2#站台进路时间T5。

（6）后车车载设备信号反应时间T6。

则列车间隔时间T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.4 2列车进入2#站台停稳的间隔时间

2列车进入2#站台停稳的间隔时间组成：

（1）前车2#站台停站时间T1。在该期间前办理前车由2#站台出发的进路。

（2）前车由2#站台出发并离开防护区时间T2。只有前车离开防护区后，系统方可办理后车由牵出线至2#站台进路。

（3）系统办理后车由牵出线至2#站台进路时间T3。

（4）后车车载设备信号反应时间T4。

（5）后车由牵出线运行至2#站台停稳时间T5。

则列车间隔时间T=T1+T2+T3+T4+T5。

在图1的折返线路中，选取以上4个关键参考点并比较即可计算出列车追踪间隔时间。由于折返线线路条件不同，选取的参考点会有所不同，需要根据实际线路情况进行分析，必要时可能需要进行3列车追踪分析，方可计算出准确间隔时间。

以上的分析计算说明了如何确定列车追踪间隔时间，并详细分析了其时间组成，这是一种静态分析方法，计算耗费时间比较多。在实际折返能力计算时，可以通过能力分析软件画出列车在折返线全部的运行时间曲线，模拟2列车的动态运行，并标注出关键信号点，直接在软件生成图上查出折返间隔时间。在无相关软件情况下，也可用CAD绘图方式实现，见图2。

图2 折返能力分析图

图 2中将列车运行过程的所有时间序列用等值的横线表示，模拟2列车的实际运行。图中竖直线是限制办理进路的条件，只有在竖直线时间后即满足下一条进路办理的条件后后续相关进路方可办理，后续列车可以追踪运行，这样可以直接在图上测出2列车间的追踪最大间隔时间，也就是所需要的折返间隔时间。

3 提高线路折返能力的手段

线路折返能力取决于折返线线路的布置、列车性能、信号系统参数、列车停站时间等综合因素。

3.1 合理的线路布置

影响线路折返能力最关键的因素是线路布置，在其他条件相对稳定和挖潜不足的情况下，合理的线路布置是提高线路折返能力的最直接有效手段。国内地铁线路在折返线路布置时采用了很多方法，如尽头式、贯通式、混合式等线路方案，在设计时可根据线路实际运营要求合理选择布置。

3.2 尽可能减少列车站停时间

在进行折返能力分析时，可以发现列车在终端站的停站时间会直接影响线路折返能力，所以在不影响乘客上下车的条件下尽可能减少站停时间对折返能力的提高有着显著作用。

3.3 优秀的列车牵引和制动性能

列车在折返线运行时，列车加速和制动过程在整个运行时间段内占用了非常大的比例，列车牵引和制动性能即列车加速率和制动率也就直接决定了列车在折返线的走行时间，列车性能的提高可直接改善列车走行时间，同时也会提高折返能力。

3.4 选择反应更快的信号设备

在以上折返能力分析时，从信号专业角度对影响折返能力的信号设备进行了详细分析，可以明显看出，反应时间更快的信号设备如电动转辙机、车地通信设备、系统主控制器等会影响进路办理时间，同样会直接影响线路折返能力，在设备选择时也是一个不可忽视的因素。

4 结束语

线路折返能力是影响城市轨道交通线路运营能力的重要参数，在线路设计中需认真分析，综合各相关专业如线路、运营、车辆、信号等进行细致研究，并科学决策，满足线路实际运营要求，保障都市居民的出行便利并有效缓解城市交通压力。

[1]GB/T12758-2004 城市轨道交通信号系统通用技术条件[S].

[2]GB 50157-2003 地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[3]建标104-2008 城市轨道交通工程项目建设标准[S].