安全距离长度对站前折返能力的影响分析

鲁秋子



安全距离长度对站前折返能力的影响分析

鲁秋子

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

折返站是限制轨道交通线路运营能力的关键点，因此折返站的设置在地铁设计过程中至关重要。鉴于目前建设过程中车站尾部常常受到建设规模的制约，从信号系统设计的角度就站前折返安全距离长度对站前折返能力的影响进行分析。首先根据IEEE制定的CBTC系统安全制动模型，推导安全距离计算模型，根据计算模型得出安全距离缩短后对信号系统ATO控制列车运行的影响。其次，通过仿真模拟列车站前折返全过程，绘制折返时间图解，研究站前折返能力的受制因素，分析列车安全距离缩短后对折返时间间隔的影响。最后，从信号系统设计的角度提出在安全距离受限的情况下有效、合理的解决方案。

城市轨道交通；安全距离；站前折返；折返能力；信号系统

1 研究背景

站前折返，是指列车经由站前渡线进行折返作业。由于在折返过程中占用区间的正线，影响后续列车的闭塞，对行车安全保障的要求较高，在地铁设计中并不常用[1-3]。但是在建设过程中，车站尾部常常受到建筑物或者地质条件等的限制。鉴于站前折返渡线设置在车站前部，可以在一定程度上减小土建规模，该方式在地铁线路中应用的越来越多。目前北京地铁13号线西直门站、北京地铁亦庄线宋家庄站、重庆地铁1号线朝天门站等都采用了站前折返的方式。

根据目前设计过程中的施工配合情况，车站安全距离有时会受建设规模的限制，不能满足《地铁设计规范》中的要求。土建、线路在折返站所提供的边界条件，又直接控制了列车自动控制系统所能提供的折返站的折返能力[4]。过短的安全距离不利于信号系统控制列车，过长的安全距离则会影响站后尽头线的设计，增加土建成本。因此，需要信号专业分析确认站后安全距离长度对行车安全及站前折返能力的影响。

由于地铁运行过程中，对于终端站折返能力要求较高，实际建设中安全距离的范围一般不会小于40 m，因此不考虑安全距离缩短至极短情况下的站前折返。

2 信号系统控制方案

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[5]。目前，基于通信的列车控制系统（communication based train control，CBTC）已成为列车运行控制系统的发展趋势[6]，是目前信号系统主流技术制式。在列车自动控制系统中，ATP（automatic train protection）子系统进行速度监督和超速防护，ATO（automatic train operation）子系统则在ATP子系统的防护下工作，控制列车自动运行。为减少人为因素干扰，通常采用ATO自动折返。在ATO驾驶模式下，列车可在无人参与的情况下以较高的速度，紧贴ATP最大允许速度，从到达站台开始自动驾驶进入和驶出折返线，最后进入发车股道。

3 安全距离影响因素分析

3.1 设置原则

安全距离的设置实际上是为了实现列车过冲保护。站前折返车站安全距离起点在站台尾部，终点在线路终端。该距离综合考虑了车载设备反应时间、列车制动率等因素。根据《地铁设计规范》要求，安全距离的长度为50 m[7]。

在进站过程中，需要在保证不触发紧急制动曲线的前提下，按照制动速度曲线平稳地控制列车运行，并准确停站。为了保证ATO控制列车能够在不受ATP保护速度影响下正常进站停车，需要将安全停车点放置于站台停车点后方一定距离处[8]。安全距离的长度由紧急制动曲线模型、ATO列车控制曲线计算模型，站台限速等条件决定。

3.2 计算原理

由IEEE制定的CBTC系统相关标准IEEE std 1474.1附录D中定义了CBTC系统典型的安全制动模型[9-10]，文中速度监控曲线的计算都基于该模型。

考虑列车在最不利情况下的紧急制动，得出ATP制动速度曲线如式（1）：

其中，ATP为当前位置ATP防护速度，为测速误差，a为当前速度下列车牵引力产生的最大加速度，a为保证紧急制动率，a为当前坡度产生的等效加速度。t为制动命令施加至牵引力切断的最大时延，t为牵引力切断至紧急制动施加的最大时延。

假设ATO系统使用恒定减速度计算制动速度曲线，即：

其中，ATO为当前位置ATO运行速度，brake为ATO运行时的制动率。

由式（1）、式（2）可得安全距离

在列车控制过程中，要保证ATO运行速度曲线始终位于紧急制动曲线下方，假设

将式（4）代入式（3），可得安全距离的计算模型。

对计算模型进行分析，由于列车自身的性能参数不可变，可通过信号系统控制实现安全距离变化的参数为brake和ATO。

3.3 进站制动率对安全距离的影响

列车在ATO运行时，进站制动率brake主要考虑了车辆参数、运营效率、控制精度及乘车的舒适性，该参数在一定范围内是可调的。列车进站过程中，ATO制动曲线会根据ATO运行时制动率的变化而改变，减小ATO停车制动率能够使得ATO增大。

ATP制动曲线是基于典型安全制动模型，考虑最不利情况下紧急制动而设定的，是不可改变的，ATP在某个特定的速度下是定值。

由于安全距离D=ATP–ATO，减小brake后，ATO增大，ATP不变，D则减小。

因此，当安全距离缩短，可通过减小ATO进站制动率，以保证运营安全。

3.4 进站限速对安全距离的影响

安全距离D是关于ATO的二次函数，为求得D与ATO之间的关系，对式（3）求导。

对式（3）求一次导，求得当D=0时，ATO小于零。说明极值点小于零。

对式（3）求两次导，可得D<0，即式（3）为凸函数，说明在极值点，D存在极大值。

而实际上，运行速度一定大于0，说明ATO越小，∆越小。由此可得，随着进站速度的降低，所需要的安全距离越短。也就是说，当安全距离减小时，可通过降低进站速度，保证运营安全。

4 安全距离对站前折返能力影响分析

本文选用一个典型站前折返车站，分析安全距离对站前折返能力的影响。采用不同的列车运行方式会有不同的通过能力[11]。

列车在折返区域的折返方式可采用单渡线折返或者交叉渡线交替折返。其中单渡线折返可以利用1号站台折返（直进侧出）或是2号站台折返（弯进直出）。交叉渡线交替折返可分别利用1、2站台折返（见图1）。

图1 站前折返站布置

具体计算公式参考ERTMS/ETCS列车模型标准。主要参数说明如下：1）列车采用B型车，6节编组，列车总长度约为120 m；2）列车紧急制动减速度不低于1.2 m/s2，常用全制动减速度不低于1.0 m/s2；3）采用9号道岔，不允许突破的极限安全速度值为35 km/h；4）列车最高运行速度为80 km/h；构造速度为90 km/h；5）办理一条进路时间13 s（包括进路办理时间、道岔转换时间、信号系统反映时间）；6）驾驶室转换时间13 s。

4.1 直进侧出

列车在折返线折返过程如下：1）信号系统办理前车接车进路；2）前车直向进入站台至停稳；3）前车在站台1停车下客；4）前车转换驾驶端，并办理出折返线作业，此时将道岔搬至反位；5）前车通过侧向驶出车站；6）当前车出清交叉渡线时，后车办理直向进站作业。后车追踪前车运行，与前车运行过程完全一致。

通过对折返过程进行计算，折返能力如图2（a）所示，可以看出，追踪间隔T=接车+直进+停站+侧出。

当安全距离缩短后，需要降低制动率或降低进站限速，采用这两种方案都将增加列车直向进站的时间，即直进增大，追踪间隔T增加，列车折返间隔增大。

4.2 侧进直出

列车在折返线折返过程如图2（b）所示。

图2 站前单股道折返间隔

这种折返方式与第一种类似，先侧向进入站台，后直向出站，追踪间隔T=接车+侧进+停站+直出。

由于列车为侧向进站，道岔限速为35 km/h，低于站台限速60 km/h，本身列车进站速度就较直向进站低。所需安全距离较直向进站保护距离短，考虑列车定位误差、空转打滑、线路坡度等复杂因素，经过各信号集成商实际测算，若安全距离不小于40 m，能够保证在35 km/h进站速度下可靠进站停车，并不影响侧向接车时间。因此，在一定范围内减小安全距离，并不影响列车折返间隔。

4.3 交替折返

交替折返过程较为复杂，需要通过4列车追踪才能完整模拟整个过程。在对行车组织上，为了得到均衡的发车间隔，通常需要第1列车进入1站台，第2列车进2站台，第1列车出站，第3列车进入1站台，第2列车出站，第4列车进入2站台的方式依次组织行车。

列车在折返线折返过程如下：1）信号系统办理第1列车直向进站接车进路；2）第1列车直向进入站台至停稳；3）第1列车在站台1停车下客；4）第2列车办理侧向进站作业；5）第2列侧向进入站台至停稳；6）第1列车转换驾驶端并办理侧向出站作业；7）第1列车通过道岔侧向出站；8）待第1列车完全出清交叉渡线区域后，第3列车开始办理直向进站作业。列车3与列车1运行过程一致，随后的列车4与列车2运行过程一致。

通过对折返过程进行计算，折返能力如图3所示，列车之间的追踪间隔T=侧进+发车+侧出+接车。

图3 站前双股道折返间隔

通过对折返间隔的分析可以看出，安全距离缩短对交替折返形式的影响与弯进直出类似。影响追踪间隔的侧向进站作业在安全距离缩短一定程度的情况下，并不会降低，追踪间隔不变。但是在交替折返过程中，信号控制策略上需要有所调整，若安全距离缩短，需要降低直向进站列车的进站速度或是降低进站制动率，直向进路时间的增加并不影响整个折返间隔。

4.4 站前折返优化策略

根据前述分析，站前折返采用交替折返组织行车能够获得最大的折返能力，且受安全距离影响较小，能够在一定程度上减少土建投资及建设工程量。若安全距离长度受限，可通过降低站台限速的方式保证行车安全且不影响折返追踪间隔。但是交替折返对行车组织能力要求较高，必须紧凑作业才能保证后续列车正常进站。一般在线路初期，对运营能力要求并不高的情况下，建议采用弯进直出的折返方式，上下客作业在同侧站台，车站客流组织不容易混乱。与直进弯出的单线折返方式相比，受安全距离影响较小，折返能力较大。

5 结语

随着城市轨道交通建设力度加大，越来越多的在建线路在设计过程中面临着土建规模和运营能力之间的权衡。本文以IEEE定义的CBTC安全制动模型为依据，通过建立CBTC安全距离计算模型，分析了站前折返安全距离长度对折返能力的影响。在工程条件受限的情况下，可通过优化信号系统控车策略，在满足行车安全的前提下，保证站前折返能力。

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（编辑：郝京红）

Influences of Safe Distance on the Headway for Front Turn-back

LU Qiuzi

(Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

The turn-back station is a key node in rail transport capacity. Therefore, the turn-back station design plays a vital role in a subway system.In the process of modern construction planning, we are confronted with problems where the end of the station is dictated by the scale of the construction.On the basis of such a constraint, this paper analyzes the effect of the safe distance on the headway for turn-back capacity from the signal system perspective. First, based on the communi­cations-based train control (CBTC) system safety braking model, a safety distance calculation is deduced. According to the calculation model, the effects of shortening the safe distance on automatic train operations are studied. Second, by computer simulation of the process of a train turn-back, a turn-back time diagram is plotted to study the factors influencing turn-back capacity when the safe distance of the headway for a turn-back station is shortened. Effective solutions to improve station turn-back capacity under the safe distance constraint from the perspective of the signal system are then proposed.

urban rail transit; safe distance; headway for turn-back; turn-back capacity; signal system

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.013

U231

A

1672-6073(2018)05-0065-04

2017-06-24

2017-08-28

鲁秋子，女，硕士研究生，工程师，从事轨道交通信号系统设计工作，luqiuzi813@sina.com