城市轨道交通信号系统能力分析及优化措施

武云霞，李兆龄

（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）

1 概述

城市轨道交通行车能力是指在一定线路条件、车辆配置、信号设备、供电系统等设施设备和行车组织条件下，线路在单位时间内所能通过或接发的最大列车对数。城市轨道交通信号系统能力分析就是对既定的线路条件、车辆类型、供电系统等设备设施和行车组织下信号系统所能提供的最大行车能力进行分析和评估的活动。

本文介绍了信号系统能力分析方法及主要影响因素，提出了信号专业常用的优化措施，为工程设计者提供参考。

2 信号系统能力分析方法

城市轨道交通目前采用的主流信号系统是基于通信的移动闭塞列车控制系统（简称CBTC）。城市轨道交通信号系统行车能力的主要评估指标包括线路行车间隔和旅行速度。旅行速度是指在正常运营情况下，列车从起点站发车至终点站停车的平均运行速度。行车间隔是指在线路上任意一点同向连续运行列车间的时间间隔。行车间隔是通过对线路正线、折返站、出入段等不同位置的追踪间隔分别进行评估后最终确定。

城市轨道交通信号系统能力评估主要包括以下几个步骤：1）梳理线路资料、车辆参数、行车组织方案及信号控制系统采用的参数；2）计算列车运行曲线，主要包括列车时间—距离曲线及速度—距离曲线，该曲线体现了列车的基本运行情况，是进行信号系统能力分析的基础；3）基于列车运行曲线计算列车旅行速度，并结合信号系统安全控制模型分析列车运行间隔。

2.1 正线追踪间隔计算方法

正线追踪间隔可分为区间追踪间隔和车站追踪间隔。考虑到列车在车站站停作业，一般正线追踪间隔的限制点在车站，各个车站的追踪间隔的最大值即为正线的追踪间隔。通常CBTC 模式时列车在车站追踪时要求前车未出清保护区段时，后车的安全防护点最近可到进站侧站台边沿计轴。车站追踪间隔如图1 所示，数值上由以下时间段组成：

1) 列车自以进站侧站台边沿计轴为限制点反推的一次常用制动的降速点P 运行至站台的时间；

2) 列车在站台的站停时间；

3) 列车自站台运行至出清保护区段的时间；4) 进站进路办理时间。

图1 车站追踪间隔示意图Fig.1 Schematic diagram of station tracking interval

根据以上分析可知，影响正线追踪间隔的主要因素包括：站台的站停时间、保护区段的长度、ATO 常用制动率以及列车一次常用制动降速点对应的最高速度等。在区间无曲线限速时，列车一次常用制动降速点对应的最高速度是指区间的最高运行速度。列车进站前的线路区间有曲线限速时，列车一次常用制动降速点对应的最高速度是指相应的曲线限速对应的列车最高运行速度。显然列车一次常用制动降速点对应的最高速度是指列车进站前最高运行速度。

2.2 折返追踪间隔计算方法

城市轨道交通中通常根据折返配线的类型将折返方式分为站后折返和站前折返。相较于站前折返，站后折返是更常见的折返方式。无论哪种折返方式，折返间隔的本质都是列车在各闭塞分区的占用时间，折返过程中列车占用时间最长的闭塞分区决定了折返间隔的大小。对一个折返站进行分析时，首先确定列车的走行路径，识别折返过程中的闭塞分区，然后逐一分析列车在各个分区的占用时间，最后取占用时间最大值作为该折返站的折返间隔。显然，占用时间最大的闭塞区间是折返追踪间隔的制约点。

本节以典型站为例简要说明折返间隔计算方法。

1）站后折返

典型的站后折返配线及信号布置示意如图2 所示。

图2 信号平面布置简图—站后折返Fig.2 Signal Layout Diagram—turn-back behind the platform

CBTC 模式下折返过程中涉及到3 个闭塞分区：进站进路（P 点—信号机S1）、入折返轨进路（信号机S1—信号机S2）和出折返轨进路（信号机S3—信号机S4），对列车在3 个闭塞分区的占用时间分解如表1 所示。

其中，信号设备反应时间包括进路延时解锁时间和进路办理时间，其中进路办理时间的取值要考虑进路办理是否涉及道岔的转动。影响站后折返间隔的主要因素包括列车进站前最高运行速度、ATO常用制动率、道岔类型及限速、道岔区段的长度及站停时间、进路办理时间等。

2）站前折返

表1 站后折返间隔时间分解表Tab.1 Decomposition table of the headway of turn-back behind the platform

典型的站后折返配线和信号布置示意如图3 所示。站前折返根据走行路径不同可分为弯进直出、直进弯出和交叉折返。本文以弯进直出为例分析站前折返的折返间隔。

图3 信号平面布置简图—站前折返Fig.3 Signal Layout Diagram-turn-back before the platform

站前弯进直出折返涉及到一个闭塞分区：进站进路（信号机S1—信号机S2）。该进路办理时机为前车越过JZ4 后，道岔转动且进路锁闭后，可为后车开放信号机S1。列车在该进路的占用时间可分解为：

a.列车自P 点至站台的运行时间；

b.列车在A 侧站台的站停时间；

c.自站台出清岔区(越过JZ4)的时间；

d.信号设备反应时间。

以上时间的和即为站前折返的追踪间隔。影响站前折返间隔的主要因素包括道岔类型及限速、道岔区段的长度及站停时间等。

2.3 出入段追踪间隔计算方法

考虑到正线和场段内信号制式不同，出入段追踪间隔需考虑两个方面，第一是转换轨和正线间为CBTC 模式运行，其追踪间隔的计算与正线区间追踪间隔相同；第二是列检库和转换轨间为联锁级运行，其追踪间隔需逐一分析列车在每个闭塞分区的占用时间，并取其最大值。受限于库内和场段内的列车运行速度，列检库和转换轨间的追踪间隔通常为出入段追踪间隔的制约点。

2.4 旅行速度

旅行速度是根据线路条件、线路速度等级、列车性能、车站分布、站停时间和信号参数等综合确定的。其中线路速度等级、车站间距、线路曲线限速是影响旅行速度的主要因素。数值上，旅行速度等于起点站到终点站的总线路长度与列车从起点站到终点站的总运行时间的比值。

3 信号系统优化措施

信号系统能力分析是对信号系统可提供的行车能力的评估，同时也可反过来指导信号系统的优化，进而提高线路的行车能力。提高行车能力的优化措施主要包括以下几个方面。

3.1 优化信号参数

优化信号参数是提高行车能力的常用手段。影响行车能力的信号系统参数主要包括ATP 触发速度、ATO 推荐速度、进路办理时间、ATO 常用制动率等。

1） 提高ATP 触发速度和ATO 推荐速度

对于正线来说，在保证安全的前提下，提高ATP 触发速度和ATO 推荐速度可提高线路的旅行速度；对于折返站来说，提高列车侧向过岔时的ATP 触发速度和ATO 推荐速度可缩短列车在道岔的走行时间，进而有效缩短折返间隔，提高折返效率。需要注意，信号系统需要结合车辆参数和线路情况，同时结合安全制动模型，在保证控车安全的前提下提高ATP 触发速度和ATO 推荐速度。

2） ATO 常用制动率

提高ATO 常用制动率是缩小行车间隔和提高旅行速度的重要手段。考虑到列车的停车精度及舒适度要求，ATO 常用制动率并非越大越好，取值通常在0.4 ～0.6 m/s2之间。在信号系统配置ATO常用制动率时，还要考虑安全防护距离的长度，如果安全防护距离长度不足，即使配置了较高的ATO常用制动率，也无法达到缩小列车的行车间隔和提高旅行速度的目的。

3） 进路办理时间

进路办理时间分为有道岔转动和无道岔转动两种情况。无道岔转动时进路办理时间主要是指进路控制流程占用时间。有道岔转动时，进路办理时间还需要考虑道岔转动命令传输时间及电动转辙机的动作时间。优化进路控制过程中的每一个环节进而缩短进路办理时间是缩短列车行车间隔的重要手段。

3.2 优化进站前列车最高运行速度

目前优化进站前列车最高运行速度是缩短行车间隔的常用手段，方法是降低进站前一定区域内的列车速度。通常来说，进站速度在40 km/h 左右时，行车间隔最小。考虑到列车舒适度，防止出现列车先降速再加速的现象，建议以站台限速作为进站前一定区域的限速值。一般来说，对于80 km/h 的线路来说，该优化手段可将追踪间隔降低大约10 s。需要注意的是，增加限速后线路旅行速度会受到影响。

3.3 优化信号设备布置

优化信号设备布置主要有两个方面，一是优化区间信号机的布置，以提高降级模式下的追踪间隔，二是优化折返区域的设备布置，以提高折返间隔。在保证系统安全和系统功能的前提下，应将设备布置在有利于缩短行车间隔的位置。

3.4 优化进路办理时机

优化进路办理时机是指在保证安全的前提下，通过优化控制流程，尽量提前进路办理时机。以图2 折返站为例，出折返轨进路（S3—S4）通常为列车到达折返轨停车并完成换端后开始办理，而经过优化控制流程，列车自下侧站台运行至越过计轴JZ3，便可提前办理出折返轨进路（S3—S4），如此可缩短列车在折返轨的停留时间，进而有效提高折返效率。一般来说，该控制流程的优化可将追踪间隔缩短大约5 s。

3.5 允许站台追踪

目前多数工程项目不允许列车在站台追踪，也就是说，当前车未出清保护区段时，后车移动授权只能到进站侧站台边沿计轴，后车不可追踪进站。允许站台追踪是指前车出清站台区域且未出清保护区段时，后车移动授权就可打到站台区段，后车可以进站。列车追踪情况如图4 所示。这意味着前后两车可以追得更近，列车追踪间隔更小。该措施可优化的追踪间隔的时间值，约等于以进站前列车最高运行速度行驶一个站台区段的时间。假设站台区段长度140 m，列车进站前最高运行速度为78 km/h，则可缩短折返间隔约为6.5 s，如图4 所示。

图4 站台追踪示意图Fig.4 Schematic diagram of platform tracking

4 实例分析

城市轨道交通线路的折返间隔决定了线路的行车能力，是整个线路行车能力的制约点。以某工程项目终端折返站折返能力为研究对象，首先分析常规信号控制方式及参数下的折返间隔，其次结合该项目的线路、车辆参数及车站配线确定该折返站的优化措施，然后分析采用各优化措施后的折返间隔及能力提升情况。该折返站配线和信号布置示意如图5 所示。

4.1 优化前折返间隔分析

对于该典型折返站，基于常规的信号控车方式和常用的信号参数进行折返间隔分析。根据工程项目实际情况，采用的主要参数如表2 所示。

图5 某折返站平面布置图Fig.5 Layout Diagram of a turn-back station

表2 参数选取Tab.2 Selection of parameters

经计算，上行站台接车间隔为131.0 s，上行站台发车间隔为111.0 s，下行站台接车间隔为113.3 s，以上间隔中最大值为接车间隔131.0 s，即为该折返站的追踪间隔。

4.2 优化措施

结合工程项目的车辆牵引制动性能和线路情况，对部分参数进行优化，同时优化信号系统控制流程。主要优化措施如下。

1）采用允许站台追踪的控制方式。

2）列车出清道岔区段立即开始办理出折返轨进路。

3）主要参数优化。正线ATO 常用制动率：0.6 m/s2。折返轨ATO 常用制动率：0.7 m/s2。侧向过岔ATO 速度：26 km/h。进站前列车最高运行速度：55 km/h。

经计算，上行站台接车间隔为107.3 s，上行站台发车间隔为102.0 s，下行站台接车间隔为102.6 s，以上间隔中最大值为接车间隔107.3 s，即为该折返站的追踪间隔。与优化前相比，折返追踪间隔缩短23.7 s。考虑10%的运营裕量，该折返站线路通过能力优化前为24 对/小时，优化后为30 对/小时，行车能力得到较大提高。

5 结语

信号系统能力分析是对特定信号系统所提供的运营能力的计算和评估，其参数的选取和时序的确定要与信号系统实际采用的参数和控制流程保持一致；折返间隔是全线追踪间隔的制约点，当折返间隔不满足运营需求时，可针对占用时间最长的闭塞分区进行优化，分解该闭塞分区所占用的时间并逐一分析，有针对性的采用优化措施；信号系统的优化措施可以组合使用，但优化效果不是各优化措施所能优化的追踪间隔的简单叠加，需综合分析后确定系统能力提升效果。