跨座式单轨折返站折返能力研究

付昌友，吴煜博

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

随着我国城市轨道交通系统制式的多元化发展，跨座式单轨.中低速磁浮.胶轮有轨电车等新型轨道交通系统百家争鸣，相互之间车辆及道岔等设备性能各不相同，与传统地铁系统差异大，在折返能力计算方面缺乏系统性研究。跨座式单轨系统采用橡胶轮胎骑跨于轨道梁的方式运行，与其他钢轮钢轨系统黏着驱动的系统制式在车体结构.转向架结构.驱动模式.牵引制动性能等方面都不同，按照传统经验计算的折返能力存在较大误差。

城市轨道交通系统折返能力的相关研究众多，李莉研究了城市轨道交通列车折返能力综合优化[1]，董松对信号系统提升车站折返能力进行了研究[2]，翟恭娟作了城市轨道交通折返能力分析的研究[3]，江志彬等作了多股道城市轨道交通车站站前折返能力分析[4]，陈俊等对设置站前交叉渡线的折返能力适应性进行了研究[5]。此外，王晓凯[6].唐玉川[7]等都对城市轨道交通折返能力开展了相关研究。针对跨座式单轨系统相关能力的研究内容则不多，主要有廖亚莎[8]对有关跨座式单轨运输能力的探究和夏赞鸥[9]对庞巴迪单轨关键技术的改进与革新研究等。

以上研究内容都未能系统性地对跨座式单轨系统折返能力进行分析，现有的GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》对系统能力的要求是不小于24对/h，随着轻型跨座式单轨系统的应用与发展，小编组高密度提高服务质量是必然趋势，对系统能力达到30对/h存在实际需求。鉴于此，结合有关国际国内标准.车辆及信号设备基础参数，对跨座式单轨系统折返站的折返能力计算原理和计算方法展开研究，并通过实际项目验算进行验证。

2 跨座式单轨折返站配线分析

2.1 折返站主要布置形式

跨座式单轨系统与传统的城市轨道交通系统在配线布置形式上的主要区别在于前者基本不采用交叉渡线，因此，折返站配线形式也与传统轨道交通系统有所区别[10]。

2.1.1 站前折返

根据不同的站台布置形式和道岔布置形式，跨座式单轨系统的站前折返可分为岛式站前.侧式站前和多站线站前折返等，如图1所示[6]。图1(a).图1(b)多用于终点站站前折返，图1(a)的道岔更靠近站端，便于养护维修，但岔区走行距离较长；图1(b)岔区范围较短，交替接发车时能力更大[11]。图1(c)常用于临时终点站站前折返，通常仅设置一条单渡线，作为永久终点站交替折返时会造成乘客选择站台的困扰[12]。图1(d)可用于小交路折返站，折返列车停站清客不会对通过列车造成影响，但道岔数量多，工程投资大，国内暂无在跨座式单轨系统中的应用案例。

图1 站前折返配线布置示意

2.1.2 站后折返

最常见的岛式站后折返大致可分为三大类，第一类是停车线兼折返线，第二类是出入场段线兼折返线，第三类是单渡线利用正线折返[3]。如图2所示。

图2 站后折返配线布置示意

根据不同的工程条件和功能需求，三大类折返布置形式还存在着各种变化，特别是连接车辆段出入线时，配线布置具有多样性特征，但核心都是要满足能力需要。

此外，还有混合折返和环形折返等形式，但在跨座式单轨系统中基本没有应用案例，此处不再详述[11]。

3 折返能力计算的基础

3.1 列车进站运行控制原理

根据CBTC移动闭塞系统列车追踪运行基本原理，列车运行最高限制速度不能超过线路最高限制速度(或临时限速)。根据列车运行最高限制速度和列车运行状况动态计算确定ATP系统限制速度，根据ATP系统限制速度实时计算确定ATP系统紧急制动触发速度[13]。

当列车运行达到紧急制动触发速度时，ATP系统车载设备向车辆发出紧急制动触发命令，车辆实施紧急制动。在ATP紧急制动指令执行延迟响应时间内，应确保列车运行速度不超过ATP系统限制速度[3]。

当前行列车进站停车时，后行列车的防护终点为进站信号机外方，如图3所示。

图3 列车进站运行控制过程示意

设计折返能力计算时，一般按前车停站不影响后车正常的运行速度考虑[14]。两车之间的最小间隔应满足后车在区间按ATO速度运行时，异常情况下不会突破ATP系统限制速度。通过确定图3中①～⑤过程列车运行的距离和时间，再确定后车位置的不确定性最大值(AB距离)，加和之后即可得出起模点距离站外信号机的距离[15]。据此提出列车进站起模点计算的通用模型，如式(1)所示

式中l进站——列车进站运行距离，m；

v0——列车进站初速度，m/s；

l安——安全防护距离，m；

l误——停车误差距离，m；

l列——列车长度，m；

l岔区——进站信号机与站台端部距离，m；

l安全制动——列车安全制动距离，m；

l常用制动——列车常用制动距离，m；

a紧急制动——列车紧急制动加速度，m/s2；

t紧急制动——列车建立紧急制动所需时间，s；

vATP限速——列车超速防护限速，m/s2；

l紧急制动——列车紧急制动距离，m。

3.2 基本参数选取

系统制式与车辆选型不同.道岔系统不同.信号系统不同，折返能力计算的基本参数也不同，以下列举两种车型(MA1.MB1).两种道岔类型(关节可挠型.替换梁型)进行案例分析，方案1采用MA1型车和关节可挠型道岔，方案2采用MB1型车和替换梁型道岔。前者作为大型单轨的代表，后者作为轻型单轨的代表。实际项目设计中应根据车辆选型及信号参数进行核算。

(1)车辆性能参数

车辆性能参数分别选取了MB1型车6辆编组数据和MA1型车8辆编组数据[16]。详见表1。

表1 车辆性能参数

(2)道岔系统参数

关节可挠型单开道岔侧向最大容许速度25 km/h，计算时采用20 km/h；替换梁型单开道岔侧向最大容许速度32 km/h，计算时采用28 km/h[17]。

(3)信号系统参数

信号系统参数在车辆参数基础上留下余量，常用制动减速度按照不大于0.9 m/s2考虑。

(4)其他参数

①保护区段长度

在计算进站起模点时，各设计单位对其中的保护区段长度(包括安全防护距离和停车误差距离)以采用固定值居多，固定值一般为经验值[18]。根据式(1)计算，跨座式单轨系统的区间和站台保护区段长度均采用40 m。

②线路平.纵断面

线路平面和纵断面也是折返能力计算的输入条件之一，平面确定工程限速条件，纵断面将影响列车进出站加速度.影响走行距离和时间[18]。作为案例计算时，进站线路平.纵断面按平直道考虑。

4 折返能力计算

折返能力的计算流程主要差异在于站前折返和站后折返[19]，为了对比两个方案的折返能力差异，此处以侧式站后折返为例进行分析。

4.1 列车折返流程分解

侧式站台站后折返通常配置站后单渡线，利用正线折返，多用于永久终点，或预留延伸条件的终点。

站后折返的主要流程为：①办理接车进路；②列车进Ⅰ道停车；③列车停站清客，同时办理进折返线进路；④列车进折返线，当尾部出清C点时，可办理后车接车进路；⑤驾驶室换端，同时办理出折返线进路；⑥列车出折返线进Ⅱ道停车，尾部出清D点后可办理后车进折返线进路；⑦列车停站上客，同时办理列车出站径路；⑧列车出站，尾部出清E点后可办理后车出折返线进路。如图4所示。

图4 侧式站后单渡线折返作业距离示意

4.2 列车进站时间

(1)列车进站起模点计算

按照公式(1)和两个方案的参数各自计算。

方案1的进站距离l进站一=393 m。

方案2的进站距离l进站二=322 m。

方案1较方案2长71 m(其中列车长度差值44 m)。

(2)进站时间

根据列车进站运行控制原理，列车进站经历了最高运行速度匀速运行.减速至站台限速.按站台限速匀速运行.减速至停站4个过程，按照进站起模点位置.站台限速.车辆参数进行牵引模拟计算。

方案1列车进站时间t进站一=32 s。

方案2列车进站时间t进站二=27 s。

方案1较方案2多5 s。

4.3 列车停站时间

方案1车型客室门开度为1.3 m，方案2车型客室门开度为1.6 m，相比之下，方案2车型更方便乘客上下车。为便于对比，考虑折返站上下车客流量以及折返清客时间，两方案列车停站时间均按照t停站=30 s计列。

4.4 列车进折返线时间

列车进折返线经历了加速至道岔限速.按道岔限速匀速运行.减速至停车3个过程。按照道岔限速.车辆参数进行牵引模拟计算。

方案1列车进折返线时间t进折返一=40 s。

方案2列车进折返线时间t进折返二=27 s。

列车尾部出清C点时，就可办理后车进站进路，经计算，两方案列车尾部出清C点的时间分别为：方案1 37 s，方案2 24 s。

不论是进入折返线停车，还是列车尾部出清C点，方案1较方案2多13 s。

4.5 列车出折返线时间

与列车进折返线不同，因不存在道岔限速，且列车最高速度尚未达到站台限速值，列车出折返线过程理论上无匀速过程。按照车辆参数进行牵引模拟计算。

方案1列车出折返线时间为t出折返一=29 s。

方案2列车出折返线时间为t出折返二=26 s。

列车尾部出清D点时，可办理后车进折返线进路，经计算，两方案列车尾部出清D点所需时间分别为：方案1 21 s，方案2 18 s。

两方案在列车出折返线时间方面差别不大，方案1较方案2多3 s。

4.6 列车出站时间

如图4所示，列车出站出清E点即可办理后车进站台进路，按照车辆参数进行牵引模拟计算。

方案1列车出站出清E点的时间t出站=18 s。

方案2列车出站出清E点的时间t出站=15 s。

两方案在列车出站时间方面差别不大，方案1较方案2多3 s。

4.7 折返间隔时间

根据上述计算结果，绘制列车折返间隔示意图，计算结果如下。

方案1列车到达间隔为123 s，折返间隔为105 s，出发间隔为101 s，系统折返能力受到达间隔限制，为29.2对/h，考虑预留10%余量，实际能力可取值26对/h。如图5所示。

图5 方案1折返能力示意

方案2列车到达间隔为105 s，折返间隔为89 s，出发间隔为95 s，系统折返能力受到达间隔限制，为34.2对/h，考虑预留10%余量，实际能力可取值31对/h。如图6所示。

图6 方案2折返能力示意

从计算结果来看，显然方案2能够实现更大的折返能力，除了因为方案2的列车编组较小外，还体现在其单车更短而胖.加减速性能更好等方面。

5 结论与建议

跨座式单轨系统折返能力直接关系到整个项目的服务水平和服务能力，也关系到车站辅助配线设置，进而影响工程投资。针对跨座式单轨系统折返能力进行了系统性研究，提出了计算方法和参数，并对大型单轨和轻型单轨进行了对比分析。结果表明，轻型跨座式单轨具有加减速性能好.单车体短而胖等特点，且MB1型车车门更宽，有利于乘客快速乘降，再配置侧向速度更高的替换梁型道岔，折返效率有明显提高。通过计算，得出轻型跨座式单轨系统站后折返的折返能力可达到30对/h及以上的结论，远大于经验值和单轨国标的建议值24对/h，该结论对跨座式单轨项目的系统选型和列车编组选择，以及单轨国标的修编提供了可量化的参考和依据。

本文提出的计算方法具有普遍适用性，具体项目设计中应与信号.线路.车辆专业密切配合，掌握能力计算的基础条件和基本参数，尤其是车辆性能参数.信号系统参数和信号平面布置图，同时还应掌握不同信号厂商的信号系统设计特点和前沿动态，以便在折返能力计算中综合考虑。