跨座式单轨交通全自动运行车辆基地工艺设计研究

周飞虎,史时喜

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

全自动运行模式将成为今后城市轨道交通的发展方向[1]，而国内跨座式单轨交通全自动运行线路尚无开通运营的案例，对其研究也较少。为适应跨座式单轨车辆运行控制系统向全自动运行系统发展的趋势，从车辆基地工艺设计方面，对跨座式单轨全自动运行系统进行前沿探索。列车全自动运行后，车辆基地工艺设计将发生较大变化[2]，需考虑新增部分要求，由此将对车辆基地规模产生影响，并最终影响车辆基地总平面布置和运用检修设施的设置[3]。

1 全自动运行单轨车辆基地设计要求

根据全自动运行单轨车辆基地的运营场景，需要分为全自动运行区和非自动运行区[4]，与常规驾驶车辆基地相比，主要新增要求如下。

(1)按全自动段场进行研究设计，新增由OCC控制的全自动运行区域，与正线系统配合，实现单轨列车自“唤醒”至“休眠”的全自动运行功能。

(2)车辆基地划分为全自动运行区和非自动运行区，两种运行区域之间通过设置信号转换轨连通，并新增隔离设施和门禁系统[5]。

(3)停车库、列检库长度增加，需满足信号安全保护距离要求，库内划分为若干防护分区，增设通往各防护分区的人行通道。

2 全自动运行单轨车辆基地规模

2.1 运用车减少

车辆基地规模受其在线网规划中功能定位、本线配属车数、设施设备配置等因素影响。在应对相同的客流量、高峰小时列车对数相同的条件下，全自动运行模式下单轨列车出入段时间、折返时间、停站时间会减小，整体运行时分会减小，旅行速度会提高，故运用车数量会减小，减少数量需根据具体线路情况计算。运用车数量减小进而影响备用车数量、检修车数量，最终影响车辆基地规模。

2.2 检修车减少

鉴于全自动运行模式要求车辆增加自身状态自检功能，具备列车自检、故障自诊断、自重启和恢复功能，车辆检修模式由计划修逐渐转化为状态修，部分检修作业时间缩短，加之利用天窗时间，可减少检修车数，增加列车利用率。例如换轮作业，通过动态在线监测设备，实时监测轮胎磨耗状态，根据监测数据，合理安排整列车分期作业，对磨耗到限的轮胎逐步进行更换，加之对换轮设备进行升级，可有效提高工作效率，从而实现换轮检修不扣车，减少检修车数。

2.3 停车规模增大

车辆基地用地规模及停车能力应满足按照单一交路运营时，系统最大设计能力的需要。常规驾驶的单轨线路中，系统能力设计最大行车密度为24对/h，行车间隔为2.5min。车辆全自动运行后，行车间隔可缩短，行车密度得到提高，从而导致系统运用车数增加，车辆基地停车总规模将增大。采用全自动运行的车辆基地，在设计时应做好用地条件预留，具体需根据线路情况，对系统能力的行车间隔进行专题研究[6]。

同时，全自动运行将使正线停车线停车得以实现。常规驾驶时，运营利用正线车站设置的停车线晚间停车，存在车辆日常维护管理和司机管理的难题，而全自动运行后，列车具备自动休眠、唤醒和自检的功能，有利于正线停车线晚间停车，从而使运营更加灵活、便捷。因此，车辆基地停车规模可减小，同样应根据线路情况进行具体研究，并结合前述结论，统筹考虑停车设计规模。

由于全自动运行模式下的运营还不成熟，尚需对其进行探讨，建议暂不考虑正线停车的影响，按照全部配属车都需停在车辆基地来考虑停车规模的设计[7]。综上，车辆基地停车规模将增大。

2.4 列检双班制

单轨车辆列检作业通常利用晚上的检修天窗期和白天退出高峰期运营的回段列车进行，不影响当天早晚高峰期的运营。车辆全自动运行后，列检作业内容将减少，检查时间将缩短，有条件实现双班制，且通过对重庆既有单轨线路的调研，在实际运营中，已逐步推行双班制列检作业。在计算列检规模时，若按照双班制进行计算，可减小列检库设置规模。根据经验数据可按比例进行分配，1个列检列位1 d可以检2列车，则一个周期3 d内可以完成6列车的列检作业，考虑列检检修不平衡系数1.2后，1个列检列位一个周期按照完成5列车列检作业进行计算，列检与停车的规模比例应当为1∶4。设计时，列检规模计算同时应根据检修时间周期进行核算，取结果大的数据作为最终设计规模。

2.5 三月检均衡修

GB50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》规定，三月检检修时间为3 d，需要扣车进行作业。近年来，车辆均衡修逐渐成为国内轨道交通行业的发展趋势，重庆既有单轨线路对此也进行了初步探究，将三月检作业项目拆分为车上、车下、带电检、停电检4个子项目[8]，利用4个窗口时间，即车辆退出早晚高峰期运营回库的时间间隔进行作业，实现三月检检修不扣车的目的，可使三月检的车辆作为运用车使用，提高车辆上线率。因此，全自动运行后，将影响单轨车辆检修规程，并将加速促进修程修制的变革，从而影响车辆基地设计规模。

3 全自动运行单轨车辆基地总平面布置

全自动运行单轨车辆基地总平面的布置应满足全自动运行区域、非自动运行区域、驾驶模式转换区域和车辆段厂前区等主要功能分区明确、联络方便、交通顺畅[9]。全自动运行区和非自动运行区尽量避免或减少交叉作业，不同功能分区应尽量相对集中，方便管理。

3.1 全自动、非全自动运行的分区

采用全自动运行的单轨车辆基地，需进行全自动运行区和非自动运行区的划分，列车在进行自动驾驶模式和人工驾驶模式的切换后，方能从一个区域行驶至另一个区域。正常运营期间，全自动运行区域纳入控制中心管理，区域内包括车辆运行、机电设备自动化作业均由控制中心控制全自动完成，车辆在全自动运行区内，可实现自动休眠、唤醒、准备、自检、运行、停车、洗车等作业[10]。

一般情况下单轨全自动运行区主要包括出入段咽喉区、洗车线、停车线、列检线；非自动运行区主要包括三月检线(本次研究暂将三月检纳入非自动运行区，后续三月检若逐步实现均衡修，且有相关规范作为依据时，也可布置于全自动运行区)、换轮线，全、重检线、工作车线。试车线应兼顾2种运行模式，可结合具体段型，灵活布置。全自动运行区域的线路长度均应考虑列车自动运行的安全保护距离，满足信号系统的要求[11]。

全自动运行区和非自动运行区之间的联络，具体考虑在车辆基地牵出线上设置转换轨，以实现列车运行模式的转换，并按照全自动运行信号系统的要求将牵出线有效长度加长。

全自动运行区与非自动运行区通过隔离栅栏分隔，并在出入口设置门禁，信号分区入口处设置信号锁定按钮。如维修人员需进行作业时，或者其他特殊情况下(火灾)，由安全员刷卡激活门禁或由车辆基地控制室紧急触发激活门禁，同时人工按下信号锁定按钮，信号系统自动对影响区域进路锁闭，禁止该分区的列车移动。

3.2 车辆基地总平面布置段型

单轨道岔结构较为复杂，且价格高，所以单轨车辆基地总平面布置在满足运营需求的同时，尽量减少道岔数量和优化咽喉区占地面积、减小轨道梁长度是总平面布置的关键[12]。

(1)将车库尽量组合集中布置，然后优先采用五开道岔，两个三开道岔价格远高于一个五开道岔，而实现的功能相同；使用频率不高的车库股道，采用移车台方式，可以达到减少道岔数量的目的。

(2)充分利用单轨车辆转弯半径小的特点，增大道岔与车库股道之间的角度，对距离出入线较远的车库向后平移，形成错落式布局，对优化咽喉区占地面积、减小轨道梁长度可起到良好效果[13]。

根据上述单轨车辆段总平面布置经验，研究将停车库、列检库组合在一起构成运用库；月检库、吹扫库、临修库、换轮库合建为月检换轮库；将全面检修和重点检修库、转向架间以及部件检修车间组合为检修库。停车场规模通常都较小，其所具有的功能和设施车辆段通常都具备，不再具体阐述。下面主要对单轨车辆段总平面布置段型进行研究，其主要可分为顺接并列布置、顺接纵列布置、倒装逆向布置和贯通式布置4种段型。

3.2.1 顺接并列布置段型

总平面以优化车辆段工艺功能为主要设计思路，采用运用库、月检换轮库、检修库并列、顺向尽端式布置段型。正对出入线布置运用库，方便收发车，利于运营；考虑简化咽喉区，缩短咽喉区的长度，洗车库尽端式布置于运用库一侧；为尽量减少夹角地和对城市规划地块切割，试车线靠近运用库一侧布置；利用试车线与出入线之间的夹角地布置污水处理站、混合变电所、危险品库等辅助生产设施；工作车库顺接于咽喉区右侧；综合楼、物资库分别布置于运用库和月检换轮库后部，邻近出入口，如图1所示。该段型特点是车辆段运用和检修、生产和生活功能分区明确，但车辆段占地较宽，总体呈“刀把”形，检修后的列车进行试车作业调车时，切割咽喉区。

图1 车辆段总平面布置方案1

结合具体用地条件，也可将检修库大角度旋转呈“扇形”，顺接于牵出线，综合楼、物资库布置于左下角空地，如图2所示。该段型缩短了“刀把”的长度，同时减少了检修车走行距离。

图2 车辆段总平面布置方案2

为尽量减少占地面积，停车库可按照一线三列位布置，利用月检库库长度短，检修库股道少的特点，将检修库错落布置于月检库后，换轮库布置于最外侧，形成前后错落式布置段型，如图3所示。该段型减小了车辆段占地宽度，平面布置紧凑，占地指标小。重庆2号线大堰车辆段、3号线童家院子车辆段即采用此平面布置段型。

图3 车辆段总平面布置方案3

综上，顺接并列布置段型，牵出线兼作转换轨，总体工艺较为顺畅，但是存在全自动运行区和非自动运行区功能分区不够明确的问题。转换轨控制权一般在OCC，检修列车在非自动运行区通过牵出线转线作业时，需要向OCC申请进路，需要DCC和OCC双方调度员多次对接。

3.2.2 顺接纵列布置段型

为尽量减少车辆段占地宽度，可将检修库平行出入线布置于一侧，形成运用库在后、检修库在前的纵列式布置段型，利用出入线长度较长的特点，洗车库布置为咽喉区完全贯通式，试车线靠近检修库一侧布置，利用段内空地布置综合楼等辅助生产、生活房屋，如图4所示。该段型进一步减小了车辆段占地宽度，提高了洗车效率，避免了试车作业调车时对咽喉区的切割，但车辆段咽喉区及出入线较长。

图4 车辆段总平面布置方案4

也可将月检换轮库、检修库一起布置于运用库后，形成运用库在前，检修库在后的纵列式布置段型，如图5所示。该段型车辆段占地宽度更小，收发车走行距离也较短，但检修车走行距离较长，车辆段占地长度较长，更适合于狭长地块用地条件下车辆段的布置。

图5 车辆段总平面布置方案5

上述两种顺接纵列布置段型，转换轨设置在两区域之间的联络线上，检修列车转线作业与OCC控制的转换轨区域不存在交叉干扰，驾驶模式转换顺畅，全自动运行区和非自动运行区物理分区明确。

3.2.3 倒装逆向布置段型

为更加合理利用规划地块，将运用库顺接于出入线，换轮库、检修库与运用库呈倒装逆向布置，通过段内设置的换向牵出线连通，洗车库可布置于咽喉区，为“八字”往复式洗车，试车线位于检修库一侧，如图6所示。该段型特点是设置转换轨的牵出线与检修列车转线作业用的专用牵出线分开，全自动运行区和非自动运行区物理分区明确，平面布置非常紧凑，用地边界线平整，造成的边角地较少，但存在检修车调车工艺复杂的问题。

图6 车辆段总平面布置方案6

3.2.4 贯通式布置段型

对于停车规模较大的车辆段，可考虑运用库按照一线三列位、贯通式布置，洗车库布置于运用库一侧，为段内贯通式洗车，试车线、走行线位于运用库一侧，月检库、换轮库与检修库相互错落、并列布置于运用库另一侧，如图7所示。该段型车辆段功能分区明确，工艺顺畅，同时对地块利用较好，减少了边角地。

图7 车辆段总平面布置方案7

也可将月检库、换轮库、检修库纵列式布置，和走行线等布置于运用库同一侧，试车线靠近检修库布置，如图8所示。该段型可将两侧咽喉区都与检修库连通，与前者相比减小了车辆段占地宽度，但全自动运行区和非自动运行区分界不够明确。

图8 车辆段总平面布置方案8

上述几种车辆段总平面布置段型中，试车线与检修库位于咽喉区两侧时，存在切割自动咽喉区的问题。而单轨车辆由于存在正负极受电弓，不可在车辆段平面内设置回转线连通两侧。可利用单轨车辆转弯半径小，爬坡能力强的特点，延长非自动运行区的牵出线，通过联络线与出入段线立交后，接入试车线；出入线以60‰坡度只需100 m距离即可下降6 m的高度，使其满足联络线与出入线立交的限界要求，如图9所示。由此可避免检修库与试车线之间调车时切割全自动运行的咽喉区。

图9 出入线与联络线立交方案

4 运用检修设施

单轨车辆基地运用整备设施包括停车库、列检库、洗车线及辅助生产房屋等，主要位于全自动运行区，主要完成车辆的停放、列检、定期充气、清洁消毒和停放[14]。检修设施包括检修库、换轮库、吹扫库、三月检库、临修库、工作车库以及其他辅助生产房屋，主要位于非自动运行区，主要任务是完成车辆全面检修、重点检修等修程的车辆检修工作，并承担车辆轮胎的更换以及其他临修作业[15]。车辆全自动运行后，综合维修设施设备、物资仓储管理设施设备以及其他必要的生活设施等内容与常规驾驶变化不大，故不再赘述。

4.1 运用库

4.1.1 运用库功能分区

运用库由停车库、列检库及辅助生产房屋组成，宜采用一线两列位、尽端式布置。单轨列车全自动运行后，运用库被划为“无人区”，列检、清扫保养等任务需在“无人区”内进行。从安全角度考虑，为避免发生意外，检修及清洁工作进行时，区域内列车禁止移动、接触轨为断电状态，如果库中的所有电源都被切断并且禁止动车，则会对整个库房的运行造成很大干扰。因此，为方便管理，运用库应设置若干防护区[16]。停车库内每2～3轨道设置为一个防护区，列检库每1轨道设置为一个防护区。防护区之间设置围栏，库后设置人行专用通道，通道防护围栏处设置栅栏门，栅栏门通常闭锁，设门禁；库中设置梁下横向下穿通道，与地面连通，通道高程距离库内地面-1.2 m，对应于各防护分区处设置出入口，出入口处设栅栏门，门设门禁。同时建议在运用库中增加纵向消防通道。运用库功能分区如图10所示。

图10 单轨车辆运用库功能分区示意

工作人员需进入全自动运行区域时，必须先取得行车调度与电力调度的许可。行车调度将该分区信号锁闭、电力调度切断该分区牵引供电并进行确认后门禁才能被激活打开。信号系统应为各防护区建立相应逻辑关系，并提供隔离功能设计，当某分区误报警时可暂将该分区从系统中隔离，由安全员确认并恢复误报后再将分区开放。被隔离防护区不应影响系统其他区域的正常运行。

4.1.2 库长、宽度计算

综合国内大部分信号和车辆厂商的数据，两列位列车之间(AB端)保护距离应大于20 m，末端列位列车距车挡(B端)保护距离应大于15 m。结合现行GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》要求，一线两列位停车库长为：库前距离(3 m)+列车总长度+AB端保护距离+列车总长度+B端保护距离+车档长度(3 m)+库后长度(6 m)。一线两列位列检库长为：库前距离(3 m)+列车总长度+AB端保护距离+列车总长度+B端保护距离+车档长度(3 m)+库后长度(15 m)。按照8辆编组单轨列车长度119 m进行计算，停车库长宜设置为285 m，列检库长宜设置为294 m。研究认为，库长计算中，规范要求的停车误差应包含在保护距离中，不应重复计入。停车库、列检库通常合设为运用库，库长应按照列检库长度取值。较常规驾驶运用库增加22 m。

常规驾驶模式下，一般为4～5条股道为一跨；全自动运行模式下，考虑隔离栅栏宽度，应适当增加线间距，以满足人员通过需要，故全自动运行比常规运用库宽度有所增加。具体增加宽度与停车规模相关。

4.1.3 全自动库门设计

建议南方地区运用库不设置全自动库门，将轨行区使用防护栅栏隔离；北方地区因气候原因需设置库门时，建议设置折叠门；库门与信号系统联锁，大门所在线路列车进路开放时，大门应由车辆段行车调度触发远程控制按键开启或由系统自动触发开启，出入库完成后自动关闭。

4.2 月检换轮库

研究结合车辆段总平面布置，将三月检、换轮合建为月检换轮库，位于非自动运行区。三月检考虑车内作业和车顶空调检修的需要，库内设有通长上车内平台和上车顶平台，为方便对车下部件的检查和清扫作业，轨道两侧设有轨行式车体下部作业台[17-18]。换轮库内设贯通式出入库线，每股道设1套换轮设备以及2个换轮台位，满足2个转向架同时进行换轮作业，换轮设备前后轨道梁有效长度满足一列车停放要求，兼顾临修作业。

4.3 检修库

检修库位于非自动运行区，主要承担单轨车辆全面检修、重点检修任务，由车体车间、转向架车间和部件检修车间组成。库内设解体组装线，完成车辆的解编和联挂、车体与转向架的分离、组装以及整车调试等作业；解体组装线轨道梁尾部设有可移动式转向架脱轨梁，可以实现单轨转向架的横向过跨；另设有转向架空载试验台和水平轮压力检测梁，完成转向架组装后的试验任务；车体通过单轨车工艺转向架和移车台来实现列位间移动。车体检修台位、转向架检修台位，应按照定位修的检修方式，其设置数量应满足规模计算的检修能力需求。部件检修车间的场地按待修部件存放区、检修作业区和修竣部件存放区合理设置，在设计时应考虑足够的面积。为方便部件运输，采用就近布置原则，与车体检修有关的部件维修间应靠近车体车间布置，与转向架检修有关的部件维修间应靠近转向架车间布置[19]。

4.4 工作车库

工作车库承担线路检修工作车的停放、运用、整备和日常维修工作以及事故列车的救援值班任务[20]。工作车车存放线纳入非自动运行区，宜靠近检修库一侧布置。为减少道岔数量，库中设置移车台连接各股道。库内1股道为救援车线，独立出岔。

4.5 洗车线

洗车线位于全自动运行区，宜靠近运用库一侧布置。由TIAS控制实现全自动洗车，洗车库控制室无人值守。洗车设备应提供远程急停控制功能，控制终端设置于非全自动运行区，同时应设置视频监控，对洗车机工作状态实时监控。洗车库大门应设置为自动门(南方地区可不设置库门)，与信号系统联锁。由于“出段洗”作业方式的洗车时间控制不准确，影响列车出段，在实际运营中应用较少，一般都是“入段洗”，通常是在白天安排退出高峰期运营的回段列车进行洗车。有条件的车辆基地应采用贯通式洗车，无条件的车辆基地宜采用入段往复式洗车，尽端式洗车线位置应尽量避开检修库主要出入通道。单轨车辆洗车线按照规范要求通常设置人工补洗平台，全自动运行模式下，应设安全防护设施。

洗车设备前后平直线路均满足不小于1辆车长的要求，洗车线有效长度满足洗刷设备前后不小于1列车长的要求，同时考虑采用全自动运行模式，安全保护距离20 m。常规驾驶模式下，规范规定尽端式洗车线路终端安全距离为10 m，贯通式洗车信号设备设置附加长度12 m。综上，与常规驾驶模式相比，往复式洗车，洗车库前后线路有效长度L1、L2各增加10 m，贯通式洗车有效长度L2增加20 m，尽端式洗车库后有效长度L2增加10 m。洗车线有效长度示意如图11所示。

图11 洗车线有效长度示意

4.6 试车线

全自动运行车辆基地的试车线应兼顾自动驾驶和人工驾驶2种需求，可根据总平面布置需要确定其所属区域；尽量靠近检修库一侧布置，以减少列车调车作业时对全自动运行区域的干扰。对于全自动运行区域的试车线，人工试车时，可将其转换为人工驾驶模式；对于非自动运行区域的试车线，同时应配置自动驾驶所需的通信信号等设备，以满足全自动试车的需要。单轨试车线需设置登车平台、车体下部作业台，不设检查坑，需设过轨人行下穿通道和不小于1辆车长度的硬化地面，以及安全防护措施。全自动运行单轨车辆基地试车线调试作业内容包括：(1)车地通信；(2)速度轨迹的确定与校准；(3)ATP制动与牵引控制；(4)ATO控制的精度测试与校准；(5)自动驾驶测试，列车休眠、唤醒、对位停车、自动开门关门、列车自动换端等。

4.7 牵出线

单轨车辆段牵出线主要用于完成单轨列车由停车库、列检库往返各条检修线、换轮线、三月检线和洗车线的转线调车作业。在全自动运行车辆段，需要有一段轨道用于列车往返全自动运行区至非自动运行区时的驾驶模式转换，即转换轨，列车跨区域调车或行车时必须经过转换轨。通常可利用常规车辆段的牵出线作为转换轨，也可以单独设置转换轨。全自动运行模式下，需在转换轨处设置进入司机室平台。牵出线兼信号转换轨有效长度根据信号系统要求相比常规驾驶有所加长，全自动运行牵出线有效长度为：信号机安装距离(5 m)+列车总长度+安全保护距离(40 m)+调车机车长度+终端安全距离(5 m)+车档长度。

4.8 备用控制中心

单轨线路按全自动运行设计后，一般需在车辆基地(或正线合适位置)新增设备用控制中心，且为热备状态。备用控制中心应包括调度大厅、TIAS设备室、信号设备室、通信设备室、综合网管室、运行图编辑室、UPS蓄电池室、UPS主机及馈线室等，每个设备用房需额外考虑增加精密空调位置。

5 结论

(1)在全自动运行模式下，提出了跨座式单轨车辆基地设计的新增要求；定性分析了单轨车辆全自动运行对车辆基地设计规模的影响，提出了在应对相同客流量的条件下，运用车和检修车将减少；而在达到系统运行能力的情况下，车辆基地停车规模将增大；并将影响单轨车辆检修规程，从而影响车辆基地设计规模。

(2)在全自动运行模式下，对跨座式单轨车辆基地总平面布置进行了深入研究。在全自动运行区和非自动运行区划分的条件下，全面总结出了顺接并列布置、顺接纵列布置、倒装逆向布置和贯通式布置4种段型，8种平面布置方案，提出了全自动运行单轨车辆基地平面布置的新思路，并对各种方案的特点及适应城市规划地块的情形进行了系统分析，为后续类似工程设计提供参考借鉴。

(3)在全自动运行模式下，对跨座式单轨车辆基地运用库、月检换轮库、检修库、工作车库、洗车线、试车线、牵出线等运用检修设施以及新增备用控制中心的设计进行了探讨，包括全自动运行区安全防护设施的设计、运用库库中下穿通道的设计、单轨列车停车所需的安全距离、运用库尺寸计算方法、试车线调试作业内容、洗车线长度、牵出线长度和备用控制中心等内容，为进一步研究打下了良好基础。