黃輝林，崔衍渠，潘 琢，楊成和

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031; 2.中國中鐵“一帶一路”互聯(lián)互通研究中心,成都 610031)

引言

隨著我國城市化進程的進一步加快,以京津冀城市群、長三角城市群、粵港澳大灣區(qū)、成渝雙城經(jīng)濟圈為代表的超大都市圈中心城市交通服務范圍不斷擴大,傳統(tǒng)軌道交通已不能很好地適應新形勢的需要,多種軌道交通制式間開始不斷融合以結合各自優(yōu)勢,為都市圈提供更好的軌道交通服務[1-2]。在此背景下,結合城際鐵路速度快、舒適度高和城市軌道交通自動化程度高、運能大等特點,采用CBTC列控系統(tǒng)的都市圈城際鐵路、市域鐵路應運而生[3-4]。CBTC系統(tǒng)通常應用于直流供電制式線路中,根據(jù)國內(nèi)外運行經(jīng)驗,直流供電制式一般應用于120 km/h及以下線路,而120 km/h以上線路一般采用交流供電制式[5],如北京大興機場線、廣州18號線、22號線、成都17號線、18號線等均采用與國鐵相同的AC25kV供電制式,如表1所示。

表1 國內(nèi)城際鐵路、市域(郊)、市域快線主要系統(tǒng)制式

交流制式雖然能適應列車高速運營要求,但為使電力系統(tǒng)使用均衡,接觸網(wǎng)采用分段換相供電,在相間設置分相區(qū)隔離不同相電流以防止列車通過時發(fā)生短路跳閘,列車通過分相區(qū)時,需斷開受電弓,以惰行工況通過分相區(qū)后再次合弓恢復牽引[6-7]。由于分相區(qū)內(nèi)接觸網(wǎng)無電,列車若停入其中,將失去牽引力無法啟動。故列車移動授權停車位置不能位于分相區(qū)內(nèi),因此,電分相的設置必然對CBTC系統(tǒng)追蹤間隔時間產(chǎn)生影響。本文主要研究采用CBTC系統(tǒng)的市域鐵路、城際鐵路設置電分相對追蹤間隔時間的影響,并提出相應計算方法,為工程設計相關行業(yè)提供經(jīng)驗借鑒。

1 CBTC追蹤間隔原理

根據(jù)移動閉塞原理[8-12],追蹤兩車間追蹤距離應大于列車在該位置的制動距離加上一定的安全防護距離,而前后兩列車通過同一個地點的時間間隔即為追蹤間隔,根據(jù)位置不同,通?？煞譃閰^(qū)間追蹤間隔和車站追蹤間隔。

1.1 區(qū)間追蹤間隔

區(qū)間追蹤間隔計算原理如圖1所示。

圖1 區(qū)間追蹤間隔計算原理示意Fig.1 Calculation principle of interval tracking spacing

圖中,vmax為自動駕駛的最高速度;Lk為制動空走距離,指從制動手柄開始移到制動位起,至閘瓦逐步壓緊車輪制動力達到一半為止列車所走行的距離;Lz為列車緊急制動距離;Lf為安全防護距離,指對目標點的監(jiān)控預留的安全距離;Lc為列車長度。則列車安全制動距離L=Lz+Lf。

列車在區(qū)間D0處的追蹤間隔時間為

(1)

1.2 車站追蹤間隔

車站追蹤計算原理如圖2所示。

圖2 車站追蹤間隔計算原理示意Fig.2 Schematic diagram of calculating principle of station tracking spacing

圖中,tj為列車進站時間,列車開始制動到進站停穩(wěn)的時間;tt為列車停站時間,列車停穩(wěn)至再次啟動出發(fā)的停留時間;tc為列車出站時間,列車啟動至車尾駛離站臺端部距離為安全附加距離Lf時的時間。

則車站追蹤間隔為

(2)

1.3 影響追蹤間隔的因素

從式(1)和式(2)中可以看出,列車追蹤間隔時間本質(zhì)上就是后車運行經(jīng)過追蹤距離的時間和停站時間(計算區(qū)間追蹤間隔時間時停站時間可認為為0)的和。因此,在停站時間不變的情況下,追蹤間隔時間主要受兩方面因素影響:追蹤距離和后車運行通過該距離的追蹤速度。

2 電分相設置對追蹤間隔的影響

2.1 分相防護區(qū)設置方式

CBTC移動閉塞基于車-車通信[13-14],后車停車打靶點始終為距離前車車尾一定安全附加距離處,即移動授權[15-17],當接觸網(wǎng)設置電分相后,分相所在區(qū)域附近形成無電區(qū),后車打靶點可能落入該區(qū)域,若列車停入其中,將無法正常取電恢復牽引或恢復牽引時間過短即駛入無電區(qū)失去牽引力且靠慣性不足以駛出無電區(qū),發(fā)生掉分相事故。因此,需修改該區(qū)段的移動授權位置,避免后車移動授權落入其中。設置防護信號機將分相區(qū)段隔離出來形成分相防護區(qū)FXQ,如圖3所示。

圖3 分相防護區(qū)設置示意Fig.3 Schematic setting of electric phase separation protection area

圖中,F1及F2為分相區(qū)段防護信號機,F1與F2間即為分相防護區(qū)段;A、B間為電分相中性區(qū)段,①②③④分別為1～4號磁枕,即“預告點”“強迫斷點”“恢復1”和“恢復2”,列車在“預告點”開始發(fā)送預告模式斷電過分相指令,在“強迫斷點”處如果還未完成斷電則進入強迫斷電模式,在列車前端到達“恢復1”或“恢復2”時合電恢復牽引,由于理論計算與列車實際運營有一定誤差,為保守起見,按“預告點”斷電,“恢復2”合電[18],兩者間為分相惰行區(qū),長度為Ld;防護信號機F1設置位置需滿足列車車頭在F1處從靜止狀態(tài)加速到能夠依靠慣性惰行駛出電分相惰行區(qū),F1與“預告點”間距離為Lj,Lj需結合線路平縱斷面條件和列車牽引制動性能進行查定;防護信號機F2設置位置需滿足列車過分相后又接到停車信號停在該信號機后方且列車不落入分相中,Ly為一定停車裕量。

當分相防護區(qū)內(nèi)軌道占用狀態(tài)為空閑時,信號機F1及F2均開放,當前車駛入分相防護區(qū)后,F1變?yōu)殛P閉,前車停車打靶點為F2,后車停車打靶點為F1;當前車車尾出清F2后,F1變?yōu)殚_放,后車可駛入分相防護區(qū)中,后車停車打靶點變?yōu)镕2。通過分相防護區(qū)的設置,實現(xiàn)了CBTC移動授權位置在分相區(qū)的調(diào)整,避免列車落入分相區(qū)中。受接觸網(wǎng)電分相結構限制,現(xiàn)有電分相類型無論是關節(jié)式電分相還是器件式電分相均無法設置在道岔區(qū)域,并且為保證列車停站后能夠再次起動,接觸網(wǎng)電分相也無法設置在車站內(nèi),因此,接觸網(wǎng)電分相只能設置在區(qū)間中,下文在此條件下進行進一步分析。

2.2 電分相對區(qū)間追蹤間隔的影響分析

根據(jù)上述原理,當前車車尾未越過F1時,后車停車打靶點為前車車尾(圖4(a));當前車車尾越過F1且未越過F2時,后車停車打靶點為F1,此時追蹤距離開始變長(圖4(b));當前車車尾即將越過F2時,分相防護區(qū)仍然為占用狀態(tài),后車停車打靶點仍為F1,此時,追蹤兩車間追蹤距離達到最大,二者追蹤距離較無分相時增加分相防護區(qū)長度LFXQ(圖4(c))。另一方面,由于列車在分相區(qū)將會喪失牽引力,依靠慣性惰行,則通過追蹤速度也會有所降低,造成追蹤間隔時間增大。

圖4 分相防護區(qū)對區(qū)間間隔影響示意Fig.4 Influence of electrical phase separation protection area on interval spacing

該區(qū)段區(qū)間追蹤間隔為

選取在該院診治的108例GDM患者臨床資料，按不同治療方案分2組，觀察組54例，年齡22～32歲，平均(25.63±3.04)歲，孕周 27～34 周，平均(30.14±2.11)周，初產(chǎn)婦22例，經(jīng)產(chǎn)婦32例；對照組54例，年齡24～35歲，平均(26.54±2.47)歲，孕周 28～36 周，平均(31.02±1.21)周，初產(chǎn)婦26例，經(jīng)產(chǎn)婦28例。兩組基礎資料比較差異無統(tǒng)計意義（P＞0.05），可比較。

(3)

2.3 電分相對車站追蹤間隔的影響分析

根據(jù)式(2)車站追蹤間隔計算原理,將其分為3個部分,即列車進站、列車停站及列車出站。電分相位置對車站追蹤間隔的影響有所不同。

(1)電分相位于出站端

由于出站時間遠小于停站時間,同一時間僅有一列車處于出站過程中,因此,出站過程不涉及移動授權的更改,不會造成追蹤距離的增加,只需分析電分相對追蹤速度的影響。若出站過程中列車車頭未進入分相惰行區(qū)內(nèi),則追蹤速度不受影響,此時車站追蹤間隔時間不受電分相影響;若出站過程中列車車頭已經(jīng)進入分相惰行區(qū)內(nèi),此時追蹤速度會受到惰行影響降低,因此會造成車站追蹤間隔的增加,仍用式(2)計算。

(2)電分相位于進站端

由于列車需要在車站停留一段時間tt,因此,在進站區(qū)域前后兩列車間距離應增加一個停站時間內(nèi)以列控監(jiān)控速度vmax行駛距離Lt,如圖5所示。經(jīng)分析,當Lt≥LFXQ時,能夠保證當前車車尾即將出清F2時,后車仍能在F1前停車,此時車站追蹤間隔由式(4)可計算。

圖5 分相防護區(qū)對車站間隔影響示意Fig.5 Influence of electric phase separation protection area on station interval time

(4)

當Lt

2.4 后備模式下分相區(qū)影響分析

信號系統(tǒng)是保證列車安全可靠運行的關鍵設備,除需保證設備正常時運營需求外,還需設置一定的安全冗余,以保證在部分系統(tǒng)設備故障時系統(tǒng)仍能繼續(xù)可靠運行,因此,CBTC系統(tǒng)能根據(jù)需要配置相應的后備模式[19-21],如點式ATP、人工駕駛模式等。由于后備模式通常在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時轉(zhuǎn)換采用,此時已不再追求縮短追蹤間隔,而首要保證在安全的前提下維持列車繼續(xù)運行,避免出現(xiàn)運營中斷事故。故在后備模式下,需保證運營列車能夠順利通過分相區(qū)。

點式ATP模式是一種基于地面應答器與車載感應設備間點式傳輸信息的列車控制模式,屬于固定閉塞。前后兩車間需保證有一個防護區(qū)段,后車前方的信號機需在前車出清防護區(qū)段后才能開放,以保證兩車間的安全距離。為保證列車在收到停車信號后能夠在防護區(qū)段前停下,每個固定閉塞分區(qū)的長度需保證列車以控車速度進入該分區(qū),并以最大常用制動停車而不越過前方信號機。因此,需計算分相防護區(qū)長度能否滿足列車制動需求,若不滿足,在點式ATP控車時,需在該區(qū)段加以限速以滿足制動距離需求。

當前車處于分相區(qū)中時,F1關閉,系統(tǒng)將相關信息傳遞到應答器1,繼而通過電磁感應傳遞到車載設備,后車開始制動,保證列車能夠停在F1后方;同理,當前車位于F2與S2之間時,F2關閉,系統(tǒng)將相關信息傳遞到應答器2,繼而通過電磁感應傳遞到車載設備,后車開始制動,保證列車能夠停在F2后方,如圖6所示。通過2.1節(jié)分析可知,列車停在F1后方,列車啟動后能夠以規(guī)定的速度順利通過電分相;列車停在F2后方時,列車車尾不會進入到分相中。因此,在點式ATP模式下,列車能夠正常行車,不會掉入分相中。

圖6 點式ATP原理示意Fig.6 Schematic diagram of point ATP

(2)人工駕駛模式

根據(jù)GB/T 36981—2018《軌道交通客運列車斷電過分相系統(tǒng)相互匹配準則》,在采用人工控制方式時,分相區(qū)正反向斷標標定點離中性區(qū)≮30 m且(a-30)≮5 m,并在該位置設置“斷”和“合”標志。當列車行駛到“斷”標處,司機斷開主斷路器,列車開始惰行;當列車惰行到“合”標處,司機合上主斷路器,列車恢復牽引。

可見,在人工駕駛模式下,列車惰行距離較列控控車時更短,列車更加不易落入分相區(qū)之中。

2.5 對電分相設置的建議

根據(jù)以上分析,從降低追蹤間隔時間角度,對電分相設置提出如下建議。

(1)優(yōu)化電分相設置形式。根據(jù)相關規(guī)范,結合線路技術標準及工程特點,優(yōu)化電分相布置形式,盡量縮短電分相惰行距離。

(2)盡量遠離車站進出站端。通常而言,車站間隔比區(qū)間追蹤間隔長,并且列車在進出站端速度較低,通過分相區(qū)時間更長,因此,應盡量避免電分相設置于車站附近,造成系統(tǒng)能力下降。另一方面,由于車站端速度更低,也更容易發(fā)生列車掉分相事故。

(3)盡量避免設置在大坡道上。若分相區(qū)設置于長大上坡道上,列車在惰行區(qū)內(nèi)掉速快,平均速度低,列車通過分相區(qū)時間更長,此外,由于上坡道列車過分相初速度要求更高,則分相防護區(qū)長度也會變長,因此,會造成追蹤間隔增加較多,并且區(qū)間運行時間也會變長。

3 實例分析

以深圳深惠城際大鵬支線為例,該線運營長度約39 km,設龍城、坪山、燕子湖、葵涌、大鵬、新大等6座車站,采用CBTC系統(tǒng),交流供電制式,采用站站停設計,設計速度160 km/h,最小追蹤間隔2.5 min。在坪山站小里程端,葵涌站小里程端上、下行同位置設置電分相兩處,如表2所示。

表2 大鵬支線城際電分相信息

由表2可知,Ld=710 m;根據(jù)車輛選型及信號系統(tǒng)研究,暫按Lc=200 m,Lf=110 m;為盡可能提高列車過分相出口速度,結合線路平縱斷面條件,列車開始惰行時速度不宜低于60 km/h,計算Lj=174 m,Ly暫按40 m;根據(jù)牽引計算規(guī)程,動車組制動空走時間約2.5 s,故Lk=111 m;因此,分相防護區(qū)長度LFXQ=1 234 m。

利用列車牽引計算軟件,按式(3)計算上下行方向分相區(qū)段區(qū)間追蹤間隔時間,如表3所示。

表3 大鵬支線城際分相區(qū)段區(qū)間追蹤間隔時間

計算坪山站、葵涌站停站時間分別為45,30 s,對應的Lt分別為2 000,1 333 m,均大于LFXQ=1 234 m。結合式(2)、式(4)計算坪山站及葵涌站上下行方向車站追蹤間隔時間,如表4所示。

綜上,設置電分相后,大鵬支線城際設計區(qū)間追蹤間隔及車站間隔仍小于2.5 min,滿足系統(tǒng)設計能力要求。

4 結語

通過構建CBTC系統(tǒng)列車追蹤間隔模型并分析得出影響追蹤間隔的主要因素為追蹤距離和追蹤速度;并創(chuàng)新性提出設置分相防護區(qū)及列控系統(tǒng)移動授權在該區(qū)域附近的轉(zhuǎn)換方法,以保證追蹤列車在分相附近實現(xiàn)移動授權的轉(zhuǎn)換,避免移動授權點落入分相區(qū)中;分別分析了分相防護區(qū)的設置對區(qū)間間隔和車站間隔的影響,并提出了相應的追蹤間隔計算方法;分析了后備模式下列車能夠順利通過電分相并給出了分相不宜設置在大坡道、車站進出站端,同時應盡量縮短分相區(qū)長度的建議;以大鵬支線城際鐵路為例,采用本文所提出的計算方法對設置分相區(qū)域區(qū)間追蹤間隔和車站追蹤間隔進行計算,結果驗證了系統(tǒng)最小追蹤間隔小于2.5 min的目標。