城市轨道交通CBTC信号系统节能运行方案探讨

城市轨道交通CBTC信号系统节能运行方案探讨

王朝春

杭州地铁运营有限公司   浙江省杭州市  311199

摘要：随着我国社会经济的不断发展，为城市轨道交通发展创造了有利契机，城市轨道交通也逐步转变成众多城市地区人们出行所不可或缺的一种交通方式。从最初的固定闭塞系统到当前主流的移动闭塞系统, 即基于通信的列车控制CBTC系统,城市轨道交通信号系统的运行能力不断地提升。由于城市轨道交通的快速发展,以及其方便、快捷、可靠等优点,城市轨道交通越来越多地成为人们出行首选,客流量也随之增加。因此,在保证安全的前提下,如何进一步提高 CBTC 系统的运行能力、缩短列车行车间隔,是值得研究的方向。

关键词：轨道交通；CBTC信号系统；节能  

随着城市轨道交通列车控制系统自主化技术的不断成熟应用，中国铁路通信信号股份有限公司等自主化厂家，利用重庆市轨道交通互联互通 CBTC 系统示范应用项目，在中国城市轨道交通协会的指导下发布了《城市轨道交通 基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通系统规范》系列团体标准，逐渐统一了信号系统的需求、架构、功能分配及接口，促进城市轨道交通线路的建设从传统的单线独立建设、独立运营，向着网络化建设、网络化运营过渡。部分新建线路也在 CBTC 系统基础上引入了更多自动化、智能化的功能需求，使城轨信号系统向着全自动运行（FAO）方向发展。

一、CBTC 系统的特点

从实际运行的角度上而言，CBTC 最为突出的优点就是可以实现车—地之间双向互动通信，并且通信的数据信息量非常巨大。除此之外，如传输的速度快、大量的建设区间电缆的铺设、减少投资和日常维护等都是其所具有的特点。CBTC 在运行的过程中除了可以对列车的运行进行控制之外，还可以对列车进行综合的运行管理。因为自身是双向通信系统的缘故，所以这一点既是可以去对安全类的信息进行双向的传输，也可以去传输非安全类的信息。举例说明，例如车次号、乘务员班组号、车辆号、运转时分等，以上信息都可以进行集中传输和处理，这样的话，就可以更进一步的提高调度中心的整体工作效率。现今，所应用的城市轨道交通信号系统有以下两种，第一种是在轨道电路 ATC 的基础上所进行的城市轨道交通信号系统。第二种是基于无线通信的 CBTC 系统。CBTC 在自身的条件下可以将其分为三种类别，这三种类别分别是感应环线、波导管、自由波。这三种类别当中，因为感应环线非常难修理的缘故，所以很少被采用，而波导传输自身的传输特性非常好，但是后续需要维修的费用却特别的多。总体来说，虽然 CBTC 系统的分级是非常的灵活，而且构架也可以去进行自由的调动，但是，CBTC 的使用成本很高，而且其所使用的通信信号频段也都是公用频段。这样的话，势必会导致其出现抗干扰能力差等方面的问题。故而，在进行城市轨道交通建设的过程中，对交通信号控制系统的选择方面一定要去通过对比和研究之后才能够决定，只有这样，才可以更好的促进城市轨道交通的持续健康发展。

二、系统运行能力关键参数

1、保护区段。保护区段是在进路外方或者包含在进路内方的一个区段。 列车在办理及保持进路过程中,需将保护区段纳入联锁检查。在 CBTC 系统中,当列车自动监控ATS系统下发建立保护区段的命令时,联锁检查并锁闭保护区段后,将信息发送给车载列车自动防护ATP系统,确保列车的运行和精确停车。 保护区段的主要作用有:①确保CBTC 列车及降级列车行车安全;②确保列车进站运行效率;③确保列车进站精确停车。

2、接近区段。接近区段是信号机外方的一段区段。当进路办理信号开放后,如要取消,则需要判断进路的接近区段是否有车占用,从而采取相应措施,防止进路已先行解锁而列车没有及时停下闯入解锁进路。当列车进入接近区段,信号突然关闭,进路处于接近锁闭状态。此时,锁闭的进路不能取消。若要解锁此锁闭的进路,需要人工进行延时解锁。 其目的是使得列车在停稳前进路保持锁闭状态,以保证进路解锁前列车能在信号机前停车,或者列车闯入进路内方时不因进路内道岔转换而危及行车安全。

三、CBTC 系统的运行能力关键参数优化分析

1、保护区段优化分析。保护区段长度更主要受制于后备模式计算的长度。 本文从后备模式和 CBTC 模式分别进行了优化。①优化后备模式影响的 CBTC 保护区段长度。由于在后备模式下,保护区段会考虑列车开口下的紧急制动距离。在目前多数线路的布置上,线路条件具有不确定性。受线路条件和运营的影响,部分线路通常会将出站区段的一部分设计为节能坡。在列车考虑开口速度的情况下,保护区段计算长度需要计算列车以开口速度施加紧急制动的距离和 MA 安全防护距离。由于坡度值较差,保护区段长度也会变大。且在轨旁布置上,保护区段是固定的区段。 CBTC 模式下,受限于后备模式的保护区段长度,保护区段将会取最不利的长度。优化前保护区段距离公式为:

式中:L1 为保护区段长度;a 为满足 ATO 一次性精确停车需求的距离;b 为 MA 安全余量要求的距离;c 为列车闯红灯后紧急制动距离要求。经计算, 列车 以开口速度 25 km/ h, 运行经过27. 8‰的下坡过程中,施加紧急制动指令,走行距离为81 m。考虑列车以退行速度 5 km/ h 主动退行 5 m 后,运行经过-27. 8‰的下坡过程中,施加紧急制动指令,走行距离为 18 m。保护区段长度为开口速度施加紧急制动的距离和MA 安全防护距离之和,即 81 m+18 m= 99 m。 这使得列车出清保护区段的时间大大增加,运行效率降低。因此,若需优化保护区段长度,可不考虑设置列车的开口状态,仅考虑 CBTC 模式下的保护区段要求:MA 安全防护距离和满足 ATO 一次性精确停车要求的距离。优化后保护区段距离公式为:

式中:L2 为优化后的保护区段长度。经计算,列车以站台区域最差 2‰的下坡,一次性制动至停车点停稳,需要满足停车点前方有 30 m 的距离。优化后的保护区段长度为满足 ATO 一次性精确停车需求的距离和 MA 安全防护距离之和,即 30 m+18 m= 48 m。 相比考虑开口速度的紧急制动距离下的保护区段,其缩短了 51 m。列车出清保护区段的运行时间由原来的 35 s 缩短到了 23 s,基于列车在全线运行的考虑,运行效率大大提升。②优化 MA 安全防护距离影响的 CBTC 保护区段长度。列车追踪行驶过程中,后车 MA 终点到前车安全车尾需留有安全防护距离,以避免前车退行或者后溜造成碰撞,从而保证行车安全。在互联互通场景下,区间不允许退行。 此时,MA安全防护距离仅需考虑后溜过程影响的长度。若列车以允许溜车的限制速度 5 km/ h 发生溜车现象,信号系统在列车后溜 0. 5 m 之后会施加紧急制动指令。则考虑线路上最差坡度情况,列车在溜车过程中经过 2. 78‰的下坡。此场景经计算后的走行距离为 1. 35 m。分析可明显发现,仅考虑后溜的安全防护距离为 1. 35 m,相比退行下的距离优化了 16 m,进一步缩短了保护区段长度。

2、接近区段优化分析。接近区段计算采用紧急制动模型。 紧急制动曲线模型如图所示。

列车运行速度触碰紧急制动触发曲线,将会施加紧急制动。 由于列车运行速度不同,列车紧急制动距离也会不同。 因此,接近区段长度更主要取决于列车所处区间的紧急制动触发线速度。紧急制动距离公式为:

式中:S1 为列车切断牵引时,牵引加速度和坡度加速度下的加速走行距离;S2 为仅存在坡度加速度下的减速走行距离;S3 为紧急制动加速度和坡度加速度下的制动走行距离。采用优化计算接近区段长度时,线路限速为90 km/ h 的线路。优化前,紧急制动触发速度约为88 km/ h。 优化后,紧急制动触发速度约为 86 km/ h;接近区段长度由 450 m 缩短至 432 m,缩短了4%。

CBTC 系统是保证列车安全行驶的核心,对城市轨道交通的运行能力有很大影响。通过优化保护区段和接近区段的计算原则,在保证安全的前提下,可使保护区段长度减少 50%左右、接近区段长度减少 4%左右、列车追踪距离缩短 5%左右。 该方法可有效缩短行车间隔,最大限度提高运营效率,提升列车服务水平。

参考文献：

[1]董波 ,左旭涛 ,吴金元 .信号机显示方案在 CBTC系统中的应用 [J].城市轨道交通研究 ,2019(S2).

[2] 黄雷，朱仰瑞 .CBTC模式下的信号系统点灯方案 [J].城市轨道交通研究 ,2020(S2)

[3] 周利艳 .CBTC 系统中 ATS 子系统验证非通信列车追踪功能的方法[J]. 城市轨道交通研究,2020(12).