孫 磊，王宜純，孟凡超，安建燕

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

1 概述

近年來城市軌道交通發(fā)展迅速，對列車運行安全、高效、舒適的運營需求催生了新一代信號系統(tǒng)——基于通信的列車運行控制系統(tǒng) (CBTC)，集合了通信、信息、列車控制等技術，提高了列車控制的自動化水平，列車運營間隔縮小到 90 s，大大提升了運輸效率[1]。CBTC系統(tǒng)有連續(xù)通信式列車控制模式、點式列車控制模式、聯(lián)鎖級列車控制模式 3 種控制等級，支持不同控制等級的列車混線運行[2]。列車在站間運行的理想模型為出站一次性牽引加速，惰性運行，一次性制動到站停車。點式控制模式的列車只能通過線路上點式分布的有源應答器獲取移動授權，按照固定閉塞方式運行，列車在區(qū)間運行的效率和平穩(wěn)性與信號機設置及填充距離直接相關。

填充距離指填充應答器所在位置與其關聯(lián)的區(qū)間信號機間的距離。填充應答器屬于有源應答器，與區(qū)間信號機配套設置，用于向點式控制模式列車提前預告以其關聯(lián)信號機為始端的進路信息，使列車在區(qū)間信號機前不停車連續(xù)運行。點式模式列車運行控制原理如圖 1 所示，當點式控制模式列車接近時，聯(lián)鎖設備將進路開放信號傳給軌旁電子單元 (LEU)，由 LEU 生成可變報文發(fā)送給相應的主信號應答器和填充應答器，當列車經(jīng)過有源應答器時，車載應答器傳輸模塊(BTM) 利用電磁感應效應通過非接觸的方式實現(xiàn)與地面應答器天線之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸，獲取應答器報文傳給車載設備 (VOBC)，VOBC根據(jù)報文中的進路信息，結合車載電子地圖中的參數(shù)，計算移動授權的終點，生成新的制動曲線，控制列車平穩(wěn)運行[2-5]。

當填充距離不足時，列車按照以信號機 S2 為停車點的制動曲線先減速運行，待越過填充應答器 IB2 后再加速運行，直到下一停車點停車。此過程不能滿足一次性制動的用戶需求，增加列車運行時牽引制動的次數(shù)，不僅降低客乘的舒適性，也不利于節(jié)能降耗[6]。通常區(qū)間信號機為縮小追蹤間隔或增加道岔防護而設置，位置相對固定，因而填充距離更多受制于填充應答器的位置，而填充應答器的位置選取受以下 3 個條件制約。

圖1 點式模式列車運行控制原理Fig.1 Principle of intermittent train operating control

圖2 應答器布置示意圖Fig.2 Diagram of the layout of balises

（1）填充應答器的位置不能設置在同方向上一架信號機的前方，否則會產(chǎn)生嚴重的安全問題。應答器布置示意圖如圖 2 所示，如果有列車停在信號機 S2 前，且信號機 S2 已經(jīng)開放，填充應答器 IB2如果設置在信號機 S3 的前方，此時若有列車越過IB2 會闖紅燈 (信號機 S3)，可能追尾前方列車。

（2）前方信號開放時列車經(jīng)過填充應答器不能減速。須計算列車以區(qū)間信號機為停車點運行時的減速點，將填充應答器設置在減速點之前，既填充距離應大于列車常用制動的距離。

（3）與列車追蹤間隔相關。在圖 2 中，如果IB2 過于遠離減速點，使得 IB2 與前方車站出站保護區(qū)段遠端計軸點之間的列車運行時間：T ＞點式追蹤間隔，極易造成追蹤列車越過 IB2 時信號機 S2還未開放，而列車必須在信號機 S2 前停車，從而失去設置填充應答器的意義。因此，填充應答器的位置應考慮追蹤間隔限制點制約。

2 城市軌道交通信號系統(tǒng)填充距離的研究

2.1 問題分析

由于填充距離受站場信號機設置和填充應答器設置條件的嚴格制約，在城市軌道交通中常會遇到填充距離不足的情況，以重慶軌道交通 10 號線一期工程為例進行分析，該線路共設車站 19 座，其中有岔站 13 座，站型多樣，在多個有岔車站出現(xiàn) 2架信號機距離較近的情況，使得其中一架信號機的填充應答器的填充距離不足。典型車站中央公園站信號設備布置如圖 3 所示。

圖3 中央公園站信號設備布置圖Fig.3 Signaling equipment at the central park station

中央公園站設有站后折返軌，信號機 S6 為折返阻擋兼區(qū)間通過信號機，兼顧信號機 S2 向信號機S6方向發(fā)車的需要，信號機 S6 的填充應答器 IB6須設置在道岔前方。列車從 S4 發(fā)車以S6 為終點運行時的減速點位置計算公式為

式中：X 為站臺列車停車點至減速點的距離；V0為列車從站臺啟動的初始速度；V1為列車運行至減速點的速度；a1為此段列車運行的加速度；t1為此段列車運行時間；Y 為減速點至信號機 S6 關聯(lián)計軸點的距離；V2為列車在信號機 S6 前停車的速度；a2為此段列車運行的減速度；t2為此段列車運行的時間。

計算可得 X ≈ 93 m，即減速點位于道岔后方，對于直向運行的列車，IB6 的填充距離不足。而從信號機 S2 走道岔側向發(fā)車，車速較低，制動距離短，IB6 的填充距離可滿足要求。

民心佳園站進站前的兩架區(qū)間信號機 S3，S9距離較近，信號機 S3 的填充應答器 IB3 須設置在道岔后方，民心佳園站信號設備布置如圖 4 所示，列車以信號機 S3 為終點運行時的減速點計算公式為

式中：Z 為減速點至信號機 S3 關聯(lián)計軸點的距離；t 為此段列車運行時間；a 為此段列車運行的減速度；V 為列車運行到減速點的速度。

計算可得 Z ≈ 675 m，因而填充應答器 IB3 的填充距離不滿足要求。

圖4 民心佳園站信號設備布置圖Fig.4 Signaling equipment at the minxinjiayuan station

2.2 解決方案

填充距離的不足制約了信號系統(tǒng)的整體性能，為解決此問題提出以下解決方案。

2.2.1 減少信號機設置

減少區(qū)間信號機設置可完全消除填充距離不足產(chǎn)生的影響。信號機的設置可以減小追蹤間隔，過多設置會限制點式控制模式的列車在區(qū)間運行的最高速度，降低列車運行效率[7]。圖 3 中信號機 S6為站后折返阻擋信號機，不是為減小追蹤間隔而設置，如果取消在類似站形的車站作站后交路折返的需求，則可取消信號機 S6。圖 4 中信號機 S3 為岔后防護信號機，兼有車站防護功能，而信號機 S9距離車站較近，取消信號機 S3 不會影響列車追蹤間隔，在地鐵運營中，列車作業(yè)方式主要是追蹤運行，作業(yè)方式簡單，可用信號機 S9 對其后方道岔及車站進行防護，用其替代信號機 S3。

該方案可簡化系統(tǒng)設計，降低建設和維護成本，消除填充應答器填充距離不足的弊端。

2.2.2 主信號應答器兼做填充應答器

兩架相鄰的同方向區(qū)間信號機，在第 1 架信號機的主信號應答器報文中加入第 2 架信號機填充應答器的報文，讓其兼做填充應答器，實現(xiàn)填充功能。此方案不需再設置第 2 架信號機的填充應答器，當列車越過第 1 架信號機的主信號應答器時，可同時獲取以第 2 架信號機為始端的進路信息。

用主信號應答器兼做填充應答器是從軟件處理的角度出發(fā)，通過調整應答器報文發(fā)送機制來實現(xiàn)，以圖 3 為例，用主信號應答器 VB4 兼做信號機S6 的填充應答器，VB4 的報文發(fā)送機制如表 1 所示。

該方案在保留信號機設置不變的情況下，發(fā)掘系統(tǒng)潛能，通過軟件的調整解決填充距離不足的問題，減少填充應答器設置。

3 應用分析

在信號系統(tǒng)的工程設計中，信號機的設置通常在設計聯(lián)絡中由各方協(xié)商確定，填充距離不足時，在信號機不能減少的情況下，可采用上節(jié)描述的解決方案二，其應用效果以重慶軌道交通 10 號線的典型站為例進行分析。

（1）中央公園站。中央公園站的實際站場布置以圖 3 為例，取消填充應答器 IB6，用主信號應答器 VB2、VB4 兼做信號機 S6 的填充應答器，通過仿真牽引計算可知調整后中央公園站至中央公園西站的追蹤間隔變?yōu)?159 s，滿足點式追蹤間隔要求，仿真牽引計算截圖如圖 5a 所示。

該站為臨時交路折返站，用主信號應答器兼做填充應答器不影響站前折返及站后折返的限制點[8]，對折返間隔沒有影響，同時解決了填充距離不足的問題，保證了正向列車追蹤作業(yè)的平穩(wěn)運行。

（2）民心佳園站。民心佳園站的實際站場布置以圖 4 為例，取消填充應答器 IB3，用主信號應答器 VB9 兼做信號機 S3 的填充應答器，填充距離增加了 40 m，但 VB9 的位置與以信號機 S3 為終點的列車減速點相差較多，未完全解決填充距離不足的問題，當連續(xù)運行時列車制動距離相應減少 40 m，最大限度降低填充距離不足產(chǎn)生的影響。從圖 5b仿真牽引計算可知，調整后三亞灣站至民心佳園站的追蹤間隔為 103 s，仍然滿足點式追蹤間隔要求。

表1 VB4 的報文發(fā)送機制Tab.1 Mechanism of the VB4 signaling system

圖5 仿真牽引計算截圖Fig.5 Screenshot of the traction calculation simulation

4 結束語

在城市軌道交通中，受站場條件和信號機設置的限制，造成信號系統(tǒng)部分填充應答器的填充距離不足，致使點式控制模式的列車產(chǎn)生不合理的牽引制動，影響列車的平穩(wěn)性和客乘舒適性，以及信號系統(tǒng)的整體性能。因此，研究用主信號應答器兼做下一架信號機的填充應答器的方案，結合重慶軌道交通 10 號線典型車站進行詳細分析，通過調整主信號應答器的報文發(fā)送機制實現(xiàn)填充功能以解決填充距離不足的問題，故此方案的應用效果與主信號應答器的位置密切相關。主信號應答器兼做填充應答器的方案提供一種新的問題處理思路，在實際站場形式和信號機設置的制約下，可以最大限度降低填充距離不足對信號系統(tǒng)整體性能的影響，從而為工程設計人員解決類似問題提供參考。

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