付昌友，吳煜博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著我國城市軌道交通系統(tǒng)制式的多元化發(fā)展，跨座式單軌.中低速磁浮.膠輪有軌電車等新型軌道交通系統(tǒng)百家爭鳴，相互之間車輛及道岔等設備性能各不相同，與傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)差異大，在折返能力計算方面缺乏系統(tǒng)性研究?？缱絾诬壪到y(tǒng)采用橡膠輪胎騎跨于軌道梁的方式運行，與其他鋼輪鋼軌系統(tǒng)黏著驅動的系統(tǒng)制式在車體結構.轉向架結構.驅動模式.牽引制動性能等方面都不同，按照傳統(tǒng)經驗計算的折返能力存在較大誤差。

城市軌道交通系統(tǒng)折返能力的相關研究眾多，李莉研究了城市軌道交通列車折返能力綜合優(yōu)化[1]，董松對信號系統(tǒng)提升車站折返能力進行了研究[2]，翟恭娟作了城市軌道交通折返能力分析的研究[3]，江志彬等作了多股道城市軌道交通車站站前折返能力分析[4]，陳俊等對設置站前交叉渡線的折返能力適應性進行了研究[5]。此外，王曉凱[6].唐玉川[7]等都對城市軌道交通折返能力開展了相關研究。針對跨座式單軌系統(tǒng)相關能力的研究內容則不多，主要有廖亞莎[8]對有關跨座式單軌運輸能力的探究和夏贊鷗[9]對龐巴迪單軌關鍵技術的改進與革新研究等。

以上研究內容都未能系統(tǒng)性地對跨座式單軌系統(tǒng)折返能力進行分析，現(xiàn)有的GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規(guī)范》對系統(tǒng)能力的要求是不小于24對/h，隨著輕型跨座式單軌系統(tǒng)的應用與發(fā)展，小編組高密度提高服務質量是必然趨勢，對系統(tǒng)能力達到30對/h存在實際需求。鑒于此，結合有關國際國內標準.車輛及信號設備基礎參數(shù)，對跨座式單軌系統(tǒng)折返站的折返能力計算原理和計算方法展開研究，并通過實際項目驗算進行驗證。

2 跨座式單軌折返站配線分析

2.1 折返站主要布置形式

跨座式單軌系統(tǒng)與傳統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)在配線布置形式上的主要區(qū)別在于前者基本不采用交叉渡線，因此，折返站配線形式也與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)有所區(qū)別[10]。

2.1.1 站前折返

根據(jù)不同的站臺布置形式和道岔布置形式，跨座式單軌系統(tǒng)的站前折返可分為島式站前.側式站前和多站線站前折返等，如圖1所示[6]。圖1(a).圖1(b)多用于終點站站前折返，圖1(a)的道岔更靠近站端，便于養(yǎng)護維修，但岔區(qū)走行距離較長；圖1(b)岔區(qū)范圍較短，交替接發(fā)車時能力更大[11]。圖1(c)常用于臨時終點站站前折返，通常僅設置一條單渡線，作為永久終點站交替折返時會造成乘客選擇站臺的困擾[12]。圖1(d)可用于小交路折返站，折返列車停站清客不會對通過列車造成影響，但道岔數(shù)量多，工程投資大，國內暫無在跨座式單軌系統(tǒng)中的應用案例。

圖1 站前折返配線布置示意

2.1.2 站后折返

最常見的島式站后折返大致可分為三大類，第一類是停車線兼折返線，第二類是出入場段線兼折返線，第三類是單渡線利用正線折返[3]。如圖2所示。

圖2 站后折返配線布置示意

根據(jù)不同的工程條件和功能需求，三大類折返布置形式還存在著各種變化，特別是連接車輛段出入線時，配線布置具有多樣性特征，但核心都是要滿足能力需要。

此外，還有混合折返和環(huán)形折返等形式，但在跨座式單軌系統(tǒng)中基本沒有應用案例，此處不再詳述[11]。

3 折返能力計算的基礎

3.1 列車進站運行控制原理

根據(jù)CBTC移動閉塞系統(tǒng)列車追蹤運行基本原理，列車運行最高限制速度不能超過線路最高限制速度(或臨時限速)。根據(jù)列車運行最高限制速度和列車運行狀況動態(tài)計算確定ATP系統(tǒng)限制速度，根據(jù)ATP系統(tǒng)限制速度實時計算確定ATP系統(tǒng)緊急制動觸發(fā)速度[13]。

當列車運行達到緊急制動觸發(fā)速度時，ATP系統(tǒng)車載設備向車輛發(fā)出緊急制動觸發(fā)命令，車輛實施緊急制動。在ATP緊急制動指令執(zhí)行延遲響應時間內，應確保列車運行速度不超過ATP系統(tǒng)限制速度[3]。

當前行列車進站停車時，后行列車的防護終點為進站信號機外方，如圖3所示。

圖3 列車進站運行控制過程示意

設計折返能力計算時，一般按前車停站不影響后車正常的運行速度考慮[14]。兩車之間的最小間隔應滿足后車在區(qū)間按ATO速度運行時，異常情況下不會突破ATP系統(tǒng)限制速度。通過確定圖3中①～⑤過程列車運行的距離和時間，再確定后車位置的不確定性最大值(AB距離)，加和之后即可得出起模點距離站外信號機的距離[15]。據(jù)此提出列車進站起模點計算的通用模型，如式(1)所示

式中l(wèi)進站——列車進站運行距離，m；

v0——列車進站初速度，m/s；

l安——安全防護距離，m；

l誤——停車誤差距離，m；

l列——列車長度，m；

l岔區(qū)——進站信號機與站臺端部距離，m；

l安全制動——列車安全制動距離，m；

l常用制動——列車常用制動距離，m；

a緊急制動——列車緊急制動加速度，m/s2；

t緊急制動——列車建立緊急制動所需時間，s；

vATP限速——列車超速防護限速，m/s2；

l緊急制動——列車緊急制動距離，m。

3.2 基本參數(shù)選取

系統(tǒng)制式與車輛選型不同.道岔系統(tǒng)不同.信號系統(tǒng)不同，折返能力計算的基本參數(shù)也不同，以下列舉兩種車型(MA1.MB1).兩種道岔類型(關節(jié)可撓型.替換梁型)進行案例分析，方案1采用MA1型車和關節(jié)可撓型道岔，方案2采用MB1型車和替換梁型道岔。前者作為大型單軌的代表，后者作為輕型單軌的代表。實際項目設計中應根據(jù)車輛選型及信號參數(shù)進行核算。

(1)車輛性能參數(shù)

車輛性能參數(shù)分別選取了MB1型車6輛編組數(shù)據(jù)和MA1型車8輛編組數(shù)據(jù)[16]。詳見表1。

表1 車輛性能參數(shù)

(2)道岔系統(tǒng)參數(shù)

關節(jié)可撓型單開道岔側向最大容許速度25 km/h，計算時采用20 km/h；替換梁型單開道岔側向最大容許速度32 km/h，計算時采用28 km/h[17]。

(3)信號系統(tǒng)參數(shù)

信號系統(tǒng)參數(shù)在車輛參數(shù)基礎上留下余量，常用制動減速度按照不大于0.9 m/s2考慮。

(4)其他參數(shù)

①保護區(qū)段長度

在計算進站起模點時，各設計單位對其中的保護區(qū)段長度(包括安全防護距離和停車誤差距離)以采用固定值居多，固定值一般為經驗值[18]。根據(jù)式(1)計算，跨座式單軌系統(tǒng)的區(qū)間和站臺保護區(qū)段長度均采用40 m。

②線路平.縱斷面

線路平面和縱斷面也是折返能力計算的輸入條件之一，平面確定工程限速條件，縱斷面將影響列車進出站加速度.影響走行距離和時間[18]。作為案例計算時，進站線路平.縱斷面按平直道考慮。

4 折返能力計算

折返能力的計算流程主要差異在于站前折返和站后折返[19]，為了對比兩個方案的折返能力差異，此處以側式站后折返為例進行分析。

4.1 列車折返流程分解

側式站臺站后折返通常配置站后單渡線，利用正線折返，多用于永久終點，或預留延伸條件的終點。

站后折返的主要流程為：①辦理接車進路；②列車進Ⅰ道停車；③列車停站清客，同時辦理進折返線進路；④列車進折返線，當尾部出清C點時，可辦理后車接車進路；⑤駕駛室換端，同時辦理出折返線進路；⑥列車出折返線進Ⅱ道停車，尾部出清D點后可辦理后車進折返線進路；⑦列車停站上客，同時辦理列車出站徑路；⑧列車出站，尾部出清E點后可辦理后車出折返線進路。如圖4所示。

圖4 側式站后單渡線折返作業(yè)距離示意

4.2 列車進站時間

(1)列車進站起模點計算

按照公式(1)和兩個方案的參數(shù)各自計算。

方案1的進站距離l進站一=393 m。

方案2的進站距離l進站二=322 m。

方案1較方案2長71 m(其中列車長度差值44 m)。

(2)進站時間

根據(jù)列車進站運行控制原理，列車進站經歷了最高運行速度勻速運行.減速至站臺限速.按站臺限速勻速運行.減速至停站4個過程，按照進站起模點位置.站臺限速.車輛參數(shù)進行牽引模擬計算。

方案1列車進站時間t進站一=32 s。

方案2列車進站時間t進站二=27 s。

方案1較方案2多5 s。

4.3 列車停站時間

方案1車型客室門開度為1.3 m，方案2車型客室門開度為1.6 m，相比之下，方案2車型更方便乘客上下車。為便于對比，考慮折返站上下車客流量以及折返清客時間，兩方案列車停站時間均按照t停站=30 s計列。

4.4 列車進折返線時間

列車進折返線經歷了加速至道岔限速.按道岔限速勻速運行.減速至停車3個過程。按照道岔限速.車輛參數(shù)進行牽引模擬計算。

方案1列車進折返線時間t進折返一=40 s。

方案2列車進折返線時間t進折返二=27 s。

列車尾部出清C點時，就可辦理后車進站進路，經計算，兩方案列車尾部出清C點的時間分別為：方案1 37 s，方案2 24 s。

不論是進入折返線停車，還是列車尾部出清C點，方案1較方案2多13 s。

4.5 列車出折返線時間

與列車進折返線不同，因不存在道岔限速，且列車最高速度尚未達到站臺限速值，列車出折返線過程理論上無勻速過程。按照車輛參數(shù)進行牽引模擬計算。

方案1列車出折返線時間為t出折返一=29 s。

方案2列車出折返線時間為t出折返二=26 s。

列車尾部出清D點時，可辦理后車進折返線進路，經計算，兩方案列車尾部出清D點所需時間分別為：方案1 21 s，方案2 18 s。

兩方案在列車出折返線時間方面差別不大，方案1較方案2多3 s。

4.6 列車出站時間

如圖4所示，列車出站出清E點即可辦理后車進站臺進路，按照車輛參數(shù)進行牽引模擬計算。

方案1列車出站出清E點的時間t出站=18 s。

方案2列車出站出清E點的時間t出站=15 s。

兩方案在列車出站時間方面差別不大，方案1較方案2多3 s。

4.7 折返間隔時間

根據(jù)上述計算結果，繪制列車折返間隔示意圖，計算結果如下。

方案1列車到達間隔為123 s，折返間隔為105 s，出發(fā)間隔為101 s，系統(tǒng)折返能力受到達間隔限制，為29.2對/h，考慮預留10%余量，實際能力可取值26對/h。如圖5所示。

圖5 方案1折返能力示意

方案2列車到達間隔為105 s，折返間隔為89 s，出發(fā)間隔為95 s，系統(tǒng)折返能力受到達間隔限制，為34.2對/h，考慮預留10%余量，實際能力可取值31對/h。如圖6所示。

圖6 方案2折返能力示意

從計算結果來看，顯然方案2能夠實現(xiàn)更大的折返能力，除了因為方案2的列車編組較小外，還體現(xiàn)在其單車更短而胖.加減速性能更好等方面。

5 結論與建議

跨座式單軌系統(tǒng)折返能力直接關系到整個項目的服務水平和服務能力，也關系到車站輔助配線設置，進而影響工程投資。針對跨座式單軌系統(tǒng)折返能力進行了系統(tǒng)性研究，提出了計算方法和參數(shù)，并對大型單軌和輕型單軌進行了對比分析。結果表明，輕型跨座式單軌具有加減速性能好.單車體短而胖等特點，且MB1型車車門更寬，有利于乘客快速乘降，再配置側向速度更高的替換梁型道岔，折返效率有明顯提高。通過計算，得出輕型跨座式單軌系統(tǒng)站后折返的折返能力可達到30對/h及以上的結論，遠大于經驗值和單軌國標的建議值24對/h，該結論對跨座式單軌項目的系統(tǒng)選型和列車編組選擇，以及單軌國標的修編提供了可量化的參考和依據(jù)。

本文提出的計算方法具有普遍適用性，具體項目設計中應與信號.線路.車輛專業(yè)密切配合，掌握能力計算的基礎條件和基本參數(shù)，尤其是車輛性能參數(shù).信號系統(tǒng)參數(shù)和信號平面布置圖，同時還應掌握不同信號廠商的信號系統(tǒng)設計特點和前沿動態(tài)，以便在折返能力計算中綜合考慮。