鲁秋子

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

随着城市轨道交通的迅速发展，城市轨道交通线路类型逐渐多样化，不仅包括城市核心区的大运量地铁项目，还包括郊区线、市域铁路、城际铁路等。这些项目的客流、最高运行速度、行车间隔、运营要求不尽相同。近来，在信号系统列车控制方案的选择上，越来越多的此类项目在可行性研究和初步设计阶段将点式列车自动控制（ATC，Automatic Train Control）系统作为主方案与基于通信的列车自动控制（CBTC，Communication Based Train Control）系统进行比选。

对于列车控制系统的选择，大多数研究者主要从信号系统闭塞制式控制原理、技术经济特点等方面对信号制式的选择进行研究，没有具体分析不同线路条件下运营能力对方案选择的影响，如文献[1-2]。文献[3]给出了常规闭塞制式下追踪间隔计算模型，针对城市轨道交通点式ATC系统的追踪间隔模型还未有分析。本文主要对点式ATC系统运营能力进行分析，依据点式ATC系统下列车运行的特点，计算不同速度等级、不同长度列车下点式系统的最小追踪间隔，并根据计算结果确定方案的可行性，为信号控制系统方案的比选提供依据。

1 点式ATC系统概述

目前，城市轨道交通信号系统普遍采用CBTC系统，基于计轴和有源信标的点式ATC系统可作为CBTC主系统的降级系统。点式ATC系统在车地无线通信中断，或者初期未能开通CBTC系统时，可维持一定水平的自动运营，具有系统结构简单、安装灵活、可靠性高、价格低等优势，但是较CBTC系统的追踪能力和功能方面稍弱。

点式ATC系统是采用高信息容量的点式通信设备（如信标）进行地对车通信的列车控制系统，列车制动的终点总在某一个分区的边界，其闭塞制式属于固定闭塞[4]。

在点式ATC系统下，前行列车在闭塞分区内运行时，列车的安全运行间隔从本架信号机到下一架信号机，后续列车的追踪点在防护该闭塞分区的信号机外方，保证列车不会进入被防护区域。当前行列车驶出闭塞分区，信号开放的信息由有源信标传送至后续列车，后续列车根据读取相关进路信息计算列车的速度防护曲线。

如图1所示，区间的进路防护信号机前设置有预告信标，可以避免列车在区间不必要的停车。预告信标设置在与其关联的信号机的停车制动曲线的变速点前，以使列车能够不减速、高速通过[5]。

图1 点式ATC系统布点示意图

2 点式ATC系统能力计算

2.1 线路通过能力

在地铁的设计过程中，线路通过能力是一个重要评价参数。

通过能力是指在采用一定的车辆类型、信号设备和行车组织方法条件下，轨道交通系统线路的各项固定设备在单位时间内通过的列车数[6]。

城市轨道交通线路通常采用双线自动闭塞，每站停车，列车追踪运行。线路通过能力的计算公式如下[7]：

其中，nmax—线路最大通过能力，即单位小时内能通过的最大列车数，列；h—列车追踪间隔时间。

2.2 点式ATC系统下列车追踪运行

计算线路通过能力的关键是确定列车追踪间隔时间。列车追踪间隔时间是运行的两列车之间的最小允许间隔时间，主要取决于轨道交通所采用的信号制式、列车长度、站台限速、停站时间等因素。

在点式ATC系统下列车追踪运行，后续列车的运行位置取决于前行列车的运行位置。当前行列车出清闭塞分区，在确保行车安全的条件下，后续列车以列车运行图规定的速度经过信号机前方的预告信标，接收进路开放信息，计算相应的列车运行曲线，此时后车运行不受前车影响[8]。

2.3 点式ATC系统最小追踪间隔时间计算

为便于阐述点式ATC系统下列车最小追踪间隔的原理，笔者做出以下合理化的假设。假定列车长度为L列，安全距离为L安，列车制动前最大速度为Vmax，前后两列车都具有相同的启动加速度a、制动减速度b，信号制动反应时间为t信，停站时间为t停。

如图2所示，前行列车出清闭塞分区并驶过安全防护区段时，后续列车刚好到达预告信标接收到前方进路开放的信号，预告信标至信号机之间的长度为制动距离加制动反应时间内所行使的距离，即：

图2 点式ATC系统列车追踪运行示意图

在点式ATC系统下，列车安全间隔时间T，由以下3部分组成：

（1）t安+t列：当列车在区间运行时，其值为：

当前行列车出清车站并驶过安全防护区段L安所需要的时间，其计算分为两种情况：

a.前行列车驶过防护区段加一列车长距离后，达到最大速度Vmax，即前行列车以加速度a出清车站并驶过距离L安。此时，则有

b.前行列车驶过防护区段加一列车长距离内，达到最大速度Vmax，即时，前行列车以加速度a运行至Vmax，然后以速度Vmax匀速运行，共驶过距离 L安+L列。此时则有

（2） t匀：后续列车以最大速度Vmax匀速驶过闭塞分区L闭所需要的时间，其值为

（3） t制：后续列车在预告信标以最大速度Vmax制动到停稳所需要的时间，其值为

因此，列车在区间的安全间隔时间T区为： T区=t信+(t安+t列)+t匀+t制，即

列车在车站的安全间隔时间T站为：T站= t信+t停+(t安+t列)+t匀+t制，即 ：

3 能力影响因素分析

点式ATC系统下，区间内追踪间隔可以通过增加信号机布点使其满足要求，从原理上来说，追踪列车间隔时间在车站区域内会较大，即列车追踪间隔时间取决于各车站的列车追踪间隔时间[9]。因此，重点分析车站追踪间隔的影响因素。

对于同一条线路而言，列车性能参数相同，信号反应时间和停站时间固定，安全距离长度固定。闭塞区间长度可通过信号机布点进行控制。因此，本节主要分析最高运行速度，列车长度对最小追踪间隔的影响。

为便于分析比较，本文车站停站时间均假定为30 s，安全距离长度50 m。列车采用通用参数，列车编组分为4B（80 m）、6B（120 m）、8B（160 m），启动平均加速度1.0 m/s2，常用制动减速度0.8 m/s2，紧急制动减速度不低于1.2 m/s2。

3.1 最高运行速度对列车追踪间隔时间的影响

点式系统下为保证运营能力，在车站处设置的闭塞分区长度一般较短。城市轨道交通运行速度等级主要有80 km/h、100 km/h、120 km/h。根据理论计算，在最高运行速度高于80 km/h的城市轨道交通运行中，列车运行速度越低，最小追踪间隔时间越短，线路通过能力越好。

3.2 列车长度对追踪间隔的影响

列车长度与最小追踪间隔时间成正比。列车长度越短，最小追踪间隔越小，线路通过能力越好。

4 实例分析

本次研究选取城市轨道交通中不同速度等级的一些代表线路，包括青岛蓝色硅谷线（120 km/h）、北京昌平线（100 km/h）、北京7号线（80 km/h）进行模拟分析。依据全线线路平纵断面图、全线限速表及车辆性能参数，采用Open Track仿真软件对列车运行过程进行建模仿真。并进一步延伸假定了更多的列车编组，分为4B（80 m）、6B（120 m）、8B（160 m）进行计算。

信号系统采用基于计轴和有源信标的点式ATC系统。进路建立时间5 s，车载设备反应时间1 s。既有线路信号布点按照系统降级至点式下3 min布置。

实例分析选取的3条地铁线路，并根据《地铁设计规范》中 “系统设计远期最大能力应满足行车密度不小于30对/h”的要求[10]进行设计，因此最小追踪间隔时间不能大于120 s。列车运行过程中会受到多种因素的干扰，为保证列车能够按照计划运行图到达，列车实际间隔发车比理论发车间隔时间长，需添加一个额外的附加时间，因此，考虑理论计算值不应大于110 s，在实际运行过程中可满足规范要求。

通过计算，区间内的追踪间隔可以通过信号布点使其满足运营能力需求。不同长度的列车在3条不同速度等级的线路上运行的最小追踪间隔时间主要取决于车站的追踪间隔时间。需要增加的信号布点数量及不同情况下的最小追踪间隔时间如下。

4.1 青岛蓝色硅谷线

青岛蓝色硅谷线全长约58.35 km，设置车站22座。线路最高运行速度为120 km/h。

在最高运行速度为120 km/h的情况下，将进站信号机尽可能地靠近站台边缘，正线区间可在4B编组下达到110 s追踪间隔时间，6B编组下达到120 s追踪间隔时间。8B编组列车无法达到2 min追踪间隔时间要求。

为达到2 min追踪间隔时间，需增加信号机布点如下：

下行，有16个区间需在进站处增加信号机及相应信标；有4个区间需在区间增加区间通过信号机。

上行，有16个区间需在进站处增加信号机及相应信标；有3个区间需在区间增加区间通过信号机。

共增加信号机39架。

4.2 昌平线

昌平线线路全长约31.7 km，设置车站12座。线路最高运行速度为100 km/h。

在最高运行速度100 km/h的情况下，4B编组列车追踪间隔时间在100 s内，6B编组列车追踪间隔时间在110 s内，8B编组的列车达不到120 s追踪间隔时间。

为达到2 min追踪间隔时间，需在原信号平面布置图上增加设备布点如下：

下行，有5个区间需在进站处增加信号机及相应信标。

上行，有7个区间需在进站处增加信号机及相应信标。

共增加信号机12架。

4.3 北京7号线

北京7号线线路全长约22.8 km，设置车站21座。线路最高运行速度为80 km/h。

在最高运行速度80 km/h的情况下，4B、6B追踪间隔时间均能在110 s内。8B编组追踪间隔时间在120 s以内。

为达到2 min追踪间隔时间，需在原信号平面布置图上增加设备布点如下：

下行，有17个区间需在进站处增加信号机及相应信标。

上行，有11个区间需在进站处增加信号机及相应信标。

共增加信号机28架。

4.4 对比分析

根据上述仿真结果，得到表1。从表1可以看出，列车运行速度越低、闭塞分区及列车长度越短，最小追踪间隔越小，线路通过能力越好，与理论计算模型分析结果一致。

表1 不同编组列车区间追踪间隔时间对比表

表1中，最小追踪间隔时间≤110 s的部分，满足地铁设计规范运营能力的要求，可采用点式ATC系统。对于＞110 s的部分，即使增加信号机也不能满足规范要求，对于2 min运营间隔时间要求的线路不适用。若线路的运营能力要求不高，行车间隔时间要求达到2 min30 s 以上，则均可考虑采用点式ATC系统。

当然，在列车控制系统选择中，地面设备的复杂程度也需要考虑，由于各个运营方对于设备复杂程度要求不一，本文仅给出不同线路的地面信号设备增加数量作为参考，建议在实际设计过程中，结合实际运营要求进行分析。

5 结束语

面对日益多样化的城市轨道交通项目类型，本文以点式ATC系统下列车运行原理为依据，给出列车在最小追踪间隔时间计算模型及其影响因素，通过仿真计算得出不同速度等级和列车长度下最小追踪间隔时间的计算值及变化规律，为信号控制系统的选择提供依据。在今后的工作中，应更深入的研究列车牵引制动全过程，同时考虑线路参数对模型的影响，进一步细化模型，使得结果更能贴近实际工程，更具说服力。