城市轨道交通信号系统运行能力全局精细化仿真研究_刘循.pdf

53 2023.4 第2期|交通与港航作者简介刘循（1980），男，河北定兴人，研究生，高级工程师，研究方向为列车运行控制与安全、智能轨道交通系统。Email:liuxun_摘要：该文以“提高综合设计质量、优化线路运行能力、提升建设投资效用”为目标，统筹考虑正线与车辆基地，通过上海轨道交通20条新线与既有线工程不同阶段的信号系统第三方运行能力全局精细化仿真工作、影响正线运行能力关键要素的分析总结，对工程不同阶段的具体作用、信号系统运行能力仿真指标体系与各运行能力仿真指标精细化仿真方法进行了系统化阐述，并结合示例对交路方案运行能力进行了全局评判。提出内容有利于对工程方案的信号系统运行能力效果研判达成共识，并通过“效果预知、及早优化、量化论证”驱动综合设计高质量提升。关键词：城市轨道交通；信号系统；运行能力仿真；全局精细化Abstract:Abstract:With the goal of improving the quality of comprehensive design,optimizing the line operation capacity,and improving the effectiveness of construction investment,considering the main line and depot as a whole,through the analysis and summary of the global refined simulation of the third partys operation capability of the signal system in different stages of 20 new lines and existed lines of Shanghai rail transit projects,and the key factors affecting the operation capability of the main line,the specific effect of different stages of the project,the operation capability simulation index system of signal system and the refined simulation method of each operation capability simulation index are systematically described,and the operation capability of the route plan is comprehensively evaluated with examples.The proposed content is conducive to reaching a consensus on the research and judgment of the effect of the signal system operation capability of the project plan,and driving the high-quality improvement of the comprehensive design through effect prediction,early optimization,quantitative demonstration.Keywords:Keywords:Urban rail transit;Signal system;Operation capability simulation;Global refinement0引言城市轨道交通信号系统是保证运行安全、提高运输效率、实现行车指挥的“大脑和神经中枢”。先前由于城市轨道交通信号系统超速安全防护、自动控车运行等核心技术长期被国外供货商封锁1，国内信号系统市场基本被国外供货商垄断，国内城市轨道交通新线与既有线改造工程的信号系统运行能力预期效果通常依据国外供货商局部仿真结果进行评判，缺乏量化有效的技术校验与纠错能力，导致线路开通后不能满足行车指标设计要求的情况时有发生。随着近年来信号系统核心技术研发不断突破，国产替代系统应用推广，国内已逐步实现自主可控。结合国家标准地铁设计规范中第17.2.8条规定（信号专业应与行车等专业配合，并应通过列车运行仿真分析计算通过能力、折返能力及出入车辆基地的能力）2，国内城市轨道交通信号系统运行能力全局精细化仿真研究刘循上海申通地铁集团有限公司技术中心Research on Global Refined Simulation of Operation Capability of Urban Rail Transit Signal SystemDOI:10.16487/ki.issn2095-7491.2023.02.00954 轨道交通|RAIL TRANSIT供货商已逐步具备自有信号系统产品设计的局部运行能力（通过能力、折返能力、出入车辆基地能力等的总称）仿真技术，但仍无法全部满足建设、运营等需求。例如对于建设而言，由于不同供货商仅能对自有信号系统产品设计开展运行能力仿真，缺少兼容不同信号系统供货商设计特点的均衡通用化运行能力评判，对行车指标总体制定造成较大困扰；对于运营而言，由于缺乏信号系统运行能力仿真指标体系，通过供货商所提供的信号系统局部运行能力仿真结果无法精确判定交路方案运行能力。为避免部分线路建成后不能满足预期行车设计指标的关键问题，上海轨道交通逐步构建了信号系统运行能力仿真指标体系，形成了全局精细化仿真方法，率先研发了城市轨道交通信号系统运行能力仿真平台，可提供多系统、多指标、通用化、定制化等仿真服务。在新线前期设计阶段（工可、总体设计、初步设计阶段）、新线设计与实施阶段、线路运营阶段、既有线改造策划阶段等，上海轨道交通已逐步在1、2、3、4、5、6、8、9、10、12、13、14、15、17、18、19、20、21、23号线以及机场线等推广信号系统第三方运行能力全局精细化仿真工作。因此，可及早发现运营组织、线路配线、信号系统等多专业设计不匹配而无法满足客流运输需求的潜在设计风险，避免线路建成后由于局部区段存在信号系统运行能力瓶颈而导致的数千万乃至数亿元改造投入。1工程不同阶段作用信号系统运行能力全局精细化仿真工作以“提高综合设计质量、优化线路运行能力、提升建设投资效用”为目标，在信号系统全生命周期关键阶段提供设计效果预知研判、运行能力瓶颈分析、优化措施量化论证等。在新线与既有线改造工程不同阶段所发挥的具体作用主要体现如下。1.1新线前期设计阶段以“预知研判综合设计效果与多专业设计优化”为核心，围绕行车指标需求，结合信号、车辆等机电设备经验参数，开展信号系统运行能力效果评估、运行能力瓶颈分析，提出多专业设计优化建议等；为单一专业设计优化（站型配线、轨道限速、运营组织等）以及多专业（信号、线路、车辆、车辆基地等）综合设计匹配性优化等提供量化数据支撑。1.2新线设计与实施阶段以“实效提升综合设计质量与信号系统设计优化”为核心，围绕行车指标需求，结合信号、车辆等机电设备设计或实际参数，开展信号系统设计提资技术审核、运行能力效果核算，提出信号系统设计优化建议等，为行车指标实现提供有效监督与技术校验。1.3线路运营与既有线改造策划阶段以“解决民生诉求、增能提效与机电专业优化”为核心，围绕行车指标需求或民生诉求，结合信号、车辆等机电设备实际参数与运营组织优化方案，开展信号系统运行能力效果核算、站型配线能力分析、优化或整改措施效果论证，提出机电专业设计优化建议等，为减震降噪、增能提效等设计方案与运营计划编制提供可行性论证与实施效果核算。2信号系统运行能力仿真指标体系与精细化仿真方法在无扰运行、安全追踪、平稳控车和精确停车条件下，以正线与车辆基地信号系统运行能力统筹考虑为原则3，信号系统运行能力仿真指标体系主要由8个指标组成，分别为旅行时间、旅行速度、追踪间隔、折返能力、分叉间隔、汇合间隔、交路方案运行能力与出入车辆基地间隔4。除出入车辆基地间隔外，其余为正线信号系统运行能力仿真指标。55 2023.4 第2期|交通与港航所述无扰运行是指前车运行状态不影响后车按照预定速度正常运行。信号系统运行能力仿真指标含义及精细化仿真方法如下。2.1旅行时间旅行时间，是列车从指定运行交路上行或下行方向的起始站出发至终到站停车的运行时间，该时间包含起始站与终到站之外所有途径车站的停站时间，单位为s。交路方案可由一个或多个运行交路组成5，如图1所示。因此，需对交路方案中所有运行交路上行与下行方向的列车运行全路径分别计算旅行时间。若交路方案由多个运行交路组成，例如嵌套交路，需对2个运行交路上行与下行方向的列车运行全路径分别计算旅行时间，共计得出4个旅行时间值。2.2旅行速度旅行速度，是列车从指定运行交路上行或下行方向的起始站出发至终到站停车的平均运行速度，单位为km/h。对交路方案中所有运行交路上行与下行方向的列车运行全路径分别计算旅行速度。旅行速度计算公式为3.6SVT=旅旅旅 （1）式中：V旅为旅行速度；S旅为交路方案中的某B站A站单一交路B站A站C站分段交路A站B站C站D站嵌套交路1A站B站C站A站E站B站C站D站混合交路A站D站E站B站C站交错交路A站D站B站C站Y型交路A站C站D站B站A站B站D站F站C站E站双Y型交路A站D站B站C站直线加环形交路嵌套交路2图1 各交路方案开行形式示意图一运行交路上行或下行方向的列车运行全路径长度；T旅为交路方案中的某一运行交路上行或下行方向旅行时间。2.3追踪间隔追踪间隔，是在同一线路、同向运行的两辆列车前端经过线路同一地点的最小间隔时间6，单位为s。以站区间为最小分割单位，将交路方案中每一个运行交路上行或下行方向的列车运行全路径进行分割，并计算每一个站区间的追踪间隔，例如T追-站区间1，T追-站区间2，.，T追-站区间n。该站区间追踪间隔包含到达车站的停站时间，不包含出发车站的停站时间。取所有站区间追踪间隔的最大值作为该运行交路上行或下行方向的追踪间隔T追，可得T追=MAXT追-站区间1，T追-站区间2，.，T追-站区间n（2）2.4折返能力折返能力，是折返站在单位时间内能够完成折返全过程的最大列车数，单位为对/h。考虑对交路方案中所有折返站进行折返能力仿真。折返能力仿真范围应从每一个折返站的接车站台进站干扰点或前一车站发车开始，至出清该折返站发车站台或该折返站发车站台防护区域为止7。折返全56 轨道交通|RAIL TRANSIT过程通常由接车作业、折返作业、发车作业3个过程组成，取上述3个过程的最大时间间隔作为折返间隔8，并据此计算折返能力，得到T折=MAXT接车，T折返，T发车 （3）（4）式中：T折为折返间隔；T接车为接车作业间隔；T折返为折返作业间隔；T发车为发车作业间隔；C折为折返能力。其 中，以 常 用 站 后 四 线 折 返 站配线9为例，如图2所示。采用CBTC（Communication Based Train Control）系统制式，按照图示折返路径进行折返。相应的作业过程为：接车作业。前车由折返站下行站台出发至出清计轴A0118，道岔C0110转至定位，后车移动授权延伸并由折返站下行站台接车干扰点运行至折返站下行站台停站结束的总时间。所述接车干扰点为后车移动授权终点由折返站下行站台出站信号机X0122往下行方向延伸前，按照预定速度运行且距离前车最近的线路位置。折返作业。前车出清计轴A0128，道岔C0110转至反位，道岔C0102/0104转至定位，后车移动授权延伸并由折返站下行站台折返站折返站X0118SSP04SSP02SSP03SSP01折返轨折返轨A0118X0107A0109C0110C0108C0102C0104C0106C0112下行下行上