URBAN RAIL TRANSIT城轨交通DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2018.12.011城际铁路应用无人自动折返技术研究王 栋 刘实秋(中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023)摘要：通过分析城际铁路列车折返需求、折返过程、折返间隔限制因素，对比CTCS-2+ATO列控系统与CBTC列控系统在折返站的信号设备布置方式，总结出两种列控系统制式在土建、折返间隔的差异，提出在城际铁路中应用无人自动折返的可行性。关键词：无人自动折返；折返需求；限速；差异分析 中图分类号：U284.48 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2018)12-0047-06Study on Application of Automatic Turn-back Technology in Intercity RailwaysWang Dong, Liu Shiqiu（CREEC (Chong qing) Survey, Design and Research Co., Ltd., Chongqing 400023, China）Abstract: This paper analyzes the requirements for train turn-back of intercity railway, turn-back process and turn-back interval limiting factors, compares the signal equipment layout modes of CTCS2+ATO train control system and CBTC train control system in turn-back station, summarizes the differences of civil construction and turn-back interval between the two train control systems, and puts forward the feasibility of application of automatic turn-back technology in intercity railway.Keywords: automatic turn-back; turn-back requirements; speed limit; analysis of difference目前，国内基于CTCS-2+ATO的列控系统已经在珠三角莞惠、广佛肇城际铁路中得到应用，ATO在ATP的防护下，实现列车自动驾驶运行，采用ATO技术可以有效降低司机劳动强度、提高运营效率和服务质量[1]。根据参考文献[2]中对折返作业运营场景的描述，可分为站后端有人自动折返和原地折返两种方式，其中原地折返属于纯人工操作，而站后端有人自动折返严格来讲应属于半自动折返。目前国内地铁无人自动折返有以下两种方案：一端控制和两端切换。一端控制的自动折返方案没有在折返线实现车头、车尾本务端的互换，且采用了列车退行，是一种不安全的行为。笔者认为列车自动驶离“到达站台”并在折返线停稳后，应该在折返线实现列车首尾本务端的互换交权，再重新驶离折返线，进入“发车站台”。本文将以装备CTCS-2+ATO列控系统的动车组为基础，并基于地铁CBTC列控系统下的“两端切换”无人自动折返方案，探讨无人自动折返在城际铁路中应用的技术方案。1 城际铁路对无人自动折返的需求分析1.1 国铁对折返的需求《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）、《城际铁路设计规范》（TB 10623-2014）均规定：最小行车间隔应按照运输需求研究确定，宜采用3 min。基金项目： 重庆市建设科技计划项目（城科字2017第1-1-3号） 铁路通信信号工程技术(RSCE) 2018年12月，第15卷第12期47Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT国铁的追踪列车间隔时间是指在自动闭塞区段同一方向追踪运行的两列车的最小间隔时间，包括追踪运行的两列车在区间和在车站出发、到达、通过、到通、通发的间隔时间。由此可见，国铁规范体系中描述的最小追踪间隔3 min，没有包含与折返相关的时间内容；国铁对高密度、高频率的“折返间隔”[3]没有迫切的需求，主要是因为国铁的立即折返站大多在地面，可以根据线路运输能力设置合理的配线和股道数量，在到达列车的折返停站时间内，从其他股道发送列车，这一优势保证了国铁可以实现“用空间换取时间”。虽然国铁对“折返间隔”没有需求，但折返过程却客观存在，国铁称之为“立即折返列车停站时间”。1.2 城市轨道交通对折返的需求《地铁设计规范》（GB 50157-2013）规定：系统设计能力应满足相应年限设计运输能力的需要，系统设计远期最大能力应满足行车密度不小于30对/小时的要求。这里的行车密度包含了“折返间隔”时间。由于城市轨道交通大多修建在地下或高架，受土建、线路等边界条件影响，折返站站型相对国铁而言显得更集约；且城市轨道交通通常采用当前到达的列车经折返后担当下一趟始发列车，实现“内循环”的运行方式；因此其折返站的折返能力直接影响着全线的运输能力，甚至限制线路能力的有效发挥。目前，城市轨道交通均积极采用基于CBTC技术结合折返站配线布置的无人自动折返，保证行车密度不小于30对/小时的要求。1.3 城际铁路对折返的需求随着CTCS-2+ATO列控系统的推广应用，在一些人口密集的大型城市中，如果采用文章首段描述的两种自动化程度较低的折返作业方式，则随之产生的折返能力问题很可能会成为制约全线运输能力的瓶颈。而且，为最大限度发挥城际铁路效益，很可能将其修建在城市核心功能区附近，而这些区域对地面用地有着严格的限制，沿线车站很可能被迫设置于地下，土建工程将极大的限制折返站规模，制约折返能力，进而制约全线运输能力。综上所述，未来城际铁路对折返能力的需求将倾向于城市轨道交通[4]。2 无人自动折返对动车组的基本要求笔者在前面提到国铁的“立即折返列车停站时间”包括旅客上下车时间和列车技术作业时间。其中，旅客上下车的时间由行车专业根据列车开行方案进行计算，属于运输组织模型计算结果，本文不作论述。列车技术作业时间包含座椅转向作业3 min、列车转向司机作业时间10 min，以及卧具整理或卸污作业等时间。这些技术作业时间制约着无人自动折返在城际铁路中的应用，需要通过对动车组的改造进行优化，建议方案如下。1）首先，要实现“两端切换方式”的无人自动折返，动车组首尾两端车载设备必须互联且驾驶室能自动换端。目前，基于CBTC技术的地铁驾驶室换端有2种方案：通过列车硬线切换和通过无线切换[5]。根据文献[5]提供的思路，并结合CTCS-2+ATO列控系统本身就具备车地双向通信的能力，笔者认为动车组首尾两端可采用无线切换。2）其次，城际铁路动车组内部的座椅可设计为类似北京地铁机场线的横列式固定对坐方式，这样列车在无人自动折返时，可以不用对座椅转向进行单独作业。3）另外，结合客流量、运输能力、车站间距等因素，城际铁路动车组可不设置卧具和洗手间，则可省去卧具整理或卸污作业的人工操作。4）关于城际铁路动车组改造的其他要求，如列车固定编组方案、根据追踪间隔可能需要改造动车组的动拖比（进而影响动车组的加减速度值）等均需要运输组织模型进行计算，本文不作论述。3 城际铁路无人自动折返过程简述1）当联锁办理接车进路后，动车组根据行车许可（MA）进入折返站到达站台，由ATP判定列车停准、停稳后，输出开“车门”允许，由ATO执行开“车门”动作；同时ATP发出的开“站台门”命令，经无线通信传送至通信控制服务器（CCS），再由CCS通过车站列控中心（TCC）向站台门系统下达开“站台门”的命令；车门和站台门打开后，开始旅客乘降作业。如图1所示。铁路通信信号工程技术(RSCE) 2018年12月48Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.URBAN RAIL TRANSIT城轨交通运行方向X3XS3SI3GXIIGIIGSIIXFS44GXIIX4SLSD2SIIXFS4SFXS3SI3GX3XIIGIIG4GXIIX4运行方向SFD2SLAGBGSFig.3 Train has entered the turn-back track图3 列车驶入折返线图1 列车停站下客作业Fig.1 train stops and drops passengers off5）列车完全进入折返线并出清外方区段时，联锁开始办理“出折返线进路”，进路完成锁闭后，在没有确认自动换端成功的情况下，折返信号机不允许开放，仍然点红灯，MA不允许越过该信号机。6）当ATP判定列车在折返线停准、停稳后，开始进行本务端互换：CCS将车头通过无线发出的交权申请传输至地面设备，同时车头准备进入休眠模式；地面设备确认后，通过CCS发出激活命令，并经无线通信传输至车尾，收到命令后，车尾由休眠模式进入激活状态，此时原来的车头应立即进入休眠模式，从而实现非本务端和本务端的切换。7）当确认自动换端成功后，折返信号立即开放，轨道电路、有源应答器立即给出相应的MA，列车以部分监控模式（PS）自动驶出折返线，驶向“出发站台”，当收到应答器数据后，择机转换为完全监控（FS）或自动驾驶模式（AM）。地铁车辆自动换端的时间一般为10 s，即换端完成的时机可能早于进路锁闭的时机，但只要确认换端成功，联锁就可以开放信号，如图4、5所示。X3XS3SI3GXIIGIIGSFSIIXFD2S4Fig.4 Train is ready to leave the turn-back track2）旅客乘降完毕后，车门、站台门同时关闭，其动作过程与1）相同。3）在1）、2）过程中，笔者将车门和站台门“开始打开”至“完全关闭”这段时间称为“列车停站下客时间”，在这段时间内，还有两个过程是同时进行。a.司机将手柄至零，然后按压车上的“无人自动折返按钮（ATR）”，随后关闭本侧驾驶室，并从驾驶室下车（同乘客一起下车），在站台按压“无人自动折返启动按钮”；随后，司机利用列车自动折返作业时间，从站台一端走到站台另一端，实现“人等车”的目的。b.车站联锁开始办理“入折返线进路”，随着室外转辙设备动作到位并锁闭，进路完成锁闭，但此时信号机不开放，仍然点红灯[6]，MA不允许越过该信号机[7]。4）当车门、站台门关闭后，联锁立即开放信号，配套的轨道电路、有源应答器立即给出相应的MA，如图2所示。随着车载DMI显示的发车倒计时完毕，列车开始自动驶入折返线，如图3所示。运行方向X3XS3SI3GXIIGIIGSIIXFS4Fig.2 Train is ready to enter the turn-back track运行方向SFD2XIIX4SL第二段4GSXIIX4SLAGBG图4 列车准备驶出折返线4GS4 无人自动折返受控因素分析4.1 道岔限速《地铁设计规范》第6.2.4条相关内容：“在车站图2 列车准备驶入折返线No.12 王 栋，刘实秋：城际铁路应用无人自动折返技术研究49Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.UX城轨交通RBAN RAIL TRANSIT运行方向X3S3SI3GXIIGIIGSIIXFS44GXIIX4SLSD2SF5 列控系统对折返站土建工程的影响本文以城市轨道交通中常用的“贯通式站后折返”站场图为例，按照《城际铁路设计规范》和《地铁设计规范》分别进行信号设备布置，展示CTCS-2+ATO与CBTC两种不同列控系统对同一车站的影响。举例图线间距按5 m设计，所有道岔按60 kg/m钢轨 12号设计，并考虑站台限速。为便于对比分析，此处对动车组和地铁车辆的长度、站台长度进行了统一，且不考虑车辆参数（牵引制动参数、重量等）。为方便研究，图中标注了6条轴线，从图中可以看出：1）轴线1～轴线6，是为了方便对比，框定的一个固定平面；2）轴线3～轴线4，站场工程范围及工程量一致；3）轴线2、轴线5用于对位，反应了CTCS-2+ATO列控系统需要更长的站场布置范围；4）根据布置图标注的距离计算，采用CTCS-2+ATO的城际铁路车站范围420 m+2 L，采用CBTC的地铁车站范围295 m+2 L，前者比后者至少多125 m的土建工程量；其中，轴线2～轴线3多50 m，轴线4～轴线5多75 m；5）经分析，多出的125 m土建工程量，主要是因为两套列控系统对安全防护距离设置方式不同而产生的差异，它们均符合各自的技术标准。图5 列车停靠到达站台并乘降旅客Fig.5 Train stops at platform and drops passengers off端部接轨，宜采用9号道岔……”，笔者猜想这条规范可能考虑了地下空间受限制的因素。但9号道岔侧向运行限制速度为30 km/h，而国铁CTCS-2级列控系统默认速度和最低临时限速档为45 km/h，因此列控系统不能保证行车安全[8]。在《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》中有如下规定：对低于45 km/h的限速按45 km/h设置，此时，调度命令的限速值低于列控车载设备显示的目标速度，动车组列车司机应按调度命令控制列车运行。所以城际铁路折返站如果选择9号道岔，那么当ATP正常工作时，将不能实现无人自动折返。4.2 站台限速地下车站一般需要设置屏蔽门，当列车在密闭空间运行时，产生的空气负压会对屏蔽门施加一个向外的作用力，当速度达到一定值，作用力就会对屏蔽门造成损坏，并危及乘客人身安全，这就需要对进站列车进行限速。目前《城市轨道交通列车运行速度限制与匹配技术标准》（征求意见稿）中，将设置有站台门的限速提升至最高75 km/h。国铁车站虽然多数设在地面开阔地带，但也有相关限速或防护要求[9]。站台限速越高，常用制动率越大，自动折返间隔就越小，但旅客乘坐舒适性会下降[10]。所以站台限速一定要结合运输组织相关模型数据，合理选择限速值。例如，结合4.1分析内容，12号道岔侧向限速值45～50 km/h；站台限速若取值55 km/h，采用12号道岔可以让动车组在更逼近ATP顶棚且在站台限速值内安全高效运行。6 基于CTCS-2+ATO和CBTC列控系统的无人自动折返间隔差异化分析笔者将折返间隔描述为4个子过程：接车作业、进折返线作业、出折返线作业、发车作业。这里仅对前两个过程进行详细分析。1）如图6所示，动车组根据接车进路的行车许可，到达1G站台停车并乘降旅客，车门关闭后，信号开放，当动车组越过S1信号机处的绝缘节（CTCS-2级列控系统采用轨道电路检查占用/空闲），并完全出清1G后，此时联锁可以办理下一趟动车组的接车进路。50铁路通信信号工程技术(RSCE) 2018年12月Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.URBAN RAIL TRANSIT城轨交通CTCS-2+ATO城际铁路折返站举例图（12号道岔）19折返线（停车线）折返线（停车线）1515#岔前轨缝94 m17S413S3车辆远期最大编组长度+富余量X4X33791151P1G65 m5 m10 mS22GX2P站台X1S130 m5 mL5 m20 m186 m420 m+2 LLX轴线1轴线2轴线3轴线4轴线5CBTC地铁折返站举例图（12号道岔）19折返线（停车线）折返线（停车线）1515岔前轨逢77 m#S237115P1S117 m5 mL站台2GX2P17S4S3车辆远期最大编组长度+富余量X4X317 m5 mL913保护进路152 m1G5 m17 m295 m+2 LX15 m图6 对比图Fig.6 Comparison diagram2）在地铁的折返站中，列车到达站台并完成旅客作业，车门关闭后，信号开放，当列车越过5#道岔岔前轨缝的计轴磁头（CBTC一般采用计轴检查占用/空闲），并出清1DG后，此时联锁才能办理下一趟列车的接车进路。3）基于上述两点，分析其差异化原因：在地铁CBTC系统中，联锁办理进路时，会给出一段保护进路，而这段保护进路是在主进路终端的外方[11]，且保护进路的长度需要满足CBTC列控安全防护距离，这种逻辑关系也俗称“外防护”方式，相对而言，国铁CTCS-2级列控系统的防护逻辑就是“内防护”。在“外防护”的逻辑中，如果保护进路被占用，联锁将无法给出后续列车的进路，所以在保护进路的末端，就形成了一个限制点（不同文献称呼并不一致，简称P点），它表示前行列车必须完整出清该点后，联锁才能为后行列车办理接车进路，所以地铁折返站5道岔岔前轨缝的计轴磁头处就是一个P点。如果将这个概念套用在城际铁路折返站的图中，其P点就是S1信号机处的绝缘节。4）基于上述3点分析，可以得出如下结论：城际铁路折返站P点较地铁更靠前，意味着其联锁为No.12 王 栋，刘实秋：城际铁路应用无人自动折返技术研究#后续列车办理接车进路的时机早于地铁折返站；但是根据前面第5点的分析，由于地铁的车站范围更短，所以在不考虑各自系统响应时间的前提下，他们的折返间隔应该大致相同，这是CTCS-2+ATO和CBTC两种不同列控系统在时间关系和空间关系上的具体体现。5）出折返线作业、发车作业可根据各自图中P点位置做同样分析，本文不再叙述。7 总结根据前面的分析内容，笔者认为，基于CTCS-2+ATO列控系统在城际铁路中实现无人自动折返，具备可行性，但需要对系统技术方案进行深入研究。同时，只有对运输效率有充分需求时，无人自动折返技术才能“物尽其用”。另外，一个成熟的列控系统应该是以最简洁的系统来实现全部功能[12]，这可以最大限度的缩短系统响应时间，这里的响应时间可以是人为产生的，也可以是设备产生的，在参考文献[13]中，作者最后总结性的建议值得在后续研究中深入思考。51Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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