徐 军 邓志翔 姜 西
(1.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司，325088，温州；
2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥第一作者，高级工程师)
市域铁路的行车运营能力一般为24对/h[1]，其出入车辆段/停车场(以下简称“段/场”)能力需要与正线行车运营能力相匹配，且预留一定余量。因此，市域铁路对出入段/场能力的要求相对较高。此外，市域列车的车体参数、列车修程修制模式、段/场道岔选型等因素均会对列车出入段/场能力产生不同的正负相关影响，即列车出段/场能力的边界约束条件发生了变化和调整。因此，如何优化段/场设计，并辅以合理的信号系统设计，保障市域铁路线路的发车效率和运营间隔，是现阶段亟待研究的重要问题之一。本文以温州轨道交通S3线丽岙车辆段为例，通过不同条件的信号设计方案，分析了各方案下的出段效率。本文研究可为新建市域铁路出段能力的测算、段/场工艺方案和信号设计方案提供借鉴与指导。
1.1 市域铁路车辆车体对段/场规模的影响
一般情况下，市域铁路的运营覆盖范围较大，速度目标值和旅行速度较高且线路较长。为了保障乘客乘坐的舒适性，市域铁路车辆的车体比城市轨道交通(以下简称“城轨”)其他制式车辆的车体略宽，车辆定距和轴重也相对较大。因此，市域铁路段/场一般采用9号道岔(其他城轨线路段/场主要采用7号道岔)，以减小道岔对于车轮的摩擦，进而降低车轮在段/场内运行时的磨耗，减少道岔的损耗。相比于7号道岔，在相同条件下，9号道岔的长度更长，进而导致市域铁路段/场的咽喉区较长，段/场规模也相对较大。较大的段/场规模，意味着列车在出段/场过程中需要行驶更远的距离，降低了列车的出段/场效率。因此，市域铁路车辆车体是影响其出段/场能力的因素之一。
1.2 市域铁路车辆修程修制对存车线的影响
市域铁路车辆检修场所一般分为车辆检修基地、车辆段和停车场三部分[2]。车辆检修基地一般服务于线网或数条市域线路，承担线网内配属车的定期检修、日常维修、临修、运用整备和停放作业，并具有车辆管理、零配件储备及配送、信息管理及线网车辆运用检修管理培训中心等功能。车辆段和停车场一般服务于特定线路。车辆段主要承担本线定修、日常维修、临修、运用整备和停放作业。停车场主要承担本线配属车辆的运用整备和停放作业。
根据TB 10624—2020《市域(郊)铁路设计规范》的相关规定，市域铁路在段/场内，如果仅考虑停车作业需求，则停车股道可按露天设计；
当停车作业与列检作业合并设置时，可设置库(棚)。由此可知，从建设成本上考虑，在市域铁路的段/场内会设置较多的露天或有顶棚的存车线，一般只在段/场内的部分区域设置停车列检库。目前，此种布局方式，已应用于温州、台州等地的市域铁路项目中。市域铁路车辆段/场典型布局如图1所示。存车线上的列车每天出段/场时，可以一次加速到段/场内限速值(即道岔侧向通过限速)，可以实现高速出段/场。
图1 市域铁路的段/场典型布局Fig.1 Typical layout of city railway depot/yard
在城轨其他制式项目中，车辆的修程修制针对的是单一线路，没有服务于线网的检修基地，因此一般将存车线和列检线(包括定期检修、日常维修、临修及运用整备等功能)合二为一，段/场内设置的是停车列检库。城轨段/场的典型布局如图2所示。当列车在停车列检库内运行(驶入或者驶出)时，其行车速度必须小于等于5 km/h；
只有当列车驶出停车列检库且列车尾部越过库门后，方可加速至车辆检修基地内的限速。
图2 城轨的段/场典型布局Fig.2 Typical layout of urban rail transit depot/yard
在市域铁路的段/场中，若采用存车线的方式存车，那么列车在存车线上运行将无5 km/h特定限速的要求，提高了列车在场段内的平均行驶速度，这有利于提高段/场内的收发车效率。
2.1 市域铁路信号系统种类
目前，市域铁路主流信号系统分为两类：当线路与国铁线路互联互通时，则一般采用CTCS-2(中国列车运行控制系统2级)信号系统；
当线路独立运营或独立成网时，一般采用CBTC(基于通信的列车控制)信号系统。不同的信号系统所遵循的规范和设计标准有所差异，段/场内的信号机布点方案也有所不同，这会影响列车出段/场的效率。
CTCS-2信号系统的信号机布点方案需满足TB 10007—2007《铁路信号设计规范》等一系列标准规范的要求，有成熟的规范标准可以遵循；
其信号控制逻辑较为简单，能满足大多数的运营场景，场调人员工作量较小。然而也有其劣势：对于超大运量的线路而言，出段/场效率可能难以与高峰时段的运营需求相匹配。
CBTC信号系统的信号机布点方案主要满足GB 50157—2013《地铁设计规范》、GB/T 12578—2004《城市轨道交通信号系统通用技术条件》等的要求。出段/场进路可分段办理，信号机布点方案的灵活性相对较高，因此出段/场能力可以满足超大运量高峰客流时期的运营需求。然而也有其劣势。即：在CBTC系统的联锁机制主要沿用国铁规范的情况下，需要对联锁条件做出相应的突破和调整；
其控制逻辑相对复杂，场调人员的工作量相对较大。
在段/场的信号机布点方式上，存在两种主流方案[3]：CTCS-2信号系统一般采用一次出段/场布点方案；
CBTC信号系统可以采用分段出段/场布点方案，也可以采用一次出段/场布点方案。由于CTCS-2信号系统具有规范性和统一性，所以CTCS制式的场段信号机布点方案具有唯一性，不在本文讨论范围内。本文主要针对CBTC信号系统下的场段信号机布点方案进行分析和讨论。
2.2 一次出段/场信号机布点方案
一次出段/场信号机布点方案，指列车仅凭存车线前出发信号机的允许信号，一次性行驶至出入段/场线(正线控制范围)，出段/场过程中不再有其余的信号机。一次出段/场信号机布点方案示意图如图3所示。在部分城轨项目中，沿用国家铁路的信号机定义和设计原则，在段/场股道前的信号机至正线段不再设置其他用作“发车”的信号机，即任意出发信号机开放时，表示本股道的列车可以越过前方出发信号机，直接驶入出入段/场线(转换轨1或转换轨2)。
图3 一次出段/场信号机布点方案示意图
2.3 分段出段/场信号机布点方案
分段出段/场信号机布点方案示意图如图4所示。在某些城轨项目中，为了提高出段/场效率，定义停车列检库股道前的信号机为出发信号机(S1—S6)，并在场段咽喉区设置出段/场信号机(CD1—CD2)，从而将列车的出段/场进路一分为二。在城轨项目中，各方案设置的出段/场信号机位置有所不同，有些方案将出段/场信号机设置在咽喉区的交叉渡线之前(见图4 a))，有些方案将出段/场信号机与进段/场信号机并置(见图4 b))。相较于一次出段/场信号机布点方案需要在前车出清转换轨后方可开放出段/场信号机，采用分段方案时，前车车尾越过出段/场信号机后，即可排列出库信号机至出段/场信号机的进路，从而让停车列检库股道上的列车提前发车，提高出段/场效率。从理论计算的角度出发，在咽喉区交叉渡线前设置出段/场信号机，被一分为二的两段出段进路长度比例相对均匀，因此其出段效率更高。但其缺点为，一旦列车在出段/场信号机前停车且发生故障时，咽喉区将无法办理其他股道的出发进路，影响范围较大。
图4 分段出段/场信号机布点方案示意图
温州轨道交通S3线是温州在建的市域铁路项目，正线最小行车间隔为2.5 min。设置一座丽岙车辆段,承担该工程的定修、日常维修、临修功能、运用整备和停放作业等功能。丽岙车辆段出入段线包括出段线和入段线2条线路，在早晚高峰集中收发车时期，2条线可同时作为出段线或入段线使用。当列车在出入段线上的单线最小出段间隔不大于正线最小行车间隔时间的2倍时，则其出段能力即可与正线最小行车间隔相匹配，即丽岙车辆段单线最小出段间隔不大于5.0 min。
按照温州市域铁路线网既有管理模式，列车完整的出段步骤为[4]：
步骤1：办理出段进路。用时按21 s计。其中，计算机联锁运算时间按4 s计，道岔动作时间按13 s计，信号机点灯动作时间按3 s计。
步骤2：从存车线(或列检库)起动加速运行至转换轨停车。若采用存车线方案，只需一次加速至段内最高限速后匀速行驶，随后再制动停车即可运行至转换轨；
若采用列检库方案，列车在尾部出清列检库后，会多出一次或二次加速至段内最高限速的过程。
步骤3：转换无线通话组和驾驶模式、与正线控制中心行调联控，用时按60 s计。
步骤4：从转换轨驶离，行驶距离为1列列车的长度。
步骤5：重复上述步骤，办理下一列列车的出段流程。
列车出段过程中，速度-时间-距离的关系为：
(1)
式中：
Lit——列车行驶距离，m；
vi——列车运行初速度，m/s；
vt——列车运行末速度，m/s；
a——列车运行加速度，加速时为正，制动时为负，m/s2；
tit——列车以加速度a运行的时间，s。
在本工程中,市域列车采用6节编组，列车全长为140 m。当列车运行速度为0～40 km/h时，其起动加速度≥1.0 m/s2，常用制动减速度≥1.0 m/s2。车辆段内采用CZ2209 50 kg/m的9号道岔，库内最高运行速度v1=5 km/h，段内最高运行速度v2=30 km/h。为便于后续计算，取v0=0，转换轨的长度按200 m计算。
3.1 存车线+一次出段方案
当采用存车线+一次出段方案时，丽岙车辆段信号机布点方案示意图如图5所示。该方案下，列车可以直接加速至段内最高限速运行至轨换轨，限速运行时的列车加减速度均按1.0 m/s2计。此时，各阶段作业时间和行驶距离可由式(1)获得：①出段进路办理时间t进路=21.0 s；
②列车在段内从0加速至30.0 km/h的时间t02=8.5 s，行驶距离L02=35 m；
③列车从段内到转换轨以30.0 km/h的速度均速运行，作业时间t匀1=94.0 s，行驶距离L匀1=780 m；
④列车在转换轨内的运行速度由30.0 km/h制动至0的时间t20=8.5 s，行驶距离L20=35 m；
⑤司机转换无线通话组和驾驶模式、与正线控制中心行调联控时间t确认=60.0 s；
⑥列车从转换轨起动，向正线行驶并出清转换轨，列车行驶距离L车=140 m，此时可直接加速驶离，速度按0～100.0 km/h、平均加速度按0.5 m/s2进行计算，驶离转换轨时间t出转=24.0 s，出清转换轨时的速度约为43.2 km/h；
⑦合计上述所有作业过程作业时间，得出最小出段间隔为216.0 s，满足远期单线5.0 min、双线2.5 min的出段能力要求。
图5 采用一次出段方案时丽岙车辆段信号机布点示意图
3.2 列检库+一次出段方案
当采用列检库+一次出段方案时，列车在库内运行的最高速度不能超过5.0 km/h，此时各阶段作业时间和行驶距离可由式(1)获得：①t进路=21.0 s；
②列车在段内从0加速至5.0 km/h的时间t01=1.5 s，行驶距离L01=1 m；
③列车在库内以5.0 km/h速度运行至列车车尾出库的时间t匀2=101.0 s，行驶距离L匀2=139 m；
④列车在段内从5.0 km/h加速至30.0 km/h时间t12=7.0 s，行驶距离L12=60 m；
⑤列车在段内至转换轨以30.0 km/h匀速行驶时间t匀3=74.0 s，行驶距离L匀3=615 m；
⑥列车在转换轨内的运行速度从30.0 km/h制动至0的时间为t20=8.5 s，行驶距离L20=35 m；
⑦司机转换无线通话组和驾驶模式、与正线控制中心行调联控时间t确认=60.0 s；
⑧列车驶离转换轨时间t出转=24.0 s；
⑨合计上述所有时间，得出最小出段间隔为297.0 s，接近5.0 min。
由3.1节和3.2节的计算结果可知，均采用一次出段方案时，列车在列检库内运行速度是影响列车出段能力的最关键因素。当设置停车列检库时，相比较设置存车线，列车单线出段耗时增加约80.0 s，总时长接近5.0 min;若司机人工驾驶列车速度偏低时，则存在出段效率不足、运营晚点的风险。
3.3 存车线+分段出段方案
当采用存车线+分段出段方案时，丽岙车辆段信号机布点示意图如图6所示。该方案下，列车出段需要完成两段进路，最小出段间隔为两段进路完成时长中的较大值。此时出库信号机至出段信号机进路各阶段作业时间和行驶距离可由式(1)获得：①出库进路办理时间t进路=21.0 s；
②列车在段内从0加速至30.0 km/h的时间t02=8.5 s，行驶距离L20=35 m；
③列车以30.0 km/h匀速行驶至车尾越过出段信号机的时间t匀4=68.0 s，行驶距离L匀4=570 m；
④进路完成总用时t分1=98.5 s。
图6 采用分段出段方案时丽岙车辆段信号机布点示意图
完成出段信号机至转换轨进路各作业环节作业时间和行驶距离由式(1)获得：①列车在段内到转换轨以30.0 km/h匀速行驶的时间t匀5=25.5 s，行驶距离为L匀5=210 m；
②列车在转换轨内从30.0 km/h制动至0的时间t20=8.5 s，行驶距离L20=35 m；
③司机转换无线通话组和驾驶模式、与正线控制中心行调联控时间t确认=60.0 s。④列车驶离转换轨时间t出转=24.0 s；
⑤进路完成总用时t分2=118.0 s。此时t分2>t分1，因此最小出段间隔为t分2=118.0 s。
3.4 列检库+分段出段方案
当采用列检库+分段出段方案时，完成出库信号机至出段信号机进路各阶段作业时间和行驶距离由式(1)获得：①出库进路办理时间t进路=21.0 s； 分别对比3.1和3.3节、3.2节和3.4节的计算结果可知，无论采用列检库方案还是存车线方案，分段出段方案比一次出段方案的时长都缩短了约100.0 s，列车出段能力有明显提升。考虑实际运营过程中，分段办理进路时存在增加调度人员操作确认时间、司机为保障段内追踪运行时的行车安全可能采取降速行驶等因素，该方案在实际运营中的优势没有理论计算的那么突出和显著。 随着市域铁路的迅速发展，市域线路段/场的出段/场效率是否与运营需求相匹配，成为了工程设计之初就应该探究和明确的关键问题。本文从标准规范、工程需求等方面，研究了影响列车出段/场能力的关键因素，并基于温州市域铁路S3线丽岙车辆段的实际工程参数，结合一次出段方案和分段出段方案的信号机布点形式，分析了在不同修程修制条件下的场段工艺布局、不同信号机布点方案的4种实际工况，计算了列车的出段时长。通过分析对比可知，4种工况下的出段能力均能与正线行车能力相匹配。 综上所述，针对后续市域铁路建设工程，建议段/场信号系统优先采用有规范明确支撑且联锁条件极为成熟的一次出段方案进行信号机布点设计，其信号系统设计相对规范，联锁逻辑更加成熟，调度员操作工作量较小，更加有利于后期的运营和维护。若由于修程修制要求必须建设停车列检库用于列车存车和检修，且因场段规模较大、一次出段方案的出段能力检算无法满足正线行车能力要求时，信号系统可采用分段出段方案。
②列车在段内从0加速至5.0 km/h的时间t01=1.5 s，行驶距离L01=1 m；
③列车在库内以5.0 km/h速度运行直至列车车尾出库的时间t匀6=t匀2=101.0 s，行驶距离L匀2=139 m；
④列车在段内从5.0 km/h加速至30.0 km/h的时间t12=7.0 s，行驶距离L12=60 m；
⑤列车以30.0 km/h匀速行驶至车尾越过出段信号机的时间t匀6=49.0 s，行驶距离L匀6=405 m；
⑥进路完成总用时t分3=179.5 s。完成出段信号机至转换轨进路的用时与3.3节存车线+分段方案一致，总用时t分4=t分2=118.0 s，此时t分4