城市軌道交通快、慢車仿真研究

吳 剛

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 前言

對于城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計而言，根據(jù)信號系統(tǒng)制式對行車專業(yè)提出的配線設(shè)置、旅行速度、行車間隔、折返間隔等進(jìn)行仿真驗算非常重要，不但可以驗證行車專業(yè)所提要求是否合理可行，更可以對信號系統(tǒng)的設(shè)計等提出可靠的依據(jù)。

廣州地鐵14號線工程采取快慢車運(yùn)營模式，快車停靠部分車站，慢車則為站站停車，在越行車站設(shè)置快車越行線和慢車避讓線。本文重點(diǎn)針對以下情況進(jìn)行驗證分析：（1）信號系統(tǒng)采用移動閉塞制式并實(shí)行快、慢車運(yùn)行模式下，正線是否滿足遠(yuǎn)期24列車且快慢1∶3開行比例的行車能力，即本線路是否可滿足行車組織要求的早晚高峰能力要求，遠(yuǎn)期18對/小時慢+6對/小時快；（2）信號系統(tǒng)采用固定閉塞制式并實(shí)行站站停運(yùn)行模式下，是否能實(shí)現(xiàn)4 min的最小追蹤間隔。

圖1 遠(yuǎn)期快慢車運(yùn)營模式停站方案

1 仿真原理

本次仿真主要是運(yùn)用廣泛應(yīng)用于以下軌道交通工程領(lǐng)域的Opentrack軟件對廣州地鐵14號線列車運(yùn)行的仿真。該軟件能在不同的計算機(jī)平臺上運(yùn)行，且能夠模擬各種場景。

Opentrack仿真模擬采用連續(xù)-離散混合求解算法，對列車運(yùn)動的計算采用連續(xù)求解，獲得加速度、速度、位移等；對行車信號與調(diào)度采用離散求解，獲得信號機(jī)狀態(tài)、路徑占用等信息。系統(tǒng)在給定的基礎(chǔ)設(shè)施條件下，讓列車依據(jù)自身動力性能，按給定的時刻表進(jìn)行運(yùn)行[1]。

圖2 Opentrack仿真原理

2 仿真過程

仿真分為模型建立、仿真模擬、數(shù)據(jù)輸出三個過程。

模型建立包括對線路平縱斷面、限速區(qū)段、車站站位等線路基礎(chǔ)資料，還包括車輛性能數(shù)據(jù)、信號機(jī)設(shè)置及進(jìn)路設(shè)置等，可為模擬建立一套精確的模型[2]。

仿真模擬的過程是在基礎(chǔ)模型建立后，利用軟件內(nèi)部牽引計算系統(tǒng)對全線列車運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時動態(tài)模擬的過程。模擬過程中，可動態(tài)觀察列車運(yùn)行速度、運(yùn)行里程、加速度等多項列車指標(biāo)，并對列車越行、折返等過程做出綜合評價。如圖3所示。

仿真結(jié)束后，系統(tǒng)可輸出as＜加速度、里程曲線＞、vs＜速度、里程＞曲線、Fs＜牽引力、里程＞曲線、st1＜區(qū)段占用情況、時間＞曲線、st2＜區(qū)段占用情況、時間＞曲線、otsimcor＜列車曲線運(yùn)行圖＞、快慢車列車追蹤間隔等30幾種數(shù)據(jù)或者圖形結(jié)果[1]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 快、慢車的行車能力

列車從嘉禾望崗?fù)挚诜较蜻\(yùn)行，選取2組1∶3的比例快慢車。發(fā)車間隔時間依次為0min，2.5min， 2min， 3.5min， 2min， 2.5min， 2min，3.5min。從圖4可以清楚看到第一組快車在DP（東平站）、TH（太和站）、ZLT（鐘落潭站）超越了前面發(fā)車的三列慢車，第二組快車不但在前面三站超過了第二組發(fā)車的三列慢車，還在TP（太平站）超過了第一組發(fā)車的第三列慢車快車，實(shí)現(xiàn)了快慢車有序超越。而且圖4中并未出現(xiàn)沖突點(diǎn)，快車和慢車預(yù)先定義的旅行時間得到了保證，從而也證明了行車設(shè)置的越行站合理，信號系統(tǒng)可以根據(jù)移動閉塞制式實(shí)現(xiàn)這種交錯的快慢車運(yùn)行。

在移動閉塞列車控制方式的基礎(chǔ)上，實(shí)行快慢車追蹤運(yùn)行，快車和慢車在交匯點(diǎn)處存在沖突點(diǎn)，快、慢車的組織也是圍繞沖突點(diǎn)的管理來組織客運(yùn)。通過明顯的車次區(qū)別和線型區(qū)別，調(diào)度員可以很清晰地在站場圖界面和時刻表界面上識別出列車快慢車。

在進(jìn)行快慢車運(yùn)行圖編制時，往往采取單獨(dú)仿真一條快車運(yùn)行線，一條慢車運(yùn)行線作為基礎(chǔ)的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，在保證快車運(yùn)行旅行時間不受影響的前提下，按照運(yùn)行圖事先要求的快慢車比例，先鋪畫快車運(yùn)行圖，然后根據(jù)避免沖突點(diǎn)的原理（在越行站設(shè)置一個慢車到達(dá)該站時刻與快車越過該站時刻的最小間隔時間T1和快車越過該站與慢車可以出發(fā)時刻的最小間隔時間T2，保證快、慢車不在越行站產(chǎn)生沖突)，不改變慢車區(qū)間運(yùn)行的數(shù)據(jù)，增加慢車在越行站的等待時間，達(dá)到快車在越行站超越慢車，實(shí)現(xiàn)有序的快慢車追蹤間隔運(yùn)行。

圖3 Opentrack仿真過程實(shí)錄

為了保證列車追蹤安全運(yùn)行，這種鋪畫方式一般都對T1和T2取相對較大的時間間隔，而且實(shí)際每個越行站根據(jù)越行站前后車站快車是否停車對T1和T2的選取會略有不同，更沒有動態(tài)調(diào)整的空間，很大程度上犧牲了慢車在越行站的等待時間，降低了地鐵的服務(wù)水平。使用OPENTRACK進(jìn)行仿真，采用基于行車給出的運(yùn)行時刻表，可采取多次模擬仿真，實(shí)時調(diào)整慢車停站時間，或者快、慢車在區(qū)間的旅行時間，逐次逼近，在避免快慢車在越行站的沖突的基礎(chǔ)上，選取最優(yōu)的運(yùn)行圖為計劃運(yùn)行圖，達(dá)到既保證快慢車的有序運(yùn)行，又很大程度上提高了運(yùn)行的效率。

3.2 降級模式下的最小追蹤間隔的實(shí)現(xiàn)

降級模式下的列車最小追蹤間隔是衡量系統(tǒng)能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是信號系統(tǒng)設(shè)計重點(diǎn)。本次仿真以街口往嘉禾望崗下行方向為例，使用固定閉塞進(jìn)行仿真。

本次采用兩列前后制式完全相同的列車以最初4 min的發(fā)車間隔進(jìn)行仿真，由圖5可以清楚地看到后車的速度明顯因前車的存在而受影響，后車不能以正常速度運(yùn)行至前車相同位置，而且在TP（太平站）、DC（鄧村站）出現(xiàn)了沖突點(diǎn)，即后車采取了在車站等待前行列車離開安全防護(hù)區(qū)段后發(fā)車的方式來保證與前車的安全距離。經(jīng)過核 實(shí) ，DC(鄧 村)～SG(神崗)、TP(太 平)～XH （新和）區(qū)間距離均大于5 km，根據(jù)固定閉塞制式原理與初步設(shè)計方案，在長大區(qū)間采用加裝信號分割點(diǎn)來保證固定閉塞制式下最小追蹤間隔，通過在模型上對DC(鄧村)～SG(神崗)、TP(太平)～XH （新和）區(qū)間增加計軸與信號機(jī)后，重新進(jìn)行了仿真，結(jié)果滿足初步設(shè)計要求的4 min的最小追蹤間隔。

圖4 1∶3的比例快慢車運(yùn)行圖

圖5 降級模式下4 min追蹤間隔運(yùn)行圖

根據(jù)仿真驗算后的結(jié)果來布置正線軌旁設(shè)備，不但保證了信號系統(tǒng)設(shè)計的能力，而且提高了運(yùn)營服務(wù)效率。

4 結(jié)論

本文通過利用OPENTRACK軟件對廣州地鐵14號線CBTC模式快慢車能力和降級模式下固定閉塞最小追蹤間隔的仿真，能夠得出一系列數(shù)據(jù)，如列車運(yùn)行圖、列車時刻表、沖突檢測、避讓線占用率等，這些數(shù)據(jù)不僅可以形象直觀地驗證行車設(shè)計是否能夠?qū)崿F(xiàn)，避讓線設(shè)置是否合理，而且可以驗證信號系統(tǒng)能夠達(dá)到的系統(tǒng)性能以及優(yōu)化行車運(yùn)行圖，從何保證了設(shè)計的合理性。

［1］瑞士蘇黎世聯(lián)邦科學(xué)研究院北京星竹科技發(fā)展有限公司，OPEN TRACK用戶手冊--中文版（1.X版）［Z］.2010.

［2］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣州市軌道交通14號線一期及知識城支線工程行車組織與運(yùn)營管理初步設(shè)計說明書［Z］.2013.