城市軌道交通列車運行等級的研究

宋真祥李巖魏源

城市軌道交通列車運行等級的研究

宋真祥李巖魏源

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），210003，南京//第一作者，工程師）

地鐵列車在運行過程中會出現偏離計劃運行圖的情況，為使列車盡量正點運行，提升列車的正點率及乘客滿意度，需對偏離運行圖的列車進行調整。改變列車的運行等級是列車調整的一種重要手段。通過對現有運行等級的研究，改進了列車運行等級劃分，將列車運行等級劃分為P1—P8共8個等級，每個運行等級對應一個運行的速度上限，包括列車允許的最大行駛速度、最大牽引加速度及制動減速度。并基于鄭州地鐵1號線的部分線路進行牽引仿真計算，驗證該運行等級劃分的合理性。仿真結果表明，運行等級的劃分合理，通過改變列車的運行等級，能夠在很大程度上改善列車偏離的情況。

城市軌道交通；列車運行自動調整；運行等級劃分；牽引仿真

Author′s addressNARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），210003，Nanjing，China

準點是衡量地鐵運營質量的重要指標之一。2014年4月1日開始實施的GBT 30012—2013《城市軌道交通運營管理規范》中明確規定，列車正點率應大于或等于98.5%，列車運行圖兌現率應大于或等于99%。提高列車的正點率可以在很大程度上提升乘客滿意度，減少投訴率，提升服務質量，但列車在運行過程中常常會受到某些干擾因素的影響，出現列車偏離計劃運行的情況。由于地鐵列車運行間隔短，某列列車的偏離往往會影響相鄰列車的正常運行秩序，嚴重時可能導致列車運行的大面積紊亂，降低整個系統的運行效率，在保證地鐵安全的基本前提下，其服務質量必將受到影響，此時需采取一定的調整措施使列車運行盡快恢復到正常有序的狀態。對于偏離不是特別嚴重的列車，一般由ATS（列車自動監控）控制下的自動列車運行調整通過改變列車的停站時間和列車運行等級來實現，由ATS下發列車調整命令給車載控制器（VOBC），VOBC根據收到的停站時間和運行等級調整列車的運行，經過一次或多次調整使偏離的列車逐漸按圖行駛；對于嚴重偏離運行計劃的列車，需要列車調度員人工干預進行調整，包括設置列車跳停、列車扣車、組織乘客快速乘降、壓縮列車停站時間等。

1 運行等級在列車運行調整中的應用

列車運行調整主要有自動調整和人工調整兩種方式，采用何種方式主要取決于列車實際運行與計劃時刻表的偏差大小。較小的偏差主要采用自動調整方式。在ATS系統中編制列車計劃時刻表時，會預先設置列車在各個站的停站時間及列車在各個區間的運行等級，列車到站后，ATS調整模塊將收到的列車到站時間與計劃到站時間進行比較，若列車偏離在允許范圍內，ATS將時刻表中的計劃停站時間及下一區間的運行等級直接發給車載設備；若偏差大于允許范圍，ATS將根據偏差大小適當調整列車停站時間及運行等級，并發給車載設備。自動調整流程如圖1所示。

列車停站時間必須控制在一定的范圍內，停站時間過長或過短都將影響乘客的乘車體驗。調整列車運行等級會讓乘客感覺更加自然，一次調整不一定使列車達到準點，可在多個站對偏離列車的運行進行多次調整，使列車逐漸恢復按圖運行。對于偏差很大的情況則需調度員人工干預進行調整，偏差范圍由ATS在系統中進行設定。

2 運行等級劃分

雖然列車運行等級在城市軌道交通運行調整中有重要的作用，但國內學者對列車運行等級的研究相對較少，對運行等級的劃分也不太合理。文獻［5］提出通過改變區間列車運行等級的方法來調整列車運行，其將列車在區間上的運行模式分為一般模式與節能模式，每一種模式下分別設置快速、正常、慢速三種運行等級。若列車在某區間上運行的最短時間為T，則一般模式下三種列車運行等級（PL1—PL3）對應的區間運行時間分別為T、T+5 s、T+10 s，節能模式下三種列車運行等級（PL4—PL6）對應的區間運行時間分別為110%T、110%T+5 s、110%T+10 s。這樣的運行等級設置雖能在一定程度上調整早點或晚點的列車，但可調整的范圍并不明顯，如列車在某區間運行的最短時間為100 s，則一般模式下慢速運行等級對應的區間運行時間與節能模式下快速運行等級對應的區間運行時間是一樣的，都為110 s。另外，由于軌道線路的復雜性及各個運行區間的長度存在差異，這種等間隔的時間變化在列車實際運行過程中并不好控制，在定時約束條件下尋找合適的列車操縱方式會花費較多的資源。文獻［6］提出了另一種運行等級的設計方案：系統設置P1—P5共5個運行等級，P1表示列車以最快的運行速度行駛，其他運行等級，每升高一個等級，列車的最高運行速度將降低10%。該方案下的列車運行等級能滿足更大范圍的列車早晚點調整，但其沒有考慮列車的起動和制動過程，若所有的運行等級采取的牽引及制動方式都一樣，則不利于滿足列車節能及乘客舒適度的要求。從節能方面考慮，列車應采用最大加速及最大減速運行模式，但快速的起動和制動會降低乘客的舒適度。另外，該方案沒有考慮區間限速運行的情況。

針對上述運行等級劃分存在的不足，考慮城市軌道交通站間距離的差異、列車運行能耗以及乘客舒適度等因素，同時盡量讓不同運行等級對應的區間運行時間差異足夠大，使得偏離的列車通過調整運行等級達到準點的效果更加顯著，本文設計了8個運行等級，分別用P1—P8表示，每個運行等級對應一個運行的速度上限，包括列車允許的最大行駛速度、最大牽引加速度及制動減速度。ATS系統在編輯列車時刻表時可選擇P2作為列車默認的運行等級。運行等級的設置如表1所示。

表1 列車運行等級劃分

3 算例測試

為驗證運行等級劃分的合理性及可行性，以鄭州地鐵1號線下行西流湖站—市體育中心站共20個站之間的線路數據為基礎，進行牽引仿真計算。表2描述了秦嶺路站—五一公園站區間的線路數據格式，整條線的線路數據與之類似。全線的線路坡度及曲線限速條件如圖2、圖3所示。

表2 秦嶺路站—五一公園站區間線路數據

圖2 鄭州地鐵1號線線路坡度示意圖

圖3 鄭州地鐵1號線線路限速示意圖

為計算方便，將列車看作單質點進行受力分析，列車運行過程采用快速運行策略。即列車以允許的最大牽引力進行牽引（若產生的加速度大于運行等級規定的最大牽引加速度，則采用運行等級規定的最大加速度進行計算），當列車速度到達最大允許速度后以最大允許速度勻速運行，直到列車運行至制動轉換點時采用允許的最大減速度進行制動。計算過程中對各個站間運行時間，以及每個時間步長內列車的實時速度和列車行走的距離進行記錄，并繪制列車運行的S-v曲線，以直觀反映各個運行等級下列車的運行情況。圖4為運行等級P1—P4對應的速度距離曲線。

不同運行等級列車在區間的運行時間匯總如表3所示。

圖4 列車運行等級P1—P4的速度距離曲線

表3 區間運行時間

4 結果分析

4.1調整效果的改善

根據文獻［5］的運行等級劃分原則，可計算出列車在區間的運行時分，如表4所示。表中“最大可調整時間”指列車最快通過區間的時間與最慢通過區間的時間之差，即列車通過調整運行等級一次最大的調整范圍。

由表4可見，改進前PL3與PL4的區間運行時間相差不大，且通過調整運行等級來調節列車運營偏差的效果并不顯著，單次僅可以調整20 s左右。

4.2仿真結果分析

從牽引仿真計算的結果可以看出，運行等級越高，區間運行時間越長，在列車正常運行模式下（非限速運行），通過調整列車運行等級，能夠在很大程度上調整早點或晚點的列車。當列車運行偏離計劃運行圖較小時，可根據偏離時間的大小，結合計劃到達下一站的時間以及下一站的計劃運行等級，選擇合適的運行等級運行；當列車偏離較大時，一次調整可能不足以使列車恢復計劃運行，這時可通過多次調整列車運行等級并結合調整列車停站時間等多種手段，使偏離的列車盡量正點運行。

表4 改進前的區間運行時分

不同的行車區間，運行等級的調節能力不同。對于非限速運行模式下的運行等級（P1—P6），調節范圍最小的為秦嶺路站—五一公園站區間，最大可調范圍為48 s；調節范圍最大的為博學路站—市體中心站區間，最大可調節范圍為111 s。一般情況下，區間距離越長，可調節的時間范圍越大，并且不同運行等級之間的區間運行時間差也不同。這是由于運行等級劃分的主要區別在于列車的牽引加速度大小、制動減速度大小以及區間最高限速，列車在區間運行時牽引和制動過程所占的比重相對較小，特別是在較長的區間內，中間運行過程所占的比重較大，所以區間距離越長，最高限速對列車運行等級所帶來的影響就越大。例如，距離較長的博學路站—市體育中心站區間（區間距離2 483 m），相鄰兩個運行等級對應的時間差分別為12 s、17 s、19 s、27 s、36 s，而距離較短的秦嶺路站—五一公園站區間（區間距離1 074m），相鄰兩個運行等級對應的時間差分別為6 s、8 s、8 s、12 s、14 s。也就是說，站間距離越長，通過調整運行等級來調節列車運行的效果就越顯著，這與列車的實際運行情況相吻合。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.城市軌道交通運營管理規范：GB/T 30012—2013［S］.北京：中國標準出版社，2013.

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［4］徐航.城市軌道交通列車運行實時調整算法的研究［D］.成都：西南交通大學，2013.

［5］董俊.深圳地鐵3號線列車運行自動調整策略分析［J］.城市軌道交通研究，2013，16（7）：117-119.

［6］陳榮武，劉莉，郭進，等.基于遺傳算法的列車運行能耗優化算法［J］.交通運輸工程學報，2012，12（1）：108-114.

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［8］中華人民共和國鐵道部.列車牽引計算規程［S］.北京：中國鐵道出版社，2000.

［9］彭其淵，石紅國，魏德勇.城市軌道交通列車牽引計算［M］.成都：西南交通大學出版社，2005.

Research of M etro Train Performance Level

SONG Zhenxiang，LIYan，WEIYuan

Metro trains in operation process often deviate from the running chart.To ensure the scheduled operation of trains,enhance the punctuality rate and the satisfaction of the customers，it is necessary to adjust the train that has deviated from the running chart，and an effective method is to change the performance level of the train.Based on a study of the present performance levels,the change resets 8 levels from P1 to P8，each corresponds to a ceiling of the running velocity，including the perm itted train maximum speed,maximum traction acceleration and breaking deceleration.Partial routes of Zhengzhou subway Line 1 are taken for the traction simulation calculation，to verify the rationality of the existing performance levels.The results show that the division of performance levels is reasonable，because by changing the performance level of the train，the condition of train deviation can be improved to a great extent.

urban rail transit；train automatic regulation；performance level grading；traction simulation

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2017.07.018

2015-07-29）