城市軌道交通列車折返能力綜合優化分析

李 莉

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

1 概述

隨著城市軌道交通的迅速發展，地鐵運行速度不斷提升，自動化控制較高的基于通信的列車自動控制（Communication-based Train Control，CBTC）系統已經在地鐵信號系統中廣泛的應用，其中制約CBTC列車運行間隔的主要因素為列車折返能力。隨著近年來城市客流不斷增大，八節編組列車的普遍應用，列車折返能力更成為制約城市軌道交通運營能力的關鍵因素。

本文提出一種針對城市軌道交通列車折返能力綜合優化的方法，通過對列車折返過程中的不同運行狀態進行重新歸納，提出基于不同列車運行狀態的折返能力優化分析圖，最后依照該分析圖對列車折返過程進行部分優化，并通過仿真驗證結果表明該分析方法的有效性。

2 折返過程分析

在城市軌道交通運營中，信號系統是指揮列車運行、保障行車安全和提高行車效率的基礎裝備。本節主要對信號系統控制下列車的折返類型進行說明，并對列車的折返過程進行分析和重新歸納。

2.1 折返類型說明

在信號系統控制下，列車的折返方式可以分為列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）折返模式、列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）折返模式、限制人工折返模式、以及非限制人工折返模式。其中，在采用ATO折返模式時，列車在折返運行時無需司機進行控制，所有運行操作由信號系統直接完成，可極大的節省司機操作時間，提高折返效率。因此，在城市軌道交通運營組織中，ATO折返模式是最常使用的折返方式。

在ATO折返過程中，當列車停靠在折返站臺時，司機在原列車頭端完成固定操作后，列車進入自動折返模式:信號系統控車自動運行至折返點，停車后進行自動換端，之后再次控車運行至站臺定位停車。司機在折返后的列車頭端進行激活操作后，信號系統的自動折返程序退出，控制列車重新進入正常運營模式。ATO折返期間，司機只需在列車停站期間完成進入和退出折返模式的簡單操作即可，列車運行期間無需任何其他人工干預。因此，需要在進行信號系統設計時，對折返過程進行細化分析，了解影響折返的各方面因素，才能在控制列車折返時有效提升效率。

2.2 折返過程分析

從列車整個折返過程的時間順序上分析，折返過程包含:上行站臺接車作業、折返作業、出庫進入下行站臺3個階段。按照時間順序繪制兩車折返追蹤過程示意如圖1所示。

圖1 列車折返過程圖Fig.1 Train turn-back procedure chart

如按照傳統的列車折返時間順序對圖1進行分析，則在同一時間段存在不同的列車運行狀態，不利于歸納分析每段運行時間的影響因素。因此，本文從構成列車折返過程圖的幾何類型上進行分區，依照列車不同的運行狀態對折返時間進行分析，有利于后續的歸納整合和深入分析。

因此，從構成列車折返過程圖的幾何類型上進行區分，列車折返過程可分為3類。

1）列車的運行時間:如圖1中所有的斜線部分，即t0至t6的時間。該時間包括列車運行至上行折返站（t0）、折返站運行至折返點（t1至t3）、折返點重新運行至下行折返站（t4至t5），以及出清車站的時間（t6）等；

2）折返附加時間:如圖1中所有的橫線部分。列車折返過程中共計停站3次，分別包括上行的站停時間（Dwell）、折返點等待進路辦理和道岔搬動時間（Tb），下行的停站時間（Dwell）；

3）前后兩車的制約時間:如圖1中的“1、2、3”3個區間段，只有前車將安全運行的進路資源釋放出后，后車才能有占用該進路資源的條件，也就是這三個時間區段需要大于0。該區段時間也包含信號系統進行列車控制、進路辦理和解鎖等時間。

本節提出對列車折返過程的重新分類，為后續的折返能力優化提供基礎。這樣區分的優點在于，將同類折返運行狀態進行歸納匯總，有針對性的對每類狀態的制約因素進行綜合分析，以達到壓縮總折返時間的目的，最大化的提升線路運營能力，這也是本文優化折返能力的出發點。

3 折返能力綜合優化分析

通過對城市軌道交通列車運營折返過程的整體分析，可從宏觀上將各類因素進行綜合統籌整理，然后再針對每一因素進行深入分析，確保沒有遺漏，以達到最大程度的綜合提升折返效率。以折返運行時間為例，綜合優化分析如圖2所示。

圖2 折返能力優化分析圖Fig.2 Turn-back capability optimization analysis diagram

首先從是否為安全關鍵因素角度對影響折返時間的所有因素進行分析，然后按照主觀因素和客觀因素進行分類，找到對應的所有利益相關方，再對每個利益相關方的影響因素一一進行深入分析和優化。對圖2的舉例分析詳細說明如下。

3.1 安全關鍵因素分析

在安全關鍵因素中，由于涉及到各系統的安全設計和安全操作等，該部分的優化需要通過充分的理論證明和測試。明確所有安全關鍵點的制約因素，以便在設計時保證安全且避免不必要的浪費。制約列車折返運行時間的安全關鍵因素舉例說明如下。

1）列車:列車的折返運行時間與牽引、制動、車長等客觀因素有關。列車的編組長度數據應精確測量，作為信號系統對列車定位的輸入；在安全運行條件下列車的牽引及制動力的選取范圍應不同:例如在運營高峰期的折返作業中，車內無乘客且客流壓力較大，可對列車運行舒適度的要求適當降低，列車的牽引及制動系數可在考慮司機安全的條件下取較高值，作為信號系統控車的接口輸入邊界條件。

2）信號:列車在折返的運行過程中，信號的主要功能為精確控車，在不同外部條件需求下，應采用不同的ATO算法進行列車控制，即當列車運行對高效、節能、舒適度等要求有不同側重的情況下，選取的ATO算法都應不同。這些算法可在基于一定閥值的情況下彼此切換，以達到最優控制。如在客流高峰期的折返區段，對列車運行舒適度及精確度要求不高，但對折返效率要求較高時，可對差異變化快速響應，但存在一定跟隨誤差的FUZZY算法。

3）軌道和線路:在線路方面，應選擇較為平順的區域，避免小半徑曲線、豎緩重合等地段作為列車折返區域，避免信號系統在控車時產生不必要的誤差。在軌道方面，道岔型號和選取與列車的編組情況、運營間隔要求、線路客觀條件等因素相關，同時道岔定位、反位通過速度為行車安全關鍵輸入，在考慮安全行車的情況下，道岔定、反位通過速度應區分設置，作為信號系統控車的輸入邊界條件。

4）司機和站務人員:列車在折返的運行過程中，如采用ATO折返模式，則列車的折返運行時間部分不受主觀因素的影響，只有在及其特殊情況下需要司機進行緊急制動操作。在折返附加時間中，司機的安全操作包括需確認屏蔽門與車門之間是否有異物，站務人員的安全操作需確認非運營區域沒有乘客等。該方面的優化需要運營人員根據客觀情況隨時進行調整。

3.2 非安全關鍵因素的優化

在非安全關鍵因素中，主要涉及各接口系統之間的配合、接口條件的明確，以及運營組織等方面。制約列車折返運行時間的非安全關鍵因素簡單舉例如下。

1）列車:在依照信號系統控車，執行折返運行過程中，列車是所有信號控制命令的執行方。因此，可通過縮短信號系統控車響應時間、簡化列車折返運行操作步驟等方式節約折返運行時間。該處的優化需要對信號與列車之間的硬件電路、軟件接口等方面進行統一設計，同時需要依靠人因工程進行合理設計。

2）信號:列車在折返的運行過程中，應合理規劃運行圖。即列車運行的觸發時間、各關鍵位置的時間點、前后列車的運行制約時間等需要在運行圖上合理體現，以發揮列車最大運行能力，避免列車運行受到運行圖的制約。另外，也可通過改善聯鎖系統辦理方式，采用同時辦理而不是順序啟動的方式，節約信號系統對折返行車控制的反應時間。

3）軌道和線路:在線路的前期設計中，對于折返站選址及站形情況，在考慮列車正常折返運行所需的線路條件外，應盡可能降低線路的附加長度；同時可以通過站后交叉渡線、站前單渡線等方面的設計，提升線路折返的冗余能力。軌道方面，需按軌道設施當前狀態進行日常維護和定期檢修，避免軌道損傷等造成信號在控車方面產生不必要的誤差。

4）司機和站務人員:列車ATO折返運行中，列車的折返運行時間部分不受主觀因素的影響。在折返停站時間中，站臺的乘降作業需要司機和站務人員的配合，該方面能力的提升與乘務人員的主觀因素、業務熟練程度有關，可通過培訓、演練等方面提升人員能力，縮短附加時間。

以上為初步舉例分析，影響折返的利益相關方以及每個利益相關方的影響因素還可以進一步深化梳理。同理也可采用該方法，對折返附件時間、前后車的制約時間進行一一分析，綜合后使折返總時間充分優化。

4 仿真驗證

按照以上分析，對影響列車折返運行的因素進行初步優化，主要優化點包括。

1）ATO算法優化:在折返過程中選取FUZZY算法進行仿真，對目標速度的變化率能夠快速反應。

2）列車啟動牽引及制動力的優化:優化車輛牽引和制動系數，作為信號系統控車的輸入量。

3）線路:提升列車在折返道岔區域的側向通過速度，與道岔最高側向安全通過速度匹配。

對折出列車的運行圖進行仿真，結果如圖3、4所示。

對圖3、4進行對比分析，可以看出經過優化后:

1）列車在交叉渡線部分速度明顯提升，由37 km/h提升至接近目標速度46.3 km/h；

2）列車運行速度更加貼近目標速度，由原先的44.46 km/h提升為46.3 km/h；

3）列車在進站速度更高，由原來的31.86 km/h提升為32.22 km/h，站間通過提升列車制動力在目標點停車。

4）總體折返時間優化1.2 s，在確保安全的情況下提升了折返效率。

通過對比可知，通過初步優化后，列車的折返時間有效縮短。后續可通過因素分析方法，在城市軌道交通規劃、設計、施工、運營組織、維護等各環節中，充分考慮影響折返的各類因素，并對每個因素分解和優化，以達到綜合提升線路折返能力的目標。

5 總結

在當前我國城市軌道交通大面積建設的形勢下，地鐵在人們每天的出行中起到越來越重要的作用。在信號系統的控制下，如何實現列車高效自動折返成為提升軌道交通運營能力的關鍵因素之一。本文基于列車在折返過程中的不同運行狀態，提出一種對列車折返能力的綜合優化分析方法，并通過仿真驗證了該優化的有效性。由于該分析方法所涵蓋的因素較為全面，因此在后續的研究中，可針對其中的每個因素進行深入分析和優化，達到綜合提升列車折返能力的效果。

圖3 優化前折出列車運行情況Fig.3 Train turn-back running status before optimization

圖4 優化后折出列車運行情況Fig.4 Train turn-back running status after optimization

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