車輛段接軌站出入段作業(yè)能力與運(yùn)營(yíng)組織分析

宋周敏，劉葛輝，張晨曦

(北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸部綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

城市軌道交通系統(tǒng)中，列車開(kāi)行密度的調(diào)整需要通過(guò)列車出入段作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其效率取決于出入段作業(yè)的速度。提高出入段作業(yè)速度對(duì)于提高運(yùn)營(yíng)效率、節(jié)約列車使用具有重要意義。出入段作業(yè)能力主要受車輛段和接軌站形式限制，因此有必要對(duì)不同形式下的出入段作業(yè)能力進(jìn)行研究。

既有研究多從車輛段角度出發(fā)，探討咽喉區(qū)作業(yè)能力、不同作業(yè)模式或設(shè)備條件下出段能力及出入線設(shè)計(jì)方法。張雄等[1]、李桂桂[2]基于車輛段出入線設(shè)計(jì)方案和作業(yè)流程，采用區(qū)段劃分法將出入段能力劃分為段內(nèi)和出段兩個(gè)區(qū)段能力，并將作業(yè)流程分為列車出庫(kù)、制式轉(zhuǎn)換、出入線運(yùn)行和列車進(jìn)站四個(gè)過(guò)程，進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算給出具體的出入段能力，但主要關(guān)注段內(nèi)區(qū)段的作業(yè)能力。丁建中等[3]、張蕓蕓[4]、覃定明等[5]、張建華[6]從列車控制系統(tǒng)和設(shè)備布局角度分析車輛段出入段能力，并分別針對(duì)具體案例提出了擴(kuò)能的方法。王粉線等[7]、陳福貴[8]、方杰偉[9]、尹舒郁[10]分別從接軌位置及形式、收發(fā)車作業(yè)組織方法上探討車輛段接軌站的配線方案和作業(yè)難點(diǎn)，并總結(jié)了不同接軌形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

以往的研究對(duì)出段區(qū)段作業(yè)能力研究較少，特別是忽略了接軌站不同作業(yè)組織方案對(duì)其作業(yè)能力影響。而出段區(qū)段作業(yè)過(guò)程對(duì)于全部出入段能力和正線作業(yè)均有較大的影響，因此本文以出段區(qū)段作業(yè)能力為核心展開(kāi)研究，針對(duì)不同接軌站形式和出入段作業(yè)方案，分別提出加車和收車過(guò)程的用時(shí)計(jì)算模型，確定各出入段方案下的能力?；趯?shí)際車站的案例分析，分析不同作業(yè)方案的適應(yīng)性，并生成不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段下的最優(yōu)作業(yè)方案。

1 接軌站列車出入段能力影響因素分析

出入段能力包括出段能力和入段能力。出段能力指單位時(shí)間內(nèi)由車輛段發(fā)車到正線的最大列車數(shù)，反之則為入段能力。由于出段作業(yè)會(huì)額外受到正線列車的影響，其能力一般小于入段作業(yè)，所以本文重點(diǎn)對(duì)出段方案及其能力進(jìn)行分析。

列車出段作業(yè)包括段內(nèi)區(qū)段和出段區(qū)段作業(yè)，見(jiàn)圖1。段內(nèi)區(qū)段作業(yè)包括咽喉區(qū)和轉(zhuǎn)換軌2個(gè)運(yùn)行過(guò)程，出段區(qū)段分為出入線運(yùn)行和正線車站進(jìn)站運(yùn)行2個(gè)過(guò)程。以上過(guò)程中的主要瓶頸點(diǎn)是接軌站進(jìn)站過(guò)程，主要受車輛段接軌方式影響。

圖1 上線列車出段過(guò)程示意圖

1.1 車輛段的接軌方式

接軌站指車輛段的出入線與正線接軌的車站。接軌方式可分為線路終端接軌與中部接軌[11]。受車輛段選址、線路建設(shè)時(shí)序、車站敷設(shè)方案和運(yùn)營(yíng)條件等因素影響，我國(guó)軌道交通車輛段多采用中部接軌。中部接軌主要包括雙站八字線接軌和單站單側(cè)接軌兩種方式，其中單站單側(cè)接軌工程量較小，且可實(shí)現(xiàn)出入線雙線雙向收發(fā)車，作業(yè)組織比較靈活。單側(cè)接軌主要包括單島、雙島、一島一側(cè)等模式，見(jiàn)圖2。

圖2 單側(cè)接軌示意圖

1.2 車輛段出入段形式

車輛段的出入線一般為雙線，在條件困難或作業(yè)量小時(shí)可設(shè)計(jì)為單線[12]。雙出入線形式允許單線、雙線兩種出入段形式[13]。單線出入段指固定一條線路承擔(dān)出段作業(yè)，另一條承擔(dān)入段作業(yè)。這一模式下出入段作業(yè)相互影響小、運(yùn)營(yíng)管理簡(jiǎn)單。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，出段和入段作業(yè)的重疊時(shí)間較短，可通過(guò)兩條出入線同時(shí)進(jìn)行出段或入段作業(yè)，以提高列車出入段效率，這種模式為雙線出入段。

2 接軌站列車出入段作業(yè)能力分析

將列車由出入線運(yùn)行至接軌站正線的過(guò)程定義為加車作業(yè)，列車由正線移送至出入線的過(guò)程為收車作業(yè)。加車能力表示正線對(duì)上線列車的接納能力，是在滿足安全條件下，單位時(shí)間進(jìn)入正線的最大列車數(shù)量，主要受線路布局、列車性能、列控制式、車站作業(yè)時(shí)間等因素影響[14]。

2.1 加車作業(yè)時(shí)間

加車作業(yè)過(guò)程包括接車作業(yè)、列車停站作業(yè)和發(fā)車作業(yè)，如圖3所示，各項(xiàng)作業(yè)時(shí)間及計(jì)算方法見(jiàn)表1。

圖3 出段列車加車作業(yè)在站過(guò)程流程圖

表1 出段列車加車過(guò)程部分作業(yè)時(shí)間及計(jì)算方法

列車停站時(shí)間tstop的計(jì)算方法如式(1)，包括開(kāi)門時(shí)間、上下客時(shí)間、司機(jī)作業(yè)時(shí)間、關(guān)門時(shí)間四部分：

tstop=topen+max{tup_down,ttrans,tturn}+tclose，

(1)

式中，tup_down為上下客總時(shí)間，計(jì)算方法如式(2)：

(2)

司機(jī)作業(yè)時(shí)間包括司機(jī)換端時(shí)間和換班時(shí)間。司機(jī)換端時(shí)間指司機(jī)在駕駛室之間走行的時(shí)間，即tduan=trun；換班作業(yè)時(shí)間指司機(jī)交接班所需時(shí)間，如式(3)：

ttrans=tfill+thandover+trun+tcheck，

(3)

式中，tfill為列車停穩(wěn)車門開(kāi)啟后至材料填寫(xiě)完整時(shí)間，thandover為交接作業(yè)時(shí)間，trun為司機(jī)走行時(shí)間，tcheck為換班作業(yè)檢查時(shí)間。

2.2 加車作業(yè)能力

加車作業(yè)能力與接軌模式、作業(yè)組織形式密切相關(guān)。單側(cè)接軌單島模式(圖2a)下，出段列車必須占用正線停車，而雙島(圖2b)和一島一側(cè)(圖2c)模式可通過(guò)合理運(yùn)營(yíng)組織，最小化對(duì)正線的影響。為探討運(yùn)營(yíng)組織方案對(duì)出入段作業(yè)的影響，本節(jié)以單側(cè)接軌雙島模式(圖2b)為例，從加車形式和出段形式兩方面分別分析接軌站出入段作業(yè)能力。

2.2.1 加車形式

按照出段過(guò)程中列車運(yùn)行方向是否改變將加車作業(yè)分為正向加車和反向加車。在雙島模式中，正向加車是指通過(guò)III道和下行方向正線加車，反向加車是指通過(guò)III道向上行方向正線加車。

2.2.2 出段形式

(1)單線出段

當(dāng)加車作業(yè)需要占用正線停車時(shí)，需正線列車出清站臺(tái)末端信號(hào)機(jī)時(shí)，才可開(kāi)放出段列車進(jìn)站信號(hào)，如圖4中徑路1(占用正線正向加車)。此時(shí)出段列車與正線列車的最小發(fā)車間隔如式(4)：

T1=tarr+tstop+tdep，

(4)

式中，tarr為正線列車接車作業(yè)時(shí)間，tstop為正線列車在站停車時(shí)間，tdep為正線列車發(fā)車至出清車站時(shí)間。

圖4 出段列車進(jìn)站徑路示意圖

圖5 正線列車與出段列車運(yùn)行關(guān)系

當(dāng)出段列車出清站臺(tái)末端信號(hào)機(jī)時(shí)，可開(kāi)放正線列車進(jìn)站信號(hào)，如圖5所示，出段列車與正線列車最小發(fā)車間隔如式(5)：

(5)

綜上，當(dāng)加車作業(yè)需要占用正線停車時(shí)(圖4徑路1)，要求正線列車最小發(fā)車間隔如式(6)：

Tmin=T1+T2。

(6)

當(dāng)出段列車采用站臺(tái)中間III道正向加車時(shí)(圖4徑路2)，沖突僅存在于正線與出段列車的發(fā)車進(jìn)路，出段列車進(jìn)站過(guò)程與正線作業(yè)平行。全部加車作業(yè)過(guò)程見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 通過(guò)III道加車過(guò)程1

圖7 通過(guò)III道加車過(guò)程2

當(dāng)出段列車采用站臺(tái)中間III道反向加車時(shí)(如圖4徑路3)，與III道正向加車類似，沖突僅存在于正線與出段列車的發(fā)車進(jìn)路。

加車作業(yè)不占用正線停車時(shí)，作業(yè)能力主要受正線列車最小追蹤間隔約束，此時(shí)要求正線列車最小發(fā)車間隔如式(7)：

(7)

式中，tmin為最小追蹤間隔。

(2)雙線出段

雙線出段情況下，如圖8所示，可利用兩條出入線并分別通過(guò)正線和III道同時(shí)加車，且可實(shí)現(xiàn)正反向同時(shí)加車，即III道反向加車、正線正向加車。作業(yè)能力可根據(jù)其占用正線或III道按單線出段下相應(yīng)公式計(jì)算而得。由于兩條進(jìn)路間不存在沖突，接軌站可實(shí)現(xiàn)兩方向同時(shí)加車，提高列車上線能力。

圖8 雙線出段列車進(jìn)站路徑示意圖

2.3 收車作業(yè)形式

按作業(yè)過(guò)程中是否需要改變列車運(yùn)行方向，收車作業(yè)亦可分為正向收車和反向收車。正向收車中列車方向沒(méi)有改變，即上行列車通過(guò)III道和入段線回段，如圖9徑路1所示；反之則為反向收車，即下行列車?yán)谜€或III道和出段線或入段線回段，如圖9徑路2和徑路3所示?？梢?jiàn)3條徑路中僅徑路1和徑路3不存在沖突，即正反向作業(yè)可同時(shí)進(jìn)行。

圖9 列車收車路徑示意圖

3 案例研究

3.1 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某市軌道交通13號(hào)線的某接軌站為例計(jì)算其出入段作業(yè)能力，車站和出入線設(shè)置形式和距離參數(shù)如圖10所示。

圖10 出入段線與正線接軌的形式和距離參數(shù)

計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)如下：

(1)列車采用8A編組，長(zhǎng)度為186 m，相關(guān)參數(shù)如表2所列。

表2 8A編組列車相關(guān)技術(shù)參數(shù)

(2)車站的全部道岔均為9號(hào)道岔，側(cè)向過(guò)岔限速35 km/h?？紤]到預(yù)留一定安全裕量，模擬計(jì)算時(shí)取側(cè)向過(guò)岔速度為30 km/h。

(3)道岔解鎖及進(jìn)路辦理時(shí)間為13 s，車載設(shè)備信號(hào)延遲為2 s。

(4)乘客平均上、下車的時(shí)間取0.6 s/人[15]，開(kāi)關(guān)門延緩時(shí)間為5 s，開(kāi)門和關(guān)門(含關(guān)門預(yù)告)時(shí)間分別為3 s、6 s，各車門上下客不均衡延誤為3 s，關(guān)門后列車啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為2 s?；趯?shí)際客流數(shù)據(jù)，列車進(jìn)站停站時(shí)間計(jì)算結(jié)果如表3所列。

表3 列車停站時(shí)間計(jì)算結(jié)果

(5)列車采用ATO自動(dòng)駕駛模式，線路的最小追蹤間隔時(shí)間為90 s。

3.2 列車加車能力

根據(jù)圖10中的線路布局形式，可執(zhí)行的加車作業(yè)組織方案有6種：?jiǎn)尉€出段正線正向加車、單線出段III道正向加車、單線出段III道反向加車、雙線出段正向加車、雙線出段反向加車和雙線出段正反向加車。需要在正線停車的組織方案對(duì)正線列車運(yùn)營(yíng)影響較大，利用III道加車的方案可有效減少對(duì)正線的影響。故選取單線出段正線和III道正向加車、單線出段III道反向加車3種方案，分別計(jì)算各方案的加車能力和高峰時(shí)段加車時(shí)正線的最小發(fā)車間隔，并用軟件OpenTrack仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加車作業(yè)OpenTrack仿真結(jié)果

單線出段列車通過(guò)正線正向加車作業(yè)過(guò)程(如圖4中徑路1)及各過(guò)程用時(shí)如圖11所示。計(jì)算得到出段列車最小加車時(shí)間為119 s，即最大加車能力為30列/h，當(dāng)正線列車的發(fā)車間隔大于2倍加車時(shí)間間隔時(shí)(即238 s)，出段列車加車作業(yè)不會(huì)影響正線列車的運(yùn)營(yíng)，可滿足順利加車的要求。

圖11 出段列車?yán)谜€正向加車作業(yè)過(guò)程

單線出段列車通過(guò)III道正向加車作業(yè)(圖4中徑路2)的過(guò)程如圖12所示，此時(shí)加車作業(yè)只受最小追蹤間隔時(shí)間約束，當(dāng)正線列車的發(fā)車間隔大于180 s時(shí)可順利完成加車。

圖12 出段列車?yán)肐II道正向加車作業(yè)過(guò)程

出段列車反向加車時(shí)需利用III道加車。列車進(jìn)站停車時(shí)間為上客停站時(shí)間和司機(jī)換端作業(yè)時(shí)間中較大值，計(jì)算停站時(shí)間為120 s。經(jīng)計(jì)算，加車時(shí)間間隔為214 s，最大能力為16 列/h。當(dāng)正線列車發(fā)車間隔滿足最小發(fā)車間隔180 s時(shí)，可順利進(jìn)行反向加車作業(yè)。

仿真計(jì)算時(shí)，單線出段列車?yán)谜€或III道進(jìn)站和出站的行駛距離存在差別，而定量計(jì)算時(shí)其距離假設(shè)相等，故定量計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果存在細(xì)微差別，其差值在可接受范圍，故定量計(jì)算方法能有效計(jì)算接軌站的出入段能力。

不同加車作業(yè)組織方案的加車能力如表5所列。由此可知：反向加車需改變列車運(yùn)行方向，作業(yè)時(shí)間較正向加車長(zhǎng)，故正向加車能力大于反向加車能力；單線出段能力最大模式為正線正向加車、III道反向加車，正反向同時(shí)加車不存在沖突，由于最小行車間隔為90 s，故能力上限為40列/h，而雙線出段不受最小行車間隔影響，故正反向最大加車能力為正向和反向加車能力之和，即46列/h；正向加車占用III道時(shí)，正線列車仍可辦理進(jìn)站作業(yè)，與出段列車僅在發(fā)車作業(yè)沖突，而加車占用正線時(shí)，兩列車在站所有作業(yè)均沖突，故單線出段順利加車的正線最小行車間隔關(guān)系為正線加車大于III道加車，受發(fā)車作業(yè)影響，不同形式的正向加車能力相等；雙線出段較單線出段能力有明顯提升，但加車是否成功仍受正線最小行車間隔影響。

表5 加車能力計(jì)算結(jié)果

3.3 列車收車能力

根據(jù)圖10中線路布局形式，可執(zhí)行的收車作業(yè)組織方案有5種：?jiǎn)尉€正向收車、單線反向收車、雙線正向收車、雙線反向收車和雙線正反向收車。

利用III道收車將對(duì)后續(xù)正線運(yùn)營(yíng)不產(chǎn)生影響，包括單線正向收車、雙線正向收車、單線III道反向收車3種方案。列車正向收車作業(yè)(如圖9徑路1)時(shí)，當(dāng)回段列車尾部出清道岔防護(hù)信號(hào)機(jī)(A點(diǎn))后，即可辦理下一次回段作業(yè)，經(jīng)計(jì)算，其正線列車的最小回段間隔為115 s，下線能力為31列/h。列車?yán)谜€反向收車(如圖9徑路3)，相比正向收車作業(yè)，列車?yán)谜€反向回段時(shí)需額外增加司機(jī)的換端走行時(shí)間，總時(shí)間為210 s。

不同收車作業(yè)組織方案下的收車能力計(jì)算結(jié)果如表6所示。對(duì)于單線回段方式，反向收車比正向收車的作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，所以正向收車的收車能力大于反向收車。而對(duì)于雙線回段方式，兩正向收車進(jìn)路存在較多沖突，而兩反向收車進(jìn)路僅在列車進(jìn)站時(shí)存在沖突，故反向收車能力較正向收車大。正反向收車可通過(guò)合理安排路徑，實(shí)現(xiàn)兩列車同時(shí)收車，以提高收車能力，但要求下行線路列車行車間隔時(shí)間超過(guò)210 s。雙線與單線正向收車方案下列車進(jìn)站作業(yè)和回段作業(yè)進(jìn)路均存在沖突，最大收車能力相等。

表6 收車能力計(jì)算結(jié)果

4 接軌站出入段作業(yè)組織分析

不同的運(yùn)營(yíng)時(shí)段對(duì)應(yīng)不同的出入段作業(yè)需求，如早高峰前需列車快速出段，并且盡量平衡上下行的開(kāi)行密度，在高峰后需根據(jù)客流情況進(jìn)行收車，在平峰時(shí)期則很少需要出入段作業(yè)。根據(jù)以上出入段作業(yè)能力的計(jì)算結(jié)果，分析不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段下推薦的出入段組織方案。

對(duì)于列車加車作業(yè)，在早高峰前發(fā)車時(shí)段，需由車輛段向正線快速增加列車，可優(yōu)先采用單線出段、正反向同時(shí)加車形式，使正線上下行方向快速達(dá)到需要的開(kāi)行密度。當(dāng)線路較短時(shí)，也可采用雙線出段正向加車形式，以快速為單一方向提供列車；線路較長(zhǎng)時(shí)，宜采用雙線出段正反向加車，平衡兩個(gè)方向的發(fā)車間隔。雙線出段和通過(guò)III道加車的單線出段均不能滿足突發(fā)回段列車的需求。在平峰時(shí)段，由于不需要發(fā)揮最大加車能力，可采用單線出段并利用III道加車，以減少對(duì)正線運(yùn)營(yíng)的影響。

對(duì)于收車作業(yè)，在晚間收車時(shí)段，當(dāng)線路下行方向行車間隔小于210 s時(shí)，應(yīng)采用雙線正反向同時(shí)收車，否則應(yīng)采用單線正向收車形式。在上下行均需調(diào)整行車密度的平峰時(shí)段，可根據(jù)具體情況安排列車?yán)肐II道正向或反向回段，以快速實(shí)現(xiàn)正線雙向行車密度的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)發(fā)車間隔不滿足順利加車或收車條件時(shí)，可通過(guò)改變后續(xù)列車在其余車站的停站時(shí)間進(jìn)一步調(diào)整全線的行車間隔使接軌站的最小行車間隔滿足限制條件，確保列車的安全加車和收車作業(yè)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)城市軌道交通接軌站出入段能力進(jìn)行研究，在考慮段內(nèi)區(qū)段能力充足情況下，重點(diǎn)對(duì)單側(cè)接軌雙島模式的出段區(qū)段的作業(yè)能力進(jìn)行分析，討論了作業(yè)過(guò)程流程、作業(yè)時(shí)間、沖突條件等因素，以實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算和案例分析。主要結(jié)論如下：

(1)接軌站的上下行線路作業(yè)能力與出入線接入方向有關(guān)，順向作業(yè)的能力大于逆向作業(yè)的能力。

(2)列車加車作業(yè)受接軌站發(fā)車間隔的約束。當(dāng)加車占用正線時(shí)，作業(yè)能力由出段列車和正線列車間進(jìn)路時(shí)間確定；加車不占用正線時(shí)，作業(yè)能力由最小追蹤間隔和列車發(fā)車作業(yè)時(shí)間確定。當(dāng)發(fā)車間隔不滿足順利加車條件時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)后續(xù)列車在各站的停站時(shí)間來(lái)滿足接軌站安全出段作業(yè)的最小行車間隔。

(3)早高峰發(fā)車時(shí)，推薦采用單線出段、正反向同時(shí)加車模式。晚間收車時(shí)，當(dāng)線路下行列車在接軌站的行車間隔大于210 s時(shí)，列車才可采用正線反向收車，否則推薦采用正反向雙線收車。在平峰時(shí)段時(shí)，推薦采用通過(guò)III道收發(fā)車，以減少對(duì)正線運(yùn)營(yíng)的影響。