城市軌道交通運(yùn)能提升策略研究

王瀟驍

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海 ∥ 工程師)

至2020年底，上海軌道交通已建成并運(yùn)營19條線路(含磁浮示范運(yùn)營線)，線路總長度為772 km，車站總數(shù)為 459 座，已形成超大網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模居世界第一；在結(jié)構(gòu)方面，已形成“環(huán)線+射線+割線”的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；在功能方面，城市軌道交通與市內(nèi)道路公交、機(jī)場、鐵路樞紐等其他交通的銜接和融合不斷深入，交通一體化功能顯現(xiàn)[1]。隨著上海軌道交通全面進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段，大量市區(qū)核心線路面臨滿載率過高、高峰時(shí)段運(yùn)能缺口明顯的挑戰(zhàn)，如何在盡可能減少對(duì)既有線路日常運(yùn)營影響的前提下，通過優(yōu)化運(yùn)營組織、調(diào)整部分系統(tǒng)參數(shù)等手段實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、精準(zhǔn)化的線路增能成為亟待解決的問題。

1 城市軌道交通運(yùn)能制約因素分析

1.1 系統(tǒng)自動(dòng)化及智能化水平制約

在傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車控制) 系統(tǒng)GoA2(半自動(dòng)化列車運(yùn)行)模式中，司機(jī)、控制中心調(diào)度員、車站值班員共同參與運(yùn)營控制，自動(dòng)化程度較低且運(yùn)營易受人為因素干擾[2]。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)包括DTO(有人值守的全自動(dòng)運(yùn)行，即GoA3)以及UTO(無人值守的全自動(dòng)運(yùn)行，即GoA4)，在正常運(yùn)營狀態(tài)下，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)發(fā)車、自動(dòng)出入庫、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)停站、自動(dòng)開關(guān)門、自動(dòng)折返等功能。全自動(dòng)運(yùn)行模式能夠確保列車在正常情況下的高效運(yùn)行[3]。目前上海軌道交通除10號(hào)線、14號(hào)線、15號(hào)線、18號(hào)線、浦江線(膠輪捷運(yùn))具備GoA4級(jí)，5號(hào)線、17號(hào)線具備GoA3級(jí)運(yùn)行能力外，其余線路均僅具備GoA2運(yùn)行能力。此外1號(hào)線、 2號(hào)線、3號(hào)線、4號(hào)線等線路甚至不具備自動(dòng)折返功能。由此可見，大部分既有線路綜合自動(dòng)化及智能化水平較低，但又承擔(dān)著上海軌道交通主干運(yùn)輸線路的職責(zé)，客運(yùn)壓力極大，增能需求迫切。

1.2 跨專業(yè)匹配性設(shè)計(jì)能力制約

根據(jù)過去多個(gè)專項(xiàng)運(yùn)能提升研究中所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，線路、運(yùn)營、信號(hào)、車輛等專業(yè)存在一定的專業(yè)間隙，例如，受線路限界影響，車輛、信號(hào)系統(tǒng)均有限速要求，并且車輛、信號(hào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，相互之間的匹配性考慮不夠充分，雖然可實(shí)現(xiàn)安全控制列車，但是否因預(yù)留安全余量過大而導(dǎo)致行車效率降低，仍存在疑問。另一方面，對(duì)于線路運(yùn)行能力計(jì)算，缺乏統(tǒng)一的綜合評(píng)估方法；特別是針對(duì)特定能力瓶頸點(diǎn)的專項(xiàng)能力提升策略研究，較為匱乏。

2 城市軌道交通運(yùn)能評(píng)估因素分析

2.1 線路運(yùn)行能力

線路運(yùn)行能力是評(píng)價(jià)城市軌道交通綜合設(shè)計(jì)、運(yùn)營能力的直接指標(biāo)。一條城市軌道交通線路的運(yùn)行能力，是指系統(tǒng)中的各項(xiàng)固定設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)(通常是高峰小時(shí))所能通過的列車數(shù)。線路每小時(shí)通過列車對(duì)數(shù)直接反應(yīng)整條線路的乘客運(yùn)載能力。對(duì)運(yùn)行能力的精準(zhǔn)評(píng)估將有利于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升運(yùn)營服務(wù)水平。

2.2 運(yùn)能評(píng)估因素構(gòu)成

線路運(yùn)行能力評(píng)估可遵循先獨(dú)立分析核心區(qū)域的列車開行能力，再綜合分析各相關(guān)區(qū)域能力匹配性的原則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路總體運(yùn)能的綜合評(píng)估。

線路運(yùn)行能力評(píng)估可分為區(qū)域能力及區(qū)域能力匹配性兩個(gè)方面。區(qū)域能力包括正線運(yùn)行能力及出入段/場能力兩個(gè)關(guān)鍵部分。正線運(yùn)行能力主要包括端站折返能力、大小交路分叉匯合能力和正線追蹤能力。出入段/場能力評(píng)估主要是指列車晨間的出庫能力。

區(qū)域能力匹配則是指線路不同關(guān)鍵區(qū)域間的運(yùn)能設(shè)計(jì)應(yīng)相互匹配，盡可能避免特別突出的能力短板點(diǎn)。例如：出庫能力與正線開行間隔的要求應(yīng)相互匹配，終端站的連續(xù)折返能力應(yīng)與單一交路正線追蹤能力相相匹，大小交路分叉匯合點(diǎn)的開行間隔應(yīng)與不同交路的列車開行比例相匹配。

3 正線追蹤能力提升策略

縮短列車的正線追蹤間隔，實(shí)現(xiàn)更緊密的列車追蹤，這是直接提升線路運(yùn)能的重要方向。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1474.1-2004《Standard for Communications-Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements》中關(guān)于安全制動(dòng)模型[5]的定義，制約列車安全間隔的主要因素是由前后兩車所需要保持的安全制動(dòng)距離所形成的。另一方面，由于測速、定位等技術(shù)局限所帶來各種位置不確定性及安全余量等參數(shù)，決定了列車在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)頭尾包絡(luò)的長度，故以上參數(shù)取值的合理性也是導(dǎo)致前后車間距變大的重要原因。列車在正線運(yùn)行主要分為出站加速、區(qū)間巡航、進(jìn)站制動(dòng)三部分。最為制約追蹤間隔的往往是進(jìn)站制動(dòng)階段，這是由于在緊密追蹤場景下，前方列車往往還未出清站臺(tái)，后車就已經(jīng)準(zhǔn)備進(jìn)入進(jìn)站制動(dòng)階段。因此后車的制動(dòng)曲線必須考慮前車停車時(shí)間及出站運(yùn)行時(shí)間。

3.1 改善進(jìn)站限制點(diǎn)

列車在區(qū)間運(yùn)行過程中，車載計(jì)算機(jī)在每個(gè)計(jì)算周期中都假設(shè)列車在若干個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)安全制動(dòng)，并計(jì)算當(dāng)前列車需與前車保持的安全制動(dòng)距離。確保當(dāng)前列車在最不利情況下不會(huì)越過前車尾部(包絡(luò))，這是前后兩車形成安全間隔的基礎(chǔ)。最大正線追蹤間隔(THeadway,max)是指在整個(gè)區(qū)間追蹤過程中，前后車在形成最大安全距離間隔時(shí)，兩車的運(yùn)行時(shí)間間隔。

圖1為正線追蹤區(qū)間間隔(THeadway)變化趨勢(shì)示意圖。圖中“追蹤間隔區(qū)間(Headway)”為線路任一點(diǎn)前后兩車的THeadway。列車在區(qū)間追蹤時(shí)，THeadway通常發(fā)生在進(jìn)站區(qū)段。對(duì)于后車而言，THeadway,max可理解為由以下三部分時(shí)間組成：①列車由進(jìn)站干擾點(diǎn)至車站停車走行時(shí)間(TEnterStation)；②列車在站臺(tái)的停站時(shí)間(TDellTime)；③列車出清站臺(tái)安全防護(hù)區(qū)段時(shí)間(TLeaveSafeDis)。即：

圖1 正線追蹤區(qū)間間隔THeadway變化趨勢(shì)示意圖

THeadway,max=TEnterStation+TDellTime+TLeaveSafeDis

(1)

3.2 提升列車制動(dòng)性能

接車干擾點(diǎn)是指前、后列車無擾運(yùn)行條件下，在前車逐步出清站臺(tái)安全防護(hù)距離、后車準(zhǔn)備進(jìn)站作業(yè)過程中，后車可以接近站臺(tái)的極限位置。前后兩車的安全制動(dòng)距離，通常受制于列車制動(dòng)性能。列車制動(dòng)特性包括兩個(gè)重要參數(shù)，分別是保障緊急制動(dòng)率和常用制動(dòng)率。通過提高保障緊急制動(dòng)率可有效縮短后車追蹤至前車尾部包絡(luò)時(shí)的安全制動(dòng)距離。表1是上海軌道交通部分線路的列車保障緊急制動(dòng)率。

表1 上海軌道交通部分線路的列車保障緊急制動(dòng)率

保障緊急制動(dòng)率由車輛廠商在考慮根據(jù)特定前提及參數(shù)下核定，例如：干軌、濕軌不同的黏著系數(shù)，列車的最高運(yùn)行速度[6]。若運(yùn)營方接受部分運(yùn)營限制，則可在經(jīng)過詳細(xì)核定后予以適當(dāng)調(diào)整。常用制動(dòng)率通常設(shè)定為全場用制動(dòng)率的80%性能，適當(dāng)提升常用制動(dòng)率可有效減小TEnterStation。而提升保障緊急制動(dòng)率，其一是有助于縮小與前車尾部安全制動(dòng)距離，即干擾點(diǎn)距離目標(biāo)停車點(diǎn)的距離；其二還有助于縮小進(jìn)站安全防護(hù)區(qū)段長度，從而縮短TLeaveSafeDis。

3.3 縮短停站作業(yè)時(shí)間

列車在車站的停站時(shí)間由系統(tǒng)或設(shè)備的反應(yīng)時(shí)間、乘客實(shí)際乘降時(shí)間、人工作業(yè)時(shí)間三部分構(gòu)成。系統(tǒng)或設(shè)備的反應(yīng)時(shí)間包括列車停穩(wěn)判斷延時(shí)(典型值為0.5 s)、列車牽引起動(dòng)延時(shí)(典型值為1.2 s)；乘客實(shí)際乘降時(shí)間則根據(jù)站臺(tái)客流及車站在整個(gè)線路中所處的位置核定，取值范圍差異較大(典型值為20～60 s)；人工作業(yè)時(shí)間主要是指對(duì)于非UTO線路，存在人工確認(rèn)車門狀態(tài)、列車按下ATO發(fā)車按鈕等人工作業(yè)時(shí)間(典型值為3 s)。

根據(jù)公式(1)可知，縮短列車在站臺(tái)的停車時(shí)間可直接有效縮小追蹤間隔。其中，系統(tǒng)或設(shè)備反應(yīng)延時(shí)及乘客實(shí)際乘降時(shí)間縮小余地及難度均較大。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)至全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)后則可有效縮短人工作業(yè)時(shí)間，這是UTO線路能直接提高列車正線追蹤性能的主要體現(xiàn)。

3.4 優(yōu)化線路限速因素

列車進(jìn)站前通常需要由高限速區(qū)段制動(dòng)至站臺(tái)進(jìn)站入口限速，線路限速特別是列車進(jìn)站制動(dòng)段的限速對(duì)THeadway具有顯著影響。進(jìn)站降速點(diǎn)的起始速度越高，所需的提前制動(dòng)距離越大，前后兩車所需保持的安全間隔距離相應(yīng)增大，但與之對(duì)應(yīng)的列車進(jìn)站走行時(shí)間較短。由此可知進(jìn)站入口速度與THeadway非單純線性關(guān)系。表2列舉了經(jīng)仿真計(jì)算后，列車進(jìn)站降速點(diǎn)初始速度與THeadway之間關(guān)系(假定站臺(tái)土建限速為70 km/h，ATO命令速度為60 km/h，所有車站停站時(shí)間為30 s)。圖2為THeadway的仿真計(jì)算結(jié)果。

表2 進(jìn)站限速與區(qū)間THeadway間關(guān)系

圖2 THeadway計(jì)算結(jié)果圖

由圖2可見，進(jìn)站限速與THeadway的數(shù)學(xué)關(guān)系是一個(gè)近似于開口向上的拋物線。適當(dāng)對(duì)站臺(tái)進(jìn)站區(qū)段進(jìn)行限速有助于提高區(qū)間THeadway，但過多限速不僅無法減小追蹤間隔，反而會(huì)減慢區(qū)間旅行速度。

4 端站折返能力提升策略

4.1 提升過岔限速

在現(xiàn)有的城市軌道交通線路設(shè)計(jì)中，正線多采用9號(hào)道岔，少數(shù)正線采用12號(hào)道岔，車庫多使用7號(hào)道岔。部分信號(hào)系統(tǒng)廠商內(nèi)部定義的9號(hào)道岔臨界限速默認(rèn)為35 km/h(具體應(yīng)按照設(shè)計(jì)院提供資料設(shè)置)。事實(shí)上，9號(hào)道岔根據(jù)尖軌類型及導(dǎo)曲線差異，側(cè)向通過限速各不相同。根據(jù)T/CAMET 040015—2019《城市軌道交通列車運(yùn)行速度限制與匹配技術(shù)規(guī)范》給出的道岔直線及側(cè)向限速，當(dāng)滿足曲線半徑200 m，且道岔采用彈性可彎尖軌的情況下，對(duì)現(xiàn)有9號(hào)道岔進(jìn)行提速，則可縮短列車的過岔時(shí)間，進(jìn)而提升折返能力。經(jīng)仿真計(jì)算，在滿足相應(yīng)規(guī)范條件下，如果將站后折返的道岔臨界速度由35 km/h提升到40 km/h，則可在不增加任何工程改造的情況下，將圖3所示站型的站后折返能力提高7.1%以上，即每小時(shí)增加2對(duì)列車。對(duì)于上海軌道交通9號(hào)線三期工程，經(jīng)專家核定后，將其道岔臨界限速由35 km/h提升到40 km/h。

圖3 常見站后折返站型配線

4.2 優(yōu)化折返軌換端時(shí)間

當(dāng)列車折返能力的主要瓶頸點(diǎn)為折返軌作業(yè)時(shí)，優(yōu)化折返軌換端可直接縮小列車的折返間隔。可考慮采取的方法如下：

1) 升級(jí)信號(hào)系統(tǒng)為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換端、自動(dòng)折返。

2) 對(duì)于不具備自動(dòng)折返功能的線路，可采用雙司機(jī)換端，在駕駛室另一端再登乘一名司機(jī)，待系統(tǒng)換端成功后立即駛出折返軌。

3) 采用退行方式駛出折返軌，該功能需得到信號(hào)系統(tǒng)廠商支持，列車以特定速度反向運(yùn)行。上海軌道交通14號(hào)線支持以退行方式駛出折返軌。

對(duì)于方法2，實(shí)施難度較低，但需要極大增加人力成本；對(duì)于方法3，在現(xiàn)場亦有應(yīng)用，但不是所有信號(hào)系統(tǒng)廠商產(chǎn)品均支持列車以此模式運(yùn)行；對(duì)于方法1，信號(hào)系統(tǒng)改造成本較大，但是實(shí)際實(shí)施后能力改善最為明顯，由列車進(jìn)入折返軌停穩(wěn)至起動(dòng)，實(shí)際換端時(shí)間小于12 s。

5 結(jié)語

本文分析了制約城市軌道交通運(yùn)能提升的若干因素，介紹了提升正線列車追蹤能力及列車在終端站的連續(xù)折返能力的部分策略，并給出了相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)。城市軌道交通場景多、情況復(fù)雜，很難使用統(tǒng)一的方法或手段對(duì)所有線路實(shí)現(xiàn)運(yùn)能優(yōu)化。所以應(yīng)該秉持一線一方案、一站一方案，甚至一站多方案的研究策略。理論上有許多線路優(yōu)化技術(shù)手段，且理論計(jì)算結(jié)果較好，但實(shí)際操作難度大、工程投資較高。故應(yīng)結(jié)合工程投資等研究能力優(yōu)化綜合模型，結(jié)合優(yōu)化效果、可實(shí)施性、費(fèi)用概算等綜合評(píng)估優(yōu)化手段的優(yōu)缺點(diǎn)。