城市軌道交通列車靈活編組方案及功能實現

范海寧 何勇浩

(1.上海電氣泰雷茲交通自動化系統有限公司，上海，201206；2.深圳地鐵運營集團有限公司，深圳，510840 ∥ 第一作者，工程師)

在全天不同運營時段，城市軌道交通斷面客流分布不均勻，早晚高峰或臨時性大客流時段客流強度大，其余時段客流相對不飽和，客流呈潮汐分布態勢。通過調研和相關研究發現，大部分線路平峰期間滿載率不足六成，列車滿載率低，造成運力和能源浪費，以及運營成本增加。

大客流情況下運力不足，小客流情況下能源浪費大、運營服務水平低(運營間隔大)，這一矛盾越來越明顯，急需一種能夠靈活應對這一矛盾，同時又能減少運營成本的方案。本文基于靈活編組的需求分析，提出了靈活編組的功能需求和實現方式。

1 列車靈活編組的需求分析及應用案例

1.1 需求分析

城市軌道交通運營部門主要關心的三點是：上線運營列車的運能能夠應對客流變化的挑戰，列車開行成本最低，運營服務水平持續穩定。

城市軌道交通各線路斷面客流不均衡，同線路不同運營時段客流也不均衡，如果按常規的列車編組方式，采用固定編組，在客流高峰時段，按照長編組、高密度組織行車，則能夠應對客流壓力；但在平峰階段，如果仍以長編組、低密度組織行車，則必然會造成運營能耗增加，造成運力和能源的浪費，同時，開行對數的降低，必然會降低運營服務水平(運營間隔大)。

基于運營部門的客觀需求，在客流高峰期，采用長編組(固定長編組和短編組組合)的運營模式；在客流平峰期間，采用長編組(固定長編組)+短編組的組合運營模式，通過采用靈活編組的方式，能夠根據不同的客流需求實現精準運能投放，降低運營成本，同時使運營服務水平保持相對較高的水平。

1.2 應用案例

國內采用靈活編組的代表性線路有廣州地鐵3號線和上海軌道交通16號線，國外采用靈活編組的、比較有特點的線路有溫哥華天車線和肯尼迪機場線。

廣州地鐵3號線列車采用“3+3”聯掛方式，每一短編組列車的3輛車的編組形式為“帶司機室動車-拖車-帶司機室動車”，這種型式保證可從任意方向聯掛編組成長編組列車。聯掛或解編后的列車可以實現ATP/ATO(列車自動保護/列車自動運行)功能。同時信號系統可以對這些列車進行時刻表編輯，滿足運營的調整需要[1]。信號系統通過完整性識別及VOBC(車載控制器)識別來確認列車在線聯掛和解編后的列車編組變化情況。

上海軌道交通16號線大部分線路位于郊區，設計初期，列車按3節編組；遠期，列車按“3+3”重聯編組。3節編組列車肩負“大站車”使命，僅在龍陽路站、羅山路站、新場站、惠南站、臨港大道站、滴水湖站?？?。

溫哥華天車線在1986年首次投入運營時，在高峰期和重大活動期間，列車按4節編組運營；在平峰期和節假日期間，列車按2節編組運營。

肯尼迪機場線列車的編組形式有1節編組、2節編組、3節編組和4節編組。在夜晚低谷期，列車按1節編組運營；在高峰期，列車按4節編組運營。列車可以雙向折返運行。

2 靈活編組功能的實現

本文以深圳地鐵9號線工程為例，研究和討論3節編組列車聯掛、解編的功能需求和實現方案。為實現靈活編組，采用“3+3”編組方式替代6節固定編組，“3+3”編組列車可解編為2列3節編組列車。

2.1 靈活編組方案

1) 聯掛：將2列3節編組列車通過全自動電氣車鉤以人工/自動的方式進行重聯，擴編為6節編組(3+3)列車。在聯掛過程中，司機不需要下車作業。聯掛后，2列3節編組列車的控制硬線和網絡等都能進行重聯，車輛和信號系統支持擴編列車的運行。

2) 解編：是聯掛的逆向過程?！?+3”編組列車通過全自動電氣車鉤以人工/自動的方式進行車輛脫鉤解編，分離為2列獨立的3節編組列車。在解編過程中，司機不需要下車作業。解編后，2列3節編組列車的控制硬線和網絡等都能進行重聯，車輛和信號系統支持2列3節編列車的獨立運行。

3) 長短編混跑：增購列車采用3節編組，實施靈活編組方案后，線路上將可能出現3節編組、6節編組和“3+3”編組3種編組列車。不同編組列車具備不同的運能，運營使用者可根據全日客流變化制定運營組織方案。

適應全日客流變化的運營組織方案是指，在目前預測客流水平情況下，為保持服務水平[2]，在高峰小時開行大編組列車(包括6節編組和“3+3”編組)，在平峰時段開行部分或全部小編組(6節編組和部分3節編組，或者全部3節編組)、高密度列車。

聯掛、解編的列車數量需依據客流的實際需要和運營組織相關人員配置，并結合運營間隔所需，進行統籌考慮?；炫芰熊嚨谋壤梢愿鶕土髯兓M行調節。

在具體設計工作中，需根據線路初期、近期和遠期的分時段客流，在考慮一定能力儲備的前提下，分別計算不同編組列車的客流適應性，并進行全日行車計劃編排[3]。

2.2 功能需求

1) 車輛：為支持2列3節編組列車的聯掛、解編，車輛的列車功能至少包括牽引系統、輔助系統、制動系統、網絡系統、乘客信息系統、列車控制、車門系統、空調系統、照明系統等的功能[4]。

2) 信號系統：為支持2列3節編組列車的聯掛、解編，信號系統功能至少包括以下部分：

(1) 冗余功能：3節編組列車采用的應是熱備冗余的車載設備架構。當2列3節編組編列車聯掛后，處于列車中間位置的2個信號系統設備斷電、退出工作(外部電路控制)；聯掛后，新的頭端和尾端車載設備需要建立通信和工作，并形成新的熱備冗余架構。

(2) 網絡重構：信號車載網絡的架構設計應能保證當列車聯掛或解編后，網絡上各設備間的通信都能維持正常的功能需要。

(3) 車型車號：信號系統應能根據聯掛或解編狀態下的各類輸入，自動判斷和識別當前列車的編組情況；信號系統根據聯掛或解編狀態來重新分配車號。

(4) 列車參數：信號系統固定存儲該線路上所有可能編組類型列車的參數。當軟件判斷出聯掛列車編組類型后，加載與之相匹配的列車參數；信號系統根據新編組列車參數進行計算和控制。

(5) 作業區域：對聯掛、解編的作業區域設定，除了需滿足信號系統本身功能需求限定條件以外，還要結合實際的線路條件和車輛參數，最終需滿足業主方的規定和需要。聯掛、解編的作業區域一旦確定以后，需將其設定為數據庫中新的參數。

(6) 命令控制：信號系統模式下，聯掛、解編的命令控制可由中央ATS(列車自動監控)人工下發，車輛自動執行作業。當ATS下發命令以后，信號車載設備根據當前條件將命令下達至車輛，通過ATP/ATO控制功能進行作業防護，最終實現聯掛或解編。

(7) 停站對位：信號系統需具備不同編組列車到站后對位停準的功能。

(8) 開關門控制：信號系統需支持3節編組和6節編組列車到站后車門的開關與站臺門開關保持關聯性。

(9) 軌旁通信：信號系統需支持列車在聯掛、解編前后，維持車載與軌旁的持續通信，以使聯掛、解編后的列車能快速投運。

(10) 人機界面：信號車載人機界面(TOD)應支持聯掛、解編的列車的狀態信息顯示。中央ATS(列車自動監控)工作站調度界面應支持聯掛、解編的列車的狀態信息顯示，應包括聯掛、解編的作業操作界面，應能對3節編組、6節編組和“3+3”編組列車進行區別顯示。

(11) 運行圖/時刻表：運行圖、時刻表的設計應支持聯掛、解編的不同編組列車運行班次調整需要，包括計劃班次和臨時調整。

3) 站臺門功能：靈活編組下將出現3節編組、6節編組和“3+3”編組列車(默認“3+3”編組情況下站臺門能全開)混跑的情形，站臺門系統功能至少包括以下部分：

(1) 區分不同編組列車開關站臺門：可根據到站列車的不同編組情況，對應開啟不同區域、不同數量的站臺門。

(2) 信號系統正常模式下聯動控制功能：在信號系統正常模式下，軌旁設備會根據到站列車的不同編組情況發給站臺門不同的控制命令。

(3) 降級模式下手動控制功能：在信號故障或其它降級模式下，司機需要手動開關站臺門，站臺門設備以及PSL(就地控制盤)應具備對應不同編組列車的使能、開關門、互鎖解除等控制功能。

4) PIS(乘客信息系統)功能。

(1) 列車聯掛狀態下，2列3節編組列車PIS系統的信息統一傳輸與控制。

(2) 當不同編組列車進站時，地面PIS能根據信號系統的報文通知，顯示不同編組列車到站的相關信息。

5) 廣播功能：當不同編組列車進站時，PA(廣播)系統能根據信號系統的報文通知，廣播不同編組列車到站的相關信息。

2.3 功能實現

基于上文中關于列車聯掛和解編的功能需求分析，提出信號系統改造方案的主要內容：

1) 信號軌旁設備硬件補點和軟件升級。

(1) 信標：所有站臺新增應答器，存車線、虛擬站臺、試車線等處視需要新增應答器。

(2) 接近盤：所有站臺新增精確停車應答器，存車線、虛擬站臺、試車線等處視需要新增應答器。

(3) 移動授權單元(MAU)數據庫更新，參數表更新等。

(4) 移動授權單元軟件功能升級，以支持靈活編組。

(5) 計算機聯鎖單元(PMI)軟件升級，以支持不同編組列車到站后，車門開關與站臺門聯動。

2) 信號ATS系統改造：ATS系統設計、軟件升級支持聯掛、解編作業，以及靈活編組情形下的圖形圖標顯示。

(1) ATS界面改造：增加操作對話框、圖形顯示、信息提醒等功能。

(2) 列車車次號顯示。

(3) 運行圖、時刻表顯示。

3) 與站臺門接口的改造設計：ZC(區域控制器)與站臺門接口需增加輸出接口，用于控制不同編組列車到站后開關站臺門。ZC向PSD(屏蔽門)系統每個車站(兩站臺)的輸出命令應按站臺前部開門命令、站臺后部開門命令、站臺前部關門命令、站臺后部關門命令的順序在ZC輸出板卡上排列。表1為開關門繼電器動作與站臺門動作和控制命令之間的關系。

表1 開關門繼電器動作與站臺門動作和控制命令之間的關系對應表

4) 與PIS、PA的接口改造：信號系統與PIS和PA間的基本協議保持不變。協議中有一項train ID參數，為適應不同編組列車的乘客信息告知，信號系統對不同編組列車分配不同的train ID。PIS和PA可每次依據收到的train ID參數來關聯不同的車長信息，以呈現不同的列車信息。

3 經濟效益分析

城市軌道交通的能耗主要包括固定設施能耗和移動能耗。固定設施能耗主要指地面設施，如通風空調、照明、電扶梯等的能耗；移動能耗又由列車牽引能耗和列車輔助能耗組成。列車牽引能耗占城市軌道交通總能耗的一半以上，降低牽引能耗可產生巨大的經濟效益[5]。

根據深圳地鐵9號線的能耗統計數據， 9號線(含一期、二期)年總用電量為19 710萬kWh，其中牽引用電量為7 884萬kWh，占總用電量的40%。平峰期列車開行對數占比約為60%，故9號線平峰期日均牽引用電量約為12.96萬kWh。

根據9號線已運營階段的能耗統計數據的預測計算結果為：在同一運行圖運營情況下，平峰期若采用3節編組列車替代6節編組列車進行運營，節能率能達到40%。即當9號線平峰期全部采用3節編組列車時，日均節電量約為5.18萬kWh。每度電按照0.7元計算[6]，全年可節省1 323.49萬元。

4 結語

采用靈活編組運營模式可以在平衡運營能力的同時，降低運營成本，符合運營部門的客觀需求。本文從靈活編組的功能需求入手，分析聯掛和解編的功能需求和實現方式，并從經濟效益角度論證靈活編組方式具備良好的經濟效益。靈活編組技術已逐漸成熟，未來，靈活的編組運營與全自動運行技術[7]結合，在正線混編運營、列車聯掛救援等運營場景下將得到更多的應用。