地鐵折返站行車能力的分析與研究

張 耀

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710045)

0 引言

隨著我國城市地鐵交通的快速發(fā)展，居民出行對(duì)于地鐵的依賴度越來越高。隨著一、二線城市人口的不斷聚集，以及客流量的不斷增大，地鐵運(yùn)行強(qiáng)度也在不斷增加，部分已運(yùn)營地鐵線路的運(yùn)輸能力已接近飽和。因此，部分地鐵線路常見的狀況是：早晚高峰在車站外采用限流措施、在車站內(nèi)乘客大量滯留、上下車嚴(yán)重?fù)頂D、屏蔽門和車門多次關(guān)啟、列車超負(fù)荷運(yùn)行等。這就引起地鐵服務(wù)質(zhì)量明顯下降等一系列連鎖反應(yīng)。這些狀況形成的主要原因是線路的行車能力不足。

線路行車能力是線路上各個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。新建線路通過選用較寬車型、增加車輛編組、調(diào)整車站數(shù)、采用全自動(dòng)無人駕駛等措施，在建設(shè)前期提高線路的行車能力。因?yàn)榫€路車輛、配線、設(shè)備均已固定，已運(yùn)營線路的最大行車能力受限，所以只能通過優(yōu)化行車組織方式、信號(hào)設(shè)備布置等方法，在一定范圍內(nèi)提高行車能力[1]。

行車能力研究的重點(diǎn)是分析線路上列車的行車間隔。線路上不同區(qū)段的行車間隔一般都不相同。線路的最小行車間隔受制于正線行車間隔和折返站行車間隔，取兩者中的最大值[2]。折返站往往是線路折返能力的薄弱環(huán)節(jié)。本文針對(duì)地鐵折返站,分析與研究不同折返方式下的行車間隔和行車能力。

1 行車能力理論分析

行車能力是指當(dāng)線路上車輛、配線、設(shè)備等固定時(shí)，一個(gè)區(qū)段單位時(shí)間內(nèi)能通過的最大列車對(duì)數(shù)。而一條線路由多個(gè)區(qū)段和兩端的折返站組成。每個(gè)區(qū)段的限制因素均不同，因此每個(gè)區(qū)段的行車能力也不盡相同。其中，行車能力最弱的區(qū)段將限制整條線路的行車能力[3]。

首先，假設(shè)前后兩列車為平行運(yùn)行。平行運(yùn)行是理想模型，是指同一方向列車在同一區(qū)段內(nèi)的運(yùn)行速度相同，在兩端折返站的折返方式也相同，兩列車的運(yùn)行線路相互平行。其次，確定此區(qū)段全天24 h內(nèi)在運(yùn)列車的有效運(yùn)行時(shí)間，以及列車經(jīng)過此區(qū)段的通過時(shí)間。由此，即可得出此區(qū)段的行車能力[4]。計(jì)算方式為：

(1)

式中：N為行車能力；Tg為列車日常維護(hù)維修等必須占用的固定時(shí)間;Tt為一列車在本區(qū)段運(yùn)行通過時(shí)間；f為有效利用系數(shù)。

假設(shè)此區(qū)段為從A站的出站信號(hào)機(jī)XA到B站的出站信號(hào)機(jī)XB。列車運(yùn)行區(qū)段如圖1所示。

圖1 列車運(yùn)行區(qū)段示意圖Fig.1 Schematic diagram of train running section

根據(jù)列車在此區(qū)段的通過時(shí)間，式(1)可變?yōu)椋?/p>

(2)

式中：tpl為系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間；tqd為列車的啟動(dòng)時(shí)間；tyx為列車從信號(hào)機(jī)XA運(yùn)行至信號(hào)機(jī)XB并停穩(wěn)所需的時(shí)間；tzt為列車停在B站的時(shí)間。

式(2)中增加了∑，是因?yàn)閷?duì)于復(fù)雜的區(qū)段，系統(tǒng)可能經(jīng)過多次排列進(jìn)路，多次啟動(dòng)、運(yùn)行和停車。一條線路建成后，系統(tǒng)單次排列進(jìn)路時(shí)間、列車每次的啟動(dòng)時(shí)間一般為固定值[5]。因此，∑tpl、∑tqd與排列進(jìn)路、列車啟動(dòng)的次數(shù)有關(guān)。∑tyx為列車在該區(qū)段的總運(yùn)行時(shí)間。區(qū)段長度、區(qū)段的配線情況、是否經(jīng)過道岔側(cè)向等都影響著每個(gè)區(qū)段的運(yùn)行時(shí)間，并且在一個(gè)區(qū)段列車可能經(jīng)過多次運(yùn)行。∑tzt為列車在車站的總站停時(shí)間。每個(gè)站的站停時(shí)間取決于車站性質(zhì)、客流的強(qiáng)度。如列車跳站運(yùn)行，則總停站時(shí)間為多次站停時(shí)間之和。

結(jié)合式(1)和式(2)可知，一個(gè)區(qū)段的行車能力與列車在該區(qū)段的通過時(shí)間Tt成反比。某區(qū)段的通過時(shí)間為前、后兩列車的最小行車間隔或追蹤間隔。本文中研究的行車間隔均與通過時(shí)間相等，為最小行車間隔。一條線路由很多區(qū)段構(gòu)成。其中，行車能力最差的區(qū)段會(huì)影響整條線路的行車能力。由于需要系統(tǒng)經(jīng)過多次排列進(jìn)路，列車經(jīng)過多組道岔側(cè)向，并且要完成車頭車尾系統(tǒng)換端，所以每條線路的折返站往往是限制該線路的行車能力的關(guān)鍵。

2 折返站的行車能力

折返站的行車能力也就是折返能力，體現(xiàn)在連續(xù)兩列車的追蹤能力上。由于配線設(shè)計(jì)不同，折返站采用不同的折返方式。常見的折返方式有站前折返和站后折返[6]。折返站的行車能力之所以制約線路行車能力，是因?yàn)橐话阏鄯底鳂I(yè)由多個(gè)過程組成，每個(gè)過程的運(yùn)行間隔均不相同，折返能力最終取決于運(yùn)行間隔最大的過程。

2.1 站前折返

站前折返方式有兩種。方式一是僅利用其中一個(gè)股道進(jìn)行折返(以IIG為例 )。采用方式一的站前折返如圖2所示。

圖2 站前折返示意圖(方式一)Fig.2 Schematic diagram of turn-back before station(Scheme 1)

折返時(shí)，列車從信號(hào)機(jī)X1行至IIG，再由IIG駛離信號(hào)機(jī)X2。此過程中只允許有一列車進(jìn)行折返作業(yè)，直到列車離開信號(hào)機(jī)X2處的計(jì)軸磁頭，才允許信號(hào)機(jī)X1再開放。因此，此時(shí)的折返間隔也就是信號(hào)機(jī)X1的信號(hào)開放間隔。

以X1為起點(diǎn)。X1的信號(hào)開放間隔由以下六個(gè)過程組成。

①系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間tpl。

②列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。

③列車的運(yùn)行時(shí)間tyx1：列車從信號(hào)機(jī)X1出發(fā)，經(jīng)過1#、2#道岔側(cè)向，至IIG停車。

④列車的站停時(shí)間tzt：站停時(shí)系統(tǒng)辦理發(fā)車進(jìn)路。

⑤列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。

⑥列車的運(yùn)行時(shí)間tyx2：列車從信號(hào)機(jī)S2出發(fā)，車尾出清信號(hào)機(jī)X2處的計(jì)軸磁頭。

經(jīng)過以上六個(gè)過程的時(shí)間間隔，信號(hào)機(jī)X1可再次開放。折返間隔Tt為上述六個(gè)過程時(shí)間的總和。

方式一的折返進(jìn)路比較簡單，僅利用IIG側(cè)站臺(tái)上下乘客。但是，對(duì)于客流量大的折返站，單側(cè)站臺(tái)同時(shí)上下乘客易造成擁堵。

方式二是同時(shí)利用IG和IIG進(jìn)行折返，且需保證站臺(tái)兩側(cè)至少有一列車在上下乘客；不同站臺(tái)的接發(fā)車進(jìn)路不同，相關(guān)進(jìn)路交替排列；起始狀態(tài)以站臺(tái)兩側(cè)均停一列車開始。采用方式二的站前折返如圖3所示。

圖3 站前折返示意圖(方式二)Fig.3 Schematic diagramof turn-back before station(Scheme 2)

方式二的作業(yè)流程如下。

①列車A從信號(hào)機(jī)S1發(fā)車，經(jīng)過3#、4#道岔側(cè)向，出清道岔區(qū)段。

②列車C從信號(hào)機(jī)X1進(jìn)站，經(jīng)過1#、4#道岔定位，至IG停車。

③列車B從信號(hào)機(jī)S2發(fā)車，經(jīng)過2#、3#道岔定位，出清道岔區(qū)段。

④后續(xù)列車從信號(hào)機(jī)X1進(jìn)站，經(jīng)過1#、2#道岔側(cè)向，至IIG停車。

以上四個(gè)過程，還可以按照方式一的方法細(xì)分為tpl、tqd、tyx、tzt等過程。

采用方式二折返時(shí)，由于路徑不同，相鄰兩列車的間隔時(shí)間不同，折返站的折返能力取決于相鄰列車的最大時(shí)間間隔。

2.2 站后折返

站后折返如圖4所示。圖4所示的車站配線在正常情況下均采用站后折返。僅當(dāng)站后道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，將站前折返作用備用折返。以信號(hào)機(jī)X1為起點(diǎn)，IIIG作為折返軌。此過程中可同時(shí)有多列車進(jìn)入準(zhǔn)備或開始折返作業(yè)。折返的關(guān)鍵徑路有三條，對(duì)應(yīng)的信號(hào)機(jī)分別是X1、X2和S4。每條徑路的行車間隔即對(duì)應(yīng)信號(hào)機(jī)的信號(hào)開放間隔。

圖4 站后折返示意圖Fig.4 Schematic diagram of turn-back after station

信號(hào)機(jī)X1的信號(hào)開放間隔由以下幾個(gè)過程組成。

①系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間tpl。系統(tǒng)排列信號(hào)機(jī)X1至信號(hào)機(jī)X2的進(jìn)路。

②列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。車載設(shè)備收到地面進(jìn)路指令，啟動(dòng)列車運(yùn)行。

③列車的運(yùn)行時(shí)間tyx1。列車從信號(hào)機(jī)X1出發(fā)，至IG停車。

④列車的站停時(shí)間tzt。站停時(shí)系統(tǒng)辦理發(fā)車進(jìn)路。

⑤列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。車載設(shè)備收到地面進(jìn)路指令，啟動(dòng)列車運(yùn)行。

⑥列車的運(yùn)行時(shí)間tyx2。列車從信號(hào)機(jī)X2出發(fā)至IIIG，車尾出清信號(hào)機(jī)S4處的計(jì)軸磁頭。

信號(hào)機(jī)X2的信號(hào)開放間隔由以下幾個(gè)過程組成。

①系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間tpl。系統(tǒng)排列信號(hào)機(jī)X2至IIIG的進(jìn)路。

②列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。車載設(shè)備收到地面進(jìn)路指令，啟動(dòng)列車運(yùn)行。

③列車的運(yùn)行時(shí)間tyx1。列車從信號(hào)機(jī)X2出發(fā)，經(jīng)過3#、4#道岔側(cè)向，至IIIG停車。

④系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間tpl。系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)；車頭車尾完成換端。

⑤列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。車載設(shè)備收到地面進(jìn)路指令，啟動(dòng)列車運(yùn)行。

⑥列車的運(yùn)行時(shí)間tyx2。列車從信號(hào)機(jī)S4出發(fā)，車尾出清信號(hào)機(jī)X3處的計(jì)軸磁頭。

信號(hào)機(jī)S4的信號(hào)開放間隔由以下幾個(gè)過程組成。

①系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間tpl。系統(tǒng)排列信號(hào)機(jī)S4至IIG的進(jìn)路。

②列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。車載設(shè)備收到地面進(jìn)路指令，啟動(dòng)列車運(yùn)行。

③列車的通過時(shí)間tyx1。列車從信號(hào)機(jī)S4出發(fā)，至IIG停車。

④列車的站停時(shí)間tzt。站停時(shí)系統(tǒng)辦理發(fā)車進(jìn)路。

⑤列車的啟動(dòng)時(shí)間tqd。車載設(shè)備收到地面進(jìn)路指令，啟動(dòng)列車運(yùn)行。

⑥列車的通過時(shí)間tyx2。列車從信號(hào)機(jī)S3出發(fā)，車尾出清S3處的計(jì)軸磁頭。

X1、X2和S4對(duì)應(yīng)的信號(hào)開放間隔即每段關(guān)鍵徑路的折返間隔時(shí)間Tt，而該折返站的折返間隔應(yīng)該為三個(gè)折返間隔的最大值。根據(jù)式(1)可知，折返間隔最大的折返站的行車能力最差，也決定了整個(gè)車站的折返能力。

3 滘口站折返能力優(yōu)化方案

滘口站為廣州地鐵五號(hào)線的端頭折返站，于2009年開通運(yùn)營。滘口站配線如圖5所示，滘口站采用站前折返，高峰期的最小折返間隔為126 s。五號(hào)線客流量大，然而滘口站的折返能力限制了五號(hào)線的加車需求，制約了五號(hào)線的運(yùn)營效率。

圖5 滘口站配線示意圖Fig.5 Wiring diagram of Jiaokou Station

滘口站采用站前折返的第二種方式，即同時(shí)利用兩側(cè)站臺(tái)進(jìn)行交替站前折返，保證站臺(tái)區(qū)至少停留一列車。站前折返時(shí)站前道岔區(qū)段只允許列車單向通過，即同一時(shí)刻只能允許有一條進(jìn)路占用站前岔區(qū)，因此降低站前岔區(qū)的占用時(shí)間是提升折返能力的關(guān)鍵。

結(jié)合圖3并通過流程分析可知，滘口站進(jìn)行折返時(shí)，列車由正線至滘口站站臺(tái)停車的接車進(jìn)路時(shí)間較長。在移動(dòng)閉塞模式下，此段接車進(jìn)路不僅包括信號(hào)機(jī)X1距站臺(tái)停車點(diǎn)的距離，還應(yīng)包括兩站間信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)距X1的距離。觸發(fā)點(diǎn)一般由設(shè)備廠家根據(jù)線路牽引仿真數(shù)據(jù)計(jì)算確定。滘口站的X1位置距離防護(hù)道岔岔尖位置較遠(yuǎn)，觸發(fā)點(diǎn)距離X1更遠(yuǎn)。因此，如果將X1向其防護(hù)道岔的岔尖位置移動(dòng)，可縮短滘口站進(jìn)站的接車進(jìn)路長度，從而減少此流程占用時(shí)間。信號(hào)集成商根據(jù)此方案對(duì)滘口的折返間隔進(jìn)行了牽引仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，滘口站的最小折返間隔可減小至120 s以內(nèi)。

降低站前岔區(qū)占用時(shí)間的另一個(gè)方案是提高列車的側(cè)向過岔速度。牽引仿真計(jì)算結(jié)果顯示，信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部將道岔的側(cè)向運(yùn)行速度由40 km/h提高至45 km/h，可使折返間隔縮小2 s。由于道岔的側(cè)向運(yùn)行速度受軌道道岔側(cè)向限速的影響，必須先明確軌道道岔側(cè)向限速。

根據(jù)分析可知，影響滘口站折返間隔的關(guān)鍵在于減小站前岔區(qū)占用時(shí)間。通過縮短進(jìn)站接車進(jìn)路的距離和提高列車側(cè)向過岔速度，可壓縮站前岔區(qū)占用時(shí)間，從而提高滘口站的行車能力。

4 結(jié)論

根據(jù)分析可知，區(qū)段的行車能力與列車的通過時(shí)間成反比。通過時(shí)間取決于行車間隔。行車間隔與區(qū)段內(nèi)的行車組織方式、行車路徑有關(guān)。其中，折返站的行車間隔是關(guān)鍵。折返站的行車能力取決于行車間隔，而行車間隔與車站的折返方式有關(guān)。折返方式越復(fù)雜，折返中的流程越多，系統(tǒng)排列進(jìn)路和列車啟動(dòng)的次數(shù)越多，行車間隔越大，折返能力越差。結(jié)合廣州五號(hào)線滘口站的實(shí)際情況，采用縮短滘口進(jìn)站接車進(jìn)路的距離和提高列車側(cè)向過岔速度等折返能力優(yōu)化方案，將滘口站折返時(shí)的行車間隔從126 s縮短至120 s以內(nèi)，提高了滘口站的行車能力。