城市軌道交通折返能力分析及優(yōu)化

楊春妮

（通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

隨著城鎮(zhèn)地鐵網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，地鐵線路的載客量大幅度增加。目前國內(nèi)主流的基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）在線路高峰時段運(yùn)行的行車間隔已不超過120 s，但仍存在運(yùn)輸能力不足的問題，如何最大限度地減小行車間隔是城市軌道交通行業(yè)面臨的一個難題。行車間隔由折返間隔、區(qū)間追蹤間隔、站臺通過間隔組成，是考核運(yùn)輸能力的重要指標(biāo)。一般站臺通過間隔、區(qū)間追蹤間隔已能達(dá)到或小于90 s，但是折返站的折返間隔受到信號系統(tǒng)、站形條件、軌道、司機(jī)站務(wù)、站停時間、車輛參數(shù)等限制，很難不超過120 s，嚴(yán)重地制約了城市軌道交通的運(yùn)輸能力。通過各種優(yōu)化措施縮短折返間隔對提升城市軌道的運(yùn)輸能力有著重大意義。

1 折返間隔的分析與計算

1.1 站前折返間隔的分析與計算

1）站前折返的特點(diǎn)

站前折返是指列車載客運(yùn)行至站臺，折返時乘客能上、下車，經(jīng)過站臺前的交叉渡線運(yùn)行至下一站，全程列車空走的距離少，也稱為“帶客折返”。一般在地形條件不允許的地方，采用站前折返站型，占地面積小，投資少，在行車密度較大時，車站的通過能力較低。

2）站前折返間隔的分析

由于接發(fā)車進(jìn)路有交叉，造成站前折返的間隔較大，需要根據(jù)實際的行車組織和運(yùn)營需求選擇合理的折返方式。站前折返間隔示意如圖1所示。

圖1 站前折返間隔示意Fig.1 Schematic diagram of turn-back interval before the station

圖1中，Q點(diǎn)為列車自動運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）速度曲線下開始減速的位置點(diǎn)，站前1G折返作業(yè)時間和作業(yè)項目為：辦理接車進(jìn)路時間(t1)、列車進(jìn)站停車(t2)、站停時間(t3)、列車折返時間(t4)、辦理發(fā)車進(jìn)路時間(t5)、列車出站時間(t6)。站前1G的折返間隔t=t1+t2+t3+t5+t6。站前1G折返間隔的作業(yè)項目和作業(yè)時間分析如表1所示，折返間隔折線如圖2所示。

表1 站前折返間隔作業(yè)時間分析Tab.1 Operation time analysis of turn-back interval before the station

圖2 站前折返間隔折線Fig.2 Line chart of turn-back interval before the station

由此可知，上述站前折返過程中，存在1個限制點(diǎn)，關(guān)鍵限制點(diǎn)為a點(diǎn)。前車出清a點(diǎn)后，a點(diǎn)附近單動道岔P3才能轉(zhuǎn)換為反位，為后續(xù)列車排列接車進(jìn)路。因此，改善關(guān)鍵限制點(diǎn)的位置，即可提升折返能力。

1.2 站后折返間隔的分析與計算

1）站后折返的特點(diǎn)

站后折返是乘客在接車站臺先下車，列車空載運(yùn)行至站后盡端折返線進(jìn)行折返。站后折返的優(yōu)勢是避免了列車接車進(jìn)路、發(fā)車進(jìn)路、折返進(jìn)路的交叉干擾，接車和發(fā)車能平行作業(yè)，列車進(jìn)站、出站的速度高。

2）站后折返間隔的分析

站后折返間隔示意如圖3所示。圖3中站后折返的折返間隔分為：接車間隔T接、折返間隔T折、發(fā)車間隔T發(fā)。折返的作業(yè)項目為：接車間隔T接包括辦理接車進(jìn)路時間(T1)、列車進(jìn)站時間(T2)、2G站停時間(T3）；折返間隔T折包括辦理折入進(jìn)路時間（T4）、列車進(jìn)入折返軌3G停穩(wěn)時間（T5）、折返軌換端操作時間（T6）；發(fā)車間隔T發(fā)包括辦理折出進(jìn)路時間（T7）、列車運(yùn)行至發(fā)車站臺1G停穩(wěn)的時間（T8）、1G站停時間(T9)、辦理發(fā)車進(jìn)路時間(T10)、列車出站時間(T11)。站后折返間隔的作業(yè)項目和作業(yè)時間分析如表2所示，站后折返間隔折線如圖4所示。

圖4 站后折返間隔折線Fig.4 Line chart of turn-back interval after the station

表2 站后折返間隔作業(yè)時間分析Tab.2 Analysis of turn-back time after the station

圖3 站后折返間隔示意Fig.3 Schematic diagram of turn-back interval after the station

由此可知，站后折返間隔取其最大值=max{T接，T折，T發(fā)｝。當(dāng)T折的時間過長時，可采用在折返線上預(yù)置一列周轉(zhuǎn)的空車來提高列車折返能力，此時站后折返間隔=max{T接，T發(fā)｝。

2 提升折返能力的措施

2.1 優(yōu)化聯(lián)鎖系統(tǒng)

針對包含道岔區(qū)段的進(jìn)路，主要從道岔區(qū)段劃分和聯(lián)鎖進(jìn)路邏輯兩方面進(jìn)行分析。

1)站前折返。把道岔P3的岔后直向區(qū)段細(xì)化為岔后直向區(qū)段和一個無岔邏輯區(qū)段，當(dāng)列車尾部完全越過岔后直向區(qū)段時，被進(jìn)路鎖閉的道岔P3解鎖，就能轉(zhuǎn)換至反位，后續(xù)列車的接車進(jìn)路滿足超限條件后，能鎖閉開放，道岔P3的轉(zhuǎn)換時間提前，縮短了折返間隔。

2)站后折返。站后折返軌道區(qū)段優(yōu)化布置如圖5所示，站后折返間隔是max{T接，T發(fā)｝，當(dāng)接車間隔T接大于發(fā)車間隔T發(fā)時，接車間隔T接的主要影響因素是接車進(jìn)路邏輯、b點(diǎn)的位置（優(yōu)化后為b＇點(diǎn)）。為使列車完全進(jìn)入接車站臺，接車進(jìn)路必須觸發(fā)直向或側(cè)向保護(hù)區(qū)段，列車自動防護(hù)系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)的安全防護(hù)點(diǎn)是保護(hù)區(qū)段的末端回退一定的安全余量。當(dāng)b＇點(diǎn)到X1的長度大于安全防護(hù)距離時，默認(rèn)保護(hù)區(qū)段觸發(fā)側(cè)向，節(jié)省了道岔P1動作的時間，此時的接車間隔T接最短；當(dāng)b＇點(diǎn)到X1的長度不大于安全防護(hù)距離時，側(cè)向保護(hù)區(qū)段需要延伸至交叉渡線的范圍內(nèi)，與折返進(jìn)路可能會產(chǎn)生沖突，此時保護(hù)區(qū)段默認(rèn)觸發(fā)直向，道岔P1動作至定位，此時的接車間隔T接較短。道岔P1釋放的時機(jī)需進(jìn)一步優(yōu)化，當(dāng)列車的尾部完全通過b＇時，道岔P1區(qū)段提前解鎖，道岔P1被提前釋放，可以轉(zhuǎn)換至定位，為后續(xù)列車的接車進(jìn)路辦理直向保護(hù)區(qū)段。該方法通過合理選擇聯(lián)鎖保護(hù)區(qū)段方向，劃分軌道區(qū)段來提升接車間隔。

圖5 站后折返優(yōu)化Fig.5 Optimization diagram of turn-back after the station

影響追蹤列車的折返間隔T折的主要因素是a點(diǎn)的位置（優(yōu)化后為a＇點(diǎn)）。當(dāng)前行列車尾部完全通過a＇點(diǎn)時，道岔P2提前釋放，可以提前辦理追蹤列車的折返進(jìn)路，縮短折返間隔。

當(dāng)發(fā)車間隔T發(fā)不小于接車間隔T接時，列控系統(tǒng)的優(yōu)化方法可采用：縮短進(jìn)路辦理及道岔轉(zhuǎn)換時間；提高列車的制動率，縮短減速時間和制動距離；提高道岔側(cè)向限速，減少通過道岔的時間；提高列車的精確定位功能，降低列車包絡(luò)的位置不確定性。

2.2 優(yōu)化ATP系統(tǒng)

在城市軌道交通的運(yùn)營中，列車牽引制動是一個常用且復(fù)雜的過程，與ATP系統(tǒng)相關(guān)影響折返間隔的因素包括：列車位置不確定性、制動距離、安全防護(hù)距離、牽引加速度、減速制動率、車載ATP的反應(yīng)時間等；與車輛相關(guān)的影響因素包括：牽引切除時間、緊急制動的施加時間、緊急制動完全建立時間、完全緊急制動施加時間等。根據(jù)以上因素建立列車速度模型如圖6所示，在CBTC基礎(chǔ)上，對ATP系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化措施如下。

圖6 列車速度模型Fig.6 Model of train speed

1）應(yīng)準(zhǔn)確地測量車長值、輪徑值，作為列車精確定位的輸入；

2）在Q點(diǎn)前設(shè)置應(yīng)答器校準(zhǔn)列車位置，減少位置的不確定性；

3）采用測速精度高的設(shè)備減小測速誤差和位置不確定性；

4）Q點(diǎn)的位置越靠近車站，制動距離減小，制動率高，減速運(yùn)行的時間越短；

5）采用性能高、傳輸延時小的通信設(shè)備減少車載ATP的反應(yīng)時間。

在保證安全運(yùn)營的前提下，列車的牽引制動力應(yīng)選取不同的范圍。例如上、下班或節(jié)假日運(yùn)營高峰期時段，客流量較大，列車空車運(yùn)行至折返軌作業(yè)，在考慮司機(jī)安全的前提下可適當(dāng)降低舒適度要求，采用可變的制動率，選取列車的牽引制動系數(shù)范圍內(nèi)的較大值，縮短折返間隔。

2.3 優(yōu)化ATO系統(tǒng)

1）升級為無人自動折返模式，進(jìn)路排列開放、列車運(yùn)行、換端、開關(guān)車門、停站等操作由信號系統(tǒng)自動控制，整個過程不需要人工干預(yù)，司機(jī)只需在列車站停期間完成進(jìn)入和退出折返模式的操作，可忽略司機(jī)反應(yīng)時間，能有效提升折返效率。

2）采用不同ATO算法控車，即可把ATO運(yùn)行模式分為：節(jié)能模式、舒適模式、高效模式，這些算法可在基于一定閾值的情況下彼此切換，以達(dá)到最優(yōu)控制。根據(jù)不同的運(yùn)營需求，應(yīng)側(cè)重切換至相應(yīng)的模式。例如在客流量大的折返區(qū)段，對折返效率要求較高時，可適當(dāng)降低列車運(yùn)行的舒適度和精確度，能對差異變化作出快速響應(yīng)。

2.4 其他優(yōu)化措施

1）道岔選型。無論采用哪種折返方式，道岔動作時間占用了很大的比例。建議將9號道岔換成12號道岔，道岔的側(cè)向限速將提高大約50%，列車通過側(cè)向進(jìn)路的時間縮短大約50%，列車的折返間隔將縮短大約30%。另外，對于折返方式的選擇，盡量采用側(cè)向道岔路徑少的折返方案。

2）選擇合適的折返方式。采用站后折返方式，折返能力最大；采用單一站前折返方式，折返能力最小，交替站前折返優(yōu)于單一站前折返方式。

3）縮短停站時間。站停時間由車門屏蔽門聯(lián)動開閉時間、乘客乘降時間、聯(lián)動關(guān)門后延誤時間、列車停穩(wěn)后聯(lián)動開門前的延誤時間等組成。采用先進(jìn)的車門聯(lián)鎖系統(tǒng)可以減少聯(lián)動關(guān)門后延誤、聯(lián)動開門前的延誤及車門屏蔽門聯(lián)動開閉時間。設(shè)計車門的數(shù)量和車門寬度為可配置，如果在客流高峰期，開啟的車門數(shù)量需增加，車門寬度需加寬，有條件的站臺可以開啟兩側(cè)車門減少停站時間，避免乘客上下車擁擠造成站停時間延誤。

3 結(jié)束語

通過對站前折返、站后折返的作業(yè)項目和作業(yè)時間的分析，找出影響折返間隔的關(guān)鍵限制點(diǎn)。從聯(lián)鎖系統(tǒng)、ATP系統(tǒng)、ATO系統(tǒng)和其他方面提出優(yōu)化措施，重點(diǎn)從聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計的角度提出優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)位置的方案。折返間隔是影響運(yùn)營效率的關(guān)鍵點(diǎn)，如何安全、高效、經(jīng)濟(jì)地提升折返能力已成為軌道交通行業(yè)面臨的一個重要課題，本文成果對于信號系統(tǒng)設(shè)計、車站設(shè)計、折返路徑的選擇都具有很大的參考意義。