基于虛擬編組技術的首都機場線列車開行方案研究

趙興東，張 蕾，謝莎婷，梅 杰，豆 飛，周 旭

（1. 交控科技股份有限公司，北京 100070；2. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

1 引言

城市軌道交通是我國大城市居民市內出行的主要交通方式，其科學、合理的運輸組織模式是提高服務水平、節約運營成本的重要手段。虛擬編組技術可以縮短列車追蹤間隔、列車折返作業時間，提高線路通過能力，增加運能。同時，該技術也帶來了運輸組織模式的革新，可以使運能與客流的時空分布規律相匹配，以實現運輸效益和服務質量的雙贏。因此，虛擬編組技術是未來城市軌道交通領域研究的重要方向，對基于虛擬編組技術的列車開行方案進行研究是非常必要的。

2 研究概述

2.1 研究背景

自2014年4月歐盟“Shift2Rail”研究計劃提出以來，虛擬編組列車一直是歐洲軌道交通的重要研究方向。英國鐵路安全與標準委員會（Rail Safety and Standards Board，RSSB）在Closer Running研究報告中也將虛擬編組技術作為技術路線的一個關鍵組成。此外，德國宇航中心交通事業部等機構也對虛擬編組的機制、場景和仿真分析進行了研究。隨著虛擬編組技術研究的逐步深入，基于虛擬編組技術的行車方案研究也應運而生。

2.2 研究價值

虛擬編組技術在提高線路的通過能力和供需匹配能力方面有一定價值。劉嶺[1]提出了一種基于多智能體系統（MAS）的虛擬編組列車的協調控制模型，該模型實現了實時的動態調整，提高了列車的運行效率。Quaglietta[2]等人詳細介紹了虛擬編組概念，進行了線路通過能力分析，并提出了一種可以捕獲列車運行狀態的列車跟蹤模型，證明虛擬編組能提高線路通過能力。Liu[3]等人基于虛擬編組技術，考慮實時客流，提出了一種以動態編組為主的時空調度模型，該模型能有效地根據客流時空分布不均勻特征配置運輸能力。曹源[4]等人提出重大疫情下基于虛擬編組的列車動態編組與調度方案，以提高城市軌道交通的運輸效率。

總的來說，虛擬編組技術突破了改變編組對特定場地和作業時間的限制，使對列車開行方案的優化和設置更加靈活。

（1）虛擬編組技術通過實時在線聯掛和解編，可拓展大小交路、跨線運行、快慢車運行等既有組織模式的實現方式，形成新的列車運行組織模式。

（2）虛擬編組技術可提升列車實時進入、退出與改變運用狀態的效率，針對運營中斷與運營擾動，將形成新型的調度調整策略。

（3）虛擬編組技術將更新列車追蹤運行、車站到發、越行、折返、出入段等作業過程與時間標準，可以縮短列車的追蹤間隔[5-6]和折返時間[7-8]，從而提高線路的通過能力。

3 虛擬編組下行車方案分析

列車開行方案是城市軌道交通日常運營組織的基礎，對合理配置列車運力資源，均衡交通供給和需求之間的關系具有重要意義。因此，在編制列車開行方案之前，首先需要明確影響列車開行方案的主要因素。目前針對列車開行方案的影響因素已有一定研究。韋子文[9]從乘客出行需求和客流分布特征、運力資源、行車條件3方面分析列車開行方案的影響因素。劉猛[10]對客流分布特征、乘客出行需求、企業提供的運力資源、設施設備條件等方面進行研究。許得杰[11]、王慧[12]、劉澤原[13]重點從客流需求、運力資源、行車條件3方面分析其對列車開行方案的影響。本文將影響列車開行方案的主要因素歸納為以下4個方面。

（1）客流分布特征。主要包括客流時間分布特征和空間分布特征。時間分布特征是指研究時段內不同時間的客流強度的差異性。空間分布特征是指在線路的不同方向和不同位置客流強度的差異性。

（2）乘客出行需求。科學合理的開行方案要最大程度地滿足乘客出行需求，保持對乘客的足夠吸引力，以保證良好的社會和經濟效益。因此，城市軌道交通系統應從安全性、直通性、快捷性、舒適性等幾個方面來滿足乘客出行需求。

（3）運力資源。城市軌道交通線路運營企業所能提供的運力資源也是編制列車開行方案的重要影響因素，列車運用數量、企業運營成本、運輸組織復雜性和車站客運組織水平對列車開行方案的編制產生重要的影響。

（4）行車條件。城市軌道交通系統中車站和線路上的設備、設施條件是列車開行方案編制與實施的基礎，主要考慮線路通過能力、折返站折返能力等因素。虛擬編組技術能夠縮小列車追蹤間隔，提高線路通過能力；同時該技術能增強列控系統的實時性，提高折返站折返能力。

4 首都機場線開行方案設計

基于虛擬編組技術下列車可實時解編或重聯的特性，以首都機場線為研究對象，提出3種列車開行方案。

4.1 線路概況

首都國際機場軌道交通線（以下簡稱“首都機場線”）是一條現代化的城市軌道交通線，于2008年7月19日開通，全長27.3 km，共設4座車站，其中地下站3座、高架站1座，采用4節編組L型列車，定員218人，最高速度可達110 km/h[14]。

首都機場線連接北京市區與北京首都國際機場，采用Y形回路運行，沿東直門站、三元橋站、3號航站樓站、2號航站樓站、三元橋站、東直門站的順序行駛。該線路在東直門站與地鐵2號線、13號線換乘，在三元橋站與地鐵10號線平行換乘，與奧林匹克中心區域相連。另外，在機場的2個航站樓之間還設置了聯絡線，方便機場旅客換乘，基本實現城市中心區和北京首都國際機場之間的點對點運營。首都機場線的開通縮短了北京首都國際機場與中心城區的通行時間，改善了首都機場的交通狀況，加強了其國際航空港的地位。

4.2 客流分析

以首都機場線2019年4月19日（周五）全天分時段客流數據為研究對象，客流情況如圖1所示，可以看出17 : 00～18 : 00的客流量最大，主要對該時段客流量進行分析。

圖1 機場線2019年4月19日全日客流情況

機場線高峰小時客流如表1所示，T2航站樓和T3航站樓的客流量如表2所示。可以看出T2航站樓和T3航站樓的客流量相近，因此，可以采取在某一位置將列車解編分別駛向T2航站樓和T3航站樓的方案，以提高服務水平并降低企業運營成本。

表1 機場線高峰小時客流數據 人次

表2 T2、T3航站樓客流數據 人次

4.3 開行方案

4.3.1 虛擬編組方案 1

列車反向運行，在11號道岔附近進行解編，1列運行至T2航站樓（通過支線運行至T3航站樓匯合），1 列運行至T3航站樓，然后返回在T3航站樓虛擬重聯運行，如圖2所示。實際運行過程中，會結合運行時長進行編組，部分列車單節運行，不采用虛擬編組形式。該方案可以方便至T2航站樓的乘客出行，節約大約11 min時間，但采用反向運行方式，信號等系統預計需要一定的改造。

圖2 虛擬重聯方案1

該方案的列車運行圖示意圖如圖3所示，綠線表示2編組列車虛擬重聯運行；藍線表示虛擬解編后駛向T2航站樓的列車；紅線表示虛擬解編后駛向T3航站樓的列車。為便于描述，假設列車只有2編組，第1編組開往T2航站樓，第2編組開往T3航站樓。第n列車的第2編組和第n - 1列車的第1編組在T3航站樓虛擬重聯運行。第1列車的第2編組單獨返回，最后1列車的第1編組單獨返回。

圖3 方案1列車運行圖示意圖

4.3.2 虛擬編組方案 2

列車正向運行，在13號道岔附近進行解編，1列運行至T2航站樓（通過支線運行至T3航站樓匯合），1 列運行至T3航站樓，然后返回在T3航站樓虛擬重聯運行，如圖4所示。該方案能方便至T2航站樓的乘客出行，但是該方案新增1組道岔，設備系統改造預計較多，且可能存在土建條件不具備的情況。

圖4 虛擬重聯方案2

該方案各區間運行時間與方案1大致相同，列車運行圖基本一致，如圖5所示。第n列車的第2編組和第n - 1列車的第1編組在T3航站樓虛擬重聯運行。第1列車的第2編組單獨返回，最后1列車的第1編組單獨返回。

圖5 方案2列車運行圖示意圖

4.3.3 虛擬編組方案 3

列車正向運行，在13號道岔附近進行解編，1列運行至T2航站樓（反向原路折回），1列運行至T3航站樓，然后返回至14號道岔處虛擬重聯運行，如圖6所示。該方案新增1組道岔，設備系統改造預計較多，且可能存在土建條件不具備的情況。另外，該方案中至T2航站樓列車拉抽屜運行，當發車間隔為12 min時，必須將從13號道岔至T2航站樓的運行時間控制在4.5 min（目前在6 min左右，可能不具備壓縮區間運行時間的條件），才能保證列車正常運行，后續也無法再壓縮間隔。

圖6 虛擬重聯方案3

列車運行圖示意圖如圖7所示。每列車在13號道岔處解編，分別駛向T2和T3航站樓；完成停站后2列車返回，在14號道岔處重聯，駛向東直門。

圖7 方案3列車運行圖示意圖

5 首都機場線開行方案評價

從乘客角度和企業角度出發，選取乘客候車時間和在途時間、列車走行公里和平均列車滿載率作為評價指標，以12 min為發車間隔，對首都機場線現行方案和3種虛擬編組技術下的列車開行方案進行對比分析。

5.1 指標選取及計算

本文規定：T2、T3航站樓至東直門站為上行方向，東直門至T2、T3航站樓為下行方向，其中，T2至T3也為下行方向。

5.1.1 乘客候車時間

乘客候車時間：

式（1）、式（2）中，qij表示ij間的客流；I表示發車間隔；tw表示乘客總候車時間。

5.1.2 乘客在途時間

上行方向乘客在途時間：

下行方向乘客在途時間：

式（3）、式（4）中，tz+表示上行方向乘客在途時間，tz-表示下行方向乘客在途時間；qij表示ij間的客流；tym表示列車在區間m的運行時間；ttn表示乘客在n站的停站時間。第一站為起始站（東直門站），第a站為共線區段最后一站（三元橋站），第N1為交路1最后一站（T2站），第N2站為交路2最后一站（T3站）。

5.1.3 列車走行公里

列車走行公里：

式（6）、式（7）中，k = 1為開往T2航站樓的交路，k = 2為開往T3航站樓的交路；Lk表示k交路的長度；L23表示下行方向列車從T2航站樓到T3航站樓的長度；fk表示k交路的發車頻率；nk表示k交路的編組輛數；Lf表示兩車虛擬重聯后下行方向的長度。

5.1.4 平均列車滿載率

區間x上行方向的滿載率：

所有區間的平均斷面滿載率：

式（8）～式（10）中，γx

5.2 方案評價及對比

5.2.1 參數取值

各方案區間運行時間及停站時間如表3所示，各方案區間的運行里程如表4所示，各方案客流數據如表5所示。各方案的列車定員為每節定員218人，全列定員872人。

表3 區間運行時間及停站時間 min

表4 區間運行里程 km

表5 各站點客流數據 人次

5.2.2 指標對比

根據指標計算的方法及參數，對各指標進行計算，計算結果如表6所示。

表6 各方案指標值

從4個指標來看，由于4種方案發車間隔一樣，每站點客流量相同，因此，乘客候車時間一致。

方案1、方案2的乘客在途時間比現行方案減少14.1%；方案1、方案2的列車走行公里比現行方案減少9.2%；方案1、方案2的平均列車滿載率提高33.9%，更加充分利用了列車運能。方案1和方案2的各項指標大致相同，但方案2需要增加1組道岔，可能存在不可行問題。

方案3的乘客在途時間比現行方案減少24.9%；方案3的列車走行公里比現行方案減少13.8%；方案3的平均列車滿載率提高31.7%，更加充分利用了列車運能。雖然方案3在各項指標上較好，但是該方案需要提高列車在13號道岔和T2航站樓之間的運行速度，將運行時間縮短至4.5 min，預計很難實現，可行性較小。且方案 3必須保持較大的發車間隔，不利于遠期的發車間隔調整。

從方案指標計算情況來說，虛擬編組技術下的3種列車運行方案與現行方案相比，在乘客角度和企業角度都具有一定優勢。方案1、方案2與現行方案相比，在乘客在途時間、列車走行公里和平均列車滿載率3個指標上都具有一定優勢；方案3在乘客在途時間和列車走行公里2個指標上具有較大優勢。

從方案實施條件來說，方案1采用整體反向運行的模式，需要對信號系統進行改造；方案2和方案3需要增加1組道岔，可能存在土建條件不具備的情況；另外，方案3采用拉抽屜運行方式，需要較大的行車間隔才可實現，限制遠期的行車間隔調整。因此，方案1的可行性較高。

綜上所述，綜合考慮指標優化和方案可行性2方面因素，建議選擇方案1，在提高服務效率的同時降低運營成本。

6 結語

針對首都機場線實際情況，提出了3種基于虛擬編組技術的列車開行方案，該方案可以實現列車在某一位置解編成2列車分別駛向T2航站樓和T3航站樓，折返后在某一位置重聯成1列車駛向東直門。以首都機場線某日的高峰小時客流量為例，驗證了3種列車開行方案能有效提高乘客出行效率、降低企業運營成本。但新型列車開行方案可能存在不可行情況，因此，在選取列車開行方案時應綜合考慮指標優化和方案可行性2方面因素。