都市圈城際鐵路折返能力研究*

馬保仁

(中國鐵路設計集團有限公司交通運輸規劃研究院，300308，天津∥高級工程師)

20世紀60年代，日本都市交通審議會將“市郊私營鐵道與地鐵按統一標準建設，實現互聯互通、直通運輸”作為工作重點[1]，持續提高軌道交通通勤服務水平，打造了“軌道上的東京都市圈”。借鑒相關經驗，廣州都市圈、深圳都市圈新建都市圈城際鐵路：一是新建線路伸入城市核心區時，采用地下敷設方式，與城市軌道交通在付費區換乘；二是新建線路與既有鐵路銜接融合，兼具城際鐵路和市域(郊)鐵路雙重功能，打造都市圈通勤圈；三是新建線路滿足公交化運輸組織需求。在2022年前，粵港澳大灣區將啟動建設深惠城際(含大鵬支線)、深圳機場至大亞灣城際(簡稱“深大城際”)[2]等都市圈城際鐵路。結合前期研究成果，這些線路平均站間距為6～8 km，適于采用160 km/h速度目標值；主要服務市域通勤需求，兼顧跨區域組團間直連直通，分時段運輸組織靈活，對線路通過能力要求高。為更好地適應乘客便捷換乘、隨到隨走的需要，車站盡量避免設置多站臺、多股道，折返站結合敷設條件參照地鐵布置型式。

折返能力是都市圈城際鐵路線路通過能力的控制環節，主要由列車運行控制(以下簡稱“列控”)系統制式、車站配線形式和折返作業組織方式、列車最高運行速度、車輛加減速性能、停站時間及列車長度等因素綜合確定[3]。在我國，城市軌道交通列控系統多采用CBTC(基于通信的列車控制)制式，其折返能力研究相對成熟[4]；高速鐵路列控系統制式以CTCS(中國列車運行控制系統)為主，結合鐵路客運組織和技術作業條件，其地面站采用“空間換時間”[5]的方式來實現設計折返能力。對于采用CTCS2制式的都市圈城際鐵路，其折返能力和折返作業組織方法作為新技術研發[6]的基礎，正越發受到關注。

1 都市圈城際鐵路列車開行方案

根據深圳都市圈城際鐵路研究年度遠期(2050年)線網開行方案(如圖1所示)，在高峰時段，深惠城際開行列車17對/h，深大城際開行列車16對/h。考慮為深大城際和深惠城際在五和站跨線運行留有一定的運營調整裕量，線路設計折返能力不宜低于20對/h。為實現設計折返能力，T4樞紐站作為深大城際端點折返站[2]，相鄰列車在該站折返間隔不宜大于180 s。

圖1 深圳都市圈城際鐵路研究年度列車開行方案

2 T4樞紐站折返間隔影響因素分析

2.1 T4樞紐站車站布置方案

T4樞紐站采用一島兩線站后折返布置(如圖2所示)。站后交叉渡線采用12#道岔。道岔限速為50 km/h。

2.2 列控系統制式

考慮與既有鐵路跨線運營，從與之技術標準相協調角度考慮，暫假定深圳都市圈城際鐵路列控系統采用CTCS2+ATO(中國列車運行控制系統二級結合列車自動運行)制式，列車能夠自動進入折返線停穩[7]。

相鄰列車在T4樞紐站進站時的追蹤過程如圖2所示。當前行列車(G101)尾部出清站臺區段后，列控系統開始為后行列車(G103)辦理接車進路，且辦理用時為26 s。若前行列車未能出清站臺區段，則后行列車制動停穩于距站臺區段進站信號機前方L防處。

圖2 相鄰列車在T4樞紐站進站時的追蹤過程示意圖

如圖3所示，相鄰列車在T4樞紐站出發時的追蹤出站時，前行列車(G101)尾部出清第一離去區段后，列控系統開始為后行列車(G103)辦理發車進路，且辦理用時為26 s。

圖3 相鄰列車在T4樞紐站出發時的追蹤過程示意圖

2.3 列車折返作業程序

列車折返作業程序同列控系統制式、乘務組織及司機操作流程等有關，其包括自列車完全進入折返線停穩時起，至列車開始駛離折返線時止，列車在折返線上所進行的全部技術作業流程。經過實地調研發現，單司機作業與雙司機作業在技術上均可行。通過去掉復核性冗余操作、使司機操作熟練，對常規作業進行優化，現場記錄優化前后的列車折返作業程序及平均用時，見表1。

表1 現狀折返作業程序寫實

從表1中可以看出：在列車折返線作業中，單司機作業優化前平均用時為765 s，優化后用時可壓縮至565 s；雙司機作業優化前用時為500 s，優化后用時可壓縮至335 s。本文不考慮司機熟練度及冗余作業的影響，故僅按優化后用時進行分析。

2.4 其他參數

動車組的車長按201.4 m計算。考慮乘客舒適度，兼顧動車組快啟快停需求，列車最大減速度按0.9 m/s2控制[8]。

3 T4樞紐站折返間隔檢算及壓縮策略

3.1 基本方案

基本方案為雙司機作業、單折返線折返。由表1可知，基本方案折返作業平均用時為335 s。基本方案折返作業流程如圖4所示。以利用II道單線折返為例，前行折返列車尾部出清警沖標AC2時，后行折返列車即可接入II道。

由圖4可知，基本方案的折返間隔為451 s，折返能力為7對/h，未實現設計折返能力。

CTCS2+ATO列控系統將折返車站劃分為到達站臺分區、折返線分區和出發站臺分區等3個閉塞分區。列車在折返站追蹤過程可相應等效為相鄰列車在3個閉塞分區按準移動閉塞追蹤運行的過程。對列車折返作業流程進一步合并處理，如圖4 b)所示，將折返間隔重構劃分為列車占用到達站臺分區時間(即相鄰列車在到達站臺分區追蹤間隔I到達)、列車占用折返線分區時間(即相鄰列車在折返線分區追蹤間隔I折返)和列車占用出發站臺分區時間(即相鄰列車在出發站臺分區追蹤間隔I出發)。

圖4 基本方案中相鄰兩列折返列車追蹤過程和列車折返作業時序圖

不難看出，相鄰列車在折返線分區實現最緊密追蹤，列車在折返線分區追蹤間隔是列車折返間隔的控制環節。研究壓縮T4樞紐站折返間隔，就是研究壓縮相鄰列車在折返線分區追蹤間隔。

將折返線分區追蹤過程展開如圖5所示。由圖5可以看出，由于前行列車占用進折返線咽喉，與后行列車占用出折返線咽喉不能同時發生，僅可按順序進行，故相鄰列車在折返線分區的追蹤間隔受限。針對這一情況，本文提出折返間隔壓縮策略。

圖5 相鄰列車在折返線分區的追蹤流程及時序圖

3.2 壓縮策略一

折返間隔的壓縮策略一為雙司機作業、多折返線交替折返策略。列車在折返線上的作業時間(335 s)較長,故提出增設折返線，組織多列車在折返站平行作業，進而壓縮列車折返間隔。在該策略基礎上，細化為雙折返線交替折返方案與三折返線交替折返方案。

3.2.1 雙折返線交替折返方案

在雙折返線交替折返方案中，I道與II道交替使用。通過調整，使列車進折返線占用咽喉與出折返線占用咽喉時間緊密接續。相鄰列車在折返站追蹤時序為：

第1步：①車在II道停車。

第2步：在①車完全進入II道后，即可辦理②車進I道進路。

第3步：在①車完成折返線作業后，即可辦理出II道(進入出發站臺)。此時，不影響②車進入I道停車(出II道與進I道形成平行進路，可同步進行)。

第4步：①車尾部出清II道時，即可辦理③車接入II道進路。

第5步：③車完全進入II道后，即可辦理②車出I道的進路。

第6步：②車尾部出清I道后，即可辦理④車接入I道進路。

連續3列列車為1個周期。此后重復第3步至第6步。

該方案的流程及時序如圖6所示。

經檢算，雙司機作業、雙折返線交替折返時，折返能力為15對/h，未能實現設計折返能力。

3.2.2 三折返線交替折返方案

在三折返線交替折返方案中，3條折返線(Ⅰ道、Ⅱ道及Ⅲ道)交替使用。通過調整,使列車進折返線占用咽喉與出折返線占用咽喉時間緊密接續。相鄰列車在折返站追蹤時序為：

第1步：①車在Ⅲ道停車。

第2步：①車完全進入Ⅲ道后，即可辦理②車進Ⅱ道進路。

第3步：②車完全進入Ⅱ道后，即可辦理③車進Ⅰ道進路。

第4步：①車完成折返線作業后，即可辦理出Ⅲ道(進入出發站臺)。此時，不影響③車進Ⅰ道停車(出Ⅲ道與進Ⅰ道形成平行進路，同步進行)。

第5步：②車完成折返線作業后，即可辦理出Ⅱ道(進入出發站臺)。

第6步：②車尾部出清Ⅱ道時，即可辦理④車進Ⅲ道進路。

第7步：④車完全進入Ⅲ道后，即可辦理③車出Ⅰ道進路。

第8步：③車尾部出清Ⅰ道時，即可辦理⑤車進Ⅱ道進路。

連續4列列車為1個周期。此后重復第4步至第8步。

該方案的折返線布置及折返流程時間如圖7所示。

圖7 三折返線交替折返方案的列車作業流程及時序圖

經檢算，相對雙折返線交替折返方案，雙司機作業、三折返線交替折返方案的折返能力為16對/h，雖有一定提升，卻仍未能實現設計折返能力。

3.3 壓縮策略二

壓縮策略二為優化折返作業組織策略，通過合理排布列車折返作業時序，優化折返作業組織，進而壓縮折返作業間隔。以三折返線交替折返方案為例，如圖8所示，調整④車進入Ⅲ道與①車駛離Ⅲ道接續，調整②車在Ⅱ道等待，可將列車折返間隔壓縮至180 s，實現設計折返能力。

圖8 優化后的三折返線交替折返方案列車作業流程及時序圖

4 折返線作業時間優化及數值規律

4.1 雙折返線的作業時間優化

都市圈城際鐵路一般會在斷面客流量突降的中間站設置折返站。小交路折返由于不宜占用正線，故至多采用雙折返線交替折返方案。

如圖9所示：使列車占用進折返線咽喉與占用出折返線咽喉流程緊密接續，當列車的折返線作業時間壓縮為244 s時，列車折返間隔為180 s，可以實現設計折返能力。當組織列車在雙折返線交替作業時，因折返作業存在平面交叉，前行折返列車即便提前完成駕駛室換向等技術作業，也需在出清折返線前等待后行列車進入折返線，因而列車在折返線上停留的時間不能低于206 s。據此計算，此方案中留有38 s調節裕量。

結合圖9中的反算結果，如站后組織列車雙折返線交替折返，則需在當前折返線作業時間(335 s)基礎上進一步核減91 s。司機號、車次號及載頻信息等信息可從CTCS的列車計劃中獲得并由司機手動輸入，CCS編號、電話號、列車參數可由ATP軟件從配置中讀取。由此，建議優化DMI(列控車載人工界面)數據輸入，以ATP軟件自動錄入代替人工輸入，并由司機在發車前一鍵確認，同時省略ATP激活后的制動測試[5]。此時，折返線作業時間可壓縮至120～215 s，低于折返線作業時間閾值244 s，不再制約180 s折返間隔的實現。

圖9 雙折返線交替折返方案下反算折返線作業時間閾值

4.2 單折返線的作業時間優化

當站后折返站折返線與停車線合并設置時，需以單折返線來實現設計折返能力。

如圖10所示，使列車占用進折返線咽喉與占用出折返線咽喉緊密接續。當列車在單折返線上的作業時間為64 s時，列車追蹤間隔為180 s，能實現設計折返能力。

圖10 單折返線條件下反算折返線作業時間閾值

結合圖10中的反算結果，為實現設計折返能力，需在雙折返線作業時間優化的基礎上，將折返線作業時間進一步核減64～151 s。通過動車組增設貫通線或車站增加無線設備等技術改造手段，將折返線上技術作業時間(表1中的步驟2至步驟7、步驟9至12)壓縮至3 s；考慮折返線上僅司機乘降，不考慮各車門上下客的不均衡延誤和站臺門的開關門延緩時間，僅考慮開門時間3 s、關閉車門(含預告時間)時間6 s和關門后列車起動反應時間2 s，將列車停穩確認開門時間從20 s壓縮至11 s。此時，單折返線作業時間可壓縮至64 s，能實現設計折返能力。

4.3 相關數值規律分析

針對不同折返線數量，反算得出折返線作業時間閾值，依此推演折返線上技術作業時間與折返線數量的等量關系：

1) 采用三折返線交替折返時，任一折返列車占用折返線時間為540 s。

2) 采用雙折返線交替折返時，任一折返列車占用折返線時間為360 s；

3) 采用單折返線折返時，任一折返列車占用折返線時間為180 s。

由此可知，折返線數量N、任一列車占用折返線時間t占和實現設計折返能力的折返間隔I系統之間存在等量關系：

式中：

t作業——辦理進折返線進路時間；

t進折返線——列車開始駛離到達站臺，至列車完全進入折返線；

t換——列車換端時間；

t延——列車完成換端后，因等待后行列車進入其他折返線，需在開始駛離折返線前等待時間；

t出折返線——列車開始駛離折返線，至列車尾部完全出清折返線時間。

考慮I系統受相鄰列車在到達站臺分區追蹤間隔I到達、相鄰列車在出發站臺分區追蹤間隔I出發中較大值控制，且為列車進、出折返線咽喉留有調整，其取值應滿足約束條件：

s.t.I系統≥max[t進折返線+t作業+t出折返線+

t作業,I到達,I出發]

5 結語

1) 提出基于CTCS2+ATO列控系統的折返間隔計算方法和控制因素。結合折返站列車追蹤流程，將基于CTCS2+ATO列控系統的折返過程分解為列車在到達站臺分區、折返線分區和出發站臺分區按準移動閉塞追蹤運行的過程，識別折返間隔的控制因素為折返線分區追蹤間隔。

2) 提出都市圈城際鐵路折返能力提升策略并計算論證。論證結果表明，在雙司機、站后三折返線交替折返時，通過優化折返作業組織，能夠實現設計折返能力。

3) 提出了N、t占與I系統的數值關系，以期為都市圈城際鐵路配線設計、運營管理規程編制和自動折返有關技術研發提供理論指引。