城市軌道交通列車站后折返時間分配研究*

張 江 李 健 劉志鋼

(上海工程技術大學城市軌道交通學院， 201620， 上海∥第一作者， 碩士研究生)

提升城市軌道交通線路運力最直接的方式是提高線路通過能力。線路通過能力包括區(qū)間追蹤能力、中間站通過能力和折返能力三方面。目前已有的理論研究及實踐表明，列車折返能力仍然是限制線路通過能力的主要瓶頸[1]。列車折返能力不僅受到折返站線路的制約，還受到信號系統(tǒng)、列車運行速度和站臺作業(yè)時間等條件限制，各限制條件均會對折返時間間隔[2]產生直接影響。

目前大多數(shù)的研究多從優(yōu)化信號系統(tǒng)設計[3]或提高道岔限速[4]等設備層面提升列車折返效率，也有部分研究從縮短停站時間、司機換端作業(yè)時間和駕駛出入庫時間[5]等方面提升列車折返效率。由于整個折返過程包含了設備運行和人員操作的各作業(yè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、相互制約。當設備投入運營后，設備運行時間相對固定，而站臺客運作業(yè)時間仍具有一定調整空間。本文將重點研究設備運行與站臺客運作業(yè)在時序上的關系，推導時間分配公式，提出站臺客運作業(yè)時間和列車追蹤間隔時間的調整建議。

1 站后折返的特點及影響因素

1.1 站后折返的特點分析

常見的折返站設置為站后雙折返線。站后折返由于交叉進路少，避免了乘客上、下車產生的客流對沖，通過站后設置的配線可完成司機換端作業(yè)，因此能更好地確保列車折返安全。

1.2 站后折返的影響因素

站后折返的影響因素可分類為客觀因素和主觀因素兩大類[6]。其中：客觀因素為設備專有屬性，包括折返站型、列車型號和信號設置等；主觀因素主要為客運人員作業(yè)操作。

1) 折返站型。按站臺布置分為側式站臺和島式站臺。其中，側式站臺為線路設在上、下行站臺的中間，島式站臺為站臺設在上、下行線路的中間。因此，與側式站臺相比，島式站臺的站后股道間距較遠、道岔區(qū)長度較長[7]。此外， 城市軌道交通正線通常采用9號道岔(最大通過速度為35 km/h)或12號道岔(最大通過速度為45 km/h)，道岔型號也是制約站后折返的因素之一。

2) 列車型號。根據(jù)線路規(guī)劃建設，城市軌道交通列車可以選用4節(jié)、6節(jié)或8節(jié)編組，由此導致列車的長度、質量有所不同，進而直接影響線路的出清占用區(qū)段時間、牽引/制動下的加速度及減速度等參數(shù)的取值。

3) 信號設置。采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的列車在折返過程中都需要得到移動授權，道岔轉動時間、進路建立時間、列車運行速度、防護區(qū)段設置及聯(lián)鎖邏輯判斷等均會直接影響折返效率。

4) 人員操作。站務人員組織乘客乘降的時間，司機確認信號動車的反應時間及換端時間等人員操作貫穿于整個折返過程，其作業(yè)的熟練程度直接影響折返效率。

2 站后折返過程

2.1 島式站臺站后折返線路設置

本文以島式站臺為例，對站后折返的過程及時間分配進行深入研究。島式站臺站后折返線路的布置如圖1所示。其中：Ⅱ道為上行，Ⅰ道為下行；折返線共設置2條，分別為折Ⅰ線和折Ⅱ線；S表示上行運行方向信號機，X表示下行運行方向信號機，Z為盡頭線阻擋信號機，F(xiàn)為防護信號機；P為道岔；A、B、C為計軸點。

圖1 島式站臺站后折返布置圖Fig.1 Layout of turn-back after station of island platform

2.2 站后折返作業(yè)流程

站后折返作業(yè)流程按照時間順序可依次劃分為3個階段：接車作業(yè)、折返作業(yè)和發(fā)車作業(yè)。其中，折返作業(yè)又劃分為入折返線和出折返線兩部分。本文以固定采用折Ⅰ線折返為例，闡述列車在移動閉塞模式下的折返作業(yè)流程。

1) 接車作業(yè)。Ⅱ道至A點空閑時，列車方可獲得進站的移動授權。列車駛入Ⅱ道并停于停車點，隨后開始站臺作業(yè)操作：交車司機(上行方向的司機)辦理開、關門作業(yè)并播放清客廣播；站臺人員組織列車清客；接車司機上車(雙司機折返時為下行方向的司機)。

2) 折返作業(yè)。在Ⅱ道站臺客運作業(yè)期間，信號系統(tǒng)判斷折Ⅰ線至B點空閑后，預辦理S1至Z2入折Ⅰ線的進路，轉動P1、P3至反位鎖閉，同時鎖閉P5、P7在定位。當Ⅱ道列車的聯(lián)鎖條件滿足時，進路準備完畢，進折Ⅰ線信號將開放。司機在確認折返進路信號開放后，將列車駛入折Ⅰ線。當列車出清A點后，P1、P3、P5、P7解鎖，列車在Z2前的停車點區(qū)域停車。交車司機與接車司機交接列車，并轉換列車的駕駛方向。同時，信號系統(tǒng)預辦理F2至X1出折Ⅱ線的進路，轉動P1、P3至定位鎖閉，同時鎖閉P5、P7在定位。當Ⅰ道至C點空閑時，出折Ⅱ線的信號開放。此時由接車司機確認信號開放狀態(tài)，啟動列車駛出折Ⅱ線至Ⅱ道停于停車點區(qū)域。

3) 發(fā)車作業(yè)：交車司機完成運行任務，接車司機辦理開、關門作業(yè)，站務人員組織乘客登乘。接車司機確認時刻表始發(fā)時間及出站信號開放后，動車出清C點。

2.3 站后折返作業(yè)的時間分析

2.3.1 采用單折返線站后折返的過程時序

根據(jù)上述站后折返作業(yè)流程，結合移動閉塞情況下各作業(yè)間的相互關系，繪制得到單線站后折返過程的時序圖如圖2所示。

2.3.2 站后折返各作業(yè)項目間的時間關系

由圖1可知，從單趟列車實施站后折返的角度分析，整個站后折返過程環(huán)環(huán)相扣，接車、折返、發(fā)車3個過程有嚴格的順序流程；從多趟列車陸續(xù)實施站后折返的角度分析，不同列車、不同作業(yè)間的流程相互制約：接車作業(yè)受入折返線作業(yè)影響，入折返線作業(yè)受出折返線作業(yè)影響，出折返線作業(yè)受發(fā)車作業(yè)影響，發(fā)車作業(yè)又受列車追蹤間隔影響。

經(jīng)分析，彼此相互影響的干擾點為A、B、C 3個計軸點。為使各作業(yè)時間相互匹配，避免相互干擾，使列車的折返作業(yè)耗時最少，本文進一步描述各作業(yè)項目間的時間關系。

受點A影響，列車接車時機的計算式為：

tⅡ,停妥+tⅡ,作業(yè)+t確,入折+tA

(1)

圖2 采用單折返線站后折返的過程時序Fig.2 Process sequence of turn-back after station with single turn-back line

受點B影響，列車入折時機的計算式為：

t折妥+t換+t確,出折+tB

t岔,入折-t信,入折

(2)

受點C影響，列車出折時機的計算式為：

tⅠ,停妥+tⅠ,作業(yè)+t確,發(fā)車+tC

t確,入折+tA+t折妥+t換-t信,出折

(3)

受列車追蹤間隔的影響，列車發(fā)車時機的計算式為：

t追蹤

tⅠ,作業(yè)+t確,發(fā)車+tC

(4)

上述的作業(yè)項目中，影響站后折返的主觀因素涉及tⅡ,作業(yè)、折返作業(yè)中司機確認信號動車時間(t確，入折、t確,出折)、換端作業(yè)時間t換，以及發(fā)車作業(yè)中Ⅰ道作業(yè)時間tⅠ,作業(yè)。為進一步簡化計算，合并時間相近或相同項目，其中t確,入折=t確,出折=t確,發(fā)車=t確；t信,入折=t信,出折=t信,發(fā)車=t信；t岔,入折=t岔,出折=t岔。將式(1)～(4)進行整理，將主觀因素移至不等式左側后可得：

tⅡ,作業(yè)+t確

(5)

tⅡ,作業(yè)-t換-t確>t折妥+tB+t岔+t信-tⅡ,停妥

(6)

tⅠ,作業(yè)-t換

(7)

tⅠ,作業(yè)+2t確>t追蹤-t信-tB-tⅠ,停妥-tC

(8)

其中，將tⅡ,作業(yè)、tⅠ,作業(yè)定義為在上行站臺和下行站臺的客運作業(yè)時間，即司機在離開駕駛位至返回駕駛位的時間段內司機及站務人員執(zhí)行作業(yè)內容所需的總時間。具體的作業(yè)內容依次為：司機離開駕駛位、打開司機室側門、站臺門和列車車門打開并確認、站務人員組織清客或登乘、站臺門和列車車門關閉并確認、關閉司機室側門、返回駕駛位。tⅡ,作業(yè)和tⅠ,作業(yè)的區(qū)別僅在于站務人員的作業(yè)內容：tⅡ,作業(yè)中站務人員在Ⅱ道站臺辦理清客作業(yè)；tⅠ,作業(yè)中站務人員在Ⅰ道站臺組織乘客登乘。

3 影響站后折返的主觀因素在時間上的分配

3.1 計算前提

在移動閉塞模式下，本文對列車站后折返的參數(shù)進行設定：采用站后折Ⅰ線折返；列車過岔的速度不得大于35 km/h；站臺范圍為平直股道，列車進、出站的速度不得大于60 km/h；道岔轉動時間取10.00 s，信號反應時間取3.00 s；列車長度為140 m，采用A型6節(jié)編組列車；列車的加速度和常用制動速度取0.8 m/s2；列車運行等級為一級。

基于上述參數(shù)，得到各客觀因素的具體時間分別為[8]：tⅡ,停妥=20.09 s；tA=48.97 s；t折妥=4.24 s；t岔=10.00 s；t信=3.00 s；tB=40.11 s；tⅠ,停妥=13.53 s；tC=22.78 s。將這些時間點分別代入式(5)～(8)，得到影響站后折返主觀因素間的不等式為：

tⅡ,作業(yè)+t確

(9)

tⅡ,作業(yè)-t換-t確>37.26

(10)

tⅠ,作業(yè)-t換<26.90

(11)

tⅠ,作業(yè)+2t確>t追蹤-79.42

(12)

由于客觀因素在線路建成后若再進行技術改造，將會產生較大的成本，因此，在運營管理中如何控制影響站后折返的主觀因素，對于提升線路通過能力有著重要意義。

3.2 列車追蹤間隔與站臺客運作業(yè)時間的最優(yōu)關系

分析雙司機換端作業(yè)及確認信號作業(yè)可知，司機換端時間t換、確認信號最小時間值t確分別為20.00 s、6.00 s。整理式(9)～(10)可得，tⅡ,作業(yè)與上行列車追蹤間隔的關系為：

63.26

(13)

在此情況下，tⅡ,作業(yè)的最小值為63.26 s，t追蹤的最小值為138.32 s。若增加tⅡ，作業(yè)，則接車的追蹤間隔也需同步增加，否則將造成列車在站外停車、無法正常進站的情況發(fā)生。

由式(11)～(12)可得，tⅠ,作業(yè)與t追蹤間的關系為：

t追蹤-91.42

(14)

為了不影響出折返線作業(yè)，tⅠ,作業(yè)必須控制在46.90 s以內。當tⅠ,作業(yè)取最大值46.90 s時，t追蹤為138.32 s。

綜上可得到折返車站站臺上、下行作業(yè)時間與列車追蹤間隔間的關系。線路正常運營時，t追蹤的最優(yōu)值為138.32 s，tⅡ,作業(yè)為63.26 s，tⅠ,作業(yè)為46.90 s。

3.3 列車追蹤間隔120 s時的站臺客運作業(yè)時間

為了實現(xiàn)地鐵線路的高密度運行，行車密度應滿足不小于30對/h。當列車追蹤間隔達到120 s時，需對客運作業(yè)時間作進一步計算。tⅡ,作業(yè)因只受前序折返列車影響，故仍設置為63.26 s，此時會出現(xiàn)列車站外停車、排隊等待進站的情況，后續(xù)列車的排隊等待時間為18.32 s。由此，tⅠ,作業(yè)應調整為28.58 s。在此情況下，對客運作業(yè)提出以下幾點建議：

1) 在未改變折返流程和信號系統(tǒng)邏輯判斷的情況下，站臺Ⅱ道的客運作業(yè)時間均可設置為 63.26 s，可滿足線路末端車站乘客較少時的清客需求。

2) 如需延長站臺Ⅱ道的停站時間，將導致站外列車排隊等待時間增加。此時還需考慮站間距對閉塞分區(qū)的影響，以避免多列車區(qū)間阻塞。

3) 如需適度延長站臺Ⅰ道的乘客登乘時間，可采取提高列車區(qū)間運行等級或縮短途中停站時間等措施，以保證列車按圖定追蹤間隔運行。

4) 站臺客運作業(yè)宜采用標準化流程，以確保司機作業(yè)一次完成，避免因誤操作造成的時間延誤。在提高折返效率的同時，更應重視折返安全，站務人員與司機需加強溝通協(xié)作，避免夾人、夾物等危險情況的發(fā)生。

4 結語

本文通過分析列車在站后折返過程中設備運行和人員操作的各作業(yè)環(huán)節(jié)，梳理了各環(huán)節(jié)間的相互制約關系，并將這些關系轉化為不等式。代入相對固定的設備運行時間后，計算得到站臺客運作業(yè)時間，使設備運行與人員操作的各環(huán)節(jié)更加緊密結合。此外，在運營過程中還可根據(jù)本文研究得到的時間分配公式，用以推導不同列車追蹤間隔下的站臺客運作業(yè)時間范圍，并有針對性地制定列車站后折返的標準化作業(yè)方案，以提升折返效率。