城市軌道交通列車折返能力優(yōu)化方案研究

馬 沖

（通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著各城市的軌道交通線網(wǎng)逐步形成，近年來各線路的客流量不斷增大，國內(nèi)大中城市骨干線路逐步縮短運(yùn)行間隔以提升運(yùn)輸能力，折返站的折返能力將制約線路的運(yùn)行間隔。對于既有車站，折返站型已經(jīng)固定，道岔類型也不易修改，為了提高線路的折返能力，從信號系統(tǒng)角度綜合考慮折返能力的主要影響因素，提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，從而提升線路的運(yùn)輸能力。

2 折返間隔分析

折返間隔指兩列車折返運(yùn)行時所能達(dá)到的間隔時間，是指兩列車在正常折返運(yùn)行過程中，經(jīng)過線路上任意同一位置時間差的最小值。本文選用站后雙折返線站型為研究對象，車站信號平面布置如圖1所示。對折返間隔的過程進(jìn)行分析，折返間隔需要考慮下行站臺的接車間隔、下行站臺的發(fā)車間隔、上行站臺的接車間隔以及上行站臺的發(fā)車間隔，4個間隔的最大值即為該折返站的折返間隔，其中上行站臺的發(fā)車間隔對于無岔站和折返站無差異，本次不重點(diǎn)分析。各折返間隔的具體說明如下。

圖1 折返站信號平面布置示意Fig.1 Schematic diagram of signal layout at turn-back station

下行站臺接車間隔包括列車自降速點(diǎn)運(yùn)行至下行站臺的時間、列車站停時間、司機(jī)反應(yīng)時間、列車啟動反應(yīng)時間、自下行站臺發(fā)車至出清保護(hù)區(qū)段的時間（含3 s延時出清）、保護(hù)區(qū)段辦理及移動授權(quán)延伸時間。

下行站臺發(fā)車間隔包括司機(jī)反應(yīng)時間、列車啟動反應(yīng)時間、列車自下行站臺發(fā)車至折返軌停車時間、列車折返換端時間、列車啟動反應(yīng)時間、列車自折返軌上行方向發(fā)車至出清JZ1時間（含3 s延時出清）、下行站臺至折返軌進(jìn)路辦理及開放時間。

上行站臺接車間隔包括列車自降速點(diǎn)運(yùn)行至上行站臺時間、列車站停時間、司機(jī)反應(yīng)時間、列車啟動反應(yīng)時間、列車自上行站臺發(fā)車至出清保護(hù)區(qū)段時間、移動授權(quán)延伸時間。

3 折返能力優(yōu)化分析

針對站場站型以及道岔類型已固定的情況，對影響間隔的各因素進(jìn)行深入分析，提出提升折返站折返能力的具體措施。

3.1 優(yōu)化列車下行站臺進(jìn)站時間

站臺是否允許追蹤將影響列車開始降速點(diǎn)位置，站臺不允許追蹤時，前車出清站臺區(qū)域后，后車允許追蹤進(jìn)入站臺，而站臺允許追蹤時，后車按照前車車尾動態(tài)進(jìn)行追蹤，列車開始降速點(diǎn)相比站臺不允許追蹤時的降速點(diǎn)后移，可縮短列車自降速點(diǎn)距站臺的運(yùn)行時間，優(yōu)化下行站臺接車間隔。

3.2 優(yōu)化站臺至折返軌時間

列車自下行站臺至折返軌時間將影響折返站下行接、發(fā)車間隔，列車盡快出清下行站臺進(jìn)站進(jìn)路保護(hù)區(qū)段，可縮短下行站臺接車間隔，縮短列車自站臺運(yùn)行至折返軌停穩(wěn)的時間，可優(yōu)化上行站臺接車間隔，具體優(yōu)化手段如下。

1）優(yōu)化列車自動運(yùn)行（ATO）控車算法

列車在下行站臺完成清客作業(yè)后發(fā)車，列車已處于空載狀態(tài)，對ATO的控車舒適度以及停車準(zhǔn)確性要求不高，ATO在折返時可通過特定算法，縮短列車運(yùn)行時間：

站臺發(fā)車時ATO輸出最大牽引級位，提升列車發(fā)車時的加速度，以最短時間達(dá)到運(yùn)行的頂棚速度；

優(yōu)化ATO在中低速運(yùn)行時的控車算法，并在設(shè)計階段與車輛緊密配合，優(yōu)化車輛制動響應(yīng)時間，進(jìn)一步降低ATO運(yùn)行目標(biāo)速度與緊急制動速度的差值，提升列車運(yùn)行的頂棚速度；

列車在折返軌停車時無較高的停準(zhǔn)要求，ATO可提升制動時的目標(biāo)制動率，縮短列車制動的時間，但由于ATO制動率的提升將影響ATO控車的停準(zhǔn)率，列車自動防護(hù)（ATP）可擴(kuò)大列車在折返軌的允許停準(zhǔn)范圍。

2）縮短列車運(yùn)行距離

列車折入折返軌的運(yùn)行距離為列車站臺停車點(diǎn)至折返軌停車點(diǎn)間的距離，通過優(yōu)化列車在折返軌停車點(diǎn)設(shè)計位置，使得列車尾部盡可能靠近折返軌入口停車，以縮短列車折入時的運(yùn)行距離。

3.3 優(yōu)化列車折返換端時間

列車折返換端時間為列車在折返軌停穩(wěn)至再次啟動的時間，該時間內(nèi)需完成的作業(yè)如下。

1）列車在折返軌停穩(wěn)后，自動或人工進(jìn)行換端作業(yè)，同時系統(tǒng)辦理列車的折出進(jìn)路；

2）折出進(jìn)路鎖閉且信號開放后，區(qū)域控制器（ZC）向車載控制器（VOBC）發(fā)送延伸的移動授權(quán)；

3）ATO判斷移動授權(quán)長度滿足控車需求后，控制列車啟動。

由上述作業(yè)過程可見，車載VOBC換端作業(yè)與聯(lián)鎖辦理折出進(jìn)路并行處理，兩者的較大值將影響列車折返換端時間。

列車換端可采用人工換端或無人自動折返的方式。人工換端時，司機(jī)需人工完成換端以及發(fā)車的相關(guān)操作，換端時間與司機(jī)的操作熟練度有較大關(guān)系；采用無人自動折返時，列車的換端操作由系統(tǒng)自動完成，可有效減少換端時間。根據(jù)現(xiàn)場測試，與采用雙司機(jī)人工換端相比，無人自動折返可縮短換端時間8 s左右。

地鐵線路正常運(yùn)營時ATS為中控模式，聯(lián)鎖根據(jù)ATS命令辦理進(jìn)路，列車在尾部出清道岔區(qū)域后，折出進(jìn)路的辦理?xiàng)l件已具備，ATS可采用進(jìn)路預(yù)排機(jī)制，在列車完全進(jìn)入折返軌后立即按照計劃更換車次，并在預(yù)排條件滿足后辦理進(jìn)路。

3.4 優(yōu)化折返軌至站臺時間

縮短折返軌至上行站臺的時間，可提升下行站臺的發(fā)車能力以及上行站臺的接車能力。列車自折返軌發(fā)車折出運(yùn)行，列車出清關(guān)鍵計軸后，后車折入進(jìn)路具備辦理?xiàng)l件，如圖1所示，列車尾部包絡(luò)出清計軸JZ2后，后車折入進(jìn)路可辦理，縮短列車出清關(guān)鍵計軸的時間提升下行站臺的發(fā)車能力，可采取的優(yōu)化方案如下：

1）提升ATO折返發(fā)車時的牽引級位和ATO在折返軌運(yùn)行時的最高速度，可縮短列車出清關(guān)鍵計軸的時間。

2）在設(shè)計關(guān)鍵計軸的位置時，需盡可能縮短列車出清關(guān)鍵計軸所運(yùn)行的距離。如圖1所示，JZ2設(shè)置時需靠P06的岔尖位置，以縮短列車折出時出清JZ2所需運(yùn)行的距離。

上行站臺接車能力主要限制與列車折返軌發(fā)車至站臺停車的時間，可采取提升ATO發(fā)車牽引級位和ATO運(yùn)行最高速度的方式，考慮列車在站臺的停車精度，提高目標(biāo)制動率對停準(zhǔn)影響較大，ATO的目標(biāo)制動率需保持在合適的范圍內(nèi)。

3.5 其他優(yōu)化措施

優(yōu)化列車過岔速度：在設(shè)計階段與軌道專業(yè)深度配合，確認(rèn)道岔類型相匹配的道岔不可突破速度，作為信號系統(tǒng)控車的輸入，以提升列車過岔時運(yùn)行速度。

優(yōu)化道岔動作時間：聯(lián)鎖在動作多個道岔時采用錯峰的方式避免電流峰值過大，由于城市軌道道岔數(shù)量較少，可考慮優(yōu)化道岔錯峰機(jī)制。

優(yōu)化列車啟動牽引及制動力的響應(yīng)時間：列車啟動牽引以及制動力的響應(yīng)時間影響列車啟動的時間以及信號系統(tǒng)控車曲線的計算，優(yōu)化車輛牽引響應(yīng)時間將縮短列車折入以及折出時間，優(yōu)化車輛制動響應(yīng)時間將提升列車運(yùn)行速度與緊急制動速度的貼合度。

提升運(yùn)營人員操作熟練度：列車折返過程中部分時間受人為主觀因素影響，列車發(fā)車時，需要司機(jī)判斷列車到達(dá)發(fā)車時間且具備發(fā)車條件后，按壓ATO按鈕發(fā)車；列車折返時，需司機(jī)根據(jù)提示完成折返操作，司機(jī)的業(yè)務(wù)熟練度將影響折返間隔，可通過培訓(xùn)和演練的方式提升人員能力，縮短附加時間。

4 方案驗(yàn)證

采用北京地鐵8號線瀛海站作為驗(yàn)證站場，采用上述方案優(yōu)化后的信號系統(tǒng)軟件進(jìn)行驗(yàn)證測試。瀛海站為8號線的終端折返站，具體參數(shù)如下：

1）折返道岔為12號道岔，直向不可突破速度為125 km/h，側(cè)向不可突破速度為55 km/h；

2）站臺不可突破速度為60 km/h；

3）線路不可突破速度為85 km/h；

4）瀛海站上、下行站停時間為30 s；

5）8號線車輛采用6B編組，2動4拖，車長為118.61 m。

由于8號線珠市口站不具備2 min間隔測試能力，因此在瀛海區(qū)域進(jìn)行局部2 min間隔測試。測試列車共6列，編制2 min間隔運(yùn)行圖，圖定折返到發(fā)時間114 s（列車從瀛海下行站臺啟動至瀛海上行站臺停車的時間），計劃運(yùn)行如圖2所示。

圖2 測試計劃運(yùn)行Fig.2 Test plan operation diagram

6列測試列車采用AM-C駕駛模式，司機(jī)根據(jù)站臺發(fā)車計時器指示發(fā)車，共計在瀛海站后完成兩次折返，采用無人自動折返模式，測試的實(shí)跡運(yùn)行如圖3所示。

圖3 測試實(shí)跡運(yùn)行Fig.3 Test trace operation diagram

各列車瀛海站站后折返間隔在108～110.4 s，滿足2 min間隔要求，并留有余量。各車具體折返間隔以及折返到發(fā)時間如表1所示。

表 1 各測試列車折返間隔以及折返到發(fā)時間Tab.1 Turn-back interval and arrival & departure time of each tested train

5 總結(jié)

通過對信號系統(tǒng)的優(yōu)化，可進(jìn)一步發(fā)揮線路的運(yùn)輸能力，提升城市軌道交通的運(yùn)力。本文通過對典型站場站后折返的研究，細(xì)化列車折返作業(yè)的流程，提出各作業(yè)項(xiàng)目時間的優(yōu)化方案，并依據(jù)此方案對信號系統(tǒng)軟件進(jìn)行優(yōu)化，該軟件在北京地鐵8號線完成現(xiàn)場驗(yàn)證測試，實(shí)現(xiàn)了2 min間隔運(yùn)營并預(yù)留10%余量，為站后折返設(shè)計和軟件優(yōu)化提供參考和建議。