城市軌道交通系統設計能力分析及優化

付 嚴

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

地鐵是高密度、快速運行的城市公共交通系統。系統設計能力是指線路的各項設備設施整體所具備的支持列車運行密度的能力。考慮到信號系統、車輛性能及配線設置方式所能夠提供的條件，GB 50157—2013《地鐵設計規范》確定遠期系統設計能力不應小于30對/h[1]。

目前我國各大城市的地鐵建設中普遍采用了30對/h這一標準，可以說這一標準在一定時期內充分發揮了工程的運輸效率，提高了服務水平，并在一定程度上具備適應客流變化風險的能力。

但是在城市化發展過程中，客流激增，有些線路運營初期就達到了近遠期客流水平，逼近30對/h的系統能力紅線。因此，有些城市在后續建設中提出了增加列車編組來解決輸送能力不足的問題。

1 增加編組提升系統輸送能力

以成都5號線為例，可行性研究設計采用系統能力30對/h，初、近和遠期均采用6輛編組的A型車。隨著5號線服務的天府新區升級為國家級新區，成都市城市空間將向天府新區擴展、城市功能和產業布局導致客流發生了巨大變化。系統能力30對/h，6A編組的輸送能力已經不能滿足需求。因此，5號線在可研調整過程中，將列車編組由6A改為了8A。很明顯，在系統能力不變的情況下，6A編組改為8A編組，其輸送能力增加了33.3%。

增加車輛編組，線路需要根據站位和周邊構筑物情況調整曲線半徑和坡度；車站需要增加土建規模和配套市政管線遷改、交通疏解等投入；區間需要新增風險應對措施；車輛基地用地規模和建筑規模均大幅增加；牽引變電站數量和容量需要增加；軌道、機電和弱電系統投資也隨著車站及車輛基地規模的增加而增加。因此，通過增加列車編組的方式提高輸送能力同時也增加了土建規模、配套投入、風險控制措施和運營能耗。

2 系統設計能力分析

在線路條件、車輛配置、信號設備和供電系統等設施設備與行車組織條件一定的情況下，線路在單位時間1 h內所能通過或接發的最大列車對數，通常用行車間隔指標來判定（行車間隔指在線路上任意一點，同向連續運行列車間的時間間隔）[2]，計算公式為

式中：C為系統設計能力，對/h；T為行車間隔，h或s[3]。

行車間隔要考慮區間追蹤間隔、中間站通過間隔和折返站折返間隔3方面因素，通常區間追蹤間隔、中間站通過間隔均能滿足不大于90 s，但折返間隔受限于折返站配線、車輛、軌道、停站時間和信號系統等的影響往往在120 s左右，甚至更大，是制約城市軌道交通線路提升運輸能力的瓶頸。因此減小折返間隔，是提高運輸能力的關鍵。

也就是說只要折返間隔縮短，系統能力就能夠提高，進而可以增加地鐵的輸送能力。相對于增加土建規模，通過提升系統能力提高輸送能力更經濟。因此有必要研究提升系統能力的方法，尤其是提升折返能力的方法。

3 系統能力設計

近年來我國城市軌道交通線路大都采用移動閉塞模型設計。但是對于特殊場景系統設計會考慮安全因素和技術限制，在移動閉塞的局部會采用固定閉塞。折返區域就是采用的固定閉塞。固定閉塞模型認為行車間隔的本質是列車在各固定閉塞分區的占用時間，折返過程中列車占用時間最長的閉塞分區決定了折返間隔的大小。對一個折返站折返能力進行分析時，首先識別折返過程中的閉塞分區；然后逐一分解閉塞分區的作業流程，通過優化每一個作業流程的時間，確定列車在整個閉塞分區的占用時間；最后取占用時間最大值作為該折返站的折返間隔。以下從固定閉塞和移動閉塞折返能力分別進行分析。

3.1 固定閉塞折返能力分析

3.1.1 固定閉塞作業流程分解

站后折返效率高，被廣泛采用。因此，本文以最典型的站后折返站型進行折返能力分析。按照固定閉塞模型，折返作業過程可分為接車、折入、折出及發車4個閉塞分區，對應4條聯鎖進路，劃分方式如圖1所示。

圖1 固定閉塞進路示意圖

（1）進站停車進路（P點—信號機S1）一次制動曲線。

（2）入折返軌進路（信號機S1—信號機S2）固定閉塞。

（3）出折返軌進路（信號機X3—信號機X4）固定閉塞。

（4）發車駛離進路（信號機X4—區間授權點）。

其中進站停車可以分解為辦理接車進路、列車進站停車及停站下客3個過程；入折返線進路可以分解為辦理折返進路、列車駛入折返線2個過程；出折返線進路可以分解為辦理離開折返線進路、列車換端、駛離折返線進站停車及停站上客；發車駛離進路可以分解為辦理發車進路、駛離車站。如圖2所示。

圖2 折返作業流程分解圖

從聯鎖進路原理上分析，到達間隔、折入折出間隔及發車間隔均受上一列車進路軌道占用情況的影響。

發車進路一般只要區間空閑，能夠進行移動授權即可辦理。

折出進路辦理的條件是上一列車（列車1）駛離站臺，尾部出清C點，滿足當前列車進路保護區段建立的要求。立即辦理折出進路，列車2啟動駛入站臺區，此時發車間隔T發最小。

折入進路辦理的條件是上一列車（列車1）駛離折返線，尾部出清B點，滿足限界和道岔轉換的要求。立即辦理折入進路，列車2啟動駛入折返軌，此時折入折出間隔T折最小。

接車進路辦理的條件是上一列車（列車2）駛離站臺，尾部出清A點，滿足當前列車（列車3）接車進路保護區段建立的要求。一次制動曲線進站，此時列車到達間隔T到最小。

整個折返作業間隔T折返=max{T到，T折，T發}。

3.1.2 固定閉塞作業流程能力提升措施分析

從圖2分析可知，將作業類型分為進路辦理、列車走行、站停上下客3類。可以把t1、t4、t7和t12劃為進路辦理類；把t2、t5、t6、t9、t10和t13劃為列車走行類；把t3和t11劃為站停上下客類；t8列車換端作業可與t7進路辦理同時進行，因此把t8也劃為進路辦理類。下面就此3類流程優化措施進行分析。

（1）進路辦理優化措施。進路辦理一般包括進路鎖閉信號開放時間和進路及保護區段內道岔轉換時間。圖2中除t12僅包含進路建立鎖閉信號開放時間外，t1、t4、t7均包含上述2個時間。

進路建立鎖閉信號開放主要是聯鎖檢查敵對信號條件、道岔位置條件、軌道空閑條件和其他聯鎖條件是否滿足進路鎖閉，滿足則輸出聯鎖指令，驅動繼電器動作控制電路，開放信號。一般情況下，只要道岔位置條件滿足，進路建立的時間大約在1~2 s；如果道岔不在規定位置，則道岔轉換的時間較長。

單組牽引1/9號道岔轉換從聯鎖輸出道岔轉換指令、轉轍機轉換鎖閉到聯鎖采集道岔狀態，整個過程時間大約6.5 s。當進路中存在多組道岔時，為了減少轉轍機同時啟動對電源系統的感性沖擊，聯鎖機設置了順序驅動進路中各組道岔的機制，但同時也增加了道岔轉換在進路辦理中的整體動作時間。

以圖1中S1→S2進路為例，該進路中包含1組單動道岔D1和1組交叉渡線的道岔D2、D3、D4和D5，最不利情況下，所有道岔均不在所需位置，辦理該進路要求5組道岔的轉轍機均順序動作，聯鎖驅動道岔D1~D5轉轍機向進路需要位置轉換。可以考慮從以下方面優化作業時間：①聯鎖機配置減少道岔順序驅動間隔時間。②聯鎖機配置同時驅動2組道岔減少啟動間隔數量，此時需要電源系統配合設計抗感性沖擊。③采用高速高性能轉轍機，減少轉轍機動作時間。④采用處理速度高的系統軟硬件設備，減少系統計算和指令輸出、狀態采集時間。

（2）列車走行優化措施。列車走行主要考慮列車運行時間和技術作業時間2方面。①優化線路。通過道岔布置盡量靠近折返站臺、采用側式站臺壓縮線路間距等，使列車走行距離短。②優化道岔側向通過速度。通過優化道岔側向通過不可突破速度、采用大號碼道岔等措施，提高線路側向通過速度；同時優化ATO速度使其速度更接近道岔不可突破速度。③優化進路解鎖時機。通過優化布置軌旁計軸，使進路逐段解鎖后，盡早釋放后續進路建立需要的軌道區段。如圖1中A、B、C點的計軸布置。④優化系統接口。傳統車載信號系統與TCMS列車控制系統之間采用MVB多功能車輛總線的接口方式進行信息的傳輸，其傳輸時延在300~450 ms，加速度、減速度達到90%時，延時更達到了1 700 ms。近年來已有廠商研究車載以太網接口形式，延時可降低至10~50 ms。折返作業過程中車輛牽引制動系統與信號ATO之間頻繁通信，采用車載以太網接口能減少系統間響應時間，折返間隔能相應縮減。⑤采用全自動運行技術減少人為技術作業時間，縮短折返時間。

通過上述分析可以看出，列車走行時間要在前期設計中對線路布置、設備選型和接口標準等方面進行充分研究比選優化，后期則不容易壓縮間隔。

（3）站停時間優化措施。正常情況下，列車在車站停穩后車門站臺門聯動打開，列車啟動前應通過目視或技術手段確認車門關閉，在有站臺門的車站，列車關門時間不宜大于17 s，乘客比較擁擠的車站不宜大于19 s[1]。其中純開門時間為2.5~3.5 s，純關門時間為3~4 s，還有大約10 s時間是站臺門、車輛系統響應和確認時間。

車門和站臺門系統通過信號系統實現聯動，其中車門和信號ATO系統采用MVB多功能車輛總線接口，上文已經做過分析此處不再贅述，僅將站臺門與信號聯鎖系統接口進行分析。目前大多數城市的站臺門和信號聯鎖系統采用繼電接口，信號向站臺門系統傳遞開門和關門指令，站臺門向信號系統反饋關閉且鎖緊和互鎖解除信息。信號系統集成站臺門門控系統，采用信號安全網絡接口對站臺門進行控制可以實現毫秒級控制命令輸出和信息回傳，減少系統間信息傳遞時間。

傳統的固定閉塞折返模型下，單一技術措施都是秒級和毫秒級的間隔縮短，對系統能力提升是有限的。即便采用以上所有措施，在120 s間隔的基礎上有大幅縮減仍然是極大的挑戰。

3.2 移動閉塞模型

3.2.1 移動閉塞間隔分析

通過3.1.1固定閉塞作業流程分解可以清晰地看出，固定閉塞是對軌道空間資源進行了大顆粒度的占用，列車沒有有效地進行緊密追蹤。因此要想提高系統設計能力，必須打破固定閉塞模型，突破聯鎖進路邏輯。

由圖1可以得出，對于進站停車進路和發車駛離進路完全可以理解為移動閉塞下的進站停車和站臺發車。在這2種情況下移動閉塞后車可以根據前車的實際位置進行追蹤，大幅減少行車間隔。因此，這2個階段在移動閉塞模型下不是折返間隔的瓶頸。

限制折返間隔真正的瓶頸實際上是折返區不可追蹤的區域，如圖3所示，折返間隔可以理解為干擾點P→P'之間的作業時間。

圖3 移動閉塞折返示意圖

P→P'之間的作業時間可分解為以下流程。

后續列車折返前道岔轉換和移動授權計算時間，按10 s計算；折返區干擾點P至折返軌的運行時間；折返軌等待時間（含換端、道岔轉換和移動授權計算等時間）按10 s計算；出清折返區P'的運行時間，按30 s計算；按列車進出折返線均走行215 m，道岔側向限速27 km/h，加速度1.0 m/s2計算，進出不可追蹤區域走行時間各大約需要32.42 s；折返軌等待和后續列車授權時間各取10 s時間。考慮理論上，P→P'間隔時間約為85 s。

通過上述分析，移動閉塞模型下，后車的移動授權在前車越過P干擾點后不可追蹤前車實際位置，只有當前車越過P'干擾解除點后折返區域空閑，后車才能根據移動受權追蹤前車。因此，移動閉塞模型下提升系統折返能力的方法就是縮短P→P'之間的作業時間。而相應的折返優化技術措施與3.1.2固定閉塞中的闡述一致，對折返時間縮短同樣很有限，此處不再贅述。

3.2.2 移動閉塞間隔能力實測

2021年5月9 日，在青島舉辦的列車自主運行系統（TACS）成果展示會上，中車四方所向與會專家展示了該系統在青島地鐵6號線的工程應用及實測情況，目前實驗中基于移動閉塞折返間隔為92 s，還有進一步的優化空間。

2021年6月28 日，在卡斯柯的車車通信TACS系統評審會上，專家們現場實測了該系統多個關鍵功能和性能指標，其中基于移動閉塞模型的折返間隔指標已經達到了83 s。

2021年8月7 日，在上海電氣泰雷茲的“地鐵線路高新能折返（RET）新技術現場演示會”上，專家們現場見證了移動閉塞系統折返間隔達到了86 s。

從目前公布的基于通信的列車自動控制系統CBTC模式折返成績來看，卡斯柯和上海電氣泰雷茲系統基于移動閉塞折返均達到了90 s，并留有一定的余量，也就以實例證明基于移動閉塞折返能力可以大幅提升，使系統設計能力達到40對/h是可能的。在編組不變的情況下，系統設計能力由30對/h提升至40對/h后，輸送能力同樣增加了33.3%。

4 結束語

本文通過對固定閉塞和移動閉塞模型折返能力的分析，得出移動閉塞折返間隔達到90 s的可能性，即移動閉塞下可達到40對/h行車能力的目標。同時，通過對提升系統能力和增大編組2種方案輸送能力效果的對比，提升系統能力在保證相同輸送能力的前提下，可采用相對較小的列車編組。這樣不僅減少了土建工程、配套設備數量及節省運營費用的支出，而且縮短行車間隔，減少了乘客候車時間，提高了服務質量。軌道交通建設是百年工程，城市的發展具有不確定性，規劃會隨著城市發展戰略調整，編組長度和系統能力都是城市軌道交通輸送能力的儲備。