無人自動(dòng)折返模式下城市軌道交通車站站后折返能力分析

羅詩蕓

(廈門軌道建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司, 361001, 廈門∥助理工程師)

城市軌道交通折返站的折返能力制約著列車運(yùn)行交路上終到站折返方式的選擇,以及高峰期行車間隔的進(jìn)一步壓縮,而折返能力主要取決于車站配線設(shè)置、信號(hào)閉塞方式、列車停站時(shí)間及接發(fā)列車間隔等。在車站配線等基礎(chǔ)設(shè)施無法變動(dòng)的情況下,為壓縮高峰期行車間隔,提升運(yùn)輸服務(wù)水平,有必要研究列車運(yùn)行交路上終到站的折返能力。

目前,國內(nèi)對(duì)城市軌道交通折返站折返能力的研究主要有:文獻(xiàn)[1]對(duì)比分析了站前單渡線、交叉渡線,站后單渡線、交叉渡線共4種折返站型的折返作業(yè)流程和作業(yè)時(shí)間,提出站前、站后均可用于折返的最優(yōu)折返站渡線布設(shè)方案;文獻(xiàn)[2]分析了島式車站列車折返過程和折返時(shí)間,得出城市軌道交通列車折返的一般特點(diǎn)以及折返能力的計(jì)算方法;文獻(xiàn)[3]繪制了站后單線及雙線折返作業(yè)的技術(shù)作業(yè)程序圖,計(jì)算了相應(yīng)折返間隔和折返能力,得出不同行車間隔條件下使用不同折返方式的結(jié)論;文獻(xiàn)[4]通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比分析了不同折返路徑對(duì)應(yīng)的折返間隔,得出折返方式的一般規(guī)律。目前,國內(nèi)已有較多城市軌道交通采用ATB(無人自動(dòng)折返)模式,但對(duì)其折返能力研究較少,因此,亟待開展ATB模式下折返能力的研究。本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上,以采用ATB模式折返為切入點(diǎn),基于時(shí)序模型對(duì)城市軌道交通站后折返作業(yè)過程進(jìn)行分析,并結(jié)合實(shí)際折返作業(yè)過程中受到的影響,提出采用不同站后折返方式的折返間隔與折返方式的選擇。

1 基本概況

城市軌道交通列車折返方式根據(jù)車站配線設(shè)置分為站前折返和站后折返,根據(jù)配線數(shù)量分為單線折返和雙線折返。站后折返站是城市軌道交通折返站最常見的類型,即折返線設(shè)置在終到站的后方,列車到站后完成下客作業(yè)并使用站后渡線完成折返作業(yè)。

本文以廈門地鐵2號(hào)線五緣灣站(以下簡(jiǎn)稱“2號(hào)線”)為例,對(duì)其站后折返能力進(jìn)行研究。2號(hào)線五緣灣站的線路信息示意如圖1所示。

注:P為道岔;A為道岔P05、P11所在的計(jì)軸區(qū)段;B為道岔P07、P09所在的計(jì)軸區(qū)段;C為列車在鐘宅站上行出站后觸發(fā)進(jìn)入五緣灣站折返線進(jìn)路的計(jì)軸區(qū)段;S為五緣灣站上行出站信號(hào)機(jī);X為五緣灣站下行信號(hào)機(jī)。

五緣灣站為2號(hào)線上行交路的終到站,鐘宅站為終到站前1個(gè)車站。2號(hào)線采用移動(dòng)閉塞法行車,采用ATB模式折返。該折返模式下,列車可在FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)模式下從到達(dá)站臺(tái)進(jìn)入和折出折返線,最后進(jìn)入發(fā)車股道。司機(jī)利用折返時(shí)間換端,不影響折返作業(yè),列車可實(shí)現(xiàn)折返線內(nèi)即停即走,較傳統(tǒng)折返模式節(jié)省了司機(jī)換端作業(yè)時(shí)間。

2 五緣灣站站后折返能力分析

基于ATB模式,利用時(shí)序模型,將折返作業(yè)拆分為單項(xiàng)作業(yè)。根據(jù)作業(yè)的前后順序及限制條件將其繪制在時(shí)序圖上,通過該時(shí)序模型計(jì)算分析相鄰兩列車的到達(dá)間隔、進(jìn)出折返線間隔及發(fā)車間隔等,對(duì)比得出該折返方式下的最小折返間隔及其折返能力。

列車折返的單項(xiàng)作業(yè)如下:

1) 到達(dá)站臺(tái)接車:列車越過X02信號(hào)機(jī)至到達(dá)站臺(tái)停穩(wěn)。

2) 列車到達(dá)停站:列車在到達(dá)站臺(tái)停留,在此期間完成下客、開關(guān)門及建立ATB模式等作業(yè),直至信號(hào)開放、列車動(dòng)車前。

3) 信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路:信號(hào)系統(tǒng)排列所需進(jìn)路,進(jìn)路準(zhǔn)備完畢至信號(hào)開放。

4) 列車從到達(dá)站臺(tái)運(yùn)行至出清A區(qū)段:列車從到達(dá)站臺(tái)動(dòng)車,至列車尾部出清道岔所在的A區(qū)段。

5) 列車從出清A/B區(qū)段運(yùn)行至折返線:列車從出清道岔所在的A/B區(qū)段運(yùn)行至折返線停穩(wěn)的過程。

6) 列車從到達(dá)站臺(tái)進(jìn)入折返線:列車從到達(dá)站臺(tái)動(dòng)車,出清道岔所在的A/B區(qū)段,列車完全進(jìn)入折返線所在計(jì)軸區(qū)段。

7) 列車在折返線停留:列車在折返線內(nèi)停留,包含信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路、換端等待的過程。

8) 列車換端等待:采用站后雙線交替折返時(shí)優(yōu)先完成接車作業(yè),列車在折返線停留等待。

9) 列車從折返線運(yùn)行至出清B區(qū)段:列車從折返線動(dòng)車,完全離開折返線所在計(jì)軸區(qū)段,至出清道岔所在的B區(qū)段。

10) 列車從出清B區(qū)段運(yùn)行至發(fā)車站:列車出清道岔所在的B區(qū)段后,至列車越過S03信號(hào)機(jī)至發(fā)車站臺(tái)停穩(wěn)的過程。

11) 列車出折返線到達(dá)發(fā)車站臺(tái):列車從折返線動(dòng)車,越過S03信號(hào)機(jī)至發(fā)車站臺(tái)停穩(wěn)的過程。

12) 列車發(fā)車停站:列車在發(fā)車站臺(tái)停留,在此期間完成上客、開關(guān)門,以及完成CBTC-AM(基于通信的列車控制-自動(dòng)模式)等作業(yè),直至信號(hào)開放、列車動(dòng)車前。

13) 發(fā)車站臺(tái)發(fā)車:列車越過X01信號(hào)機(jī)至出清發(fā)車站臺(tái)計(jì)軸區(qū)段的過程。

2.1 站后單渡線折返

以五緣灣站站后折返Ⅱ線折返為例,對(duì)站后單渡線折返進(jìn)行分析。五緣灣站站后折返Ⅱ線折返作業(yè)示意如圖2所示。

圖2 五緣灣站站后折返Ⅱ線折返作業(yè)示意圖

五緣灣站站后折返Ⅱ線折返作業(yè)時(shí)序如圖3所示。

圖3 五緣灣站站后折返Ⅱ線折返作業(yè)時(shí)序圖

2.1.1 進(jìn)出折返線作業(yè)

對(duì)列車②進(jìn)行分析:列車①在折返Ⅱ線上運(yùn)行至出清B區(qū)段后,在上行到達(dá)站臺(tái)排列進(jìn)折返Ⅱ線進(jìn)路,列車②進(jìn)折返Ⅱ線換端,列車①在下行站臺(tái)出站,列車②具備出折返Ⅱ線條件并在折返Ⅱ線排列至下行發(fā)車站臺(tái)進(jìn)路。

t進(jìn)出=tⅡB+t進(jìn)Ⅱ信+t上Ⅱ+t出Ⅱ信

(1)

式中:

t進(jìn)出——列車進(jìn)出折返線作業(yè)時(shí)間;

tⅡB——列車從折返Ⅱ線運(yùn)行至出清B區(qū)段的時(shí)間;

t進(jìn)Ⅱ信——列車從上行到達(dá)站臺(tái)運(yùn)行至折返Ⅱ線的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間;

t上Ⅱ——列車從上行到達(dá)站臺(tái)運(yùn)行至折返Ⅱ線的時(shí)間;

t出Ⅱ信——列車從折返Ⅱ線運(yùn)行至下行發(fā)車站臺(tái)的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間。

2.1.2 接車作業(yè)

對(duì)列車③進(jìn)行分析:折返Ⅱ線上列車①運(yùn)行至出清B區(qū)段,列車②在上行到達(dá)站臺(tái)動(dòng)車后,列車③可以進(jìn)站。

t接車=t接車,上+t停站

(2)

式中:

t接車——接車作業(yè)時(shí)間;

t接車,上——上行到達(dá)站臺(tái)接車時(shí)間;

t停站——站臺(tái)停站時(shí)間。

2.1.3 發(fā)車作業(yè)

列車①在下行發(fā)車站臺(tái)停站時(shí),不考慮信號(hào)系統(tǒng)立即在折返Ⅱ線排列至下行線路的情況:列車②緊隨列車①時(shí),若列車②停車等待,列車①出站后列車②即可動(dòng)車進(jìn)站;若列車②未停車時(shí)列車①動(dòng)車出站,列車②減速追蹤列車①進(jìn)站;可能存在列車②停車后無法立即動(dòng)車,需行車調(diào)度員介入的情況。

到發(fā)方向?yàn)榫鶆虬l(fā)車,只考慮列車①動(dòng)車后列車②排列至下行發(fā)車站臺(tái)進(jìn)路的情況。

t發(fā)車=tⅡ下+t停站

(3)

式中:

t發(fā)車——發(fā)車作業(yè)時(shí)間;

tⅡ下——折返Ⅱ線至下行發(fā)車站臺(tái)時(shí)間。

2.1.4 總結(jié)

制約站后單渡線折返能力的最大間隔t單折=t進(jìn)出=114 s。

列車最小折返時(shí)間t折返為:

t折返=t停站+t上Ⅱ+t信號(hào)+tⅡ下+t停站

(4)

式中:

t信號(hào)——信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間。

當(dāng)終到站到達(dá)列車行車間隔小于接車間隔71 s時(shí),列車無法進(jìn)站;當(dāng)?shù)竭_(dá)列車行車間隔大于接車間隔71 s且小于進(jìn)/出折返線作業(yè)間隔114 s時(shí),車站折返能力限制列車折返作業(yè);大于進(jìn)/出折返線作業(yè)間隔114 s時(shí),車站折返能力滿足需求。

采用站后折返Ⅱ線的小時(shí)折返能力N折為:

N折=3 600/t單折

(5)

經(jīng)計(jì)算得到,站后折返Ⅱ線的小時(shí)折返能力為32列/h,最小折返間隔為114 s。同理可得,站后折返Ⅰ線的小時(shí)折返能力和最小折返間隔。

2.2 站后雙線交替折返

以五緣灣站站后折返Ⅰ、Ⅱ線為例進(jìn)行站后雙線交替折返分析。五緣灣站站后雙線交替折返作業(yè)示意如圖4所示。

圖4 五緣灣站站后雙線交替折返作業(yè)示意圖

五緣灣站站后雙線交替折返作業(yè)時(shí)序如圖5所示。

圖5 五緣灣站站后雙線交替折返作業(yè)時(shí)序圖

折返Ⅰ線上的列車①運(yùn)行至出清B區(qū)段后,在上行站臺(tái)排列進(jìn)折返Ⅰ線進(jìn)路,列車③從上行站臺(tái)進(jìn)折返Ⅰ線。

折返Ⅱ線上的列車②運(yùn)行至出清B區(qū)段后,在上行站臺(tái)排列進(jìn)折返Ⅱ線進(jìn)路,列車④從上行站臺(tái)進(jìn)折返Ⅱ線。

站后雙線交替折返的限制情況為出折返Ⅱ線與進(jìn)折返Ⅰ線存在敵對(duì)進(jìn)路。根據(jù)優(yōu)先接車原則,進(jìn)折返Ⅰ線進(jìn)路優(yōu)先排列,出折返Ⅱ線列車需在折返線換端并等待進(jìn)折返Ⅰ線列車出清B區(qū)段后的信號(hào)開放。ATB模式下,道岔位置正確時(shí),折返線內(nèi)列車可實(shí)現(xiàn)立即排列進(jìn)路。

2.2.1 換端等待作業(yè)

對(duì)列車②、③進(jìn)行分析:列車③運(yùn)行至折返Ⅰ線,待折返Ⅱ線上列車②出清B計(jì)軸區(qū)段后排列進(jìn)路;列車②待列車③運(yùn)行至折返Ⅰ線且列車①發(fā)車后排列進(jìn)路運(yùn)行至下行站臺(tái)。

折返Ⅱ線上列車②換端的等待作業(yè)時(shí)間tⅡ換等為:

tⅡ換等=t進(jìn)Ⅰ信+t上Ⅰ+t出Ⅱ信

(6)

式中:

t進(jìn)Ⅰ信——列車從上行到達(dá)站臺(tái)運(yùn)行至折返Ⅰ線的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)間;

t上Ⅰ——列車從上行到達(dá)站臺(tái)運(yùn)行至折返Ⅰ線時(shí)間。

采用限制條件倒推:

1) 位于折返Ⅱ線的列車②出清B區(qū)段后,位于折返Ⅰ線的列車③具備出該折返線的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路條件;

2) 位于折返Ⅰ線的列車③出清B區(qū)段后,位于折返Ⅱ線的列車②具備出該折返線的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路條件;

3) 位于折返Ⅰ線的列車①出清B區(qū)段后,位于到達(dá)站臺(tái)的列車③具備進(jìn)入折返線的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路條件;

4) 位于到達(dá)站臺(tái)的列車②動(dòng)車后,后續(xù)列車具備進(jìn)站條件。

由時(shí)序模型得到列車在折返Ⅱ線換端等待時(shí)間tⅡ換等,0=83 s。

位于折返Ⅰ線的列車③換端等待作業(yè)時(shí)間tⅠ換等為:

tⅠ換等=t進(jìn)Ⅰ信+t出Ⅱ信+tⅡB

(7)

同理,由時(shí)序模型得到列車在折返Ⅰ線換端等待時(shí)間tⅠ換等,0=129 s。

2.2.2 進(jìn)/出折返線作業(yè)

1) 進(jìn)/出折返Ⅰ線作業(yè)。列車①在折返Ⅰ線運(yùn)行至出清B區(qū)段后,在上行站臺(tái)排列進(jìn)折返Ⅰ線進(jìn)路;列車③在上行站臺(tái)進(jìn)折返Ⅰ線,列車③在折返Ⅰ線換端并等待出折返線信號(hào)開放。

t進(jìn)出Ⅰ=tⅠB+t進(jìn)Ⅰ信+t上Ⅰ+tⅠ換等,0

(8)

式中:

t進(jìn)出Ⅰ——列車進(jìn)出折返Ⅰ線作業(yè)時(shí)間;

tⅠB——列車在折返Ⅰ線運(yùn)行至出清B區(qū)段時(shí)間。

2) 進(jìn)/出折返Ⅱ線作業(yè)。折返Ⅱ線上列車②運(yùn)行至出清B區(qū)段后,在上行站臺(tái)排列進(jìn)折返Ⅱ線進(jìn)路,列車④從上行站臺(tái)進(jìn)折返Ⅱ線,列車④在折返Ⅱ線上換端并等待出折返線信號(hào)開放。

t進(jìn)出Ⅱ=tⅡB+t進(jìn)Ⅱ信+t上Ⅱ+tⅡ換等,0

(9)

式中:

t進(jìn)出Ⅱ——列車進(jìn)出折返Ⅱ線作業(yè)時(shí)間。

3) 折返Ⅰ/Ⅱ線發(fā)車作業(yè)間隔tⅠ-Ⅱ?yàn)?

tⅠ-Ⅱ=t上Ⅰ+t上Ⅱ+t進(jìn)Ⅱ信

(10)

由時(shí)序模型得到折返Ⅰ線發(fā)車至折返Ⅱ線發(fā)車的作業(yè)間隔tⅠ-Ⅱ,0=109 s。

4) 折返Ⅱ/Ⅰ線發(fā)車作業(yè)間隔tⅡ-Ⅰ為:

tⅡ-Ⅰ=t上Ⅱ+t上Ⅰ+t進(jìn)Ⅰ信

(11)

由時(shí)序模型得到折返Ⅱ線發(fā)車至折返Ⅰ線發(fā)車的作業(yè)間隔tⅡ-Ⅰ,0=112 s。

2.2.3 接車作業(yè)

對(duì)列車④進(jìn)行分析:列車①在折返Ⅰ線上運(yùn)行至出清B區(qū)段上行站臺(tái),列車③動(dòng)車后,列車④可以進(jìn)站。

2.2.4 發(fā)車作業(yè)

1) 列車①在下行發(fā)車站臺(tái)發(fā)車后,列車②在折返Ⅱ線運(yùn)行至下行發(fā)車站臺(tái)發(fā)車。由時(shí)序模型得到折返Ⅰ線折返列車發(fā)車至折返Ⅱ線折返列車發(fā)車的作業(yè)間隔tⅠ-Ⅱ發(fā)=109 s。

2) 列車②在下行發(fā)車站臺(tái)發(fā)車后,列車③在折返Ⅰ線運(yùn)行至下行發(fā)車站臺(tái)發(fā)車。由時(shí)序模型得到折返Ⅱ線折返列車發(fā)車至折返Ⅰ線折返列車發(fā)車的作業(yè)間隔tⅡ-Ⅰ發(fā)=112 s。

2.2.5 總結(jié)

制約站后雙線交替折返能力的作業(yè)為最大間隔作業(yè)。在到達(dá)、發(fā)車方向行車間隔相同時(shí),即雙線交替折返作業(yè)間隔t雙折=t發(fā)車=tⅡ-Ⅰ發(fā)=112 s,t折返=352 s。

當(dāng)終到站到達(dá)列車行車間隔小于接車間隔71 s時(shí),列車無法進(jìn)站;當(dāng)?shù)竭_(dá)列車行車間隔大于接車間隔71 s且小于發(fā)車作業(yè)間隔112 s時(shí),車站折返能力限制列車折返作業(yè);當(dāng)?shù)竭_(dá)列車行車間隔大于發(fā)車作業(yè)間隔112 s時(shí),車站折返能力滿足需求。經(jīng)計(jì)算得到采用站后雙線交替折返的小時(shí)折返能力為32列/h,最小折返間隔為112 s。

3 信號(hào)排列進(jìn)路時(shí)機(jī)對(duì)五緣灣站站后折返能力的影響

實(shí)際上,折返作業(yè)還受到信號(hào)排列進(jìn)路時(shí)機(jī)的影響。以2號(hào)線為例,列車從鐘宅站至五緣灣站上行區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間為87 s,列車從鐘宅站上行出站至觸發(fā)進(jìn)五緣灣折返線進(jìn)路的時(shí)間為14 s,列車完全出清C區(qū)段時(shí)間為25 s。

根據(jù)優(yōu)先接車原則,在采用站后雙線交替折返時(shí)存在列車運(yùn)行至C區(qū)段排列進(jìn)折返Ⅰ線進(jìn)路,影響五緣灣站折返Ⅱ線至五緣灣站下行發(fā)車站臺(tái)進(jìn)路排列的情況。實(shí)際作業(yè)中,列車在折返線內(nèi)可通過提前排列出折返線進(jìn)路消除部分影響。

1) 不影響前車工況:前車進(jìn)入折返線出清A區(qū)段時(shí),后車出清C區(qū)段。

t不影響,1=t運(yùn)行-t出清+t停站+t上Ⅱ

(12)

式中:

t不影響,1——不影響前車的間隔;

t運(yùn)行——列車在鐘宅站至五緣灣站上行區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間;

t出清——列車出清C區(qū)段時(shí)間。

2) 影響前車工況:前車進(jìn)入折返線出清A區(qū)段時(shí),后車從鐘宅站上行出站進(jìn)入C區(qū)段。

t影響=t運(yùn)行+t停站+t上Ⅱ

(13)

式中:

t影響——影響前車的間隔。

3) 不影響前車工況2:前車進(jìn)入折返線出清A區(qū)段時(shí),后車位于鐘宅站且并未出站。

經(jīng)計(jì)算得到,終到站到達(dá)列車間隔為158～213 s時(shí),采用站后單渡線折返;終到站到達(dá)列車間隔為114～158 s或大于213 s時(shí),可以采用兩種折返方式折返。

4 結(jié)語

在城市軌道交通車站配線等基礎(chǔ)設(shè)施無法變動(dòng)的情況下,ATB模式可較大節(jié)省司機(jī)換端作業(yè)時(shí)間。為進(jìn)一步提升站后折返能力,還可采用縮短終到站停站時(shí)間、調(diào)整排列進(jìn)折返線進(jìn)路的計(jì)軸區(qū)段位置等方式縮短折返作業(yè)的最大作業(yè)間隔。

本文選取到發(fā)列車行車間隔均衡的理想情況分析,采用時(shí)序模型得到ATB模式下站后單線折返的最小折返間隔為114 s,站后雙線折返的最小折返間隔為112 s。受到信號(hào)排列進(jìn)路時(shí)機(jī)的影響,到達(dá)列車行車間隔為158～213 s時(shí),采用站后單渡線折返。到達(dá)列車行車間隔為114～158 s或大于213 s時(shí),可以采用兩種折返方式折返。然而在列車實(shí)際運(yùn)行過程中,存在到發(fā)列車的行車間隔不均衡、進(jìn)折返線的信號(hào)系統(tǒng)排列進(jìn)路時(shí)機(jī)不同等情況,故不同站后折返情況下的最小折返間隔和折返能力還需細(xì)化分析,以選擇最合適的站后折返方式。