城市軌道交通列車故障救援方案的研究

劉 銘 郎誠廉

(同濟大學電子與信息工程學院, 201804, 上海)

在城市軌道交通運營過程中,列車故障需要救援的情況時有發生。地鐵列車一旦發生故障無法處理而需要其他列車進行救援時,會嚴重影響后續列車運行和乘客的出行安全。在救援列車連掛故障列車的救援過程中,若救援的路徑選擇不合適,同樣會對已開通的線路造成二次影響。故需基于救援路徑及組織,對城市軌道交通列車故障救援方案進行研究。

1 列車故障救援的過程及作業時間

根據現有的城市軌道交通列車故障救援的實際作業時間及流程,列車故障救援過程可以分為4個階段。

1) 故障處置階段,主要環節為故障接報、救援列車清客[1]。

2) 救援準備階段,主要環節為救援列車接近故障列車、救援列車連掛故障列車做動車準備。

3) 救援處置階段,主要環節為兩車連掛運行、故障列車清客和兩車繼續運行至存放位置。

4) 救援結束階段,救援列車與故障列車連掛運行存放位置后,停車、摘鉤,救援列車退回正線運行。至此列車故障救援結束。

根據列車故障救援過程,得到故障列車和救援列車的作業時間。列車故障救援過程中的作業時間如圖1所示。

注:ta—故障接報時間;tb—救援列車清客時間;tc—救援列車與故障列車的連掛時間;td—故障列車清客時間;te—連掛列車停車至救援結束的時間;t1—救援列車接近故障列車的運行時間;t2—連掛運行至故障列車清客站的時間;t3—清客站連掛運行至故障列車存放點的時間。

圖1中,ta、tb、tc、td等由實際線路的作業規范時間確定,本研究中,ta=3 min,tb=2 min,tc=6 min,td=2 min。

由于去往故障列車存放位置的方式及存放點對te影響較大,故按此劃分救援類別,并計算救援類別為i的連掛列車停車至救援結束時間te,i。

對于救援類別i:i=1,表示牽引或推進故障列車至車輛段或停車場、就近雙列位停車線;i=2,表示正向牽引故障列車至就近貫通式單列位停車線;i=3,表示逆向牽引故障列車至就近貫通式單列位停車線;i=4,表示正向推進故障列車至就近單列位停車線;i=5,表示逆向推進故障列車至就近單列位停車線。te,i為:

(1)

tzf=t進路建立+t配線對標+t換端+t投入

(2)

式中:

t摘鉤——摘鉤的時間;

t退回——救援列車退回的時間;

t換端——救援列車司機換端的時間,取2.00 min;

t投入——救援列車再次投入運行的時間,取0.50 min;

t進路建立——連掛列車建立進路的時間,取0.25 min;

t配線對標——連掛列車配線對標的時間,取0.50 min;

tzf——連掛列車經渡線折返至對向線路的時間。

列車的實際運行過程極為復雜,分析計算時需進行簡化。簡化后:當列車運行距離較短時,列車起動后,先以恒定加速度aup加速,達到一定速度后以恒定制動加速度adn減速,直至車速為0;當列車長距離運行時,列車起動后,先以恒定加速度aup加速,達到一定速度后以恒定速度運行,最后恒定制動加速度adn減速,直至車速為0。簡化后,第q個環節的列車運行時間tq為:

q=1,2,…,5

(3)

式中:

lq——第q個環節的列車運行距離;

vq——第q個環節的列車運行速度。

其中,q=1表示救援列車接近故障列車環節;q=2表示連掛運行至故障列車清客站環節;q=3表示清客站連掛運行至故障列車存放點環節;q=4表示清客站連掛運行至最近的渡線環節;q=5表示對向線路連掛運行至故障列車存放點環節。

2 列車故障救援方案

2.1 方案設計

列車故障救援的基本方案主要包含救援列車、救援方式和故障列車存放位置三方面內容[2]。

1) 救援列車。當有城市軌道交通列車發生故障需要救援時,可以選擇故障列車的后續列車、前行列車及對向運行列車作為救援列車。由于對向運行列車救援會干擾對向列車運營,使對向救援列車接近并與連掛的過程產生更大的延誤,且救援過程較為復雜,一般情況下不予采用。

2) 救援方式。救援方式主要包括牽引和推進兩種基本方式。 兩種救援方式下救援列車連掛故障列車后的運行速度不同。在牽引的救援方式下,連掛列車的運行速度較高,約為35 km/h,可有效降低列車故障救援對正線的干擾;在推進的救援方式下,連掛列車的運行速度較低,約為25 km/h。

3) 故障列車的存放位置。故障車的存放位置可分為兩大類——車輛段或停車場,停車線或存車線,其中,停車線或存車線又分為盡頭式和貫通式、單列位和雙列位等類型。故障車回車輛段或停車場存放,更便于檢修人員對故障車及時維修;若故障車存放在正線的停車線或存車線,則存在需二次救援的問題。

2.2 列車故障救援的方案

按不同的救援列車、救援方式和故障列車存放位置進行組合,即可得到不同的列車故障救援方案[3]。

按采用后續列車和前行列車進行救援,各有3種通用的救援方案。本研究選擇常用的后續列車方案,分析各救援方案的優缺點和列車故障救援組織過程。

2.2.1 后續列車正向推進方案

后續列車正向推進方案是使用最多的列車故障救援方案,其安全性高,對正線干擾不大,還能節省司機換端的作業時間。其主要缺點為推進運行的速度不高。后續列車正向推進方案的列車救援過程如圖2所示[4]。

圖2 后續列車正向推進方案的列車救援過程

2.2.2 后續列車逆向牽引方案

當故障列車的存放位置距故障發生位置較近時,為了減少連掛列車運行的距離,可以采用后續列車逆向牽引方案,組織逆向救援。后續列車逆向牽引方案的列車救援過程如圖3所示。

圖3 后續列車逆向牽引方案的列車救援過程

2.2.3 后續列車對向組合方式救援方案

在某些情況下,后續救援列車可利用對向線路進行救援。后續救援列車連掛故障列車后正向推進或逆向牽引至最近的渡線,折返至對向線路,再運行至故障列車的存放位置[5]。以后續列車先推進后牽引方案為例,列車救援過程如圖4所示。

圖4 后續列車先推進后牽引方案的列車救援過程

3 列車故障救援方案的案例應用

在實際的運營組織中,選擇救援路徑,還要考慮故障點在全線路中的位置,以及線路的配線設置、車輛段位置、終端站存車線設置等多種因素。本研究以上海軌道交通7號線(以下簡稱“7號線”)為例,對列車救援方案進行分析探討。

7號線全長44.35 km,共設33座車站,2個停車場及3條停車線。7號線線路布置示意圖如圖5所示。

圖5 7號線線路布置示意圖

結合7號線的線路布置情況和運營時刻表,設計7號線列車在某處發生故障,并根據線路情況設計列車故障救援方案。

故障場景設計為:某日08:00,某上行列車運行至大場鎮站—行知路站區間中點處,司機發現列車突發緊急制動,且停車后無法緩解制動;經司機處理故障后,列車仍無法緩解制動;處理時間達救援時間上限后,行車調度人員組織對該車進行救援。

3.1 列車故障救援方案

按照正向救援原則,結合考慮08:00時各次列車在正線運行的位置,組織故障列車的后續列車作為救援列車,對故障列車實施救援。由于故障點距運行方向后方的可停車位置較遠,無法組織后續列車逆向牽引救援。在故障列車與救援列車連掛后,可選擇4種列車故障救援方案。

3.1.1 方案一

方案一:安排救援列車正向運行,由救援列車把故障列車推進至昌平路存車線停放[6]。

方案一的救援行車組織示意圖如圖6所示。兩車連掛后,救援列車后退,退行至上行正線。

圖6 方案一的救援行車組織示意圖

經分析,從列車發生故障到兩車連掛所造成的影響時間tw1為:

tw1=ta+tb+t1+tc

(4)

后續列車正向推進故障列車運行至救援結束所造成的影響時間tw2為:

tw2=t2+td+t3+te,4

(5)

在連掛列車運行期間,在該方向上,后續列車可與連掛列車保持安全追蹤間隔,跟進連掛列車運行。

3.1.2 方案二

方案二:安排救援列車正向運行,由救援列車把故障列車推進至龍陽路停車場停放。方案二的救援行車組織示意圖如圖7所示。

圖7 方案二的救援行車組織示意圖

經分析,有:

tw1=ta+tb+t1+tc

(6)

tw2=t2+td+t3+te,1

(7)

在連掛列車運行期間,該方向上的后續列車可與連掛列車保持安全追蹤間隔跟進連掛列車運行。

3.1.3 方案三

方案三:安排救援列車正向運行,利用行知路渡線折返至下行線,經祁華路下行線,返回陳太路停車場。方案三的救援行車組織示意圖如圖8所示。

圖8 方案三的救援行車組織示意圖

經分析,有:

tw1=ta+tb+t1+tc

(8)

后續列車正向推進故障列車運行直至折返至對向線路所造成的影響時間tw3為:

tw3=t2+td+t4+tzf

(9)

在連掛列車運行期間,該方向上的后續列車可與連掛列車保持安全追蹤間隔跟進連掛列車運行,當連掛列車離開該方向的線路后,該方向開始恢復正常行車。

折返至對向線路直至救援結束所造成的影響時間tw4為:

tw4=t5+te,1

(10)

3.1.4 方案四

方案四:組織救援列車順向運行,利用行知路渡線折返至下行線,牽引故障列車至上大路停車線。方案四的救援行車組織示意圖如圖9所示。

圖9 方案四的救援行車組織示意圖

經分析,有:

tw1=ta+tb+t1+tc

(11)

tw3=t2+td+t4+tzf

(12)

在連掛列車運行期間,該方向上的后續列車可與連掛列車保持安全追蹤間隔跟進連掛列車運行,當連掛列車離開該方向的線路后,該方向開始恢復正常行車。

之后,有:

tw4=t5+te,2

(13)

3.2 列車故障救援方案的比較和分析

經計算,不同列車故障救援方案的故障影響時間如表1所示。

表1 不同列車故障救援方案的故障影響時間表

由表1可以看出:由于故障列車距離龍陽路停車場的距離太遠,方案二的tw遠遠長于其他三種方案tw,故在實際發生故障時不予考慮;方案一由于救援時推進速度不高,導致連掛運行時間偏長。將方案三和方案四相比:方案三故障位置與存放位置走行距離較長,方案四中救援列車仍需退回正線運營,將對正線產生二次延誤,延長了該方案的tw。為了使tw最小,在實際發生故障需要救援時應優先選擇方案四——組織救援列車順向運行,利用行知路站渡線折返至下行線,牽引故障列車至上大路站的停車線。

3.3 線路的方案

按不同故障場景類推,可以得到7號線的全線列車故障救援推薦方案,如表2所示。

表2 7號線的全線列車故障救援推薦方案

由表2可見,列車故障位置的不同會導致列車故障救援方案選擇結果不同。

綜合分析表2可知:選擇后續列車故障救援具有較大的優越性;逆向救援在實際應用中的局限性較大;故障位置與存放位置間的走行距離仍是決定存放位置選擇的重要因素。

7號線全線列車故障救援推薦方案的實踐應用效果表明:①當7號線正線發生列車故障時,該方案能幫助地鐵行車調度員直觀選擇合適的救援線路和救援組織方案,為行車調度人員的應急處置決策提供支持,提升應急能力水平;② 該方案提高了故障處置效率,使行車調度人員和列車司機等能根據列車故障位置,及時明確判斷如何進行應急行車組織;③該方案針對復雜的行車環境,預先明確提出了具體的處理方法,規范了處理流程,有效避免了二次延誤,提高了行車安全水平,優化了服務質量。

4 結語

基于城市軌道交通運營經驗,分析了列車故障的組織救援過程,總結了列車故障救援方案,并分析了各方案的優缺點及適用情況。根據列車故障救援方案的基本原則和方法,設計了7號線案例區段列車發生故障的典型場景,并分析比選了典型場景下的列車故障救援方案,最終得到7號線全線的列車故障救援推薦方案。本文研究成果可供行車調度員在列車故障救援組織工作中參考應用。