北京地鐵5號線折返追蹤間隔分析

潘曉軍 劉 旭 劉宇然 李民進(jìn) 宿 帥

(1. 北京地鐵運營有限公司客運營銷部 北京 100044；2. 北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室 北京 100044)

?

北京地鐵5號線折返追蹤間隔分析

潘曉軍1劉 旭1劉宇然1李民進(jìn)1宿 帥2

(1. 北京地鐵運營有限公司客運營銷部 北京 100044；2. 北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室 北京 100044)

在城市軌道交通運行系統(tǒng)中，列車在折返區(qū)域的追蹤間隔是單條線路提升運力的瓶頸。分析北京地鐵5號線折返追蹤間隔，以實現(xiàn)“列車2 min運行間隔”的目標(biāo)。首先根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析5號線列車在折返區(qū)域中的進(jìn)站追蹤能力、折返追蹤能力和出站追蹤能力，進(jìn)而計算列車在折返區(qū)域的最小運行間隔；其次，基于列車運行圖編制理論提出通過縮短列車站停時分、出入庫時分、轉(zhuǎn)臺時分來減小列車折返追蹤間隔的方法；最后，結(jié)合北京地鐵實際的運營管理經(jīng)驗，從系統(tǒng)設(shè)計角度提出縮短城市軌道交通列車折返追蹤間隔的技術(shù)手段和措施。

城市軌道交通；運力；折返追蹤間隔；運行圖；北京地鐵5號線

城市軌道交通系統(tǒng)作為大城市的主要客運方式之一，對緩解城市交通網(wǎng)絡(luò)擁擠起到至關(guān)重要的作用。截至2014年底，北京市地鐵線路已有18條，運營總里程達(dá)527 km，網(wǎng)絡(luò)化已初步形成。線網(wǎng)中各線路的聯(lián)系更加緊密，因而運營網(wǎng)絡(luò)中單線的運營對相鄰線路和整個網(wǎng)絡(luò)的影響也愈加突出。以北京市地鐵昌平線和13號線為例，昌平線所有入城方向乘客均在西二旗換乘站換乘13號線，然而因13號線運力在西二旗至西直門段已經(jīng)飽和，昌平線即使?jié)M載率已達(dá)120%，依然無法提高該通道進(jìn)京的運力。

保證單線的運力是保障網(wǎng)絡(luò)化正常運行的關(guān)鍵之一。北京地鐵運營公司也根據(jù)運營的需要，為乘客提供更好的運輸服務(wù)，不斷通過縮短運行間隔提升市區(qū)骨干線路的運力。北京地鐵5號線作為核心線路之一，日客運量超過80萬人次，為乘客提供更好的服務(wù)，運力亟待進(jìn)一步提升。單線的最大運力由運營的最小間隔決定[1]，而列車在單線的最小運行間隔通常由列車在折返區(qū)域的列車最小追蹤間隔決定[2]，5號線目前因線路、設(shè)備等原因，還未實現(xiàn)2 min的運行間隔。因此，筆者以北京地鐵5號線為例，利用運行圖編制理論分析在折返區(qū)域影響列車最小追蹤間隔的因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 問題描述

北京地鐵5號線作為地鐵網(wǎng)絡(luò)中運力需求大的線路，北京地鐵運營公司擬將5號線列車運行間隔縮小至2 min，折返區(qū)域的列車運行間隔是整條線路列車運行間隔的關(guān)鍵。

1.1 折返方案

北京地鐵5號線在宋家莊和天通苑北均屬于具有站后交叉渡線的雙庫折返站型(見圖1)。列車在折返區(qū)域的折返方式可按照庫線的使用分為“單庫折返”和“雙庫折返”。其中，單庫折返進(jìn)一步分為利用2號庫折返(彎進(jìn)直出)和利用1號庫折返(直進(jìn)彎出)?！半p庫折返”是列車交替利用兩個庫線進(jìn)行折返的方式。使用1號庫進(jìn)行單庫折返或者雙庫折 返 時，由于站 臺后

圖1 北京地鐵5號線終點站折返線配線

的折返線無計軸，只有列車在1號庫停穩(wěn)，并完全經(jīng)過道岔后方可辦理下一列車的進(jìn)站進(jìn)路。

經(jīng)計算，列車占用站臺的時間過長導(dǎo)致后續(xù)列車長時間無法進(jìn)站，無法滿足2 min的追蹤間隔。因此，5號 線現(xiàn)均采用“彎進(jìn)直出”的折返方式。

1.2 列車折返區(qū)域最小間隔

列車在折返區(qū)域的追蹤由進(jìn)站追蹤、折返追蹤和出站追蹤組成。進(jìn)站追蹤能力、折返追蹤能力和出站追蹤能力中限定的最大追蹤間隔為折返區(qū)域列車的最小追蹤間隔[3]，即

(1)

根據(jù)北京地鐵5號線的線路及信號設(shè)備布局設(shè)計，列車進(jìn)站追蹤間隔、折返追蹤間隔及出站追蹤間隔計算如下[4]：

h進(jìn)站=t進(jìn)站+t停站1+t入庫出清+t轉(zhuǎn)動道岔

(2)

h折返=t入庫出清+t轉(zhuǎn)臺+t出庫出清+t轉(zhuǎn)動道岔

(3)

h出站=t出庫出清+t停站2+t出站

(4)

1.3 折返間隔計算

與列車折返相關(guān)的各環(huán)節(jié)作業(yè)時間見表1和表2。

表1 高峰時段宋家莊站折返作業(yè)時間

表2 高峰時段天通苑北站折返作業(yè)時間

表1、2中入(出)庫時間和入(出)庫出清時間不同。以入庫為例，列車啟動至其尾部完全通過道岔為入庫出清時間，之后的列車停穩(wěn)過程與轉(zhuǎn)動道岔兩個進(jìn)程可以同時進(jìn)行，而且道岔轉(zhuǎn)動的時間較長，因此公式中使用的是入庫出清時間。

以天通苑北為例，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)，計算列車進(jìn)站追蹤間隔、折返追蹤間隔及出站追蹤間隔，分別為129 s，121 s，110 s。因此，根據(jù)公式(1)得知，列車在天通苑北的最小追蹤間隔為129 s。若想實現(xiàn)5號線列車運行間隔為2 min，需將列車進(jìn)站追蹤間隔和折返追蹤間隔縮短至120 s以內(nèi)。為保證時刻表的魯棒性，并根據(jù)實際運營經(jīng)驗，擬將列車進(jìn)站追蹤間隔和折返追蹤間隔縮短至115 s，為時刻表預(yù)留5 s冗余時間，以滿足2 min間隔的實際運營需求。

2 方案分析

列車在折返過程中對線路的占用可劃分為3個部分(站后折返區(qū)無計軸)：進(jìn)站站臺的占用、道岔及2號庫線的占用、出站站臺的占用。根據(jù)列車閉塞時間模型[5]，5號線折返追蹤時間分析如圖2所示。

圖2 5號線運行間隔分析

2.1 縮短列車停站時間

列車停站時間主要由列車的開(關(guān))門時間和乘客的乘降時間組成。列車的開(關(guān))門時間為司機(jī)按下列車開(關(guān))門按鈕至列車車門打開(關(guān)閉)的時間，另外還有列車關(guān)門后至列車啟動的時間，這3部分主要由車輛系統(tǒng)及其與站臺門系統(tǒng)的聯(lián)動決定。列車開門時間指列車停穩(wěn)后，車載信號設(shè)備檢測列車速度為0，并確認(rèn)列車門與站臺門對準(zhǔn)，最后發(fā)送車門開啟指令，并與站臺門系統(tǒng)聯(lián)動打開站臺門，直至站臺門、車門完全打開。目前，5號線列車開門時間各為6 s，預(yù)計可通過優(yōu)化車門與站臺門打開的同步效果縮短至4 s[6]。同樣，列車關(guān)門時間也可以優(yōu)化至3 s。除此之外，還可以通過加強站臺乘客乘降的管理措施來縮短列車的停站時間，例如，進(jìn)站前向乘客播放到站通知，增加站臺服務(wù)人員輔助乘客乘降等，考慮到5號線高峰時段客流量較大，預(yù)計可將乘客乘降時間縮短4～5 s。

2.2 縮短列車入庫時間

當(dāng)前，5號線列車采用ATO自動駕駛時運行速度較慢，因此，在正式運營時采用人工駕駛模式。為提高列車在折返區(qū)域的運行速度以縮短列車的入庫時間，運營公司專門培養(yǎng)了一批專門負(fù)責(zé)折返區(qū)駕駛的“調(diào)度司機(jī)”。這些司機(jī)在本務(wù)司機(jī)到達(dá)終點站時進(jìn)入駕駛室，列車關(guān)門后駕駛列車完成入庫和出庫的作業(yè)，在對側(cè)站臺與本務(wù)司機(jī)對調(diào)后，通過站廳層回到終點站繼續(xù)下一輪的折返作業(yè)。“調(diào)度司機(jī)”對折返區(qū)的駕駛經(jīng)驗豐富，對列車速度的掌握更加精確，與一般司機(jī)相比，“調(diào)度司機(jī)”可將列車入庫和出庫時間均縮短4 s左右。

2.3 縮短轉(zhuǎn)臺時間

5號線列車運行圖中規(guī)定列車在折返區(qū)域轉(zhuǎn)臺時間為25 s，目前操作時間為22 s左右，冗余較小，擬通過進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)臺作業(yè)流程，在保證運營安全的前提下，縮短轉(zhuǎn)臺時間3 s。但也考慮到不同的司機(jī)操作水平存在一定差異，暫將轉(zhuǎn)臺時間縮短2 s，操作20 s，基本可以保證多數(shù)司機(jī)能按規(guī)定作業(yè)時間完成。

在對列車停站時間、入庫時間和轉(zhuǎn)臺作業(yè)時間進(jìn)行優(yōu)化后，列車進(jìn)站追蹤間隔、折返追蹤間隔和出站追蹤間隔分別為114 s，111 s，97 s。冗余6 s，防止站臺二次開關(guān)門和乘客乘降時間過長對運營帶來影響，理論上基本滿足2 min間隔的運營需求。

3 系統(tǒng)設(shè)計解決方案

為了迎合北京城市軌道交通的大客流運輸需求，減少運營中單線運力的瓶頸給城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)帶來的壓力，筆者還進(jìn)一步結(jié)合地鐵5號線折返間隔的經(jīng)驗為城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)計提出了參考性的建議。

3.1 道岔選擇

列車在折返道岔區(qū)域的運行受道岔限速的影響，決定了其通過道岔和占用道岔區(qū)域的時間。為提高列車運行的速度、縮短列車入庫時間，建議折返區(qū)域選擇12號道岔(允許通過速度50 km/h),替代現(xiàn)有的9號道岔(允許通過速度30 km/h)。根據(jù)列車的牽引計算[7]，更換道岔后，可縮短列車入庫時間5～6 s。

3.2 ATO系統(tǒng)算法優(yōu)化

ATO駕駛系統(tǒng)的使用，一方面可以大大減少司機(jī)的勞動強度，同時也增加了列車運行時間的穩(wěn)定性，減少人為因素對實際運營造成的差異性?，F(xiàn)有5號線ATO設(shè)備運行速度較慢，建議未來車載ATO設(shè)備在保證安全的前提下，充分利用列車的牽引制動特性，通過優(yōu)化ATO系統(tǒng)的推薦速度曲線[8]，提高列車在折返區(qū)域的運行速度，從而縮短入庫時間。

3.3 自動折返技術(shù)的應(yīng)用

城市軌道交通列車在折返區(qū)域已經(jīng)可以通過ATO實現(xiàn)自動折返[9]。司機(jī)在終點站列車關(guān)門作業(yè)完成并具備折返條件后，可按下自動折返按鈕，列車將自動運行至庫線，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)臺，駛?cè)雽γ嬲九_并停穩(wěn)。司機(jī)可以在列車自動折返的過程中從車廂內(nèi)走向另一端控制臺(列車入庫出庫時間足夠)，開始另一方向的列車運行控制。ATO控制的列車在運行速度相當(dāng)?shù)那闆r下，列車自動折返可以縮短轉(zhuǎn)臺時間14 s左右(自動折返轉(zhuǎn)臺5 s左右)。

3.4 線路設(shè)備布局

5號線站后折返，車站與道岔之間無計軸器，導(dǎo)致站臺和站后區(qū)域形成一個長大區(qū)間，造成列車的入庫出清時間過長，使進(jìn)站追蹤成了折返追蹤的瓶頸。若站后安裝有計軸器，列車入庫出清時間會從原來的駛出道岔變?yōu)橥ㄟ^計軸器的時間，可大大縮短入庫出清時間和進(jìn)站追蹤間隔。

3.5 其他方案

另外，若能在系統(tǒng)設(shè)計初期通過增大車門數(shù)量和寬度，也可以減少乘客乘降時間[10-11]。采用新型的折返站型設(shè)計縮短折返追蹤間隔也是一種從根本上減小繁忙線路運營壓力的方法[12]。

4 結(jié)語

縮短城市軌道交通線路折返區(qū)域的追蹤間隔是單線運力提升的關(guān)鍵，筆者以北京地鐵5號線為例，提出了通過運營管理手段縮短停站時間、入庫時間和轉(zhuǎn)臺時間，以及提高車輛與站臺門系統(tǒng)的聯(lián)動以縮短列車在折返區(qū)域的追蹤間隔；并根據(jù)對5號線折返追蹤間隔的分析，從運營的角度為系統(tǒng)設(shè)計提出了參考建議，包括優(yōu)化線路設(shè)計，采用現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)等。

[1] VUKAN R.Urban transit: operations, planning and economics[M].USA,NJ：Wiley，2004：5-10.

[2] 金娟，楊梅，王長林.基于移動閉塞原理的地鐵列車線路通過能力的研究[J].鐵路計算機(jī)應(yīng)用，2008，6(17)：7-10.

[3] 苗沁,周天星.城市軌道交通折返站折返能力分析[J].城市軌道交通研究，2010，13(11)：57-61.

[4] 胡思繼.列車運行圖編制理論[M].北京：中國鐵道科學(xué)出版社，2007：33-43.

[5] HANSENS I, Railway timetable and traffic[M].Germany: Eurail-press, 2008.

[6] 李震.成都地鐵1 號線天府廣場停站時間研究[J].交通運輸工程與信息學(xué)報，2011，9(2)：20-24.

[7] 北京市地鐵運營有限公司.北京地鐵技術(shù)管理規(guī)程[A].北京，2011：151.

[8] SU S, TANG T, CHEN L, et al.Energy-efficient train control in urban rail transit system[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F: Journal of Rail

& Rapid Transit，2014(1)：40-41.

[9] 李春宇.沈陽地鐵一號線無人自動折返方案[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2009(1)：40-41.

[10] 沈景炎.車站站臺乘降區(qū)寬度的簡易計算[J].都市快軌交通，2008，21(1)：9-12.

[11] 曹守華,袁振洲,趙丹.城市軌道交通乘客上車時間特性分析及建模[J].鐵道學(xué)報，2009，31(3)：89-93.

[12] 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司.北京地鐵3號線工程可行性研究報告[R].北京，2014：83-87.

(編輯：曹雪明)

Analysis of Headway in Turn-back Area for Beijing Subway Line 5

Pan Xiaojun1Liu Xu1Liu Yuran1Li Minjin1Su Shuai2

(1. Department of Transport and Marketing, Beijing Subway Operation Co., Ltd., Beijing 100044;2. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

In urban rail transit systems, train headway in the turn-back area is the bottleneck of the line capacity. To achieve the headway of 2 minutes for Beijing Subway Line 5, this paper analyzes the train headway of the turn-back area. Based on the operational data, the headways of arriving at the terminal station, turn-back tracking, and leaving the terminal station are calculated, and the minimum headway for the turn-back area is obtained. Then, on the basis of the timetable theory, the methods of reducing the dwell time, the running time in the turn-back area and the exchange time of the operation direction are proposed to reduce the headway. Finally, some other countermeasures from the aspect of system design are suggested to cut down the headway of urban rail transit systems in view of the operation experience.

urban rail transit; capacity; turn-back tracking time; headway; Beijing Subway Line 5

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.010

2015-10-20

潘曉軍，男，高級工程師，部長，從事城市軌道交通運營工作，10111043@bjtu.edu.cn

1672-6073(2016)05-0051-04

U231；F530.7

A