城市軌道交通等間隔行車調(diào)整方法優(yōu)化設(shè)計

郭 戩

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081）

城市軌道交通等間隔行車調(diào)整方法優(yōu)化設(shè)計

郭 戩

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081）

等間隔行車是在城市軌道交通發(fā)生特殊情況時應(yīng)用的一種行車指揮方法，在無法按照列車運行圖正常行車時能夠簡單高效地恢復(fù)運營秩序。為解決既有等間隔行車運行調(diào)整方法存在的問題，設(shè)計了一種優(yōu)化的等間隔調(diào)整方法，通過自動計算目標(biāo)調(diào)整間隔、實時計算列車追蹤間隔、局部優(yōu)先調(diào)整并兼顧平衡全線列車分布密度等手段，改進了運行調(diào)整效果，并通過仿真驗證了方法的有效性。

行車指揮；等間隔調(diào)整；自動列車監(jiān)督；列車運行圖

1　概述

列車等間隔調(diào)整是應(yīng)用于城市軌道交通中的一種特殊的行車指揮辦法，通常在出現(xiàn)意外事件 (如車輛或信號故障、自然災(zāi)害等)、無法組織列車按運行圖規(guī)定的交路行車或運行圖嚴重紊亂的情況下使用。列車等間隔調(diào)整是指讓列車按照同一個交路，以相同的追蹤間隔往復(fù)行車。等間隔調(diào)整交路如圖1所示，假設(shè)平時按 A 到 C 站大交路運行，在 C 站因故封閉的情況下，迅速組織列車在 A 到B 站間按小交路運行，以便最大程度減少意外情況對行車的影響。這種情況下，由于交路與運行圖不符，無法按照時刻表行車，此時采用等間隔調(diào)整是最簡單和高效的運營手段[1]。

圖1　等間隔調(diào)整交路

等間隔調(diào)整一般是通過自動列車監(jiān)督系統(tǒng)(ATS) 自動實現(xiàn)的。ATS 是城市軌道交通信號控制系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一，其核心功能是監(jiān)督跟蹤列車運行、排列進路和列車運行調(diào)整，實現(xiàn)行車指揮自動化。在正常情況下，ATS 根據(jù)運行圖自動為列車排列進路、進行運行調(diào)整。一列車從進入正線運營開始至運營結(jié)束入段為止，ATS 會賦予該列車運行圖上的一條計劃運行線，其中包含列車車次、運行路徑 (經(jīng)停股道、終到折返線或轉(zhuǎn)換軌) 和時刻表等關(guān)鍵行車信息。在列車接近一架信號機時，ATS根據(jù)其對應(yīng)車次的運行路徑為列車自動排列進路；當(dāng)折返列車駛?cè)肽康恼鄯稻€后，ATS 會自動將列車車次更新為下一段反方向行程的車次，然后自動排列駛出折返線的進路，列車完成換端后開始下一段行程，如此往復(fù)直至運營服務(wù)結(jié)束。列車在到站停車時，ATS 會根據(jù)其對應(yīng)車次的時刻表信息，自動調(diào)整列車停站時間和區(qū)間運行速度等級，使列車運行的時間-距離曲線盡量貼近計劃運行線，即為自動運行調(diào)整[2]。

在使用等間隔調(diào)整運行模式時，由于脫離運行圖運營，需要通過 ATS 人工為列車指定運行交路，即兩段首尾相接閉合的運行路徑；ATS 根據(jù)指定的運行路徑自動為列車排列進路。目前國內(nèi)城市軌道交通 ATS 采用的等間隔調(diào)整方法存在以下有待完善的問題。①需要預(yù)設(shè)調(diào)整間隔時間。即需要人工輸入或使用運行圖間隔時間，ATS 按照這個時間作為等間隔調(diào)整的目標(biāo)間隔。在交路和列車旅行速度確定的情況下，交路上的間隔時間取決于運營列車數(shù)；如果運營列車數(shù)與預(yù)設(shè)調(diào)整間隔時間不匹配，總會存在一個過大或過小的間隔，需要調(diào)度員手動干預(yù)或重新調(diào)整間隔時間。②調(diào)整時的參照系是列車的離站時間。在對某一列車進行調(diào)整運算時，參照的是其運行前方相鄰列車的離站時間，而離站時間并不能實時地反映實際的列車追蹤間隔。如果只是簡單地按照前行列車在當(dāng)前站的離站時間推算被調(diào)整列車的發(fā)車時間，一旦前行列車發(fā)生延誤，就會造成兩車間隔過??；如果被調(diào)整列車本身延誤，則又會因為旅客集聚而導(dǎo)致延誤愈發(fā)嚴重，造成兩車間隔過大[3]。

為改進上述問題并做進一步優(yōu)化，研究設(shè)計一種新的等間隔調(diào)整方法，并用軟件進行仿真驗證。

2　軌道交通等間隔調(diào)整行車方法優(yōu)化

2.1調(diào)整策略

列車之間追蹤間隔的調(diào)整主要依靠調(diào)整停站時間和自動列車駕駛系統(tǒng) (ATO) 區(qū)間運行速度等級2 個參數(shù)實現(xiàn)。在信號系統(tǒng)能夠及時提供行車許可的前提下，列車停站時間延長，與前車間隔會拉大，與后車間隔會縮短；列車在區(qū)間運行速度加快，與前車間隔會縮短，與后車間隔會拉大。

等間隔調(diào)整需要在列車到站停穩(wěn)時進行，這是由于：停站時間只有在列車停站時有效；列車在區(qū)間的運行速度等級只能在列車停站時發(fā)送給列車，大部分 ATO也不支持在列車運行過程中修改運行速度等級。每當(dāng)列車停站、開始等間隔調(diào)整時，先根據(jù)交路上的運營列車數(shù)重新計算目標(biāo)追蹤間隔。根據(jù)當(dāng)前停站列車至其前、后方相鄰列車的實際空間距離，綜合考慮區(qū)間運行時間和停站/折返時間，估算出當(dāng)前停站列車至其前后方相鄰列車的追蹤間隔。通過延長或縮短列車停站時間，輔以提高或降低列車區(qū)間運行速度等級，使列車前后向間隔向目標(biāo)間隔靠攏。①優(yōu)先采用調(diào)整停站時間的方式，少數(shù)必要情況下調(diào)整列車區(qū)間運行速度等級，以減少列車頻繁的速度變化。②限定最大和最小停站時間，以避免乘客由于停站時間過長而產(chǎn)生焦慮感，或者由于停站時間過短使乘客來不及上下車[4]。③采用“局部優(yōu)先，兼顧全線”的原則進行調(diào)整，優(yōu)先保證局部范圍內(nèi)列車追蹤間隔均勻，再根據(jù)線路上列車的分布情況，調(diào)整列車密集區(qū)域的列車，將其盡快調(diào)配到列車稀疏區(qū)域[5]。④調(diào)整時兼顧前后向間隔，確保在某一列車出現(xiàn)延誤時，其前方列車也會延長停站時間或降低運行等級來“等待”延誤列車追趕，分擔(dān)客流，從而避免出現(xiàn)愈延誤便愈延誤的惡性循環(huán)發(fā)生[6]。

2.2目標(biāo)間隔時間計算

通常會根據(jù)客流量等因素為每個車站設(shè)定默認停站時間；折返線也可以看作一個停車站臺，將平均折返時間作為默認停站時間。ATO 根據(jù)車輛的牽引制動性能、實際線路平縱斷面等因素定義各區(qū)間的經(jīng)濟速度曲線，即常規(guī)運行等級。

假定城市軌道交通常規(guī)運營，即列車使用常規(guī)運行等級、在各站按默認停站時間停站的情況下，列車能夠?qū)崿F(xiàn)的旅行速度為 V旅行，交路的總長度為L交路，在線列車數(shù)為 N列車，則等間隔調(diào)整的目標(biāo)間隔時間 I等計算公式為

2.3追蹤間隔計算

正常運營的城市軌道交通列車通常在線路上同向追蹤運行，2 個相鄰的追行列車先后通過同一位置的時間間隔，稱為這 2 列車的追蹤間隔；追蹤間隔也可以理解為后車從其當(dāng)前位置運行至前車當(dāng)前位置所需的時間。追蹤間隔包含 2 列車間的區(qū)間運行時間和停站/折返時間。

（1）區(qū)間運行時間。區(qū)間運行時間是指列車在 2 個車站間的區(qū)間運行消耗的時間；列車采用不同的區(qū)間運行速度等級，對應(yīng)的區(qū)間運行時間也不同。在等間隔調(diào)整情況下，采用常規(guī)運行等級對應(yīng)的列車區(qū)間運行時間。追蹤間隔如圖2所示，設(shè) B 站到 A 站區(qū)間運行時間為 IBA，C 站到B 站區(qū)間運行時間為 ICB；對于列車 2 到 B 站這樣不足一個完整區(qū)間的運行時間，采用近似值，即ICBp= LCBp/LCB×ICB；則列車 1 到列車 2 的區(qū)間運行時間為 I區(qū)間= IBA+ ICBp。

圖2　追蹤間隔

（2）停站/折返時間。停站/折返時間是指列車到站停車或進、出折返線及換端消耗的時間；計算停站或折返時間時，需要對被調(diào)整列車與其前、后向列車的間隔區(qū)分計算。①后向間隔應(yīng)計算被調(diào)整列車所處車站或折返線 (不含) 至后向列車之間所有車站或折返線的默認停站/折返時間之和；如果后向列車正在停站中，需要增加后向列車的剩余停站時間；如果后向列車在折返線上，需要增加該折返線的默認折返時間。設(shè)每個站的默認停站/折返時間為 D默認；列車在停站時，發(fā)車指示器 (DTI) 指示的剩余停站時間為 D剩余。以圖2 計算列車 1 至列車3 的間隔為例 (假設(shè)列車 2 不存在，列車 3 與列車 1追蹤運行)，停站/折返時間產(chǎn)生的間隔為 I停= DB默認+ DC剩余。②前向間隔應(yīng)計算被調(diào)整列車所處車站或折返線 (含) 至前向列車之間所有車站或折返線的默認停站/折返時間之和；如果前向列車正在車站停車中，需要增加該車站默認停站時間與前向列車剩余停站時間之差。以圖2 中列車 3 計算至列車 1 的間隔為例 (同樣假設(shè)列車 2 不存在，列車 3 與列車 1 追蹤運行)，停站/折返時間造成的間隔為 I停=DB默認+ (DA默認－DA剩余)。

綜上，兩列車間的追蹤間隔為區(qū)間運行時間和停站/折返時間之和，即 I實際= I區(qū)間+ I停。

2.4停站時間計算

調(diào)整停站時間是城市軌道交通自動運行調(diào)整的主要手段。根據(jù)?？空九_為列車在每個車站分配最大停站時間 Dmax和最小停站時間 Dmin，作為停站時間的自動調(diào)整極限值。列車在到站停穩(wěn)時計算停站時間，并輸出到 DTI 顯示。定義等間隔調(diào)整的允許誤差為 δ (δ ＞ 0)，目標(biāo)間隔上限 I+= I等+ δ，目標(biāo)間隔下限 I-= I等－δ，與前車追蹤間隔為 I前，與后車追蹤間隔為 I后。根據(jù)前后向追蹤間隔的不同情況，分 3 種條件計算理想停站時間 D。

（1）間隔條件 1：前向或后向間隔符合目標(biāo)間隔標(biāo)準(zhǔn)。這種情況應(yīng)在不破壞前向/后向間隔的前提下進行調(diào)整，在允許誤差 δ 內(nèi)使不符合目標(biāo)的間隔向目標(biāo)間隔靠攏。

（2）間隔條件 2：前向間隔大、后向間隔小，或者前向間隔小、后向間隔大的情況。這種情況下優(yōu)先調(diào)整前向間隔，即優(yōu)先保證被調(diào)整列車與前車間隔向目標(biāo)間隔靠攏。

（3）間隔條件 3：前后向間隔都大或都小的情況。這種情況下停站時間暫不做調(diào)整，使用默認停站時間。

綜上計算得出理想停站時間 D，如果 D ＞ Dmax，則停站時間初始值為 Dmax；反之，如果 D ＜ Dmin，則停站時間初始值為 Dmin；為盡量避免發(fā)生當(dāng)后車到達當(dāng)前站時，由于當(dāng)前被調(diào)整列車還沒有結(jié)束停站，后車站外停車的情況，如果 D ＜ I后，則停站時間初始值為 Dmin。

2.5區(qū)間運行速度等級計算

ATO 通常提供多個運行速度等級，除常規(guī)運行等級外，還有更快和更慢的等級，從而為調(diào)整留出余地。當(dāng)通過停站時間計算得出的理想停站時間D 超出 [Dmin，Dmax] 范圍，或者出現(xiàn)間隔條件 3 時，需要通過改變運行等級進行補償調(diào)整。

為簡化描述，假設(shè) ATO 提供 3 個運行等級，分別為慢速等級 L慢、常規(guī)等級 L常規(guī)和快速等級 L快。實際情況中如果存在更多的運行等級，可以根據(jù)理想停站時間與最大或最小停站時間之差，以及不同等級補償?shù)臅r間，更精確地選用一個運行等級。如果理想停站時間 D 超出 [Dmin，Dmax] 范圍，根據(jù)列車到站停穩(wěn)時得出的理想停站時間 D，計算運行等級 L。

間隔條件 3 常出現(xiàn)于故障情形，如圖3a 中列車1因故中斷運行一段時間，或如圖3b 中列車 1 和列車 2 中間的區(qū)段因故只能拉大間隔運行。如此，在閉環(huán)的交路中就會形成大間隔和大間隔、小間隔和小間隔相鄰存在的情況[7]。

圖3　非正常間隔情況示例

此情況下，無論縮短或延長停站時間都無益于調(diào)整間隔和改善乘客體驗，需要通過對線路上列車的分布情況進行分析，決定列車是否需要加/減速行駛。以圖3b 中的列車 3 為例，以被調(diào)整列車車頭位置為起點，向其前后各延伸交路長度的 1/4 為止，統(tǒng)計這 1/2 個交路上的列車數(shù)目 N列車半，并計算出平均追蹤間隔時間 I半= (1/2 L交路/V旅行) /N列車半，據(jù)此計算該列車適宜的運行等級。

根據(jù)列車分布情況調(diào)整運行等級的目的是讓密度較大區(qū)段的列車加速行駛、密度較小區(qū)段的列車減速行駛，從而縮小線路上的大間隔，實現(xiàn)等間隔行車。

2.6調(diào)整策略的可行性

等間隔調(diào)整的收斂目標(biāo)是達到任意 2 列車之間的間隔滿足 I-＜ I任意＜ I+。在間隔條件 1 和 2 的情況下，調(diào)整停站時間和運行等級都會使被調(diào)整列車的前后間隔向目標(biāo)間隔趨近，并且不破壞已經(jīng)達到收斂目標(biāo)的間隔，不存在發(fā)散的可能。在間隔條件 3 的情況下，存在不作任何調(diào)整的可能，但這種情況不是一個穩(wěn)態(tài)。設(shè)交路上共存在 n 列車，列車 m 與其前方列車的間隔是 Im，則整個交路的運行時間 T 為

如果存在一個 Ij＜ I-，那么必然至少存在一個間隔 Ik＞ I+，反之亦然。因此，間隔條件 3 必然伴隨間隔條件 1 或 2 同時出現(xiàn)，其他間隔的調(diào)整結(jié)果會傳導(dǎo)，改變間隔條件 3。

2.7等間隔調(diào)整的影響因素

決定等間隔調(diào)整收斂速度的因素包括以下 4 個方面。

（1）站間距。由于列車調(diào)整只能在停站時進行，站間距越短，列車調(diào)整得越頻繁，收斂越快。

（2）可容忍的誤差?？扇萑痰恼`差值越大，調(diào)整的裕度也越大，收斂越快。

（3）最大和最小停站時間。差異越大，在使用停站時間作為調(diào)整手段時，在車站補償?shù)臅r間越多，收斂越快。

（4）ATO 特性。ATO 特性決定了不同區(qū)間運行速度等級對應(yīng)的運行時間差異；運行時間差異越大，在使用運行等級作為調(diào)整手段時，在區(qū)間補償?shù)臅r間越多，收斂越快。

3　仿真驗證

選用國內(nèi)某城市軌道交通線路的一段交路進行仿真試驗，線路及其他仿真參數(shù)如表1 所示。

表1　仿真數(shù)據(jù)

仿真環(huán)境軟件包括服務(wù)器軟件 COM：等間隔調(diào)整運算，跟蹤列車，自動排列進路和通信轉(zhuǎn)發(fā)[8]；仿真軟件 SIMU：模擬 ATO 系統(tǒng)自動行車，模擬聯(lián)鎖系統(tǒng)開放進路[9]；操作終端軟件 HMI：顯示站場和列車運行情況，控制操作；運行圖軟件 SCHD：記錄列車實際運行線。

仿真步驟如下。

（1）在 SIMU 軟件上布置列車，模擬不規(guī)則、不均勻的間隔情況。

（2）在 HMI 軟件上啟動等間隔調(diào)整功能。

（3）在 SCHD 軟件上觀察列車運行線，驗證列車追蹤間隔是否趨向目標(biāo)間隔，以及達到調(diào)整目標(biāo)所需時間。開始等間隔調(diào)整 20 min 后的運行線如圖4 所示；80 min 后的運行線如圖5所示，此時基本達到調(diào)整目標(biāo)。

圖4　等間隔調(diào)整大約 20 min 后的運行線

圖5　等間隔調(diào)整大約 80 min 后實際運行線

4　結(jié)論

在城市軌道交通線路無法按照列車運行圖正常行車的情況下，等間隔行車是相對簡單、高效地恢復(fù)運營秩序的一種列車運行調(diào)整方法。針對既有等間隔調(diào)整方法存在的一些問題進行優(yōu)化設(shè)計：①實時、動態(tài)地自動計算目標(biāo)調(diào)整間隔，可以避免由于人工預(yù)設(shè)間隔時間與列車數(shù)目不匹配導(dǎo)致的異常間隔，也無需根據(jù)列車上、下線情況人工反復(fù)設(shè)置間隔時間；②采用局部優(yōu)先調(diào)整并兼顧平衡全線列車分布密度的調(diào)整策略，可以在自動實現(xiàn)列車等間隔運行的同時，兼顧乘客體驗，避免在列車延誤時出現(xiàn)因旅客聚集而導(dǎo)致延誤列車愈發(fā)延誤等情況。通過仿真實驗，可以驗證優(yōu)化的等間隔行車方法實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，具備在實際工程中應(yīng)用的價值。

[1] 唐春林，江 峰. 城市軌道交通混合交路運營模式研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2015，37(3)：84-88.

TANG Chun-lin JIANG Feng. Study on Mixed Routing Operation Mode of Urban Rail Transit[J]. Railway Transport and Economy，2015，37(3)：84-88.

[2] 王建英，劉 雋，張一軍. 分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)中車次追蹤算法的研究[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2007，16(9)：45-48.

WANG Jian-ying，LIU Jun，ZHANG Yi-jun. Study on Train Number Logical Tracing Algorithm in Decentralized Self-Regulated CTC System[J]. Railway Computer Application， 2007，16(9)：45-48.

[3] 吳兆斌. 等間隔運行功能在行車組織中的應(yīng)用[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(23)：99.

[4] 何 霖，方思源，梁強升. 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營的挑戰(zhàn)與對策[J]. 都市快軌交通，2015，28(2)：1-5.

HE Lin，F(xiàn)ANG Si-yuan，LIANG Qiang-sheng. Urban Rail Transit Network Operation: Challenges and Countermeasures[J]. Urban Rapid Rail Transit，2015，28(2)：1-5.

[5] 王明慧. 粗糙集理論在鐵路行車調(diào)度指揮系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[J]. 中國鐵道科學(xué)，2004，25(4)：103-107.

WANG Ming-hui. Study on the Application of Rough Set in Railway Dispatching System[J]. China Railway Science，2004，25(4)：103-107.

[6] 苗義烽. 突發(fā)事件下的列車運行調(diào)度模型與算法研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2015.

[7] 劉浩江. 地鐵行車組織中的調(diào)度調(diào)整方式[J]. 城市軌道交通研究，2008，11(1)：54-57.

LIU Hao-jiang. Regulation Strategy for Train Organization[J]. Urban Mass Transit，2008，11(1)：54-57.

[8] 黃 康，秦燕燕. 鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)信息傳輸平臺研究[J]. 鐵道通信信號，2011，47(11)：1-3.

HUANG Kang，QIN Yan-yan. Study of Railway Train Dispatching Command System Data Transmission Platform[J]. Railway Signalling & Communication，2011，47(11)：1-3.

[9] 王建英. 鐵路行車調(diào)度指揮仿真系統(tǒng)[J]. 中國鐵道科學(xué)，2007，28(5)：110-116.

WANG Jian-ying. Railway Traffic Dispatching Control Simulation System[J]. China Railway Science，2007，28(5)：110-116.

責(zé)任編輯：劉 新

Optimization of Constant Headway Regulation Method in Urban Rail Transit

GUO Jian

(Signal & Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 10081，China)

Constant headway train operation is a traffic command method applied in the particular circumstances of urban rail transit, which can restore the operation order easily and efficiently in case of train diagram disorder. In order to solve the problems of existing Constant Headway Regulation (CHR) Method, this paper introduces the design of an optimized CHR method. This optimized design improves the running adjustment effect by automatically calculating the target headway, calculating the train interval in real time, adjusting the local priority and balancing the train distribution density. The effectiveness of this CHR method is validated by simulation.

Traffic Command; Constant Headway Regulation; ATS (Automatic Train Supervision); Train Diagram

1003-1421(2016)11-0087-06

U239.5

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.11.18

2016-05-30

中國鐵道科學(xué)研究院科研項目 (2014YJ073)