城市軌道交通快、慢車仿真研究

吳 剛

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 前言

對于城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計而言，根據(jù)信號系統(tǒng)制式對行車專業(yè)提出的配線設(shè)置、旅行速度、行車間隔、折返間隔等進行仿真驗算非常重要，不但可以驗證行車專業(yè)所提要求是否合理可行，更可以對信號系統(tǒng)的設(shè)計等提出可靠的依據(jù)。

廣州地鐵14號線工程采取快慢車運營模式，快車停靠部分車站，慢車則為站站停車，在越行車站設(shè)置快車越行線和慢車避讓線。本文重點針對以下情況進行驗證分析：（1）信號系統(tǒng)采用移動閉塞制式并實行快、慢車運行模式下，正線是否滿足遠期24列車且快慢1∶3開行比例的行車能力，即本線路是否可滿足行車組織要求的早晚高峰能力要求，遠期18對/小時慢+6對/小時快；（2）信號系統(tǒng)采用固定閉塞制式并實行站站停運行模式下，是否能實現(xiàn)4 min的最小追蹤間隔。

圖1 遠期快慢車運營模式停站方案

1 仿真原理

本次仿真主要是運用廣泛應(yīng)用于以下軌道交通工程領(lǐng)域的Opentrack軟件對廣州地鐵14號線列車運行的仿真。該軟件能在不同的計算機平臺上運行，且能夠模擬各種場景。

Opentrack仿真模擬采用連續(xù)-離散混合求解算法，對列車運動的計算采用連續(xù)求解，獲得加速度、速度、位移等；對行車信號與調(diào)度采用離散求解，獲得信號機狀態(tài)、路徑占用等信息。系統(tǒng)在給定的基礎(chǔ)設(shè)施條件下，讓列車依據(jù)自身動力性能，按給定的時刻表進行運行[1]。

圖2 Opentrack仿真原理

2 仿真過程

仿真分為模型建立、仿真模擬、數(shù)據(jù)輸出三個過程。

模型建立包括對線路平縱斷面、限速區(qū)段、車站站位等線路基礎(chǔ)資料，還包括車輛性能數(shù)據(jù)、信號機設(shè)置及進路設(shè)置等，可為模擬建立一套精確的模型[2]。

仿真模擬的過程是在基礎(chǔ)模型建立后，利用軟件內(nèi)部牽引計算系統(tǒng)對全線列車運行進行實時動態(tài)模擬的過程。模擬過程中，可動態(tài)觀察列車運行速度、運行里程、加速度等多項列車指標(biāo)，并對列車越行、折返等過程做出綜合評價。如圖3所示。

仿真結(jié)束后，系統(tǒng)可輸出as＜加速度、里程曲線＞、vs＜速度、里程＞曲線、Fs＜牽引力、里程＞曲線、st1＜區(qū)段占用情況、時間＞曲線、st2＜區(qū)段占用情況、時間＞曲線、otsimcor＜列車曲線運行圖＞、快慢車列車追蹤間隔等30幾種數(shù)據(jù)或者圖形結(jié)果[1]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 快、慢車的行車能力

列車從嘉禾望崗?fù)挚诜较蜻\行，選取2組1∶3的比例快慢車。發(fā)車間隔時間依次為0min，2.5min， 2min， 3.5min， 2min， 2.5min， 2min，3.5min。從圖4可以清楚看到第一組快車在DP（東平站）、TH（太和站）、ZLT（鐘落潭站）超越了前面發(fā)車的三列慢車，第二組快車不但在前面三站超過了第二組發(fā)車的三列慢車，還在TP（太平站）超過了第一組發(fā)車的第三列慢車快車，實現(xiàn)了快慢車有序超越。而且圖4中并未出現(xiàn)沖突點，快車和慢車預(yù)先定義的旅行時間得到了保證，從而也證明了行車設(shè)置的越行站合理，信號系統(tǒng)可以根據(jù)移動閉塞制式實現(xiàn)這種交錯的快慢車運行。

在移動閉塞列車控制方式的基礎(chǔ)上，實行快慢車追蹤運行，快車和慢車在交匯點處存在沖突點，快、慢車的組織也是圍繞沖突點的管理來組織客運。通過明顯的車次區(qū)別和線型區(qū)別，調(diào)度員可以很清晰地在站場圖界面和時刻表界面上識別出列車快慢車。

在進行快慢車運行圖編制時，往往采取單獨仿真一條快車運行線，一條慢車運行線作為基礎(chǔ)的運行圖數(shù)據(jù)，在保證快車運行旅行時間不受影響的前提下，按照運行圖事先要求的快慢車比例，先鋪畫快車運行圖，然后根據(jù)避免沖突點的原理（在越行站設(shè)置一個慢車到達該站時刻與快車越過該站時刻的最小間隔時間T1和快車越過該站與慢車可以出發(fā)時刻的最小間隔時間T2，保證快、慢車不在越行站產(chǎn)生沖突)，不改變慢車區(qū)間運行的數(shù)據(jù)，增加慢車在越行站的等待時間，達到快車在越行站超越慢車，實現(xiàn)有序的快慢車追蹤間隔運行。

圖3 Opentrack仿真過程實錄

為了保證列車追蹤安全運行，這種鋪畫方式一般都對T1和T2取相對較大的時間間隔，而且實際每個越行站根據(jù)越行站前后車站快車是否停車對T1和T2的選取會略有不同，更沒有動態(tài)調(diào)整的空間，很大程度上犧牲了慢車在越行站的等待時間，降低了地鐵的服務(wù)水平。使用OPENTRACK進行仿真，采用基于行車給出的運行時刻表，可采取多次模擬仿真，實時調(diào)整慢車停站時間，或者快、慢車在區(qū)間的旅行時間，逐次逼近，在避免快慢車在越行站的沖突的基礎(chǔ)上，選取最優(yōu)的運行圖為計劃運行圖，達到既保證快慢車的有序運行，又很大程度上提高了運行的效率。

3.2 降級模式下的最小追蹤間隔的實現(xiàn)

降級模式下的列車最小追蹤間隔是衡量系統(tǒng)能力的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是信號系統(tǒng)設(shè)計重點。本次仿真以街口往嘉禾望崗下行方向為例，使用固定閉塞進行仿真。

本次采用兩列前后制式完全相同的列車以最初4 min的發(fā)車間隔進行仿真，由圖5可以清楚地看到后車的速度明顯因前車的存在而受影響，后車不能以正常速度運行至前車相同位置，而且在TP（太平站）、DC（鄧村站）出現(xiàn)了沖突點，即后車采取了在車站等待前行列車離開安全防護區(qū)段后發(fā)車的方式來保證與前車的安全距離。經(jīng)過核 實 ，DC(鄧 村)～SG(神崗)、TP(太 平)～XH （新和）區(qū)間距離均大于5 km，根據(jù)固定閉塞制式原理與初步設(shè)計方案，在長大區(qū)間采用加裝信號分割點來保證固定閉塞制式下最小追蹤間隔，通過在模型上對DC(鄧村)～SG(神崗)、TP(太平)～XH （新和）區(qū)間增加計軸與信號機后，重新進行了仿真，結(jié)果滿足初步設(shè)計要求的4 min的最小追蹤間隔。

圖4 1∶3的比例快慢車運行圖

圖5 降級模式下4 min追蹤間隔運行圖

根據(jù)仿真驗算后的結(jié)果來布置正線軌旁設(shè)備，不但保證了信號系統(tǒng)設(shè)計的能力，而且提高了運營服務(wù)效率。

4 結(jié)論

本文通過利用OPENTRACK軟件對廣州地鐵14號線CBTC模式快慢車能力和降級模式下固定閉塞最小追蹤間隔的仿真，能夠得出一系列數(shù)據(jù)，如列車運行圖、列車時刻表、沖突檢測、避讓線占用率等，這些數(shù)據(jù)不僅可以形象直觀地驗證行車設(shè)計是否能夠?qū)崿F(xiàn)，避讓線設(shè)置是否合理，而且可以驗證信號系統(tǒng)能夠達到的系統(tǒng)性能以及優(yōu)化行車運行圖，從何保證了設(shè)計的合理性。

［1］瑞士蘇黎世聯(lián)邦科學(xué)研究院北京星竹科技發(fā)展有限公司，OPEN TRACK用戶手冊--中文版（1.X版）［Z］.2010.

［2］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣州市軌道交通14號線一期及知識城支線工程行車組織與運營管理初步設(shè)計說明書［Z］.2013.