城市軌道交通列車運(yùn)行等級的研究

宋真祥李巖魏源

城市軌道交通列車運(yùn)行等級的研究

宋真祥李巖魏源

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），210003，南京//第一作者，工程師）

地鐵列車在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)偏離計(jì)劃運(yùn)行圖的情況，為使列車盡量正點(diǎn)運(yùn)行，提升列車的正點(diǎn)率及乘客滿意度，需對偏離運(yùn)行圖的列車進(jìn)行調(diào)整。改變列車的運(yùn)行等級是列車調(diào)整的一種重要手段。通過對現(xiàn)有運(yùn)行等級的研究，改進(jìn)了列車運(yùn)行等級劃分，將列車運(yùn)行等級劃分為P1—P8共8個(gè)等級，每個(gè)運(yùn)行等級對應(yīng)一個(gè)運(yùn)行的速度上限，包括列車允許的最大行駛速度、最大牽引加速度及制動減速度。并基于鄭州地鐵1號線的部分線路進(jìn)行牽引仿真計(jì)算，驗(yàn)證該運(yùn)行等級劃分的合理性。仿真結(jié)果表明，運(yùn)行等級的劃分合理，通過改變列車的運(yùn)行等級，能夠在很大程度上改善列車偏離的情況。

城市軌道交通；列車運(yùn)行自動調(diào)整；運(yùn)行等級劃分；牽引仿真

Author′s addressNARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），210003，Nanjing，China

準(zhǔn)點(diǎn)是衡量地鐵運(yùn)營質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。2014年4月1日開始實(shí)施的GBT 30012—2013《城市軌道交通運(yùn)營管理規(guī)范》中明確規(guī)定，列車正點(diǎn)率應(yīng)大于或等于98.5%，列車運(yùn)行圖兌現(xiàn)率應(yīng)大于或等于99%。提高列車的正點(diǎn)率可以在很大程度上提升乘客滿意度，減少投訴率，提升服務(wù)質(zhì)量，但列車在運(yùn)行過程中常常會受到某些干擾因素的影響，出現(xiàn)列車偏離計(jì)劃運(yùn)行的情況。由于地鐵列車運(yùn)行間隔短，某列列車的偏離往往會影響相鄰列車的正常運(yùn)行秩序，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致列車運(yùn)行的大面積紊亂，降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在保證地鐵安全的基本前提下，其服務(wù)質(zhì)量必將受到影響，此時(shí)需采取一定的調(diào)整措施使列車運(yùn)行盡快恢復(fù)到正常有序的狀態(tài)。對于偏離不是特別嚴(yán)重的列車，一般由ATS（列車自動監(jiān)控）控制下的自動列車運(yùn)行調(diào)整通過改變列車的停站時(shí)間和列車運(yùn)行等級來實(shí)現(xiàn)，由ATS下發(fā)列車調(diào)整命令給車載控制器（VOBC），VOBC根據(jù)收到的停站時(shí)間和運(yùn)行等級調(diào)整列車的運(yùn)行，經(jīng)過一次或多次調(diào)整使偏離的列車逐漸按圖行駛；對于嚴(yán)重偏離運(yùn)行計(jì)劃的列車，需要列車調(diào)度員人工干預(yù)進(jìn)行調(diào)整，包括設(shè)置列車跳停、列車扣車、組織乘客快速乘降、壓縮列車停站時(shí)間等。

1 運(yùn)行等級在列車運(yùn)行調(diào)整中的應(yīng)用

列車運(yùn)行調(diào)整主要有自動調(diào)整和人工調(diào)整兩種方式，采用何種方式主要取決于列車實(shí)際運(yùn)行與計(jì)劃時(shí)刻表的偏差大小。較小的偏差主要采用自動調(diào)整方式。在ATS系統(tǒng)中編制列車計(jì)劃時(shí)刻表時(shí)，會預(yù)先設(shè)置列車在各個(gè)站的停站時(shí)間及列車在各個(gè)區(qū)間的運(yùn)行等級，列車到站后，ATS調(diào)整模塊將收到的列車到站時(shí)間與計(jì)劃到站時(shí)間進(jìn)行比較，若列車偏離在允許范圍內(nèi)，ATS將時(shí)刻表中的計(jì)劃停站時(shí)間及下一區(qū)間的運(yùn)行等級直接發(fā)給車載設(shè)備；若偏差大于允許范圍，ATS將根據(jù)偏差大小適當(dāng)調(diào)整列車停站時(shí)間及運(yùn)行等級，并發(fā)給車載設(shè)備。自動調(diào)整流程如圖1所示。

列車停站時(shí)間必須控制在一定的范圍內(nèi)，停站時(shí)間過長或過短都將影響乘客的乘車體驗(yàn)。調(diào)整列車運(yùn)行等級會讓乘客感覺更加自然，一次調(diào)整不一定使列車達(dá)到準(zhǔn)點(diǎn)，可在多個(gè)站對偏離列車的運(yùn)行進(jìn)行多次調(diào)整，使列車逐漸恢復(fù)按圖運(yùn)行。對于偏差很大的情況則需調(diào)度員人工干預(yù)進(jìn)行調(diào)整，偏差范圍由ATS在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定。

2 運(yùn)行等級劃分

雖然列車運(yùn)行等級在城市軌道交通運(yùn)行調(diào)整中有重要的作用，但國內(nèi)學(xué)者對列車運(yùn)行等級的研究相對較少，對運(yùn)行等級的劃分也不太合理。文獻(xiàn)［5］提出通過改變區(qū)間列車運(yùn)行等級的方法來調(diào)整列車運(yùn)行，其將列車在區(qū)間上的運(yùn)行模式分為一般模式與節(jié)能模式，每一種模式下分別設(shè)置快速、正常、慢速三種運(yùn)行等級。若列車在某區(qū)間上運(yùn)行的最短時(shí)間為T，則一般模式下三種列車運(yùn)行等級（PL1—PL3）對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分別為T、T+5 s、T+10 s，節(jié)能模式下三種列車運(yùn)行等級（PL4—PL6）對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分別為110%T、110%T+5 s、110%T+10 s。這樣的運(yùn)行等級設(shè)置雖能在一定程度上調(diào)整早點(diǎn)或晚點(diǎn)的列車，但可調(diào)整的范圍并不明顯，如列車在某區(qū)間運(yùn)行的最短時(shí)間為100 s，則一般模式下慢速運(yùn)行等級對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間與節(jié)能模式下快速運(yùn)行等級對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間是一樣的，都為110 s。另外，由于軌道線路的復(fù)雜性及各個(gè)運(yùn)行區(qū)間的長度存在差異，這種等間隔的時(shí)間變化在列車實(shí)際運(yùn)行過程中并不好控制，在定時(shí)約束條件下尋找合適的列車操縱方式會花費(fèi)較多的資源。文獻(xiàn)［6］提出了另一種運(yùn)行等級的設(shè)計(jì)方案：系統(tǒng)設(shè)置P1—P5共5個(gè)運(yùn)行等級，P1表示列車以最快的運(yùn)行速度行駛，其他運(yùn)行等級，每升高一個(gè)等級，列車的最高運(yùn)行速度將降低10%。該方案下的列車運(yùn)行等級能滿足更大范圍的列車早晚點(diǎn)調(diào)整，但其沒有考慮列車的起動和制動過程，若所有的運(yùn)行等級采取的牽引及制動方式都一樣，則不利于滿足列車節(jié)能及乘客舒適度的要求。從節(jié)能方面考慮，列車應(yīng)采用最大加速及最大減速運(yùn)行模式，但快速的起動和制動會降低乘客的舒適度。另外，該方案沒有考慮區(qū)間限速運(yùn)行的情況。

針對上述運(yùn)行等級劃分存在的不足，考慮城市軌道交通站間距離的差異、列車運(yùn)行能耗以及乘客舒適度等因素，同時(shí)盡量讓不同運(yùn)行等級對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間差異足夠大，使得偏離的列車通過調(diào)整運(yùn)行等級達(dá)到準(zhǔn)點(diǎn)的效果更加顯著，本文設(shè)計(jì)了8個(gè)運(yùn)行等級，分別用P1—P8表示，每個(gè)運(yùn)行等級對應(yīng)一個(gè)運(yùn)行的速度上限，包括列車允許的最大行駛速度、最大牽引加速度及制動減速度。ATS系統(tǒng)在編輯列車時(shí)刻表時(shí)可選擇P2作為列車默認(rèn)的運(yùn)行等級。運(yùn)行等級的設(shè)置如表1所示。

表1 列車運(yùn)行等級劃分

3 算例測試

為驗(yàn)證運(yùn)行等級劃分的合理性及可行性，以鄭州地鐵1號線下行西流湖站—市體育中心站共20個(gè)站之間的線路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行牽引仿真計(jì)算。表2描述了秦嶺路站—五一公園站區(qū)間的線路數(shù)據(jù)格式，整條線的線路數(shù)據(jù)與之類似。全線的線路坡度及曲線限速條件如圖2、圖3所示。

表2 秦嶺路站—五一公園站區(qū)間線路數(shù)據(jù)

圖2 鄭州地鐵1號線線路坡度示意圖

圖3 鄭州地鐵1號線線路限速示意圖

為計(jì)算方便，將列車看作單質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，列車運(yùn)行過程采用快速運(yùn)行策略。即列車以允許的最大牽引力進(jìn)行牽引（若產(chǎn)生的加速度大于運(yùn)行等級規(guī)定的最大牽引加速度，則采用運(yùn)行等級規(guī)定的最大加速度進(jìn)行計(jì)算），當(dāng)列車速度到達(dá)最大允許速度后以最大允許速度勻速運(yùn)行，直到列車運(yùn)行至制動轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)采用允許的最大減速度進(jìn)行制動。計(jì)算過程中對各個(gè)站間運(yùn)行時(shí)間，以及每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)列車的實(shí)時(shí)速度和列車行走的距離進(jìn)行記錄，并繪制列車運(yùn)行的S-v曲線，以直觀反映各個(gè)運(yùn)行等級下列車的運(yùn)行情況。圖4為運(yùn)行等級P1—P4對應(yīng)的速度距離曲線。

不同運(yùn)行等級列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間匯總?cè)绫?所示。

圖4 列車運(yùn)行等級P1—P4的速度距離曲線

表3 區(qū)間運(yùn)行時(shí)間

4 結(jié)果分析

4.1調(diào)整效果的改善

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的運(yùn)行等級劃分原則，可計(jì)算出列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分，如表4所示。表中“最大可調(diào)整時(shí)間”指列車最快通過區(qū)間的時(shí)間與最慢通過區(qū)間的時(shí)間之差，即列車通過調(diào)整運(yùn)行等級一次最大的調(diào)整范圍。

由表4可見，改進(jìn)前PL3與PL4的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間相差不大，且通過調(diào)整運(yùn)行等級來調(diào)節(jié)列車運(yùn)營偏差的效果并不顯著，單次僅可以調(diào)整20 s左右。

4.2仿真結(jié)果分析

從牽引仿真計(jì)算的結(jié)果可以看出，運(yùn)行等級越高，區(qū)間運(yùn)行時(shí)間越長，在列車正常運(yùn)行模式下（非限速運(yùn)行），通過調(diào)整列車運(yùn)行等級，能夠在很大程度上調(diào)整早點(diǎn)或晚點(diǎn)的列車。當(dāng)列車運(yùn)行偏離計(jì)劃運(yùn)行圖較小時(shí)，可根據(jù)偏離時(shí)間的大小，結(jié)合計(jì)劃到達(dá)下一站的時(shí)間以及下一站的計(jì)劃運(yùn)行等級，選擇合適的運(yùn)行等級運(yùn)行；當(dāng)列車偏離較大時(shí)，一次調(diào)整可能不足以使列車恢復(fù)計(jì)劃運(yùn)行，這時(shí)可通過多次調(diào)整列車運(yùn)行等級并結(jié)合調(diào)整列車停站時(shí)間等多種手段，使偏離的列車盡量正點(diǎn)運(yùn)行。

表4 改進(jìn)前的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分

不同的行車區(qū)間，運(yùn)行等級的調(diào)節(jié)能力不同。對于非限速運(yùn)行模式下的運(yùn)行等級（P1—P6），調(diào)節(jié)范圍最小的為秦嶺路站—五一公園站區(qū)間，最大可調(diào)范圍為48 s；調(diào)節(jié)范圍最大的為博學(xué)路站—市體中心站區(qū)間，最大可調(diào)節(jié)范圍為111 s。一般情況下，區(qū)間距離越長，可調(diào)節(jié)的時(shí)間范圍越大，并且不同運(yùn)行等級之間的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間差也不同。這是由于運(yùn)行等級劃分的主要區(qū)別在于列車的牽引加速度大小、制動減速度大小以及區(qū)間最高限速，列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)牽引和制動過程所占的比重相對較小，特別是在較長的區(qū)間內(nèi)，中間運(yùn)行過程所占的比重較大，所以區(qū)間距離越長，最高限速對列車運(yùn)行等級所帶來的影響就越大。例如，距離較長的博學(xué)路站—市體育中心站區(qū)間（區(qū)間距離2 483 m），相鄰兩個(gè)運(yùn)行等級對應(yīng)的時(shí)間差分別為12 s、17 s、19 s、27 s、36 s，而距離較短的秦嶺路站—五一公園站區(qū)間（區(qū)間距離1 074m），相鄰兩個(gè)運(yùn)行等級對應(yīng)的時(shí)間差分別為6 s、8 s、8 s、12 s、14 s。也就是說，站間距離越長，通過調(diào)整運(yùn)行等級來調(diào)節(jié)列車運(yùn)行的效果就越顯著，這與列車的實(shí)際運(yùn)行情況相吻合。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.城市軌道交通運(yùn)營管理規(guī)范：GB/T 30012—2013［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［2］耿幸福,徐新玉.城市軌道交通行車組織［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］何小俊.軌道交通CBTC列車運(yùn)行自動調(diào)整方法研究［J］.科技與企業(yè)，2012（8）：44-45.

［4］徐航.城市軌道交通列車運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)整算法的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013.

［5］董俊.深圳地鐵3號線列車運(yùn)行自動調(diào)整策略分析［J］.城市軌道交通研究，2013，16（7）：117-119.

［6］陳榮武，劉莉，郭進(jìn)，等.基于遺傳算法的列車運(yùn)行能耗優(yōu)化算法［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2012，12（1）：108-114.

［7］葉芹祿.城市軌道交通車輛電機(jī)牽引力計(jì)算方法研究［J］.城市軌道交通研究，2010，13（10）：71-73.

［8］中華人民共和國鐵道部.列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］.北京：中國鐵道出版社，2000.

［9］彭其淵，石紅國，魏德勇.城市軌道交通列車牽引計(jì)算［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

Research of M etro Train Performance Level

SONG Zhenxiang，LIYan，WEIYuan

Metro trains in operation process often deviate from the running chart.To ensure the scheduled operation of trains,enhance the punctuality rate and the satisfaction of the customers，it is necessary to adjust the train that has deviated from the running chart，and an effective method is to change the performance level of the train.Based on a study of the present performance levels,the change resets 8 levels from P1 to P8，each corresponds to a ceiling of the running velocity，including the perm itted train maximum speed,maximum traction acceleration and breaking deceleration.Partial routes of Zhengzhou subway Line 1 are taken for the traction simulation calculation，to verify the rationality of the existing performance levels.The results show that the division of performance levels is reasonable，because by changing the performance level of the train，the condition of train deviation can be improved to a great extent.

urban rail transit；train automatic regulation；performance level grading；traction simulation

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2017.07.018

2015-07-29）