城市軌道交通列車折返能力綜合優(yōu)化分析

李 莉

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

1 概述

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵運(yùn)行速度不斷提升，自動(dòng)化控制較高的基于通信的列車自動(dòng)控制（Communication-based Train Control，CBTC）系統(tǒng)已經(jīng)在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用，其中制約CBTC列車運(yùn)行間隔的主要因素為列車折返能力。隨著近年來城市客流不斷增大，八節(jié)編組列車的普遍應(yīng)用，列車折返能力更成為制約城市軌道交通運(yùn)營能力的關(guān)鍵因素。

本文提出一種針對(duì)城市軌道交通列車折返能力綜合優(yōu)化的方法，通過對(duì)列車折返過程中的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行重新歸納，提出基于不同列車運(yùn)行狀態(tài)的折返能力優(yōu)化分析圖，最后依照該分析圖對(duì)列車折返過程進(jìn)行部分優(yōu)化，并通過仿真驗(yàn)證結(jié)果表明該分析方法的有效性。

2 折返過程分析

在城市軌道交通運(yùn)營中，信號(hào)系統(tǒng)是指揮列車運(yùn)行、保障行車安全和提高行車效率的基礎(chǔ)裝備。本節(jié)主要對(duì)信號(hào)系統(tǒng)控制下列車的折返類型進(jìn)行說明，并對(duì)列車的折返過程進(jìn)行分析和重新歸納。

2.1 折返類型說明

在信號(hào)系統(tǒng)控制下，列車的折返方式可以分為列車自動(dòng)運(yùn)行（Automatic Train Operation，ATO）折返模式、列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）折返模式、限制人工折返模式、以及非限制人工折返模式。其中，在采用ATO折返模式時(shí)，列車在折返運(yùn)行時(shí)無需司機(jī)進(jìn)行控制，所有運(yùn)行操作由信號(hào)系統(tǒng)直接完成，可極大的節(jié)省司機(jī)操作時(shí)間，提高折返效率。因此，在城市軌道交通運(yùn)營組織中，ATO折返模式是最常使用的折返方式。

在ATO折返過程中，當(dāng)列車?？吭谡鄯嫡九_(tái)時(shí)，司機(jī)在原列車頭端完成固定操作后，列車進(jìn)入自動(dòng)折返模式:信號(hào)系統(tǒng)控車自動(dòng)運(yùn)行至折返點(diǎn)，停車后進(jìn)行自動(dòng)換端，之后再次控車運(yùn)行至站臺(tái)定位停車。司機(jī)在折返后的列車頭端進(jìn)行激活操作后，信號(hào)系統(tǒng)的自動(dòng)折返程序退出，控制列車重新進(jìn)入正常運(yùn)營模式。ATO折返期間，司機(jī)只需在列車停站期間完成進(jìn)入和退出折返模式的簡單操作即可，列車運(yùn)行期間無需任何其他人工干預(yù)。因此，需要在進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)折返過程進(jìn)行細(xì)化分析，了解影響折返的各方面因素，才能在控制列車折返時(shí)有效提升效率。

2.2 折返過程分析

從列車整個(gè)折返過程的時(shí)間順序上分析，折返過程包含:上行站臺(tái)接車作業(yè)、折返作業(yè)、出庫進(jìn)入下行站臺(tái)3個(gè)階段。按照時(shí)間順序繪制兩車折返追蹤過程示意如圖1所示。

圖1 列車折返過程圖Fig.1 Train turn-back procedure chart

如按照傳統(tǒng)的列車折返時(shí)間順序?qū)D1進(jìn)行分析，則在同一時(shí)間段存在不同的列車運(yùn)行狀態(tài)，不利于歸納分析每段運(yùn)行時(shí)間的影響因素。因此，本文從構(gòu)成列車折返過程圖的幾何類型上進(jìn)行分區(qū)，依照列車不同的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)折返時(shí)間進(jìn)行分析，有利于后續(xù)的歸納整合和深入分析。

因此，從構(gòu)成列車折返過程圖的幾何類型上進(jìn)行區(qū)分，列車折返過程可分為3類。

1）列車的運(yùn)行時(shí)間:如圖1中所有的斜線部分，即t0至t6的時(shí)間。該時(shí)間包括列車運(yùn)行至上行折返站（t0）、折返站運(yùn)行至折返點(diǎn)（t1至t3）、折返點(diǎn)重新運(yùn)行至下行折返站（t4至t5），以及出清車站的時(shí)間（t6）等；

2）折返附加時(shí)間:如圖1中所有的橫線部分。列車折返過程中共計(jì)停站3次，分別包括上行的站停時(shí)間（Dwell）、折返點(diǎn)等待進(jìn)路辦理和道岔搬動(dòng)時(shí)間（Tb），下行的停站時(shí)間（Dwell）；

3）前后兩車的制約時(shí)間:如圖1中的“1、2、3”3個(gè)區(qū)間段，只有前車將安全運(yùn)行的進(jìn)路資源釋放出后，后車才能有占用該進(jìn)路資源的條件，也就是這三個(gè)時(shí)間區(qū)段需要大于0。該區(qū)段時(shí)間也包含信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行列車控制、進(jìn)路辦理和解鎖等時(shí)間。

本節(jié)提出對(duì)列車折返過程的重新分類，為后續(xù)的折返能力優(yōu)化提供基礎(chǔ)。這樣區(qū)分的優(yōu)點(diǎn)在于，將同類折返運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行歸納匯總，有針對(duì)性的對(duì)每類狀態(tài)的制約因素進(jìn)行綜合分析，以達(dá)到壓縮總折返時(shí)間的目的，最大化的提升線路運(yùn)營能力，這也是本文優(yōu)化折返能力的出發(fā)點(diǎn)。

3 折返能力綜合優(yōu)化分析

通過對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)營折返過程的整體分析，可從宏觀上將各類因素進(jìn)行綜合統(tǒng)籌整理，然后再針對(duì)每一因素進(jìn)行深入分析，確保沒有遺漏，以達(dá)到最大程度的綜合提升折返效率。以折返運(yùn)行時(shí)間為例，綜合優(yōu)化分析如圖2所示。

圖2 折返能力優(yōu)化分析圖Fig.2 Turn-back capability optimization analysis diagram

首先從是否為安全關(guān)鍵因素角度對(duì)影響折返時(shí)間的所有因素進(jìn)行分析，然后按照主觀因素和客觀因素進(jìn)行分類，找到對(duì)應(yīng)的所有利益相關(guān)方，再對(duì)每個(gè)利益相關(guān)方的影響因素一一進(jìn)行深入分析和優(yōu)化。對(duì)圖2的舉例分析詳細(xì)說明如下。

3.1 安全關(guān)鍵因素分析

在安全關(guān)鍵因素中，由于涉及到各系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和安全操作等，該部分的優(yōu)化需要通過充分的理論證明和測試。明確所有安全關(guān)鍵點(diǎn)的制約因素，以便在設(shè)計(jì)時(shí)保證安全且避免不必要的浪費(fèi)。制約列車折返運(yùn)行時(shí)間的安全關(guān)鍵因素舉例說明如下。

1）列車:列車的折返運(yùn)行時(shí)間與牽引、制動(dòng)、車長等客觀因素有關(guān)。列車的編組長度數(shù)據(jù)應(yīng)精確測量，作為信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車定位的輸入；在安全運(yùn)行條件下列車的牽引及制動(dòng)力的選取范圍應(yīng)不同:例如在運(yùn)營高峰期的折返作業(yè)中，車內(nèi)無乘客且客流壓力較大，可對(duì)列車運(yùn)行舒適度的要求適當(dāng)降低，列車的牽引及制動(dòng)系數(shù)可在考慮司機(jī)安全的條件下取較高值，作為信號(hào)系統(tǒng)控車的接口輸入邊界條件。

2）信號(hào):列車在折返的運(yùn)行過程中，信號(hào)的主要功能為精確控車，在不同外部條件需求下，應(yīng)采用不同的ATO算法進(jìn)行列車控制，即當(dāng)列車運(yùn)行對(duì)高效、節(jié)能、舒適度等要求有不同側(cè)重的情況下，選取的ATO算法都應(yīng)不同。這些算法可在基于一定閥值的情況下彼此切換，以達(dá)到最優(yōu)控制。如在客流高峰期的折返區(qū)段，對(duì)列車運(yùn)行舒適度及精確度要求不高，但對(duì)折返效率要求較高時(shí)，可對(duì)差異變化快速響應(yīng)，但存在一定跟隨誤差的FUZZY算法。

3）軌道和線路:在線路方面，應(yīng)選擇較為平順的區(qū)域，避免小半徑曲線、豎緩重合等地段作為列車折返區(qū)域，避免信號(hào)系統(tǒng)在控車時(shí)產(chǎn)生不必要的誤差。在軌道方面，道岔型號(hào)和選取與列車的編組情況、運(yùn)營間隔要求、線路客觀條件等因素相關(guān)，同時(shí)道岔定位、反位通過速度為行車安全關(guān)鍵輸入，在考慮安全行車的情況下，道岔定、反位通過速度應(yīng)區(qū)分設(shè)置，作為信號(hào)系統(tǒng)控車的輸入邊界條件。

4）司機(jī)和站務(wù)人員:列車在折返的運(yùn)行過程中，如采用ATO折返模式，則列車的折返運(yùn)行時(shí)間部分不受主觀因素的影響，只有在及其特殊情況下需要司機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)操作。在折返附加時(shí)間中，司機(jī)的安全操作包括需確認(rèn)屏蔽門與車門之間是否有異物，站務(wù)人員的安全操作需確認(rèn)非運(yùn)營區(qū)域沒有乘客等。該方面的優(yōu)化需要運(yùn)營人員根據(jù)客觀情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 非安全關(guān)鍵因素的優(yōu)化

在非安全關(guān)鍵因素中，主要涉及各接口系統(tǒng)之間的配合、接口條件的明確，以及運(yùn)營組織等方面。制約列車折返運(yùn)行時(shí)間的非安全關(guān)鍵因素簡單舉例如下。

1）列車:在依照信號(hào)系統(tǒng)控車，執(zhí)行折返運(yùn)行過程中，列車是所有信號(hào)控制命令的執(zhí)行方。因此，可通過縮短信號(hào)系統(tǒng)控車響應(yīng)時(shí)間、簡化列車折返運(yùn)行操作步驟等方式節(jié)約折返運(yùn)行時(shí)間。該處的優(yōu)化需要對(duì)信號(hào)與列車之間的硬件電路、軟件接口等方面進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，同時(shí)需要依靠人因工程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2）信號(hào):列車在折返的運(yùn)行過程中，應(yīng)合理規(guī)劃運(yùn)行圖。即列車運(yùn)行的觸發(fā)時(shí)間、各關(guān)鍵位置的時(shí)間點(diǎn)、前后列車的運(yùn)行制約時(shí)間等需要在運(yùn)行圖上合理體現(xiàn)，以發(fā)揮列車最大運(yùn)行能力，避免列車運(yùn)行受到運(yùn)行圖的制約。另外，也可通過改善聯(lián)鎖系統(tǒng)辦理方式，采用同時(shí)辦理而不是順序啟動(dòng)的方式，節(jié)約信號(hào)系統(tǒng)對(duì)折返行車控制的反應(yīng)時(shí)間。

3）軌道和線路:在線路的前期設(shè)計(jì)中，對(duì)于折返站選址及站形情況，在考慮列車正常折返運(yùn)行所需的線路條件外，應(yīng)盡可能降低線路的附加長度；同時(shí)可以通過站后交叉渡線、站前單渡線等方面的設(shè)計(jì)，提升線路折返的冗余能力。軌道方面，需按軌道設(shè)施當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行日常維護(hù)和定期檢修，避免軌道損傷等造成信號(hào)在控車方面產(chǎn)生不必要的誤差。

4）司機(jī)和站務(wù)人員:列車ATO折返運(yùn)行中，列車的折返運(yùn)行時(shí)間部分不受主觀因素的影響。在折返停站時(shí)間中，站臺(tái)的乘降作業(yè)需要司機(jī)和站務(wù)人員的配合，該方面能力的提升與乘務(wù)人員的主觀因素、業(yè)務(wù)熟練程度有關(guān)，可通過培訓(xùn)、演練等方面提升人員能力，縮短附加時(shí)間。

以上為初步舉例分析，影響折返的利益相關(guān)方以及每個(gè)利益相關(guān)方的影響因素還可以進(jìn)一步深化梳理。同理也可采用該方法，對(duì)折返附件時(shí)間、前后車的制約時(shí)間進(jìn)行一一分析，綜合后使折返總時(shí)間充分優(yōu)化。

4 仿真驗(yàn)證

按照以上分析，對(duì)影響列車折返運(yùn)行的因素進(jìn)行初步優(yōu)化，主要優(yōu)化點(diǎn)包括。

1）ATO算法優(yōu)化:在折返過程中選取FUZZY算法進(jìn)行仿真，對(duì)目標(biāo)速度的變化率能夠快速反應(yīng)。

2）列車啟動(dòng)牽引及制動(dòng)力的優(yōu)化:優(yōu)化車輛牽引和制動(dòng)系數(shù)，作為信號(hào)系統(tǒng)控車的輸入量。

3）線路:提升列車在折返道岔區(qū)域的側(cè)向通過速度，與道岔最高側(cè)向安全通過速度匹配。

對(duì)折出列車的運(yùn)行圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3、4所示。

對(duì)圖3、4進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出經(jīng)過優(yōu)化后:

1）列車在交叉渡線部分速度明顯提升，由37 km/h提升至接近目標(biāo)速度46.3 km/h；

2）列車運(yùn)行速度更加貼近目標(biāo)速度，由原先的44.46 km/h提升為46.3 km/h；

3）列車在進(jìn)站速度更高，由原來的31.86 km/h提升為32.22 km/h，站間通過提升列車制動(dòng)力在目標(biāo)點(diǎn)停車。

4）總體折返時(shí)間優(yōu)化1.2 s，在確保安全的情況下提升了折返效率。

通過對(duì)比可知，通過初步優(yōu)化后，列車的折返時(shí)間有效縮短。后續(xù)可通過因素分析方法，在城市軌道交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營組織、維護(hù)等各環(huán)節(jié)中，充分考慮影響折返的各類因素，并對(duì)每個(gè)因素分解和優(yōu)化，以達(dá)到綜合提升線路折返能力的目標(biāo)。

5 總結(jié)

在當(dāng)前我國城市軌道交通大面積建設(shè)的形勢下，地鐵在人們每天的出行中起到越來越重要的作用。在信號(hào)系統(tǒng)的控制下，如何實(shí)現(xiàn)列車高效自動(dòng)折返成為提升軌道交通運(yùn)營能力的關(guān)鍵因素之一。本文基于列車在折返過程中的不同運(yùn)行狀態(tài)，提出一種對(duì)列車折返能力的綜合優(yōu)化分析方法，并通過仿真驗(yàn)證了該優(yōu)化的有效性。由于該分析方法所涵蓋的因素較為全面，因此在后續(xù)的研究中，可針對(duì)其中的每個(gè)因素進(jìn)行深入分析和優(yōu)化，達(dá)到綜合提升列車折返能力的效果。

圖3 優(yōu)化前折出列車運(yùn)行情況Fig.3 Train turn-back running status before optimization

圖4 優(yōu)化后折出列車運(yùn)行情況Fig.4 Train turn-back running status after optimization

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