快慢車運(yùn)營模式下ATS關(guān)鍵技術(shù)研究

王 恒，景順利

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京 210006）

隨著城市的發(fā)展，城市軌道交通運(yùn)行線路越來越長(zhǎng)，為了減小軌道交通線路延長(zhǎng)及列車頻繁停站對(duì)客流吸引能力的影響，許多城市在市域軌道交通線路運(yùn)營過程中采取了快慢車組合運(yùn)營的方法[1]，提高列車運(yùn)行效率，滿足不同乘客的快速出行的需求，取得了良好的效果。

快慢車運(yùn)行模式在國外已經(jīng)運(yùn)行多年，是成熟的模式，但在國內(nèi)與常規(guī)地鐵相比還是一種新模式，目前在快慢車設(shè)計(jì)規(guī)劃、運(yùn)營能力分析等方面國內(nèi)都沒有進(jìn)行系統(tǒng)地分析和設(shè)計(jì)。本論文著重從地鐵控制系統(tǒng)中的列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)進(jìn)行快慢車運(yùn)行分析，通過ATS系統(tǒng)在列車運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間、進(jìn)路自動(dòng)辦理等方面進(jìn)行控制，滿足快慢車運(yùn)行設(shè)計(jì)要求。并對(duì)運(yùn)行調(diào)整、預(yù)測(cè)、切換方面進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)分析，特別是在快慢車切換和恢復(fù)方面，結(jié)合ATS系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新地分析和設(shè)計(jì)，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方法。

1 基本需求

目前采用快慢車組合運(yùn)行的模式，大體可劃分為 4 類：共線運(yùn)行、分線運(yùn)行、跨線運(yùn)行、接線運(yùn)行。其中，共線運(yùn)行又可分為：共線不共軌運(yùn)行和共線共軌運(yùn)行[2]。

（1）共線不共軌運(yùn)行：指快慢車在同一條線路上不共軌道運(yùn)行；

（2）共線共軌運(yùn)行：指快慢車在同一條線路上同一軌道運(yùn)行；

（3）分線運(yùn)行：指快慢車分別在各自的線路上運(yùn)行，快車與慢車各行其道，但兩者運(yùn)營通過換乘設(shè)施間接結(jié)合；

（4）跨線運(yùn)行：指快車線和慢車線兩者屬非完全同一的軌道交通制式，但可有條件地跨入另一制式不同的線路上運(yùn)行；

（5）接線運(yùn)行：指郊區(qū)和市區(qū)兩條不同制式的軌道交通線路通過換乘連接，實(shí)現(xiàn)乘客市郊間乘行的快慢車運(yùn)行模式，接線運(yùn)行模式也可稱接駁運(yùn)行模式。

在現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)中，地鐵要實(shí)現(xiàn)快車和慢車同時(shí)運(yùn)行，可采取修建快、慢車線路的方式，或者在共線條件下設(shè)置越行站。本文描述在共線共軌方式下快慢車運(yùn)行時(shí)ATS關(guān)鍵技術(shù)的研究和分析，其ATS系統(tǒng)具備的基本功能如下：

（1）滿足不同時(shí)段快慢車開行比例、列車運(yùn)行時(shí)間要求，能夠編制計(jì)劃時(shí)刻表；

（2）快車越站時(shí)，慢車的停站時(shí)間可以自動(dòng)調(diào)整、適當(dāng)延長(zhǎng)；

（3）能夠按照快慢車時(shí)刻表進(jìn)行列車運(yùn)行控制，例如進(jìn)路自動(dòng)辦理、運(yùn)行時(shí)間控制；

（4）能夠進(jìn)行快慢車運(yùn)行切換控制，包括：快車到慢車，慢車（之前為快車）恢復(fù)成快車；

（5）列車運(yùn)行過程中列車運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)線，并能根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)用于快慢車運(yùn)行控制；

（6）快慢車運(yùn)行控制，在正常運(yùn)行過程中，快車越站慢車避讓；如果快車越站時(shí)間延誤較大，通過對(duì)列車運(yùn)行的預(yù)測(cè)，在滿足運(yùn)行要求的情況下，慢車可以先于快車離站；

（7）快慢車顯示需求，快慢車圖標(biāo)、快慢車車次號(hào)、狀態(tài)、位置、運(yùn)行方向、早晚點(diǎn)時(shí)間顯示。

2 系統(tǒng)功能分析

在快慢車運(yùn)行過程中，ATS系統(tǒng)需要滿足“快慢車運(yùn)行模式”和“全線慢車運(yùn)行模式”的要求，因此，需要在運(yùn)行模式管理、快慢車時(shí)刻表、快慢車運(yùn)行顯示、快慢車運(yùn)行調(diào)整、快慢車進(jìn)站進(jìn)路自動(dòng)選擇進(jìn)路、慢車避讓策略選擇、列車運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2.1 運(yùn)營模式管理

系統(tǒng)根據(jù)編制的快慢車時(shí)刻表，為上線的列車分配快慢車車次號(hào)，運(yùn)營模式管理分為：“快慢車”運(yùn)營模式和“全慢車”運(yùn)營模式。

在采用“快慢車”運(yùn)營模式時(shí)，快車在慢車?？空九_(tái)采用直股通過，不進(jìn)行上下客作業(yè)，慢車采用側(cè)股作為上下客站臺(tái)，如圖1所示?？燔囋诳炻囃？空九_(tái)采用直股?？考斑M(jìn)行上下客作業(yè)。

在采用“全慢車”運(yùn)營模式時(shí)，線路上運(yùn)營的列車自動(dòng)降級(jí)為慢車，全線列車的運(yùn)營采用慢車運(yùn)營模式。此時(shí)列車經(jīng)過慢車?？空九_(tái)時(shí)為了提高運(yùn)營效率，采用直股進(jìn)行上下客作業(yè)，如圖2所示。

圖1 快慢車運(yùn)營模式

圖2 全線慢車運(yùn)營模式

2.2 快慢車運(yùn)行顯示

ATS系統(tǒng)根據(jù)快慢車時(shí)刻表及列車自動(dòng)上線順序?qū)?慢車進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)快/慢列車使用不同快/慢車車次號(hào)。主要在以下過程中為列車分配車次號(hào)：

（1）列車自動(dòng)上線；

（2）人工車次號(hào)操作；

（3）系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建車次號(hào)。

在實(shí)際界面顯示時(shí)，快車識(shí)別號(hào)定義為“K”，慢車識(shí)別號(hào)定義為“M”，即K+車次號(hào)、M+車次號(hào)。并在ATS人機(jī)界面及大屏上進(jìn)行顯示。顯示如圖3所示。

圖3 車次號(hào)顯示

2.3 快慢車運(yùn)行調(diào)整

對(duì)快慢車的運(yùn)行調(diào)整提供人工和自動(dòng)調(diào)整方式，通過調(diào)整停站時(shí)間、站間運(yùn)行時(shí)間、扣車、越站等方法進(jìn)行自動(dòng)和人工調(diào)整，必要時(shí)可以進(jìn)行時(shí)刻表在線修改[3]。

在ATS提供的人機(jī)界面上進(jìn)行相應(yīng)操作，適時(shí)進(jìn)行人工調(diào)整。人工調(diào)整的優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)調(diào)整，人工調(diào)整方式包括：

（1）修改列車站停時(shí)間及站間運(yùn)行時(shí)間；

（2）通過修改目的地碼改變列車運(yùn)行徑路；

（3）扣車/越站操作（可以對(duì)特定站臺(tái)或所有站臺(tái)）；

（4）修改列車運(yùn)行模式，進(jìn)行快慢車切換。

自動(dòng)調(diào)整的方式包括：

（1）快車按照快車定義的最大、最小時(shí)間修改站間運(yùn)行時(shí)間；

（2）慢車按照快車定義的最大、最小時(shí)間修改站間運(yùn)行時(shí)間；

（3）快車按照快車定義的最大、最小時(shí)間修改站停時(shí)間；

（4）慢車按照快車定義的最大、最小時(shí)間修改站停時(shí)間；

（5）策略調(diào)整。

2.4 快慢車控制策略

2.4.1 列車匯聚控制策略

兩個(gè)相同屬性的列車運(yùn)行在Y型支路，將運(yùn)行到C點(diǎn)匯聚，如圖4所示，列車將按照計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間到達(dá)S2車站。

圖4 列車匯聚策略

（1）列車按照預(yù)定的順序通過C點(diǎn)（下一站臺(tái)S2的到達(dá)時(shí)間順序）；

（2）列車T1還沒有通過C點(diǎn)前，ATS系統(tǒng)不能為T2列車辦理進(jìn)路。

2.4.2 快車優(yōu)先策略

T2為慢車，T3為快車運(yùn)行在Y型支路，將運(yùn)行到C點(diǎn)匯聚，如圖5所示，列車將按照計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間和快慢車優(yōu)先策略，控制到達(dá)S2車站的順序。

（1）列車按照預(yù)定的順序通過C點(diǎn)（下一站臺(tái)S2的到達(dá)時(shí)間順序）。

（2）通過計(jì)算獲取列車的到達(dá)預(yù)估時(shí)間ETA；

圖5 快車優(yōu)先策略

ETA(T2,S2) = 12:08 列車T2現(xiàn)有3 s延誤；

ETA(T3,S2) = 12:10 列車T3準(zhǔn)時(shí)。

（3）ETA(T2,S2) ＞ ETA(T3,S2)-Δ T，則 ATS不能為列車T2設(shè)置進(jìn)路（其中，Δ T為慢車等待最長(zhǎng)時(shí)間）。

在快慢車混合運(yùn)營模式下，需要優(yōu)先保證快車的運(yùn)營，慢車進(jìn)行避讓，避讓時(shí)間根據(jù)具體線路進(jìn)行設(shè)置。

2.5 快慢車時(shí)刻表

采用城市軌道交通運(yùn)行圖編制軟件進(jìn)行快慢車時(shí)刻表編制和運(yùn)行仿真，該軟件在windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行，使用Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境采用C++語言進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)各區(qū)間快慢車運(yùn)行時(shí)間、各時(shí)間段行車量需求、快慢車停站需求、列車追蹤間隔、越行站設(shè)置等要求編制快慢車計(jì)劃時(shí)刻表文件,以滿足不同時(shí)段不同比例的快、慢車運(yùn)營要求[4]。

其中，快慢車時(shí)刻表編制過程中的關(guān)鍵為如何確定越行時(shí)間，地鐵采用共線共軌運(yùn)行模式時(shí)，因慢車避讓快車越行，都增加了慢車的停車時(shí)間[5]。例如上海地鐵16號(hào)線、北京地鐵6號(hào)線、東京地鐵。圖6快慢車越行時(shí)間示意圖（紅色為快車、黑色為慢車）中，描述了慢車等待快車考慮的時(shí)間因素。

圖6 快慢車越行時(shí)間示意

（1）根據(jù)圖6所示，地鐵快慢車越行時(shí)間由式（1）確定：

式（1）中：τ到達(dá)—列車到達(dá)間隔時(shí)間；τ出發(fā)—列車出發(fā)間隔時(shí)間；t快車停站—快車停站時(shí)間。

2.6 列車運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)

列車運(yùn)行過程中，ATS時(shí)刻表系統(tǒng)根據(jù)列車位置、站間運(yùn)行時(shí)間、列車運(yùn)行間隔、列車運(yùn)行能力進(jìn)行列車運(yùn)行時(shí)間預(yù)測(cè)，并生成預(yù)測(cè)線[6]。同時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)運(yùn)行時(shí)間信息，進(jìn)行列車運(yùn)行自動(dòng)控制和人工調(diào)度，預(yù)測(cè)線如圖7所示。

圖7 計(jì)劃線和預(yù)測(cè)線

3 快慢車切換設(shè)計(jì)

全線系統(tǒng)中將設(shè)置兩種列車運(yùn)行模式：快慢車運(yùn)行模式和全線慢車運(yùn)行模式。兩種模式下，將采用兩種不同的運(yùn)行時(shí)刻表。其中，快慢車運(yùn)行模式采用編制的時(shí)刻表，全線慢車運(yùn)行模式將采用默認(rèn)時(shí)刻表運(yùn)行。

3.1 快車切換為慢車

在快慢車運(yùn)行模式過程中，當(dāng)運(yùn)行出現(xiàn)故障（如：車載、聯(lián)鎖設(shè)備出現(xiàn)故障）時(shí)，為了保證列車正常運(yùn)行，需要將快慢車運(yùn)行模式切換成全線慢車運(yùn)行模式，該切換指令采用人工操作的方式，切換后立即生效，快車將在每個(gè)車站停靠。

同時(shí)也可通過人機(jī)操作界面，嘗試將該列車修改為慢車（其它快車仍然按照快車運(yùn)行），如果時(shí)刻表在線修改功能，驗(yàn)證可以修改，則該列車將可以按照慢車運(yùn)行，全線列車將采用修改后的時(shí)刻表運(yùn)營。

3.1.1 快車切換為慢車處理

（1）全線列車切換為全線慢車運(yùn)行模式，通過ATS系統(tǒng)中的人機(jī)接口（HMI）進(jìn)行人工設(shè)置，并將該信息發(fā)送邏輯處理模塊，完成列車運(yùn)行模式設(shè)定；

（2）ATS系統(tǒng)加載列車默認(rèn)時(shí)間，按照默認(rèn)時(shí)刻信息進(jìn)行列車運(yùn)行控制。列車調(diào)整功能判斷下一個(gè)停站站臺(tái)，并按照該模式進(jìn)行列車運(yùn)行時(shí)間處理；

（3）ATS系統(tǒng)進(jìn)路自動(dòng)辦理功能將根據(jù)列車快慢車屬性、目的地碼信息，按照提前設(shè)置的觸發(fā)策略[7]自動(dòng)辦理直道進(jìn)路（全慢車運(yùn)行模式時(shí)通過的站臺(tái)，一般為直向站臺(tái)停車），慢車進(jìn)入站臺(tái)直道進(jìn)行到站、停車、離站控制，同時(shí)控制辦理出站進(jìn)路的時(shí)機(jī)。

3.1.2 全慢車運(yùn)行模式時(shí)間預(yù)報(bào)

列車到達(dá)站臺(tái)后，按照默認(rèn)時(shí)間進(jìn)行列車運(yùn)行控制，計(jì)算站間運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間、到站時(shí)間以及乘客信息系統(tǒng)（PIS）預(yù)報(bào)。

3.2 慢車恢復(fù)為快車

當(dāng)快車故障排除后，需要將所有快車全部恢復(fù)成快車運(yùn)行模式。只有是快車屬性的列車才能恢復(fù)成快車，其他的列車無法恢復(fù)為快車，為了避免給旅客帶來不便，慢車恢復(fù)為快車將在終點(diǎn)站完成，全線列車恢復(fù)為快慢車時(shí)刻表運(yùn)行，需要一段時(shí)間。

3.2.1 慢車恢復(fù)為快車處理

當(dāng)故障恢復(fù)后，列車運(yùn)行模式將恢復(fù)為快慢車運(yùn)行模式：

（1）全線列車切換為快慢車運(yùn)行模式，通過ATS系統(tǒng)中的HMI進(jìn)行人工設(shè)置，并將該信息發(fā)送給邏輯處理模塊，完成列車運(yùn)行模式設(shè)定；

（2）ATS系統(tǒng)加載快慢車運(yùn)行時(shí)刻表，但此時(shí)所有列車仍需按照慢車運(yùn)行要求到站；

（3）列車到達(dá)終點(diǎn)站后，ATS系統(tǒng)根據(jù)快慢車時(shí)刻表，進(jìn)行自動(dòng)辦理進(jìn)路、列車越站、到站、離站控制；

（4）全線恢復(fù)為快慢車運(yùn)行模式，需要一定的時(shí)間才能保證列車與時(shí)刻表運(yùn)行匹配。

3.2.2 快慢車運(yùn)行模式時(shí)間預(yù)報(bào)

列車到終點(diǎn)站后（該行程運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)行慢車恢復(fù)成快車切換，避免切換成快車后，乘坐慢車的客乘某些站點(diǎn)無法下車），按照快慢車時(shí)刻表進(jìn)行列車運(yùn)行控制，計(jì)算站間運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間、到站時(shí)間以及乘客信息系統(tǒng)（PIS）預(yù)報(bào)。

4 場(chǎng)景分析與驗(yàn)證

4.1 快車越站場(chǎng)景

快車越小站、停大站以達(dá)到縮短運(yùn)行時(shí)間的目的。在圖8場(chǎng)景中，分析慢車停在站臺(tái)，快車越站的情況。慢車首先到達(dá)側(cè)向站臺(tái)，根據(jù)快慢車時(shí)刻表信息，設(shè)置停站時(shí)間，同時(shí)出站進(jìn)路不能提前辦理，以免影響快車進(jìn)路的辦理。

當(dāng)快車越站時(shí)，存在如下處理過程，如圖8所示。

圖8 快車越站場(chǎng)景示意圖

（1）慢車到站前觸發(fā)進(jìn)路辦理，根據(jù)列車類型、選擇辦理的進(jìn)路；

（2）慢車到站，駛?cè)雮?cè)道停車避讓（避讓站臺(tái)可采用雙側(cè)式車站或雙島四線車站[8]）；

（3）查看列車運(yùn)行模式，慢車根據(jù)快慢車時(shí)刻表信息，計(jì)算停站時(shí)、站間運(yùn)行時(shí)間、PIS預(yù)報(bào)信息、驅(qū)動(dòng)DTI(發(fā)車指示器)進(jìn)行顯示；且出站進(jìn)路不能立即辦理；

（4）列車占用越站進(jìn)路觸發(fā)軌道時(shí)，查看列車運(yùn)行模式，如果為“快慢車運(yùn)行模式”提前辦理快車出站進(jìn)路；

（5）快車進(jìn)站，駛?cè)胫钡溃⒃秸荆?/p>

（6）慢車在離站時(shí)間前辦理出站進(jìn)路（如果快車越站、慢車不能提前辦理出站進(jìn)路，以免影響快車越站運(yùn)行），列車按照DTI指示離站。

4.2 快車切換為慢車場(chǎng)景

在快慢車混合運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)列車故障、運(yùn)行混亂時(shí)，為了保證列車正常運(yùn)行，需要將快車切換成慢車，該操切換作通過ATS系統(tǒng)中的HMI下達(dá)切換指令或者進(jìn)行在線實(shí)時(shí)時(shí)刻表修改[9]。如圖9所示，將運(yùn)行中的快車變成慢車需列車到站后才能完成最終模式切換過程。

快車切換成慢車，存在如下處理過程，如圖9所示。

（1）HMI下達(dá)列車運(yùn)行模式切換指令（例如：下達(dá)列車全線慢車運(yùn)行模式）；

圖9 快車切換為慢車場(chǎng)景示意圖

（2）邏輯處理模塊接收HMI下達(dá)的切換指令，完成列車運(yùn)行模式設(shè)定；

（3）根據(jù)全線慢車運(yùn)行策略，列車到站前觸發(fā)直道進(jìn)站進(jìn)路辦理；如果采用在線時(shí)刻表修改后的策略，仍然可以按照快慢車運(yùn)行控制；

（4）快車按照慢車運(yùn)行模式到達(dá)站臺(tái)停穩(wěn)后，ATS系統(tǒng)查看列車運(yùn)行模式，使用默認(rèn)時(shí)刻表（或在線修改后的時(shí)刻表）計(jì)算停站時(shí)間、站間運(yùn)行時(shí)間、PIS預(yù)報(bào)信息、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸接口（DTI）進(jìn)行顯示。

4.3 時(shí)刻表驗(yàn)證

通過快慢車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、平均速度、停站時(shí)間、開行比例、避讓策略等需求完成運(yùn)行圖編制，并使用列車運(yùn)行圖編制軟件中模擬運(yùn)行仿真功能驗(yàn)證運(yùn)行圖的可行性[10]，通過驗(yàn)證上述快慢車控制策略可以滿足快慢車運(yùn)行時(shí)間要求，最終生成的運(yùn)行圖，如圖10所示。

圖10 快慢車運(yùn)行圖

5 結(jié)束語

快慢車運(yùn)營在城市軌道交通中具有較大的需求，本論文描述了ATS系統(tǒng)在快慢車運(yùn)行控制中的系統(tǒng)功能控制要求，特別對(duì)快慢車運(yùn)行調(diào)整、切換方面進(jìn)行功能、設(shè)計(jì)和場(chǎng)景分析，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)的具體實(shí)現(xiàn)提供了較好的設(shè)計(jì)思路。