城市軌道交通車站站后折返間隔的研究

王俊鋒

WANG Junfeng

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

(Signal & Communication Research Institute， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

隨著列車運(yùn)行控制系統(tǒng)制式的更新?lián)Q代，影響城市軌道交通整條線路運(yùn)輸通過(guò)能力的主要因素已經(jīng)不再是區(qū)間運(yùn)行間隔，終端折返站的折返間隔成為主要影響因素。終端站折返一般有站前折返和站后折返2種折返形式。在土建條件允許或?qū)囌疚恢靡蟛桓叩那闆r下，一般終端車站均設(shè)置站后折返。為提升運(yùn)輸效率，從列車控制系統(tǒng)角度對(duì)站后折返進(jìn)行分析，并在列車控制系統(tǒng)范疇內(nèi)提出站后折返站型的合理運(yùn)用。

1 城市軌道交通車站站后折返間隔分析

不同的線路由于地形、需求的不同，設(shè)計(jì)的車站類型各異，折返模式多樣化。對(duì)于同一種折返站型，往往采取不同的折返操作和運(yùn)營(yíng)模式，折返間隔也會(huì)不同。

1.1 站后折返站型

站后折返是各城市軌道交通線路常采用的折返站型，這是由于站后折返時(shí)，列車的到達(dá)和出發(fā)分別使用2個(gè)不同的咽喉，在一定條件下，進(jìn)站作業(yè)列車和折返作業(yè)列車可以同時(shí)進(jìn)行，提高了折返效率。站后折返站型一般設(shè)計(jì)為站后交叉渡線[1]，站后折返站型如圖1所示。

圖1 站后折返站型Fig.1 Behind-station turnback station

1.2 站后單線折返分析

從站型圖上看，站后折返具備單線折返和雙線折返的能力[2]，單線折返還具有側(cè)進(jìn)直出和直進(jìn)側(cè)出2種折返方式。目前在基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)的技術(shù)條件下，列車具備在折返站自動(dòng)折返的功能，并且列車在折返軌無(wú)乘降作業(yè)，滿足在折返軌10 s內(nèi)完成換端的能力，列車在折返軌停車的時(shí)間小于進(jìn)入折返軌進(jìn)路辦理時(shí)間(13 s)，岔區(qū)資源的使用已經(jīng)達(dá)到最大化。根據(jù)CBTC系統(tǒng)兩列車之間的追蹤特性，前車必須出清保護(hù)區(qū)段，保護(hù)進(jìn)路建立后，后車才能以不降速的方式進(jìn)站停車，否則列車將無(wú)法進(jìn)站。由于不同的站型設(shè)計(jì)，保護(hù)區(qū)段或保護(hù)進(jìn)路的設(shè)置差別較大。根據(jù)保護(hù)區(qū)段或保護(hù)進(jìn)路設(shè)置不同，可以分為3種情況。

1.2.1 情況1

當(dāng)出站信號(hào)機(jī)S01與道岔W02之間的距離滿足安全距離，滿足保護(hù)區(qū)段設(shè)置時(shí)，列車在該站可采用側(cè)進(jìn)直出或直進(jìn)側(cè)出的折返方式。站后折返情況1如圖2所示。

圖2 站后折返情況1Fig.2 Behind-station turnback case 1

同一時(shí)刻該站可以滿足3列列車并行作業(yè)，3列列車作業(yè)時(shí)滿足的條件分別為：當(dāng)Tr2尾部出清計(jì)軸JZ01的時(shí)刻，不會(huì)影響Tr3的速度；當(dāng)Tr1尾部出清計(jì)軸JZ04的時(shí)刻，不會(huì)影響Tr2進(jìn)折返軌1進(jìn)路的開(kāi)放；當(dāng)Tr1尾部出清站臺(tái)軌道區(qū)段的時(shí)刻，不會(huì)影響Tr2返回站臺(tái)1的進(jìn)路開(kāi)放。

3種作業(yè)分別對(duì)應(yīng)3個(gè)追蹤間隔的計(jì)算，即站臺(tái)2的到達(dá)間隔、折返軌1的到達(dá)間隔及折返軌1的出發(fā)間隔[3]。3個(gè)追蹤間隔的最大值即為該種模式的折返間隔。① 站臺(tái)2的到達(dá)間隔：Tr2在站臺(tái)2的停站時(shí)間+Tr2啟動(dòng)至尾部出清JZ01的運(yùn)行時(shí)間+Tr3從列車不降速點(diǎn)P0運(yùn)行至站臺(tái)2停穩(wěn)的時(shí)間。②折返軌1的到達(dá)間隔：Tr1的換端時(shí)間(或S05的直向進(jìn)路辦理時(shí)間，二者取最大值)+Tr1從啟動(dòng)至尾部出清計(jì)軸JZ04的時(shí)間+S01的側(cè)向進(jìn)路辦理時(shí)間+Tr2啟動(dòng)至折返軌1停穩(wěn)的時(shí)間。③折返軌1的出發(fā)間隔：Tr1從折返軌1發(fā)車至站臺(tái)1停穩(wěn)的時(shí)間+Tr1在站臺(tái)1的停站時(shí)間+Tr1站臺(tái)1發(fā)車至尾部出清站臺(tái)的時(shí)間+S05直向進(jìn)路的辦理時(shí)間。

同理，當(dāng)采用直進(jìn)側(cè)出的折返方式時(shí)，可以計(jì)算出站臺(tái)2的到達(dá)間隔、折返軌2的到達(dá)間隔及折返軌2的出發(fā)間隔，取最大值即為這種折返模式的折返間隔。

對(duì)比側(cè)進(jìn)直出和直進(jìn)側(cè)出的折返間隔，2種折返模式的最小值即為該站型的折返間隔。

1.2.2 情況2

當(dāng)出站信號(hào)機(jī)S01與道岔W02之間的距離不滿足安全距離，但S01與JZ03之間的距離滿足保護(hù)距離要求時(shí)，可設(shè)置此處作為保護(hù)區(qū)段，但此時(shí)必須有一個(gè)前提條件，JZ03必須處于非超限位置，否則該情況必須合并到情況3，即站臺(tái)2的進(jìn)站進(jìn)路的保護(hù)進(jìn)路與折返軌1的折返進(jìn)路不構(gòu)成敵對(duì)條件，可同時(shí)開(kāi)放。由于保護(hù)區(qū)段占用并鎖閉了岔區(qū)，采用直進(jìn)側(cè)出的折返方式時(shí)，Tr3的進(jìn)站作業(yè)和Tr2的折返作業(yè)將不能同步進(jìn)行，折返效率大大降低，不適用于情況2。而側(cè)進(jìn)直出的折返方式可以滿足同步作業(yè)的條件，允許3列列車并行作業(yè)，據(jù)此計(jì)算3個(gè)位置的運(yùn)行間隔，即站臺(tái)2的到達(dá)間隔、折返軌1的到達(dá)間隔及折返軌1的出發(fā)間隔。站后折返情況2如圖3所示。

圖3 站后折返情況2Fig.3 Behind-station turnback case 2

與前一種情況相比，折返軌1的到達(dá)間隔和折返軌1的出發(fā)間隔計(jì)算方法與情況1相同，站臺(tái)2的到達(dá)間隔為：Tr2在站臺(tái)2的停站時(shí)間+Tr2啟動(dòng)至尾部出清JZ03的運(yùn)行時(shí)間+Tr3從P0點(diǎn)運(yùn)行至站臺(tái)2停穩(wěn)的時(shí)間。

1.2.3 情況3

當(dāng)S01與JZ03之間的距離不滿足保護(hù)距離要求時(shí)，應(yīng)為進(jìn)站列車設(shè)置保護(hù)進(jìn)路[4]，即當(dāng)Tr1尾部出清JZ03時(shí)，可以通過(guò)將道岔W02扳到定位，使區(qū)段JZ01與JZ05形成進(jìn)站進(jìn)路的保護(hù)進(jìn)路，進(jìn)路的建立需要考慮超限防護(hù)或確保列車出清岔區(qū)，以節(jié)省道岔操作的時(shí)間。保護(hù)進(jìn)路占用并鎖閉了道岔W01和W02，直進(jìn)側(cè)出的折返方式同樣不適用此種情況。

站臺(tái)2的到達(dá)間隔：Tr2在站臺(tái)2的停站時(shí)間+Tr2啟動(dòng)至尾部出清JZ03的運(yùn)行時(shí)間+Tr3從P0點(diǎn)運(yùn)行至站臺(tái)2停穩(wěn)的時(shí)間。此處由于需要為進(jìn)站進(jìn)路設(shè)置保護(hù)進(jìn)路，將W02扳到定位，在不影響進(jìn)站列車速度情況下，需要P0點(diǎn)前移一段距離，預(yù)留出一次道岔動(dòng)作時(shí)間。

折返軌1的到達(dá)間隔和折返軌1的出發(fā)間隔與前2種情況計(jì)算方法相同。

1.2.4 站后單線折返分析計(jì)算

綜合以上3種情況，通過(guò)代入以下參數(shù)，比較3種情況的折返能力：站臺(tái)長(zhǎng)度滿足6節(jié)編組列車停站，即120 m；停站制動(dòng)率為0.75 m/s2；最大牽引加速度為0.86 m/s2；列車側(cè)向過(guò)岔運(yùn)行速度為30 km/h；列車正線最高運(yùn)行速度為76 km/h；站臺(tái)允許最高進(jìn)站速度為50 km/h；有道岔動(dòng)作時(shí)進(jìn)路的辦理時(shí)間Tms為13 s；無(wú)道岔動(dòng)作時(shí)進(jìn)路的辦理時(shí)間為2 s；列車站后折返時(shí)需最短停站時(shí)間Td為35 s；列車在折返軌換端時(shí)間為10 s；保護(hù)區(qū)段長(zhǎng)度為70 m。情況1：滿足保護(hù)區(qū)段的長(zhǎng)度要求。情況2：設(shè)信號(hào)機(jī)S01與道岔W02之間距離為30 m，S01處的計(jì)軸與岔區(qū)計(jì)軸JZ03之間的區(qū)段作為保護(hù)區(qū)段。情況3：設(shè)信號(hào)機(jī)S01與道岔之間距離取最小值。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算后，得出站后折返間隔比較如表1所示。

表1 站后折返間隔比較 sTab.1 Behind-station turnback headway comparison

對(duì)比以上3種情況，在情況1中，側(cè)進(jìn)直出的折返間隔小于直進(jìn)側(cè)出。情況2的折返間隔最小，這說(shuō)明在站后的站型設(shè)計(jì)時(shí)，出站信號(hào)機(jī)與道岔之間需保留一定距離，與側(cè)向軌道一起組成進(jìn)站進(jìn)路的保護(hù)區(qū)段，但不宜過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加列車站后走行距離(情況1)，拉長(zhǎng)了列車在該處的走行時(shí)間，太短則需要通過(guò)將道岔扳到定位提前設(shè)置保護(hù)進(jìn)路(情況3)。

1.3 站后雙線折返分析

雙線折返即列車到達(dá)站臺(tái)2后，分別交替使用折返軌1和折返軌2進(jìn)行折返。根據(jù)單線折返3種情況的劃分，下面分別分析在同樣3種情況下的折返間隔，并分別代入?yún)?shù)。由于情況2的特殊性，需要使用側(cè)向進(jìn)路作為保護(hù)進(jìn)路，不適用于雙線折返。

1.3.1 情況1

在情況1的站型時(shí)，出站信號(hào)機(jī)S01與道岔W02之間的距離滿足保護(hù)區(qū)段設(shè)置，當(dāng)前行列車尾部出清JZ01時(shí)，后續(xù)列車即可觸發(fā)保護(hù)區(qū)段，正常進(jìn)站停車。

在該情況下，由于保護(hù)區(qū)段的設(shè)置，進(jìn)站作業(yè)與折返作業(yè)可以同步進(jìn)行，而沒(méi)有相互影響，其可視為單線折返時(shí)側(cè)進(jìn)直出和直進(jìn)側(cè)出的交替進(jìn)行。因此，雙線折返的折返間隔為2種折返方式下的平均值。

1.3.2 情況3

在情況3的站型時(shí)，由于S01與JZ03之間的距離不滿足保護(hù)距離要求，其雙線折返列車運(yùn)行過(guò)程如下：雙線折返時(shí)，第2列車進(jìn)站臺(tái)2完成乘降作業(yè)，通過(guò)開(kāi)通側(cè)向進(jìn)路進(jìn)入折返軌1；第3列車進(jìn)站臺(tái)2進(jìn)行乘降作業(yè)，開(kāi)通直向進(jìn)路進(jìn)入折返軌2，同時(shí)第2列車完成換端返回站臺(tái)1；而后第4列車進(jìn)站臺(tái)2進(jìn)行乘降作業(yè)，并開(kāi)通側(cè)向進(jìn)入折返軌1，同時(shí)第3列車完成換端，通過(guò)側(cè)向進(jìn)路返回站臺(tái)1，必須控制第4列車早于第3列車通過(guò)岔區(qū)的時(shí)機(jī)。這種情況下，列車有較多時(shí)間在折返軌進(jìn)行換端，并且大于第2列車通過(guò)岔區(qū)的時(shí)間。

在情況3下，進(jìn)站作業(yè)與折返作業(yè)需要分別交替使用道岔資源，并且折返軌1和折返軌2的列車也需要交替使用道岔資源，同時(shí)存在一定的并行作業(yè)情況，為方便說(shuō)明問(wèn)題，下面使用作業(yè)計(jì)劃圖[5]對(duì)雙線折返進(jìn)行說(shuō)明計(jì)算。站后雙線折返情況3如圖4所示。

圖4 站后雙線折返情況3Fig.4 Behind-station turnback with double track case 3

1.3.3 站后雙向折返分析計(jì)算

通過(guò)代入?yún)?shù)，分別仿真計(jì)算出2種情況下的折返間隔。站后雙線折返間隔比較如表2所示。

在雙線折返情況下，情況3由于進(jìn)站作業(yè)、折返軌1和折返軌2的折返作業(yè)均需要占用惟一的道岔資源，道岔動(dòng)作頻繁，并行作業(yè)運(yùn)用很差，并且存在爭(zhēng)搶道岔資源的情況，增加了行車調(diào)度的難度。情況1雖然折返間隔較小，但與單線折返的情況1相比，沒(méi)有提升折返能力，同時(shí)存在一定的調(diào)車作業(yè)難度。

表2 站后雙線折返間隔比較 sTab.2 Behind-station turnback with double track comparison

綜上，通過(guò)對(duì)站后單線折返和雙線折返的分析，并代入?yún)?shù)仿真得出單線折返側(cè)進(jìn)直出的折返操作是當(dāng)前CBTC系統(tǒng)下的最優(yōu)折返方式。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)用中，往往還存在影響折返間隔的諸多因素，以下將通過(guò)分析這些因素，提出進(jìn)一步優(yōu)化站后折返間隔的對(duì)策。

2 城市軌道交通車站站后折返間隔優(yōu)化對(duì)策

影響車站站后折返間隔的因素較多，主要表現(xiàn)在作業(yè)過(guò)程的時(shí)間和辦理進(jìn)路的時(shí)間。如何控制或縮短這些時(shí)間，將是影響站后折返能力的直接決定因素[6-7]。為此，從鐵路線路、控制系統(tǒng)、機(jī)車車輛3個(gè)方面進(jìn)行論述。

2.1 鐵路線路方面

（1）提高土建限速。在城市軌道交通線路的初期設(shè)計(jì)階段，如果條件允許的情況下，站后折返車站至前一車站之間區(qū)間線路盡可能建設(shè)成平直軌道，列車控制系統(tǒng)才能保證列車在最高限速下運(yùn)行，減小到達(dá)車站的運(yùn)行時(shí)間。

（2）控制岔區(qū)長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)合理情況下，盡量壓縮S01—S07的距離，減少列車在岔區(qū)的走行距離，以縮短占用岔區(qū)的時(shí)間，必須考慮道岔的超限防護(hù)設(shè)計(jì)，降低進(jìn)站保護(hù)進(jìn)路與折返進(jìn)路干擾的可能性。

（3）合理選擇道岔型號(hào)。盡量采用限速較高的道岔型號(hào)，如果可以選擇9號(hào)道岔或12號(hào)道岔，盡量選擇12號(hào)線道岔，以提升列車側(cè)向限速[8]。

2.2 控制系統(tǒng)方面

（1）優(yōu)化信號(hào)設(shè)備布置。包括計(jì)軸設(shè)備布置和應(yīng)答器布置。計(jì)軸設(shè)備布置應(yīng)充分考慮道岔位置、警沖標(biāo)位置，計(jì)軸區(qū)段設(shè)置滿足安全保護(hù)區(qū)段時(shí)，可以有效提升站后折返的能力。應(yīng)答器的布置應(yīng)在滿足允許列車位置最大不確定性的條件下，合理布置，減少因位置不確定性引起的追蹤距離的增加。

（2）縮短進(jìn)路排列時(shí)間。進(jìn)路排列時(shí)間分為有道岔動(dòng)作的進(jìn)路排列時(shí)間和無(wú)道岔動(dòng)作的排列時(shí)間。其包括轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作時(shí)間，排列進(jìn)路需要道岔按要求操作到指定位置，再加上鎖閉道岔、開(kāi)放信號(hào)機(jī)的時(shí)間。

（3）合理優(yōu)化進(jìn)路開(kāi)放時(shí)機(jī)。進(jìn)路開(kāi)放時(shí)機(jī)是指進(jìn)路在ATS控制下自動(dòng)開(kāi)放的時(shí)機(jī)，包括進(jìn)路自動(dòng)觸發(fā)時(shí)刻和進(jìn)路提前開(kāi)放距離的控制。進(jìn)路提前開(kāi)放距離會(huì)直接影響線路的通過(guò)能力，如果進(jìn)路提前開(kāi)放距離過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)路開(kāi)放過(guò)早，可能造成與該進(jìn)路沖突的進(jìn)路無(wú)法開(kāi)放，從而影響其他列車的運(yùn)行；如果提前開(kāi)放距離太短，則進(jìn)路開(kāi)放過(guò)晚，造成本車降速，影響運(yùn)行效率。

（4）在安全條件下提高運(yùn)行限制速度。在區(qū)間限速、道岔限速、進(jìn)站限速等土建設(shè)計(jì)限速允許情況下，盡量提高控制系統(tǒng)控制列車的速度，縮短列車在各個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行時(shí)間，將縮短車站折返間隔。

（5）縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。這里主要包括信息采集的表示周期、控制命令的反應(yīng)時(shí)間、列車占用與空閑檢測(cè)的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間、車載信號(hào)設(shè)備自接收地面信息至完成處理的時(shí)間、車地通信的報(bào)文周期、車地通信的傳輸延時(shí)等。通過(guò)提升控制系統(tǒng)設(shè)備性能，減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，可以有效縮短各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間。

（6）合理利用作業(yè)時(shí)間。在進(jìn)行時(shí)刻表編制時(shí)，根據(jù)折返操作的特點(diǎn)，充分利用各作業(yè)過(guò)程的時(shí)間，可以有效提升折返效率。

2.3 機(jī)車車輛方面

車輛性能是影響線路通過(guò)能力的直接因素，主要是指牽引性能和制動(dòng)性能。牽引性能主要指從按壓發(fā)車按鈕至列車達(dá)到所需加速度的時(shí)間、ATO牽引命令與車輛牽引響應(yīng)的加速率一致性，以及可保證的最大牽引速度。制動(dòng)性能主要指列車能夠根據(jù)ATO或制動(dòng)手柄的制動(dòng)命令，保證在最小延時(shí)情況的制動(dòng)效果的一致性。提升機(jī)車車輛的牽引和制動(dòng)性能，可以有效降低車輛對(duì)ATO命令的響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)縮短列車各作業(yè)過(guò)程的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到縮短折返間隔的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前CBTC技術(shù)條件下，站后雙線折返看似利用了2個(gè)折返軌進(jìn)行折返，但實(shí)際上并不能提升折返能力，相反會(huì)因?yàn)榻惶孀鳂I(yè)而增加折返的難度；站后單線折返特別是側(cè)近直出的折返方式是優(yōu)選的折返方式，如果在土建允許的情況下設(shè)置保護(hù)區(qū)段，將會(huì)進(jìn)一步提升折返能力。保護(hù)區(qū)段的設(shè)置是影響折返間隔的關(guān)鍵，而增加的建設(shè)成本也是不容忽視的關(guān)鍵因素。隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展，列車控制系統(tǒng)對(duì)保護(hù)區(qū)段的長(zhǎng)度要求也會(huì)降低，將進(jìn)一步提升折返能力。