城市軌道交通列車(chē)折返效率相干因素的分析

摘 ?要：隨著軌道交通技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代軌道交通的運(yùn)營(yíng)模式已經(jīng)從早期的ATP防護(hù)下的手動(dòng)駕駛升級(jí)換代至無(wú)人的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。在技術(shù)的升級(jí)換代過(guò)程中，折返效率成為了技術(shù)瓶頸，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代軌道交通對(duì)高效運(yùn)營(yíng)的強(qiáng)烈需求。為了尋求提升折返效率的空間，本文通過(guò)對(duì)軌道交通建設(shè)中常見(jiàn)的站型折返過(guò)程進(jìn)行分步模擬仿真，對(duì)影響折返效率的相干因素進(jìn)行定量分析，探討提升折返效率的可優(yōu)化方向，為工程設(shè)計(jì)提供有力的理論參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通;折返效率;相干因素;規(guī)則優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U292 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）18-0016-03

Abstract：With the development of rail transit technology，the operation mode of modern rail transit has been upgraded from manual driving under early ATP protection to unmanned automatic driving system. In the process of upgrading this technology，the return efficiency has become a technical bottleneck，which can not meet the strong demand of modern rail transit for efficient operation. In order to find the space to improve the return efficiency，this paper makes a quantitative analysis of the relevant factors affecting the return efficiency through the step-by-step simulation of the common station-type return process in rail transit construction，explores the optimization direction of improving the return efficiency，and provides a strong theoretical reference for engineering design.

Keywords：rail transit;return efficiency;coherent factors;rule optimization

0 ?引 ?言

影響軌道交通列車(chē)運(yùn)營(yíng)全周轉(zhuǎn)時(shí)間的因素包括：列車(chē)運(yùn)營(yíng)間隔、列車(chē)旅行速度、站停時(shí)間等。其中列車(chē)運(yùn)營(yíng)間隔包含站間運(yùn)行間隔及折返線(xiàn)的折返間隔，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，正線(xiàn)的列車(chē)運(yùn)行間隔已經(jīng)可以縮短至90秒以下，而折返間隔卻只是在緩慢減少，一直是列車(chē)全周轉(zhuǎn)中的技術(shù)瓶頸。

本文的目的是通過(guò)對(duì)特定站型及特定列車(chē)編組的折返過(guò)程進(jìn)行定量模擬，分析相關(guān)因素的變化對(duì)折返效率的影響，用以評(píng)估外界條件優(yōu)化對(duì)折返效率產(chǎn)生影響的收益。

1 ?外界條件選擇

1.1 ?站型選擇

站后折返是軌道交通常用的折返方式，這種折返作業(yè)相對(duì)靈活，且通過(guò)規(guī)則的優(yōu)化可提升折返效率，本文將選擇站后折返站型作為分析案例。

站后折返方式常見(jiàn)的兩種站型布置如圖1所示，土建條件較好的線(xiàn)路一般選用站型2，站型2可縮短列車(chē)在折返過(guò)程中的走行距離，進(jìn)而壓縮折返時(shí)間，提升折返效率。站型1比站型2在相同道岔類(lèi)型、站臺(tái)長(zhǎng)度、庫(kù)線(xiàn)長(zhǎng)度的條件下多20%的走行距離，因此為了滿(mǎn)足折返效率的要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖規(guī)則上的優(yōu)化。

1.2 ?列車(chē)編組選擇

列車(chē)編組的情況多種多樣，目前最長(zhǎng)的地鐵編組為8A編組，其車(chē)長(zhǎng)將達(dá)到180m。列車(chē)的牽引制動(dòng)特性將影響列車(chē)的加速度及減速度。加速度越大，列車(chē)加速到達(dá)限速點(diǎn)的時(shí)間越短;減速度越大，列車(chē)由最大速度減速至零所需的距離越短。在折返過(guò)程中，由于沒(méi)有乘客在列車(chē)中跟隨折返，因此在不考慮舒適的前提下，加速度與減速度越大，對(duì)提升折返效率越有利。

圖2將站型1的對(duì)應(yīng)8B編組形式的各處分段距離進(jìn)行了標(biāo)注。其中涉及的常用的彎進(jìn)直出折返形式對(duì)應(yīng)的走行距離為：入庫(kù)=A+B+C=415m，出庫(kù)=C+D+E-L=415m。列車(chē)折返后出庫(kù)離開(kāi)道岔的占用區(qū)域（過(guò)B點(diǎn)）所走行的距離為C+D=243m。

1.3 ?軌道條件的選擇

在折返過(guò)程中，ATP因素與軌道條件相關(guān)聯(lián)，庫(kù)線(xiàn)的停車(chē)點(diǎn)距終端車(chē)擋的距離將影響ATP的限速曲線(xiàn)。

ATP防護(hù)曲線(xiàn)有三條：不可突破曲線(xiàn)、緊急制動(dòng)曲線(xiàn)、ATO推薦曲線(xiàn)。這3條曲線(xiàn)組成了信號(hào)控制車(chē)輛運(yùn)行的一個(gè)模型。其中不可突破曲線(xiàn)的終點(diǎn)也就是車(chē)擋的位置，ATO推薦曲線(xiàn)終點(diǎn)也就是停車(chē)點(diǎn)的位置。為了保證列車(chē)能夠快速停下來(lái)又不觸發(fā)緊急制動(dòng)，需要考慮設(shè)置一個(gè)合理的ATO曲線(xiàn)，使之緊貼緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線(xiàn)而又不觸發(fā)緊急制動(dòng)，保證最高效率。根據(jù)牛頓動(dòng)力學(xué)定理，影響緊急制動(dòng)曲線(xiàn)的因素就是距離和減速度。當(dāng)緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線(xiàn)的動(dòng)力學(xué)模型里所設(shè)定的緊急制動(dòng)保障率因數(shù)一定，且停車(chē)點(diǎn)距車(chē)擋的距離被設(shè)定時(shí)，ATO推薦曲線(xiàn)的減速也就可以相應(yīng)推導(dǎo)出來(lái)。

根據(jù)《城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》建議“列車(chē)折返線(xiàn)及停車(chē)線(xiàn)末端均應(yīng)設(shè)置安全線(xiàn)，安全線(xiàn)自列車(chē)停車(chē)點(diǎn)至車(chē)擋前長(zhǎng)度不宜小于50m（不含車(chē)擋）”，反推ATP與ATO的停車(chē)最高效減速度。當(dāng)停車(chē)點(diǎn)距離防護(hù)點(diǎn)為50m時(shí)，且ATP的不可突破曲線(xiàn)的緊急制動(dòng)保障率設(shè)置為-0.9m/s2時(shí)，ATO所對(duì)應(yīng)的停車(chē)減速度為不超過(guò)-0.66m/s2。

2 ?仿真模擬與分析

2.1 ?減速度相關(guān)仿真

為了推算不同減速度對(duì)折返效率的影響，我們模擬了不同減加速情況下的列車(chē)入庫(kù)情況，模擬的參數(shù)指標(biāo)分別取加速度a=1.2m/s2，道岔過(guò)岔速度45km/h，減速度a=-0.66m/s2、a=-0.45m/s2，沖擊率Jerk=0.7m/s3。之所以減速度取值為-0.66m/s2與-0.45m/s2，是因?yàn)閷?duì)上文描述的停車(chē)點(diǎn)距防護(hù)點(diǎn)50m為基礎(chǔ)，若在土建條件較差的情況下，停車(chē)點(diǎn)距防護(hù)點(diǎn)只有40m時(shí)，其ATP/ATO速度模型中減速度不可超過(guò)-0.45m/s2。經(jīng)模擬計(jì)算，在加速度與過(guò)岔速度相同的情況下，減速度的不同對(duì)走行時(shí)間是有差異影響的，其對(duì)應(yīng)的走行時(shí)間分別為48.6s、53s，由此可見(jiàn)停車(chē)點(diǎn)距防護(hù)點(diǎn)的距離對(duì)列車(chē)折返時(shí)的走行效率的影響較大。

2.2 ?道岔限速相關(guān)仿真

對(duì)于線(xiàn)間距較大的折返站如站型1，通常會(huì)選用高速12號(hào)道岔作為交叉渡線(xiàn)。目前12號(hào)道岔的側(cè)向過(guò)岔速度（不可突破）有兩種限速是50km/h和55km/h，下文將對(duì)兩種限速分別進(jìn)行模擬測(cè)算，分析其效率差異。

為了研究差異性，我們模擬了不同過(guò)岔速度情況下的列車(chē)入庫(kù)情況，模擬的參數(shù)指標(biāo)分別取加速度a=1.2m/s2，道岔過(guò)岔速度分別為45km/h、49km/h，減速度為a=-0.66m/s2，沖擊率Jerk=0.7m/s3。之所以對(duì)比兩種過(guò)岔速度，是為了分析在道岔型號(hào)選的情況下，通過(guò)技術(shù)手段提高過(guò)岔速度是否能夠得到想要的效率提升，如果提升的效率有限，則建議保持道岔固有的限速設(shè)定。經(jīng)模擬計(jì)算，在加速度與減速度相同的情況下，過(guò)岔速度的不同對(duì)走行時(shí)間是有差異影響的，其對(duì)應(yīng)的走行時(shí)間分別為47.2s、48.6s，但該差距僅為1.4s，可見(jiàn)提高過(guò)岔速度得到的收益并不顯著。

2.3 ?加速度相關(guān)仿真

為了研究加速度不同的影響，我們模擬了不同加速度情況下的列車(chē)入庫(kù)情況，模擬的參數(shù)指標(biāo)分別取加速度a= 1.2m/s2、a=1.0m/s2、a=0.8m/s2，道岔過(guò)岔速度為45km/h，減速度為a=-0.66m/s2，沖擊率Jerk=0.7m/s3。經(jīng)模擬計(jì)算，在減速度與過(guò)岔速度相同的情況下，加速度的不同對(duì)走行時(shí)間是有差異影響的，其對(duì)應(yīng)的走行時(shí)間分別為48.6s、49.4s、50.8s。從結(jié)果上分析，加速度的不同對(duì)運(yùn)行時(shí)間是有一定影響的。

2.4 ?折返全周轉(zhuǎn)相關(guān)仿真

通過(guò)上述的不同輸入條件的模擬仿真，我們對(duì)入庫(kù)與出庫(kù)的全周轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行了仿真，目的是為了后續(xù)的兩車(chē)追蹤折返的模擬仿真。我們選取了全部的最優(yōu)條件（除過(guò)岔速度選定為45km/h），并將站臺(tái)限速設(shè)置在65km/h。其模擬結(jié)果如圖3，該仿真結(jié)果表明，列車(chē)在折返過(guò)程的折返時(shí)間設(shè)置為14s（48.6s→62.6s），包括列車(chē)停穩(wěn)檢查時(shí)間、列車(chē)自動(dòng)換端時(shí)間、進(jìn)路排列時(shí)間、道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、信號(hào)開(kāi)放時(shí)間、ATO發(fā)車(chē)指令時(shí)間、列車(chē)牽引執(zhí)行時(shí)間，以及列車(chē)的特殊設(shè)置的折返換端等待時(shí)間等。14s對(duì)于這一系列動(dòng)作已經(jīng)是最短的設(shè)定，這個(gè)時(shí)間需要車(chē)輛系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)等一系列系統(tǒng)的密切配合。在這種情況下的列車(chē)全周轉(zhuǎn)時(shí)間是108.1s，該時(shí)間是一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)相同站型且沒(méi)有做聯(lián)鎖規(guī)則優(yōu)化的項(xiàng)目，那么兩列車(chē)的折返間隔一定遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于108.1s。

3 ?綜合分析

為完成結(jié)論性的分析，我們對(duì)折返間隔進(jìn)行了模擬仿真，通過(guò)將上述的單車(chē)折返過(guò)程增加至2列車(chē)，來(lái)實(shí)際模擬列車(chē)折返追蹤情況。經(jīng)模擬計(jì)算，列車(chē)1過(guò)B點(diǎn)時(shí)刻為85.4s，到達(dá)發(fā)車(chē)站臺(tái)為108.1s，列車(chē)2入庫(kù)發(fā)車(chē)時(shí)間為102.4s。這個(gè)時(shí)間與列車(chē)1過(guò)B點(diǎn)時(shí)間相隔17s，這個(gè)時(shí)間包含列車(chē)1駛出道岔征用區(qū)的信號(hào)系統(tǒng)識(shí)別時(shí)間、進(jìn)路排列時(shí)間、道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、移動(dòng)授權(quán)建立時(shí)間、ATO發(fā)車(chē)指令時(shí)間、列車(chē)牽引響應(yīng)時(shí)間。這個(gè)時(shí)間比列車(chē)在庫(kù)線(xiàn)的折返時(shí)間多3s，主要時(shí)間消耗在列車(chē)駛出道岔征用區(qū)的識(shí)別時(shí)間，以及進(jìn)路確認(rèn)時(shí)間。兩列列車(chē)的折返間隔，為列車(chē)2發(fā)車(chē)時(shí)間102.4s。這個(gè)時(shí)間是選取最優(yōu)條件而仿真模擬出來(lái)的最優(yōu)時(shí)間。

4 ?結(jié) ?論

綜上所述，軌道交通列車(chē)折返是一個(gè)綜合性問(wèn)題，所涉及的系統(tǒng)是多方面的，為了實(shí)現(xiàn)最高效的折返，保障運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。需要綜合考慮軌道、車(chē)輛、信號(hào)、司機(jī)等因素，在投資條件允許下，最大限度地對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配。本文的分析為各系統(tǒng)的優(yōu)化收益提供了理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：鄭承鑫（1982-），男，漢族，山東日照人，城軌系統(tǒng)部副經(jīng)理，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：軌道交通信號(hào)系統(tǒng)。