地鐵車輛段發(fā)車能力研究

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430061）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，交通出行方式也變得更加多元化。地鐵出行方式，由于其準(zhǔn)時(shí)、高效、運(yùn)載量大等特點(diǎn)，已成為市民出行方式中最為重要的選擇之一[1-3]。

在現(xiàn)代地鐵建設(shè)規(guī)劃發(fā)展中，城市用地日趨緊張，建設(shè)線路不斷延長(zhǎng)，配屬車輛數(shù)逐漸增多。因此，車輛段的選址點(diǎn)急劇減少，單個(gè)車輛段承擔(dān)作業(yè)量繁重，段場(chǎng)規(guī)模要求較大。車輛段的布局主要受用地條件的影響，導(dǎo)致新設(shè)車輛段基本無(wú)法滿足貫通式、多到發(fā)線等設(shè)計(jì)條件?；诖吮尘?，車輛段設(shè)計(jì)對(duì)早高峰時(shí)期的發(fā)車效率提出了更高的要求[4-5]。

1 研究必要性

針對(duì)車輛段的發(fā)車能力進(jìn)行研究，普遍認(rèn)為咽喉區(qū)的通過(guò)能力是限制發(fā)車能力的最主要原因[6-10]。然而，目前對(duì)車輛段咽喉區(qū)通過(guò)能力的研究大多為基于概率論統(tǒng)計(jì)方式分析計(jì)算所得到的結(jié)果，其數(shù)學(xué)意義僅是對(duì)于咽喉區(qū)不同道岔組的利用率的反映，因此并不能直接反映車輛段的發(fā)車效率或咽喉區(qū)通過(guò)效率的高低。綜上，現(xiàn)階段亟須一種行之有效的理論方法，能夠直接反映車輛段早高峰的發(fā)車效率高低，并對(duì)咽喉區(qū)通過(guò)能力進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)車輛段發(fā)車能力進(jìn)行合理評(píng)估。

2 發(fā)車能力研究

地鐵車輛發(fā)車能力受咽喉通過(guò)能力影響，而咽喉區(qū)通過(guò)能力主要受控于庫(kù)線規(guī)模、道岔布置形式、信號(hào)機(jī)數(shù)量等因素，還受到實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理的模式和方法等因素的制約，列車出入段或通過(guò)咽喉區(qū)能力的計(jì)算，是地鐵車輛段設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[11-12]。

2.1 咽喉區(qū)運(yùn)行徑路

咽喉區(qū)運(yùn)行徑路指的是列車從停車庫(kù)到轉(zhuǎn)換軌，完成模式轉(zhuǎn)換并出清轉(zhuǎn)換軌所走行的徑路[13]。

當(dāng)列車庫(kù)前端的出發(fā)信號(hào)機(jī)開(kāi)放后，司機(jī)駕駛列車行駛至停車庫(kù)門前停車，對(duì)前方進(jìn)行觀察瞭望，確認(rèn)前方平交道路安全后，列車出清停車庫(kù)[14]。

在出清車庫(kù)前，列車的速度不應(yīng)超過(guò)5 km/h[15]；當(dāng)列車完全出清車庫(kù)后，以不超過(guò)25 km/h行駛。列車?yán)^續(xù)行駛至轉(zhuǎn)換軌信號(hào)機(jī)前停下，進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，或不停車直接轉(zhuǎn)換模式并通過(guò)轉(zhuǎn)換軌，當(dāng)模式轉(zhuǎn)換完成后，列車便可按照列車自動(dòng)運(yùn)行模式（ATO）運(yùn)行至出清轉(zhuǎn)換區(qū)，至此，列車通過(guò)咽喉區(qū)徑路完成。

根據(jù)車輛基地及出段線的信號(hào)機(jī)布置和聯(lián)鎖關(guān)系設(shè)置，城市軌道交通車輛基地的列車出段作業(yè)有列車徑路和總出發(fā)徑路兩種方式[10]，當(dāng)為列車徑路方式時(shí)，列車可直接行駛至轉(zhuǎn)換軌的正線入口信號(hào)機(jī)處；當(dāng)為總出發(fā)徑路方式時(shí)，列車先行駛至總出發(fā)信號(hào)機(jī)，然后根據(jù)總出發(fā)信號(hào)機(jī)的顯示，進(jìn)入正線入口的模式轉(zhuǎn)換信號(hào)機(jī)處。本文基于總出發(fā)徑路方式，考慮了車輛駛出轉(zhuǎn)換軌的時(shí)間不受車輛進(jìn)站辦理時(shí)間的影響，即同時(shí)段只考慮列車發(fā)車徑路，無(wú)接車作業(yè)。其發(fā)車線路分區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 車輛段發(fā)車路線分區(qū)示意圖

2.2 出段徑路方式

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地鐵出段行進(jìn)方式與段內(nèi)所采用的信號(hào)機(jī)系統(tǒng)類型有關(guān)，根據(jù)列車行駛至轉(zhuǎn)換軌區(qū)段是否需要停車（兩種不同信號(hào)機(jī)類型），出段徑路方式一般可大致分為兩種。第一種徑路方式中，接收到調(diào)車指令的司機(jī)手動(dòng)控制列車，通過(guò)咽喉區(qū)道岔組，行駛至轉(zhuǎn)換軌，停車并手動(dòng)操作使列車轉(zhuǎn)為ATO正線跟蹤模式，駛向車站；第二種徑路方式中，接收到調(diào)車指令的司機(jī)手動(dòng)控制列車，通過(guò)咽喉區(qū)道岔組，行駛至轉(zhuǎn)換軌，無(wú)須司機(jī)手動(dòng)操作，列車在信號(hào)系統(tǒng)的控制下，自動(dòng)轉(zhuǎn)為ATO正線跟蹤模式，并駛向車站。兩種信號(hào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中均有所應(yīng)用，在這里僅對(duì)第一種信號(hào)系統(tǒng)中的列車出段過(guò)程進(jìn)行分析，第二種信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際上是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行的升級(jí)，原理一致[16]。

2.3 單車發(fā)車時(shí)間計(jì)算

列車從停車庫(kù)通過(guò)咽喉區(qū)駛出車輛段，對(duì)于單列車而言，其走行時(shí)間稱為單車出段時(shí)間；對(duì)于多列車而言，其出庫(kù)總時(shí)間包含前后兩列車之間的發(fā)車時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間稱為追蹤出段時(shí)間。

單車通過(guò)咽喉區(qū)出段時(shí)間T單：

式中：t準(zhǔn)——列車出發(fā)前徑路辦理、司機(jī)準(zhǔn)備等時(shí)間；t1——列車從停車位置行駛到庫(kù)門線處所用時(shí)間；t望——司機(jī)在庫(kù)門線處停車觀察瞭望的時(shí)間；t2——列車從庫(kù)門處行駛至出清庫(kù)門的時(shí)間；t3——列出從出清車庫(kù)到行駛至轉(zhuǎn)換軌信號(hào)機(jī)處所用時(shí)間；t轉(zhuǎn)——模式轉(zhuǎn)換時(shí)間；t4——列車從模式轉(zhuǎn)換信號(hào)機(jī)處至出清轉(zhuǎn)換軌所用的時(shí)間。

準(zhǔn)備時(shí)間t準(zhǔn)、瞭望時(shí)間t望、模式轉(zhuǎn)換時(shí)間t轉(zhuǎn)與司機(jī)操作習(xí)慣有關(guān)，可以取平均值，其他時(shí)間根據(jù)列車在每個(gè)小區(qū)間段上行駛的距離和速度決定，其中對(duì)于t3的計(jì)算，由于庫(kù)內(nèi)不同股道出庫(kù)端到轉(zhuǎn)換軌信號(hào)機(jī)位置的線路長(zhǎng)度相差較小，當(dāng)行駛速度一定時(shí)，計(jì)算所得t3相對(duì)誤差相比于總用時(shí)可忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為咽喉區(qū)各股道列車出清車庫(kù)到轉(zhuǎn)換軌信號(hào)機(jī)處的走行時(shí)間相等。列車出清車庫(kù)前限速為5 km/h，至出清車輛段間限速為25 km/h[15]，速度均較低，因此在計(jì)算時(shí)間時(shí)忽略列車加減速過(guò)程造成的影響，假設(shè)列車為勻速行駛模式，并取值為最大限速的80%，即4 km/h和20 km/h。所以各行駛時(shí)間段可表示為：

式中：v5、v25——列車在限速5 km/h和25 km/h下的平均行駛速度。

至此，單列車通過(guò)咽喉區(qū)的出段時(shí)間T單得到了參數(shù)化表示。由于列車從出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)至出清模式轉(zhuǎn)換信號(hào)機(jī)的時(shí)間小于列車從停車庫(kù)至出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)的時(shí)間，因此列車出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)后的時(shí)間不作為咽喉區(qū)的通過(guò)能力限制點(diǎn)考慮，而重點(diǎn)考慮列車從停車庫(kù)至出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)的時(shí)間，這段時(shí)間稱為追蹤出段時(shí)間。

2.4 全段列車發(fā)車時(shí)間計(jì)算

以國(guó)內(nèi)某地鐵車輛段為例，停車列檢庫(kù)、咽喉區(qū)及正線接入示意圖如圖2所示。

圖2 車輛段停車列檢庫(kù)及出入段線布置

其停車庫(kù)內(nèi)設(shè)置為以雙列位停車線為主，單列位停車線為輔的布局模式，停車庫(kù)總體上分為兩個(gè)半?yún)^(qū)，每個(gè)半?yún)^(qū)連接1條到發(fā)線，且兩條到發(fā)線之間有交叉渡線連接，兩條到發(fā)線的接發(fā)車徑路稱之為平行進(jìn)路。

按照運(yùn)營(yíng)規(guī)定，一個(gè)閉塞區(qū)間內(nèi)同一時(shí)間段僅允許1列車行進(jìn)。車輛段的咽喉區(qū)屬于一個(gè)閉塞區(qū)間，列車發(fā)車時(shí)，雙到發(fā)線的設(shè)計(jì)允許上下半?yún)^(qū)可同時(shí)發(fā)車，通過(guò)平行進(jìn)路駛?cè)胝€，1個(gè)半?yún)^(qū)單次只有1列車發(fā)出，待前一列車出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)后（即達(dá)到追蹤出段時(shí)間），后一列車開(kāi)始發(fā)車。這種發(fā)車模式中整個(gè)車庫(kù)的列車全部發(fā)出的總時(shí)間取決于停放車輛數(shù)較多的車庫(kù)半?yún)^(qū)。設(shè)停車數(shù)較多的半?yún)^(qū)內(nèi)停放2列車的線路有m條，停放1列車的線路有n條，則車庫(kù)內(nèi)所有列車通過(guò)咽喉區(qū)駛出車輛段的總時(shí)間T總可表示為：

式中：Δt——2列位停放列車相比1列位停放列車多走行時(shí)間。

兩列位停放列車相比一列位停放列車多走行時(shí)間等于行駛1列車長(zhǎng)的距離所需要的時(shí)間，因此Δt計(jì)算如下：

式中：L間——兩列位停車時(shí)前后列車之間的通道寬度，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中為8 m。

對(duì)于相鄰兩列車，當(dāng)前一列車出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)時(shí)，下一列車即開(kāi)始辦理進(jìn)路準(zhǔn)備出發(fā)，因此，計(jì)算列車的追蹤出段時(shí)間T追：

式中：——列車從出清車庫(kù)后提速到v25行駛至出清總出發(fā)信號(hào)機(jī)所用的時(shí)間；其余參數(shù)表示的含義與計(jì)算單車出段時(shí)間中的對(duì)應(yīng)參數(shù)一致。

由此可得到車輛段內(nèi)所有列車發(fā)車完成所需要的總時(shí)間T總。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)上述計(jì)算模型可以看出，二列位非對(duì)稱停放方式的存在，導(dǎo)致Δt和T追的增大，直接影響T總，即停車庫(kù)內(nèi)所有車全部發(fā)出所用的時(shí)間取決于停車數(shù)較多的半?yún)^(qū)，且停放兩列車的停車列檢線越多，所需要的時(shí)間越長(zhǎng)；對(duì)于T追而言，由于列車由總出發(fā)信號(hào)機(jī)行駛到出清模式轉(zhuǎn)換信號(hào)機(jī)所用的時(shí)間小于列車從庫(kù)內(nèi)到總出發(fā)信號(hào)機(jī)的時(shí)間，則t準(zhǔn)由列車從庫(kù)內(nèi)到總出發(fā)信號(hào)機(jī)的時(shí)間，即咽喉區(qū)閉塞區(qū)間時(shí)間決定，而T追隨著t準(zhǔn)的增大而增大，而T追的增大直接導(dǎo)致T總增大；此外，司機(jī)反應(yīng)及操作時(shí)間、瞭望時(shí)間、行駛時(shí)間、設(shè)備反應(yīng)時(shí)間等均會(huì)影響T單，進(jìn)而影響T總?；谏鲜鼋Y(jié)論，對(duì)于提高地鐵車輛段發(fā)車能力給出如下建議：

（1）停車庫(kù)進(jìn)行列車停放時(shí)，庫(kù)內(nèi)兩半?yún)^(qū)應(yīng)盡量對(duì)稱布置，優(yōu)先單線單列停放，橫向股道不足時(shí)再考慮縱向雙列位停放，從而減少兩列位列車發(fā)車前等待時(shí)間及增加的1列車長(zhǎng)走行時(shí)間，以提高發(fā)車效率。

（2）條件允許情況下，建議將咽喉區(qū)內(nèi)分成多個(gè)閉塞區(qū)間，以此形成通過(guò)咽喉區(qū)的前后列車之間良好的接續(xù)性，減少時(shí)間的浪費(fèi)。同時(shí)，優(yōu)先選擇能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)行ATO模式轉(zhuǎn)換的信號(hào)機(jī)系統(tǒng)，以減去停車等待時(shí)間和加減速所延誤的時(shí)間，提高單車通過(guò)的效率。

（3）培訓(xùn)司機(jī)的專業(yè)操作技能，升級(jí)信號(hào)設(shè)備性能均可以提高發(fā)車效率，此外，排列發(fā)車徑路時(shí)，在選擇道岔數(shù)少、路線較短的徑路的同時(shí)，可在車庫(kù)前的平交道口設(shè)置封鎖門，當(dāng)列車出入車庫(kù)時(shí)，封鎖平交道口并禁止人員和車輛進(jìn)入，由此可省去停車及瞭望過(guò)程，盡可能地降低可控時(shí)間。

總之，地鐵車輛出入車輛段，通過(guò)咽喉區(qū)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、系統(tǒng)的、互相協(xié)調(diào)的過(guò)程，影響其通過(guò)能力的因素有很多，本文僅就實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行了咽喉區(qū)通過(guò)效率的理論建模，部分影響因素有所弱化，但對(duì)于車輛段發(fā)車能力的評(píng)估計(jì)算和運(yùn)營(yíng)管理水平的提升具有實(shí)際意義。