城市軌道交通運能提升策略研究

王瀟驍

(上海申通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，201103，上海 ∥ 工程師)

至2020年底，上海軌道交通已建成并運營19條線路(含磁浮示范運營線)，線路總長度為772 km，車站總數(shù)為 459 座，已形成超大網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模居世界第一；在結(jié)構(gòu)方面，已形成“環(huán)線+射線+割線”的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；在功能方面，城市軌道交通與市內(nèi)道路公交、機場、鐵路樞紐等其他交通的銜接和融合不斷深入，交通一體化功能顯現(xiàn)[1]。隨著上海軌道交通全面進入網(wǎng)絡(luò)化運營階段，大量市區(qū)核心線路面臨滿載率過高、高峰時段運能缺口明顯的挑戰(zhàn)，如何在盡可能減少對既有線路日常運營影響的前提下，通過優(yōu)化運營組織、調(diào)整部分系統(tǒng)參數(shù)等手段實現(xiàn)精細化、精準化的線路增能成為亟待解決的問題。

1 城市軌道交通運能制約因素分析

1.1 系統(tǒng)自動化及智能化水平制約

在傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車控制) 系統(tǒng)GoA2(半自動化列車運行)模式中，司機、控制中心調(diào)度員、車站值班員共同參與運營控制，自動化程度較低且運營易受人為因素干擾[2]。全自動運行系統(tǒng)包括DTO(有人值守的全自動運行，即GoA3)以及UTO(無人值守的全自動運行，即GoA4)，在正常運營狀態(tài)下，系統(tǒng)自動實現(xiàn)列車的自動發(fā)車、自動出入庫、區(qū)間自動運行、自動停站、自動開關(guān)門、自動折返等功能。全自動運行模式能夠確保列車在正常情況下的高效運行[3]。目前上海軌道交通除10號線、14號線、15號線、18號線、浦江線(膠輪捷運)具備GoA4級，5號線、17號線具備GoA3級運行能力外，其余線路均僅具備GoA2運行能力。此外1號線、 2號線、3號線、4號線等線路甚至不具備自動折返功能。由此可見，大部分既有線路綜合自動化及智能化水平較低，但又承擔著上海軌道交通主干運輸線路的職責，客運壓力極大，增能需求迫切。

1.2 跨專業(yè)匹配性設(shè)計能力制約

根據(jù)過去多個專項運能提升研究中所總結(jié)的經(jīng)驗，線路、運營、信號、車輛等專業(yè)存在一定的專業(yè)間隙，例如，受線路限界影響，車輛、信號系統(tǒng)均有限速要求，并且車輛、信號系統(tǒng)在設(shè)計時，相互之間的匹配性考慮不夠充分，雖然可實現(xiàn)安全控制列車，但是否因預(yù)留安全余量過大而導致行車效率降低，仍存在疑問。另一方面，對于線路運行能力計算，缺乏統(tǒng)一的綜合評估方法；特別是針對特定能力瓶頸點的專項能力提升策略研究，較為匱乏。

2 城市軌道交通運能評估因素分析

2.1 線路運行能力

線路運行能力是評價城市軌道交通綜合設(shè)計、運營能力的直接指標。一條城市軌道交通線路的運行能力，是指系統(tǒng)中的各項固定設(shè)備在單位時間內(nèi)(通常是高峰小時)所能通過的列車數(shù)。線路每小時通過列車對數(shù)直接反應(yīng)整條線路的乘客運載能力。對運行能力的精準評估將有利于進一步優(yōu)化設(shè)計、提升運營服務(wù)水平。

2.2 運能評估因素構(gòu)成

線路運行能力評估可遵循先獨立分析核心區(qū)域的列車開行能力，再綜合分析各相關(guān)區(qū)域能力匹配性的原則，進而實現(xiàn)對線路總體運能的綜合評估。

線路運行能力評估可分為區(qū)域能力及區(qū)域能力匹配性兩個方面。區(qū)域能力包括正線運行能力及出入段/場能力兩個關(guān)鍵部分。正線運行能力主要包括端站折返能力、大小交路分叉匯合能力和正線追蹤能力。出入段/場能力評估主要是指列車晨間的出庫能力。

區(qū)域能力匹配則是指線路不同關(guān)鍵區(qū)域間的運能設(shè)計應(yīng)相互匹配，盡可能避免特別突出的能力短板點。例如：出庫能力與正線開行間隔的要求應(yīng)相互匹配，終端站的連續(xù)折返能力應(yīng)與單一交路正線追蹤能力相相匹，大小交路分叉匯合點的開行間隔應(yīng)與不同交路的列車開行比例相匹配。

3 正線追蹤能力提升策略

縮短列車的正線追蹤間隔，實現(xiàn)更緊密的列車追蹤，這是直接提升線路運能的重要方向。根據(jù)國際標準IEEE 1474.1-2004《Standard for Communications-Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements》中關(guān)于安全制動模型[5]的定義，制約列車安全間隔的主要因素是由前后兩車所需要保持的安全制動距離所形成的。另一方面，由于測速、定位等技術(shù)局限所帶來各種位置不確定性及安全余量等參數(shù)，決定了列車在動態(tài)運行時頭尾包絡(luò)的長度，故以上參數(shù)取值的合理性也是導致前后車間距變大的重要原因。列車在正線運行主要分為出站加速、區(qū)間巡航、進站制動三部分。最為制約追蹤間隔的往往是進站制動階段，這是由于在緊密追蹤場景下，前方列車往往還未出清站臺，后車就已經(jīng)準備進入進站制動階段。因此后車的制動曲線必須考慮前車停車時間及出站運行時間。

3.1 改善進站限制點

列車在區(qū)間運行過程中，車載計算機在每個計算周期中都假設(shè)列車在若干個周期內(nèi)觸發(fā)安全制動，并計算當前列車需與前車保持的安全制動距離。確保當前列車在最不利情況下不會越過前車尾部(包絡(luò))，這是前后兩車形成安全間隔的基礎(chǔ)。最大正線追蹤間隔(THeadway,max)是指在整個區(qū)間追蹤過程中，前后車在形成最大安全距離間隔時，兩車的運行時間間隔。

圖1為正線追蹤區(qū)間間隔(THeadway)變化趨勢示意圖。圖中“追蹤間隔區(qū)間(Headway)”為線路任一點前后兩車的THeadway。列車在區(qū)間追蹤時，THeadway通常發(fā)生在進站區(qū)段。對于后車而言，THeadway,max可理解為由以下三部分時間組成：①列車由進站干擾點至車站停車走行時間(TEnterStation)；②列車在站臺的停站時間(TDellTime)；③列車出清站臺安全防護區(qū)段時間(TLeaveSafeDis)。即：

圖1 正線追蹤區(qū)間間隔THeadway變化趨勢示意圖

THeadway,max=TEnterStation+TDellTime+TLeaveSafeDis

(1)

3.2 提升列車制動性能

接車干擾點是指前、后列車無擾運行條件下，在前車逐步出清站臺安全防護距離、后車準備進站作業(yè)過程中，后車可以接近站臺的極限位置。前后兩車的安全制動距離，通常受制于列車制動性能。列車制動特性包括兩個重要參數(shù)，分別是保障緊急制動率和常用制動率。通過提高保障緊急制動率可有效縮短后車追蹤至前車尾部包絡(luò)時的安全制動距離。表1是上海軌道交通部分線路的列車保障緊急制動率。

表1 上海軌道交通部分線路的列車保障緊急制動率

保障緊急制動率由車輛廠商在考慮根據(jù)特定前提及參數(shù)下核定，例如：干軌、濕軌不同的黏著系數(shù)，列車的最高運行速度[6]。若運營方接受部分運營限制，則可在經(jīng)過詳細核定后予以適當調(diào)整。常用制動率通常設(shè)定為全場用制動率的80%性能，適當提升常用制動率可有效減小TEnterStation。而提升保障緊急制動率，其一是有助于縮小與前車尾部安全制動距離，即干擾點距離目標停車點的距離；其二還有助于縮小進站安全防護區(qū)段長度，從而縮短TLeaveSafeDis。

3.3 縮短停站作業(yè)時間

列車在車站的停站時間由系統(tǒng)或設(shè)備的反應(yīng)時間、乘客實際乘降時間、人工作業(yè)時間三部分構(gòu)成。系統(tǒng)或設(shè)備的反應(yīng)時間包括列車停穩(wěn)判斷延時(典型值為0.5 s)、列車牽引起動延時(典型值為1.2 s)；乘客實際乘降時間則根據(jù)站臺客流及車站在整個線路中所處的位置核定，取值范圍差異較大(典型值為20～60 s)；人工作業(yè)時間主要是指對于非UTO線路，存在人工確認車門狀態(tài)、列車按下ATO發(fā)車按鈕等人工作業(yè)時間(典型值為3 s)。

根據(jù)公式(1)可知，縮短列車在站臺的停車時間可直接有效縮小追蹤間隔。其中，系統(tǒng)或設(shè)備反應(yīng)延時及乘客實際乘降時間縮小余地及難度均較大。當信號系統(tǒng)升級至全自動運行系統(tǒng)后則可有效縮短人工作業(yè)時間，這是UTO線路能直接提高列車正線追蹤性能的主要體現(xiàn)。

3.4 優(yōu)化線路限速因素

列車進站前通常需要由高限速區(qū)段制動至站臺進站入口限速，線路限速特別是列車進站制動段的限速對THeadway具有顯著影響。進站降速點的起始速度越高，所需的提前制動距離越大，前后兩車所需保持的安全間隔距離相應(yīng)增大，但與之對應(yīng)的列車進站走行時間較短。由此可知進站入口速度與THeadway非單純線性關(guān)系。表2列舉了經(jīng)仿真計算后，列車進站降速點初始速度與THeadway之間關(guān)系(假定站臺土建限速為70 km/h，ATO命令速度為60 km/h，所有車站停站時間為30 s)。圖2為THeadway的仿真計算結(jié)果。

表2 進站限速與區(qū)間THeadway間關(guān)系

圖2 THeadway計算結(jié)果圖

由圖2可見，進站限速與THeadway的數(shù)學關(guān)系是一個近似于開口向上的拋物線。適當對站臺進站區(qū)段進行限速有助于提高區(qū)間THeadway，但過多限速不僅無法減小追蹤間隔，反而會減慢區(qū)間旅行速度。

4 端站折返能力提升策略

4.1 提升過岔限速

在現(xiàn)有的城市軌道交通線路設(shè)計中，正線多采用9號道岔，少數(shù)正線采用12號道岔，車庫多使用7號道岔。部分信號系統(tǒng)廠商內(nèi)部定義的9號道岔臨界限速默認為35 km/h(具體應(yīng)按照設(shè)計院提供資料設(shè)置)。事實上，9號道岔根據(jù)尖軌類型及導曲線差異，側(cè)向通過限速各不相同。根據(jù)T/CAMET 040015—2019《城市軌道交通列車運行速度限制與匹配技術(shù)規(guī)范》給出的道岔直線及側(cè)向限速，當滿足曲線半徑200 m，且道岔采用彈性可彎尖軌的情況下，對現(xiàn)有9號道岔進行提速，則可縮短列車的過岔時間，進而提升折返能力。經(jīng)仿真計算，在滿足相應(yīng)規(guī)范條件下，如果將站后折返的道岔臨界速度由35 km/h提升到40 km/h，則可在不增加任何工程改造的情況下，將圖3所示站型的站后折返能力提高7.1%以上，即每小時增加2對列車。對于上海軌道交通9號線三期工程，經(jīng)專家核定后，將其道岔臨界限速由35 km/h提升到40 km/h。

圖3 常見站后折返站型配線

4.2 優(yōu)化折返軌換端時間

當列車折返能力的主要瓶頸點為折返軌作業(yè)時，優(yōu)化折返軌換端可直接縮小列車的折返間隔?？煽紤]采取的方法如下：

1) 升級信號系統(tǒng)為全自動運行系統(tǒng)，實現(xiàn)自動換端、自動折返。

2) 對于不具備自動折返功能的線路，可采用雙司機換端，在駕駛室另一端再登乘一名司機，待系統(tǒng)換端成功后立即駛出折返軌。

3) 采用退行方式駛出折返軌，該功能需得到信號系統(tǒng)廠商支持，列車以特定速度反向運行。上海軌道交通14號線支持以退行方式駛出折返軌。

對于方法2，實施難度較低，但需要極大增加人力成本；對于方法3，在現(xiàn)場亦有應(yīng)用，但不是所有信號系統(tǒng)廠商產(chǎn)品均支持列車以此模式運行；對于方法1，信號系統(tǒng)改造成本較大，但是實際實施后能力改善最為明顯，由列車進入折返軌停穩(wěn)至起動，實際換端時間小于12 s。

5 結(jié)語

本文分析了制約城市軌道交通運能提升的若干因素，介紹了提升正線列車追蹤能力及列車在終端站的連續(xù)折返能力的部分策略，并給出了相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)。城市軌道交通場景多、情況復(fù)雜，很難使用統(tǒng)一的方法或手段對所有線路實現(xiàn)運能優(yōu)化。所以應(yīng)該秉持一線一方案、一站一方案，甚至一站多方案的研究策略。理論上有許多線路優(yōu)化技術(shù)手段，且理論計算結(jié)果較好，但實際操作難度大、工程投資較高。故應(yīng)結(jié)合工程投資等研究能力優(yōu)化綜合模型，結(jié)合優(yōu)化效果、可實施性、費用概算等綜合評估優(yōu)化手段的優(yōu)缺點。