城市軌道交通列車靈活編組方案及功能實(shí)現(xiàn)

范海寧 何勇浩

(1.上海電氣泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，上海，201206；2.深圳地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，深圳，510840 ∥ 第一作者，工程師)

在全天不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段，城市軌道交通斷面客流分布不均勻，早晚高峰或臨時(shí)性大客流時(shí)段客流強(qiáng)度大，其余時(shí)段客流相對(duì)不飽和，客流呈潮汐分布態(tài)勢(shì)。通過(guò)調(diào)研和相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，大部分線路平峰期間滿載率不足六成，列車滿載率低，造成運(yùn)力和能源浪費(fèi)，以及運(yùn)營(yíng)成本增加。

大客流情況下運(yùn)力不足，小客流情況下能源浪費(fèi)大、運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平低(運(yùn)營(yíng)間隔大)，這一矛盾越來(lái)越明顯，急需一種能夠靈活應(yīng)對(duì)這一矛盾，同時(shí)又能減少運(yùn)營(yíng)成本的方案。本文基于靈活編組的需求分析，提出了靈活編組的功能需求和實(shí)現(xiàn)方式。

1 列車靈活編組的需求分析及應(yīng)用案例

1.1 需求分析

城市軌道交通運(yùn)營(yíng)部門主要關(guān)心的三點(diǎn)是：上線運(yùn)營(yíng)列車的運(yùn)能能夠應(yīng)對(duì)客流變化的挑戰(zhàn)，列車開行成本最低，運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平持續(xù)穩(wěn)定。

城市軌道交通各線路斷面客流不均衡，同線路不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段客流也不均衡，如果按常規(guī)的列車編組方式，采用固定編組，在客流高峰時(shí)段，按照長(zhǎng)編組、高密度組織行車，則能夠應(yīng)對(duì)客流壓力；但在平峰階段，如果仍以長(zhǎng)編組、低密度組織行車，則必然會(huì)造成運(yùn)營(yíng)能耗增加，造成運(yùn)力和能源的浪費(fèi)，同時(shí)，開行對(duì)數(shù)的降低，必然會(huì)降低運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平(運(yùn)營(yíng)間隔大)。

基于運(yùn)營(yíng)部門的客觀需求，在客流高峰期，采用長(zhǎng)編組(固定長(zhǎng)編組和短編組組合)的運(yùn)營(yíng)模式；在客流平峰期間，采用長(zhǎng)編組(固定長(zhǎng)編組)+短編組的組合運(yùn)營(yíng)模式，通過(guò)采用靈活編組的方式，能夠根據(jù)不同的客流需求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)能投放，降低運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)使運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平保持相對(duì)較高的水平。

1.2 應(yīng)用案例

國(guó)內(nèi)采用靈活編組的代表性線路有廣州地鐵3號(hào)線和上海軌道交通16號(hào)線，國(guó)外采用靈活編組的、比較有特點(diǎn)的線路有溫哥華天車線和肯尼迪機(jī)場(chǎng)線。

廣州地鐵3號(hào)線列車采用“3+3”聯(lián)掛方式，每一短編組列車的3輛車的編組形式為“帶司機(jī)室動(dòng)車-拖車-帶司機(jī)室動(dòng)車”，這種型式保證可從任意方向聯(lián)掛編組成長(zhǎng)編組列車。聯(lián)掛或解編后的列車可以實(shí)現(xiàn)ATP/ATO(列車自動(dòng)保護(hù)/列車自動(dòng)運(yùn)行)功能。同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)可以對(duì)這些列車進(jìn)行時(shí)刻表編輯，滿足運(yùn)營(yíng)的調(diào)整需要[1]。信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)完整性識(shí)別及VOBC(車載控制器)識(shí)別來(lái)確認(rèn)列車在線聯(lián)掛和解編后的列車編組變化情況。

上海軌道交通16號(hào)線大部分線路位于郊區(qū)，設(shè)計(jì)初期，列車按3節(jié)編組；遠(yuǎn)期，列車按“3+3”重聯(lián)編組。3節(jié)編組列車肩負(fù)“大站車”使命，僅在龍陽(yáng)路站、羅山路站、新場(chǎng)站、惠南站、臨港大道站、滴水湖站?？?。

溫哥華天車線在1986年首次投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，在高峰期和重大活動(dòng)期間，列車按4節(jié)編組運(yùn)營(yíng)；在平峰期和節(jié)假日期間，列車按2節(jié)編組運(yùn)營(yíng)。

肯尼迪機(jī)場(chǎng)線列車的編組形式有1節(jié)編組、2節(jié)編組、3節(jié)編組和4節(jié)編組。在夜晚低谷期，列車按1節(jié)編組運(yùn)營(yíng)；在高峰期，列車按4節(jié)編組運(yùn)營(yíng)。列車可以雙向折返運(yùn)行。

2 靈活編組功能的實(shí)現(xiàn)

本文以深圳地鐵9號(hào)線工程為例，研究和討論3節(jié)編組列車聯(lián)掛、解編的功能需求和實(shí)現(xiàn)方案。為實(shí)現(xiàn)靈活編組，采用“3+3”編組方式替代6節(jié)固定編組，“3+3”編組列車可解編為2列3節(jié)編組列車。

2.1 靈活編組方案

1) 聯(lián)掛：將2列3節(jié)編組列車通過(guò)全自動(dòng)電氣車鉤以人工/自動(dòng)的方式進(jìn)行重聯(lián)，擴(kuò)編為6節(jié)編組(3+3)列車。在聯(lián)掛過(guò)程中，司機(jī)不需要下車作業(yè)。聯(lián)掛后，2列3節(jié)編組列車的控制硬線和網(wǎng)絡(luò)等都能進(jìn)行重聯(lián)，車輛和信號(hào)系統(tǒng)支持?jǐn)U編列車的運(yùn)行。

2) 解編：是聯(lián)掛的逆向過(guò)程?！?+3”編組列車通過(guò)全自動(dòng)電氣車鉤以人工/自動(dòng)的方式進(jìn)行車輛脫鉤解編，分離為2列獨(dú)立的3節(jié)編組列車。在解編過(guò)程中，司機(jī)不需要下車作業(yè)。解編后，2列3節(jié)編組列車的控制硬線和網(wǎng)絡(luò)等都能進(jìn)行重聯(lián)，車輛和信號(hào)系統(tǒng)支持2列3節(jié)編列車的獨(dú)立運(yùn)行。

3) 長(zhǎng)短編混跑：增購(gòu)列車采用3節(jié)編組，實(shí)施靈活編組方案后，線路上將可能出現(xiàn)3節(jié)編組、6節(jié)編組和“3+3”編組3種編組列車。不同編組列車具備不同的運(yùn)能，運(yùn)營(yíng)使用者可根據(jù)全日客流變化制定運(yùn)營(yíng)組織方案。

適應(yīng)全日客流變化的運(yùn)營(yíng)組織方案是指，在目前預(yù)測(cè)客流水平情況下，為保持服務(wù)水平[2]，在高峰小時(shí)開行大編組列車(包括6節(jié)編組和“3+3”編組)，在平峰時(shí)段開行部分或全部小編組(6節(jié)編組和部分3節(jié)編組，或者全部3節(jié)編組)、高密度列車。

聯(lián)掛、解編的列車數(shù)量需依據(jù)客流的實(shí)際需要和運(yùn)營(yíng)組織相關(guān)人員配置，并結(jié)合運(yùn)營(yíng)間隔所需，進(jìn)行統(tǒng)籌考慮?；炫芰熊嚨谋壤梢愿鶕?jù)客流變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在具體設(shè)計(jì)工作中，需根據(jù)線路初期、近期和遠(yuǎn)期的分時(shí)段客流，在考慮一定能力儲(chǔ)備的前提下，分別計(jì)算不同編組列車的客流適應(yīng)性，并進(jìn)行全日行車計(jì)劃編排[3]。

2.2 功能需求

1) 車輛：為支持2列3節(jié)編組列車的聯(lián)掛、解編，車輛的列車功能至少包括牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、列車控制、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等的功能[4]。

2) 信號(hào)系統(tǒng)：為支持2列3節(jié)編組列車的聯(lián)掛、解編，信號(hào)系統(tǒng)功能至少包括以下部分：

(1) 冗余功能：3節(jié)編組列車采用的應(yīng)是熱備冗余的車載設(shè)備架構(gòu)。當(dāng)2列3節(jié)編組編列車聯(lián)掛后，處于列車中間位置的2個(gè)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備斷電、退出工作(外部電路控制)；聯(lián)掛后，新的頭端和尾端車載設(shè)備需要建立通信和工作，并形成新的熱備冗余架構(gòu)。

(2) 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)：信號(hào)車載網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能保證當(dāng)列車聯(lián)掛或解編后，網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)備間的通信都能維持正常的功能需要。

(3) 車型車號(hào)：信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)聯(lián)掛或解編狀態(tài)下的各類輸入，自動(dòng)判斷和識(shí)別當(dāng)前列車的編組情況；信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)掛或解編狀態(tài)來(lái)重新分配車號(hào)。

(4) 列車參數(shù)：信號(hào)系統(tǒng)固定存儲(chǔ)該線路上所有可能編組類型列車的參數(shù)。當(dāng)軟件判斷出聯(lián)掛列車編組類型后，加載與之相匹配的列車參數(shù)；信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)新編組列車參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和控制。

(5) 作業(yè)區(qū)域：對(duì)聯(lián)掛、解編的作業(yè)區(qū)域設(shè)定，除了需滿足信號(hào)系統(tǒng)本身功能需求限定條件以外，還要結(jié)合實(shí)際的線路條件和車輛參數(shù)，最終需滿足業(yè)主方的規(guī)定和需要。聯(lián)掛、解編的作業(yè)區(qū)域一旦確定以后，需將其設(shè)定為數(shù)據(jù)庫(kù)中新的參數(shù)。

(6) 命令控制：信號(hào)系統(tǒng)模式下，聯(lián)掛、解編的命令控制可由中央ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)人工下發(fā)，車輛自動(dòng)執(zhí)行作業(yè)。當(dāng)ATS下發(fā)命令以后，信號(hào)車載設(shè)備根據(jù)當(dāng)前條件將命令下達(dá)至車輛，通過(guò)ATP/ATO控制功能進(jìn)行作業(yè)防護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)掛或解編。

(7) 停站對(duì)位：信號(hào)系統(tǒng)需具備不同編組列車到站后對(duì)位停準(zhǔn)的功能。

(8) 開關(guān)門控制：信號(hào)系統(tǒng)需支持3節(jié)編組和6節(jié)編組列車到站后車門的開關(guān)與站臺(tái)門開關(guān)保持關(guān)聯(lián)性。

(9) 軌旁通信：信號(hào)系統(tǒng)需支持列車在聯(lián)掛、解編前后，維持車載與軌旁的持續(xù)通信，以使聯(lián)掛、解編后的列車能快速投運(yùn)。

(10) 人機(jī)界面：信號(hào)車載人機(jī)界面(TOD)應(yīng)支持聯(lián)掛、解編的列車的狀態(tài)信息顯示。中央ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)工作站調(diào)度界面應(yīng)支持聯(lián)掛、解編的列車的狀態(tài)信息顯示，應(yīng)包括聯(lián)掛、解編的作業(yè)操作界面，應(yīng)能對(duì)3節(jié)編組、6節(jié)編組和“3+3”編組列車進(jìn)行區(qū)別顯示。

(11) 運(yùn)行圖/時(shí)刻表：運(yùn)行圖、時(shí)刻表的設(shè)計(jì)應(yīng)支持聯(lián)掛、解編的不同編組列車運(yùn)行班次調(diào)整需要，包括計(jì)劃班次和臨時(shí)調(diào)整。

3) 站臺(tái)門功能：靈活編組下將出現(xiàn)3節(jié)編組、6節(jié)編組和“3+3”編組列車(默認(rèn)“3+3”編組情況下站臺(tái)門能全開)混跑的情形，站臺(tái)門系統(tǒng)功能至少包括以下部分：

(1) 區(qū)分不同編組列車開關(guān)站臺(tái)門：可根據(jù)到站列車的不同編組情況，對(duì)應(yīng)開啟不同區(qū)域、不同數(shù)量的站臺(tái)門。

(2) 信號(hào)系統(tǒng)正常模式下聯(lián)動(dòng)控制功能：在信號(hào)系統(tǒng)正常模式下，軌旁設(shè)備會(huì)根據(jù)到站列車的不同編組情況發(fā)給站臺(tái)門不同的控制命令。

(3) 降級(jí)模式下手動(dòng)控制功能：在信號(hào)故障或其它降級(jí)模式下，司機(jī)需要手動(dòng)開關(guān)站臺(tái)門，站臺(tái)門設(shè)備以及PSL(就地控制盤)應(yīng)具備對(duì)應(yīng)不同編組列車的使能、開關(guān)門、互鎖解除等控制功能。

4) PIS(乘客信息系統(tǒng))功能。

(1) 列車聯(lián)掛狀態(tài)下，2列3節(jié)編組列車PIS系統(tǒng)的信息統(tǒng)一傳輸與控制。

(2) 當(dāng)不同編組列車進(jìn)站時(shí)，地面PIS能根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的報(bào)文通知，顯示不同編組列車到站的相關(guān)信息。

5) 廣播功能：當(dāng)不同編組列車進(jìn)站時(shí)，PA(廣播)系統(tǒng)能根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的報(bào)文通知，廣播不同編組列車到站的相關(guān)信息。

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

基于上文中關(guān)于列車聯(lián)掛和解編的功能需求分析，提出信號(hào)系統(tǒng)改造方案的主要內(nèi)容：

1) 信號(hào)軌旁設(shè)備硬件補(bǔ)點(diǎn)和軟件升級(jí)。

(1) 信標(biāo)：所有站臺(tái)新增應(yīng)答器，存車線、虛擬站臺(tái)、試車線等處視需要新增應(yīng)答器。

(2) 接近盤：所有站臺(tái)新增精確停車應(yīng)答器，存車線、虛擬站臺(tái)、試車線等處視需要新增應(yīng)答器。

(3) 移動(dòng)授權(quán)單元(MAU)數(shù)據(jù)庫(kù)更新，參數(shù)表更新等。

(4) 移動(dòng)授權(quán)單元軟件功能升級(jí)，以支持靈活編組。

(5) 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖單元(PMI)軟件升級(jí)，以支持不同編組列車到站后，車門開關(guān)與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)。

2) 信號(hào)ATS系統(tǒng)改造：ATS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件升級(jí)支持聯(lián)掛、解編作業(yè)，以及靈活編組情形下的圖形圖標(biāo)顯示。

(1) ATS界面改造：增加操作對(duì)話框、圖形顯示、信息提醒等功能。

(2) 列車車次號(hào)顯示。

(3) 運(yùn)行圖、時(shí)刻表顯示。

3) 與站臺(tái)門接口的改造設(shè)計(jì)：ZC(區(qū)域控制器)與站臺(tái)門接口需增加輸出接口，用于控制不同編組列車到站后開關(guān)站臺(tái)門。ZC向PSD(屏蔽門)系統(tǒng)每個(gè)車站(兩站臺(tái))的輸出命令應(yīng)按站臺(tái)前部開門命令、站臺(tái)后部開門命令、站臺(tái)前部關(guān)門命令、站臺(tái)后部關(guān)門命令的順序在ZC輸出板卡上排列。表1為開關(guān)門繼電器動(dòng)作與站臺(tái)門動(dòng)作和控制命令之間的關(guān)系。

表1 開關(guān)門繼電器動(dòng)作與站臺(tái)門動(dòng)作和控制命令之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)表

4) 與PIS、PA的接口改造：信號(hào)系統(tǒng)與PIS和PA間的基本協(xié)議保持不變。協(xié)議中有一項(xiàng)train ID參數(shù)，為適應(yīng)不同編組列車的乘客信息告知，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)不同編組列車分配不同的train ID。PIS和PA可每次依據(jù)收到的train ID參數(shù)來(lái)關(guān)聯(lián)不同的車長(zhǎng)信息，以呈現(xiàn)不同的列車信息。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

城市軌道交通的能耗主要包括固定設(shè)施能耗和移動(dòng)能耗。固定設(shè)施能耗主要指地面設(shè)施，如通風(fēng)空調(diào)、照明、電扶梯等的能耗；移動(dòng)能耗又由列車牽引能耗和列車輔助能耗組成。列車牽引能耗占城市軌道交通總能耗的一半以上，降低牽引能耗可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

根據(jù)深圳地鐵9號(hào)線的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 9號(hào)線(含一期、二期)年總用電量為19 710萬(wàn)kWh，其中牽引用電量為7 884萬(wàn)kWh，占總用電量的40%。平峰期列車開行對(duì)數(shù)占比約為60%，故9號(hào)線平峰期日均牽引用電量約為12.96萬(wàn)kWh。

根據(jù)9號(hào)線已運(yùn)營(yíng)階段的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果為：在同一運(yùn)行圖運(yùn)營(yíng)情況下，平峰期若采用3節(jié)編組列車替代6節(jié)編組列車進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，節(jié)能率能達(dá)到40%。即當(dāng)9號(hào)線平峰期全部采用3節(jié)編組列車時(shí)，日均節(jié)電量約為5.18萬(wàn)kWh。每度電按照0.7元計(jì)算[6]，全年可節(jié)省1 323.49萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

采用靈活編組運(yùn)營(yíng)模式可以在平衡運(yùn)營(yíng)能力的同時(shí)，降低運(yùn)營(yíng)成本，符合運(yùn)營(yíng)部門的客觀需求。本文從靈活編組的功能需求入手，分析聯(lián)掛和解編的功能需求和實(shí)現(xiàn)方式，并從經(jīng)濟(jì)效益角度論證靈活編組方式具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。靈活編組技術(shù)已逐漸成熟，未來(lái)，靈活的編組運(yùn)營(yíng)與全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)[7]結(jié)合，在正線混編運(yùn)營(yíng)、列車聯(lián)掛救援等運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下將得到更多的應(yīng)用。