都市圈城際鐵路折返能力研究*

馬保仁

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司交通運(yùn)輸規(guī)劃研究院，300308，天津∥高級(jí)工程師)

20世紀(jì)60年代，日本都市交通審議會(huì)將“市郊私營(yíng)鐵道與地鐵按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、直通運(yùn)輸”作為工作重點(diǎn)[1]，持續(xù)提高軌道交通通勤服務(wù)水平，打造了“軌道上的東京都市圈”。借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，廣州都市圈、深圳都市圈新建都市圈城際鐵路：一是新建線路伸入城市核心區(qū)時(shí)，采用地下敷設(shè)方式，與城市軌道交通在付費(fèi)區(qū)換乘；二是新建線路與既有鐵路銜接融合，兼具城際鐵路和市域(郊)鐵路雙重功能，打造都市圈通勤圈；三是新建線路滿足公交化運(yùn)輸組織需求。在2022年前，粵港澳大灣區(qū)將啟動(dòng)建設(shè)深惠城際(含大鵬支線)、深圳機(jī)場(chǎng)至大亞灣城際(簡(jiǎn)稱“深大城際”)[2]等都市圈城際鐵路。結(jié)合前期研究成果，這些線路平均站間距為6～8 km，適于采用160 km/h速度目標(biāo)值；主要服務(wù)市域通勤需求，兼顧跨區(qū)域組團(tuán)間直連直通，分時(shí)段運(yùn)輸組織靈活，對(duì)線路通過能力要求高。為更好地適應(yīng)乘客便捷換乘、隨到隨走的需要，車站盡量避免設(shè)置多站臺(tái)、多股道，折返站結(jié)合敷設(shè)條件參照地鐵布置型式。

折返能力是都市圈城際鐵路線路通過能力的控制環(huán)節(jié)，主要由列車運(yùn)行控制(以下簡(jiǎn)稱“列控”)系統(tǒng)制式、車站配線形式和折返作業(yè)組織方式、列車最高運(yùn)行速度、車輛加減速性能、停站時(shí)間及列車長(zhǎng)度等因素綜合確定[3]。在我國(guó)，城市軌道交通列控系統(tǒng)多采用CBTC(基于通信的列車控制)制式，其折返能力研究相對(duì)成熟[4]；高速鐵路列控系統(tǒng)制式以CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))為主，結(jié)合鐵路客運(yùn)組織和技術(shù)作業(yè)條件，其地面站采用“空間換時(shí)間”[5]的方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。對(duì)于采用CTCS2制式的都市圈城際鐵路，其折返能力和折返作業(yè)組織方法作為新技術(shù)研發(fā)[6]的基礎(chǔ)，正越發(fā)受到關(guān)注。

1 都市圈城際鐵路列車開行方案

根據(jù)深圳都市圈城際鐵路研究年度遠(yuǎn)期(2050年)線網(wǎng)開行方案(如圖1所示)，在高峰時(shí)段，深惠城際開行列車17對(duì)/h，深大城際開行列車16對(duì)/h?？紤]為深大城際和深惠城際在五和站跨線運(yùn)行留有一定的運(yùn)營(yíng)調(diào)整裕量，線路設(shè)計(jì)折返能力不宜低于20對(duì)/h。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力，T4樞紐站作為深大城際端點(diǎn)折返站[2]，相鄰列車在該站折返間隔不宜大于180 s。

圖1 深圳都市圈城際鐵路研究年度列車開行方案

2 T4樞紐站折返間隔影響因素分析

2.1 T4樞紐站車站布置方案

T4樞紐站采用一島兩線站后折返布置(如圖2所示)。站后交叉渡線采用12#道岔。道岔限速為50 km/h。

2.2 列控系統(tǒng)制式

考慮與既有鐵路跨線運(yùn)營(yíng)，從與之技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)角度考慮，暫假定深圳都市圈城際鐵路列控系統(tǒng)采用CTCS2+ATO(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)二級(jí)結(jié)合列車自動(dòng)運(yùn)行)制式，列車能夠自動(dòng)進(jìn)入折返線停穩(wěn)[7]。

相鄰列車在T4樞紐站進(jìn)站時(shí)的追蹤過程如圖2所示。當(dāng)前行列車(G101)尾部出清站臺(tái)區(qū)段后，列控系統(tǒng)開始為后行列車(G103)辦理接車進(jìn)路，且辦理用時(shí)為26 s。若前行列車未能出清站臺(tái)區(qū)段，則后行列車制動(dòng)停穩(wěn)于距站臺(tái)區(qū)段進(jìn)站信號(hào)機(jī)前方L防處。

圖2 相鄰列車在T4樞紐站進(jìn)站時(shí)的追蹤過程示意圖

如圖3所示，相鄰列車在T4樞紐站出發(fā)時(shí)的追蹤出站時(shí)，前行列車(G101)尾部出清第一離去區(qū)段后，列控系統(tǒng)開始為后行列車(G103)辦理發(fā)車進(jìn)路，且辦理用時(shí)為26 s。

圖3 相鄰列車在T4樞紐站出發(fā)時(shí)的追蹤過程示意圖

2.3 列車折返作業(yè)程序

列車折返作業(yè)程序同列控系統(tǒng)制式、乘務(wù)組織及司機(jī)操作流程等有關(guān)，其包括自列車完全進(jìn)入折返線停穩(wěn)時(shí)起，至列車開始駛離折返線時(shí)止，列車在折返線上所進(jìn)行的全部技術(shù)作業(yè)流程。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單司機(jī)作業(yè)與雙司機(jī)作業(yè)在技術(shù)上均可行。通過去掉復(fù)核性冗余操作、使司機(jī)操作熟練，對(duì)常規(guī)作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)記錄優(yōu)化前后的列車折返作業(yè)程序及平均用時(shí)，見表1。

表1 現(xiàn)狀折返作業(yè)程序?qū)憣?shí)

從表1中可以看出：在列車折返線作業(yè)中，單司機(jī)作業(yè)優(yōu)化前平均用時(shí)為765 s，優(yōu)化后用時(shí)可壓縮至565 s；雙司機(jī)作業(yè)優(yōu)化前用時(shí)為500 s，優(yōu)化后用時(shí)可壓縮至335 s。本文不考慮司機(jī)熟練度及冗余作業(yè)的影響，故僅按優(yōu)化后用時(shí)進(jìn)行分析。

2.4 其他參數(shù)

動(dòng)車組的車長(zhǎng)按201.4 m計(jì)算?？紤]乘客舒適度，兼顧動(dòng)車組快啟快停需求，列車最大減速度按0.9 m/s2控制[8]。

3 T4樞紐站折返間隔檢算及壓縮策略

3.1 基本方案

基本方案為雙司機(jī)作業(yè)、單折返線折返。由表1可知，基本方案折返作業(yè)平均用時(shí)為335 s?；痉桨刚鄯底鳂I(yè)流程如圖4所示。以利用II道單線折返為例，前行折返列車尾部出清警沖標(biāo)AC2時(shí)，后行折返列車即可接入II道。

由圖4可知，基本方案的折返間隔為451 s，折返能力為7對(duì)/h，未實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

CTCS2+ATO列控系統(tǒng)將折返車站劃分為到達(dá)站臺(tái)分區(qū)、折返線分區(qū)和出發(fā)站臺(tái)分區(qū)等3個(gè)閉塞分區(qū)。列車在折返站追蹤過程可相應(yīng)等效為相鄰列車在3個(gè)閉塞分區(qū)按準(zhǔn)移動(dòng)閉塞追蹤運(yùn)行的過程。對(duì)列車折返作業(yè)流程進(jìn)一步合并處理，如圖4 b)所示，將折返間隔重構(gòu)劃分為列車占用到達(dá)站臺(tái)分區(qū)時(shí)間(即相鄰列車在到達(dá)站臺(tái)分區(qū)追蹤間隔I到達(dá))、列車占用折返線分區(qū)時(shí)間(即相鄰列車在折返線分區(qū)追蹤間隔I折返)和列車占用出發(fā)站臺(tái)分區(qū)時(shí)間(即相鄰列車在出發(fā)站臺(tái)分區(qū)追蹤間隔I出發(fā))。

圖4 基本方案中相鄰兩列折返列車追蹤過程和列車折返作業(yè)時(shí)序圖

不難看出，相鄰列車在折返線分區(qū)實(shí)現(xiàn)最緊密追蹤，列車在折返線分區(qū)追蹤間隔是列車折返間隔的控制環(huán)節(jié)。研究壓縮T4樞紐站折返間隔，就是研究壓縮相鄰列車在折返線分區(qū)追蹤間隔。

將折返線分區(qū)追蹤過程展開如圖5所示。由圖5可以看出，由于前行列車占用進(jìn)折返線咽喉，與后行列車占用出折返線咽喉不能同時(shí)發(fā)生，僅可按順序進(jìn)行，故相鄰列車在折返線分區(qū)的追蹤間隔受限。針對(duì)這一情況，本文提出折返間隔壓縮策略。

圖5 相鄰列車在折返線分區(qū)的追蹤流程及時(shí)序圖

3.2 壓縮策略一

折返間隔的壓縮策略一為雙司機(jī)作業(yè)、多折返線交替折返策略。列車在折返線上的作業(yè)時(shí)間(335 s)較長(zhǎng),故提出增設(shè)折返線，組織多列車在折返站平行作業(yè)，進(jìn)而壓縮列車折返間隔。在該策略基礎(chǔ)上，細(xì)化為雙折返線交替折返方案與三折返線交替折返方案。

3.2.1 雙折返線交替折返方案

在雙折返線交替折返方案中，I道與II道交替使用。通過調(diào)整，使列車進(jìn)折返線占用咽喉與出折返線占用咽喉時(shí)間緊密接續(xù)。相鄰列車在折返站追蹤時(shí)序?yàn)椋?/p>

第1步：①車在II道停車。

第2步：在①車完全進(jìn)入II道后，即可辦理②車進(jìn)I道進(jìn)路。

第3步：在①車完成折返線作業(yè)后，即可辦理出II道(進(jìn)入出發(fā)站臺(tái))。此時(shí)，不影響②車進(jìn)入I道停車(出II道與進(jìn)I道形成平行進(jìn)路，可同步進(jìn)行)。

第4步：①車尾部出清II道時(shí)，即可辦理③車接入II道進(jìn)路。

第5步：③車完全進(jìn)入II道后，即可辦理②車出I道的進(jìn)路。

第6步：②車尾部出清I道后，即可辦理④車接入I道進(jìn)路。

連續(xù)3列列車為1個(gè)周期。此后重復(fù)第3步至第6步。

該方案的流程及時(shí)序如圖6所示。

經(jīng)檢算，雙司機(jī)作業(yè)、雙折返線交替折返時(shí)，折返能力為15對(duì)/h，未能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

3.2.2 三折返線交替折返方案

在三折返線交替折返方案中，3條折返線(Ⅰ道、Ⅱ道及Ⅲ道)交替使用。通過調(diào)整,使列車進(jìn)折返線占用咽喉與出折返線占用咽喉時(shí)間緊密接續(xù)。相鄰列車在折返站追蹤時(shí)序?yàn)椋?/p>

第1步：①車在Ⅲ道停車。

第2步：①車完全進(jìn)入Ⅲ道后，即可辦理②車進(jìn)Ⅱ道進(jìn)路。

第3步：②車完全進(jìn)入Ⅱ道后，即可辦理③車進(jìn)Ⅰ道進(jìn)路。

第4步：①車完成折返線作業(yè)后，即可辦理出Ⅲ道(進(jìn)入出發(fā)站臺(tái))。此時(shí)，不影響③車進(jìn)Ⅰ道停車(出Ⅲ道與進(jìn)Ⅰ道形成平行進(jìn)路，同步進(jìn)行)。

第5步：②車完成折返線作業(yè)后，即可辦理出Ⅱ道(進(jìn)入出發(fā)站臺(tái))。

第6步：②車尾部出清Ⅱ道時(shí)，即可辦理④車進(jìn)Ⅲ道進(jìn)路。

第7步：④車完全進(jìn)入Ⅲ道后，即可辦理③車出Ⅰ道進(jìn)路。

第8步：③車尾部出清Ⅰ道時(shí)，即可辦理⑤車進(jìn)Ⅱ道進(jìn)路。

連續(xù)4列列車為1個(gè)周期。此后重復(fù)第4步至第8步。

該方案的折返線布置及折返流程時(shí)間如圖7所示。

圖7 三折返線交替折返方案的列車作業(yè)流程及時(shí)序圖

經(jīng)檢算，相對(duì)雙折返線交替折返方案，雙司機(jī)作業(yè)、三折返線交替折返方案的折返能力為16對(duì)/h，雖有一定提升，卻仍未能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

3.3 壓縮策略二

壓縮策略二為優(yōu)化折返作業(yè)組織策略，通過合理排布列車折返作業(yè)時(shí)序，優(yōu)化折返作業(yè)組織，進(jìn)而壓縮折返作業(yè)間隔。以三折返線交替折返方案為例，如圖8所示，調(diào)整④車進(jìn)入Ⅲ道與①車駛離Ⅲ道接續(xù)，調(diào)整②車在Ⅱ道等待，可將列車折返間隔壓縮至180 s，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

圖8 優(yōu)化后的三折返線交替折返方案列車作業(yè)流程及時(shí)序圖

4 折返線作業(yè)時(shí)間優(yōu)化及數(shù)值規(guī)律

4.1 雙折返線的作業(yè)時(shí)間優(yōu)化

都市圈城際鐵路一般會(huì)在斷面客流量突降的中間站設(shè)置折返站。小交路折返由于不宜占用正線，故至多采用雙折返線交替折返方案。

如圖9所示：使列車占用進(jìn)折返線咽喉與占用出折返線咽喉流程緊密接續(xù)，當(dāng)列車的折返線作業(yè)時(shí)間壓縮為244 s時(shí)，列車折返間隔為180 s，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。當(dāng)組織列車在雙折返線交替作業(yè)時(shí)，因折返作業(yè)存在平面交叉，前行折返列車即便提前完成駕駛室換向等技術(shù)作業(yè)，也需在出清折返線前等待后行列車進(jìn)入折返線，因而列車在折返線上停留的時(shí)間不能低于206 s。據(jù)此計(jì)算，此方案中留有38 s調(diào)節(jié)裕量。

結(jié)合圖9中的反算結(jié)果，如站后組織列車雙折返線交替折返，則需在當(dāng)前折返線作業(yè)時(shí)間(335 s)基礎(chǔ)上進(jìn)一步核減91 s。司機(jī)號(hào)、車次號(hào)及載頻信息等信息可從CTCS的列車計(jì)劃中獲得并由司機(jī)手動(dòng)輸入，CCS編號(hào)、電話號(hào)、列車參數(shù)可由ATP軟件從配置中讀取。由此，建議優(yōu)化DMI(列控車載人工界面)數(shù)據(jù)輸入，以ATP軟件自動(dòng)錄入代替人工輸入，并由司機(jī)在發(fā)車前一鍵確認(rèn)，同時(shí)省略ATP激活后的制動(dòng)測(cè)試[5]。此時(shí)，折返線作業(yè)時(shí)間可壓縮至120～215 s，低于折返線作業(yè)時(shí)間閾值244 s，不再制約180 s折返間隔的實(shí)現(xiàn)。

圖9 雙折返線交替折返方案下反算折返線作業(yè)時(shí)間閾值

4.2 單折返線的作業(yè)時(shí)間優(yōu)化

當(dāng)站后折返站折返線與停車線合并設(shè)置時(shí)，需以單折返線來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

如圖10所示，使列車占用進(jìn)折返線咽喉與占用出折返線咽喉緊密接續(xù)。當(dāng)列車在單折返線上的作業(yè)時(shí)間為64 s時(shí)，列車追蹤間隔為180 s，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

圖10 單折返線條件下反算折返線作業(yè)時(shí)間閾值

結(jié)合圖10中的反算結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力，需在雙折返線作業(yè)時(shí)間優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將折返線作業(yè)時(shí)間進(jìn)一步核減64～151 s。通過動(dòng)車組增設(shè)貫通線或車站增加無線設(shè)備等技術(shù)改造手段，將折返線上技術(shù)作業(yè)時(shí)間(表1中的步驟2至步驟7、步驟9至12)壓縮至3 s；考慮折返線上僅司機(jī)乘降，不考慮各車門上下客的不均衡延誤和站臺(tái)門的開關(guān)門延緩時(shí)間，僅考慮開門時(shí)間3 s、關(guān)閉車門(含預(yù)告時(shí)間)時(shí)間6 s和關(guān)門后列車起動(dòng)反應(yīng)時(shí)間2 s，將列車停穩(wěn)確認(rèn)開門時(shí)間從20 s壓縮至11 s。此時(shí)，單折返線作業(yè)時(shí)間可壓縮至64 s，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

4.3 相關(guān)數(shù)值規(guī)律分析

針對(duì)不同折返線數(shù)量，反算得出折返線作業(yè)時(shí)間閾值，依此推演折返線上技術(shù)作業(yè)時(shí)間與折返線數(shù)量的等量關(guān)系：

1) 采用三折返線交替折返時(shí)，任一折返列車占用折返線時(shí)間為540 s。

2) 采用雙折返線交替折返時(shí)，任一折返列車占用折返線時(shí)間為360 s；

3) 采用單折返線折返時(shí)，任一折返列車占用折返線時(shí)間為180 s。

由此可知，折返線數(shù)量N、任一列車占用折返線時(shí)間t占和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力的折返間隔I系統(tǒng)之間存在等量關(guān)系：

式中：

t作業(yè)——辦理進(jìn)折返線進(jìn)路時(shí)間；

t進(jìn)折返線——列車開始駛離到達(dá)站臺(tái)，至列車完全進(jìn)入折返線；

t換——列車換端時(shí)間；

t延——列車完成換端后，因等待后行列車進(jìn)入其他折返線，需在開始駛離折返線前等待時(shí)間；

t出折返線——列車開始駛離折返線，至列車尾部完全出清折返線時(shí)間。

考慮I系統(tǒng)受相鄰列車在到達(dá)站臺(tái)分區(qū)追蹤間隔I到達(dá)、相鄰列車在出發(fā)站臺(tái)分區(qū)追蹤間隔I出發(fā)中較大值控制，且為列車進(jìn)、出折返線咽喉留有調(diào)整，其取值應(yīng)滿足約束條件：

s.t.I系統(tǒng)≥max[t進(jìn)折返線+t作業(yè)+t出折返線+

t作業(yè),I到達(dá),I出發(fā)]

5 結(jié)語

1) 提出基于CTCS2+ATO列控系統(tǒng)的折返間隔計(jì)算方法和控制因素。結(jié)合折返站列車追蹤流程，將基于CTCS2+ATO列控系統(tǒng)的折返過程分解為列車在到達(dá)站臺(tái)分區(qū)、折返線分區(qū)和出發(fā)站臺(tái)分區(qū)按準(zhǔn)移動(dòng)閉塞追蹤運(yùn)行的過程，識(shí)別折返間隔的控制因素為折返線分區(qū)追蹤間隔。

2) 提出都市圈城際鐵路折返能力提升策略并計(jì)算論證。論證結(jié)果表明，在雙司機(jī)、站后三折返線交替折返時(shí)，通過優(yōu)化折返作業(yè)組織，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)折返能力。

3) 提出了N、t占與I系統(tǒng)的數(shù)值關(guān)系，以期為都市圈城際鐵路配線設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理規(guī)程編制和自動(dòng)折返有關(guān)技術(shù)研發(fā)提供理論指引。