地鐵折返站行車能力的分析與研究

張 耀

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710045)

0 引言

隨著我國城市地鐵交通的快速發(fā)展，居民出行對于地鐵的依賴度越來越高。隨著一、二線城市人口的不斷聚集，以及客流量的不斷增大，地鐵運行強度也在不斷增加，部分已運營地鐵線路的運輸能力已接近飽和。因此，部分地鐵線路常見的狀況是：早晚高峰在車站外采用限流措施、在車站內乘客大量滯留、上下車嚴重擁擠、屏蔽門和車門多次關啟、列車超負荷運行等。這就引起地鐵服務質量明顯下降等一系列連鎖反應。這些狀況形成的主要原因是線路的行車能力不足。

線路行車能力是線路上各個因素綜合作用的結果。新建線路通過選用較寬車型、增加車輛編組、調整車站數、采用全自動無人駕駛等措施，在建設前期提高線路的行車能力。因為線路車輛、配線、設備均已固定，已運營線路的最大行車能力受限，所以只能通過優(yōu)化行車組織方式、信號設備布置等方法，在一定范圍內提高行車能力[1]。

行車能力研究的重點是分析線路上列車的行車間隔。線路上不同區(qū)段的行車間隔一般都不相同。線路的最小行車間隔受制于正線行車間隔和折返站行車間隔，取兩者中的最大值[2]。折返站往往是線路折返能力的薄弱環(huán)節(jié)。本文針對地鐵折返站,分析與研究不同折返方式下的行車間隔和行車能力。

1 行車能力理論分析

行車能力是指當線路上車輛、配線、設備等固定時，一個區(qū)段單位時間內能通過的最大列車對數。而一條線路由多個區(qū)段和兩端的折返站組成。每個區(qū)段的限制因素均不同，因此每個區(qū)段的行車能力也不盡相同。其中，行車能力最弱的區(qū)段將限制整條線路的行車能力[3]。

首先，假設前后兩列車為平行運行。平行運行是理想模型，是指同一方向列車在同一區(qū)段內的運行速度相同，在兩端折返站的折返方式也相同，兩列車的運行線路相互平行。其次，確定此區(qū)段全天24 h內在運列車的有效運行時間，以及列車經過此區(qū)段的通過時間。由此，即可得出此區(qū)段的行車能力[4]。計算方式為：

(1)

式中：N為行車能力；Tg為列車日常維護維修等必須占用的固定時間;Tt為一列車在本區(qū)段運行通過時間；f為有效利用系數。

假設此區(qū)段為從A站的出站信號機XA到B站的出站信號機XB。列車運行區(qū)段如圖1所示。

圖1 列車運行區(qū)段示意圖Fig.1 Schematic diagram of train running section

根據列車在此區(qū)段的通過時間，式(1)可變?yōu)椋?/p>

(2)

式中：tpl為系統(tǒng)排列進路時間；tqd為列車的啟動時間；tyx為列車從信號機XA運行至信號機XB并停穩(wěn)所需的時間；tzt為列車停在B站的時間。

式(2)中增加了∑，是因為對于復雜的區(qū)段，系統(tǒng)可能經過多次排列進路，多次啟動、運行和停車。一條線路建成后，系統(tǒng)單次排列進路時間、列車每次的啟動時間一般為固定值[5]。因此，∑tpl、∑tqd與排列進路、列車啟動的次數有關?！苩yx為列車在該區(qū)段的總運行時間。區(qū)段長度、區(qū)段的配線情況、是否經過道岔側向等都影響著每個區(qū)段的運行時間，并且在一個區(qū)段列車可能經過多次運行?！苩zt為列車在車站的總站停時間。每個站的站停時間取決于車站性質、客流的強度。如列車跳站運行，則總停站時間為多次站停時間之和。

結合式(1)和式(2)可知，一個區(qū)段的行車能力與列車在該區(qū)段的通過時間Tt成反比。某區(qū)段的通過時間為前、后兩列車的最小行車間隔或追蹤間隔。本文中研究的行車間隔均與通過時間相等，為最小行車間隔。一條線路由很多區(qū)段構成。其中，行車能力最差的區(qū)段會影響整條線路的行車能力。由于需要系統(tǒng)經過多次排列進路，列車經過多組道岔側向，并且要完成車頭車尾系統(tǒng)換端，所以每條線路的折返站往往是限制該線路的行車能力的關鍵。

2 折返站的行車能力

折返站的行車能力也就是折返能力，體現在連續(xù)兩列車的追蹤能力上。由于配線設計不同，折返站采用不同的折返方式。常見的折返方式有站前折返和站后折返[6]。折返站的行車能力之所以制約線路行車能力，是因為一般折返作業(yè)由多個過程組成，每個過程的運行間隔均不相同，折返能力最終取決于運行間隔最大的過程。

2.1 站前折返

站前折返方式有兩種。方式一是僅利用其中一個股道進行折返(以IIG為例 )。采用方式一的站前折返如圖2所示。

圖2 站前折返示意圖(方式一)Fig.2 Schematic diagram of turn-back before station(Scheme 1)

折返時，列車從信號機X1行至IIG，再由IIG駛離信號機X2。此過程中只允許有一列車進行折返作業(yè)，直到列車離開信號機X2處的計軸磁頭，才允許信號機X1再開放。因此，此時的折返間隔也就是信號機X1的信號開放間隔。

以X1為起點。X1的信號開放間隔由以下六個過程組成。

①系統(tǒng)排列進路時間tpl。

②列車的啟動時間tqd。

③列車的運行時間tyx1：列車從信號機X1出發(fā)，經過1#、2#道岔側向，至IIG停車。

④列車的站停時間tzt：站停時系統(tǒng)辦理發(fā)車進路。

⑤列車的啟動時間tqd。

⑥列車的運行時間tyx2：列車從信號機S2出發(fā)，車尾出清信號機X2處的計軸磁頭。

經過以上六個過程的時間間隔，信號機X1可再次開放。折返間隔Tt為上述六個過程時間的總和。

方式一的折返進路比較簡單，僅利用IIG側站臺上下乘客。但是，對于客流量大的折返站，單側站臺同時上下乘客易造成擁堵。

方式二是同時利用IG和IIG進行折返，且需保證站臺兩側至少有一列車在上下乘客；不同站臺的接發(fā)車進路不同，相關進路交替排列；起始狀態(tài)以站臺兩側均停一列車開始。采用方式二的站前折返如圖3所示。

圖3 站前折返示意圖(方式二)Fig.3 Schematic diagramof turn-back before station(Scheme 2)

方式二的作業(yè)流程如下。

①列車A從信號機S1發(fā)車，經過3#、4#道岔側向，出清道岔區(qū)段。

②列車C從信號機X1進站，經過1#、4#道岔定位，至IG停車。

③列車B從信號機S2發(fā)車，經過2#、3#道岔定位，出清道岔區(qū)段。

④后續(xù)列車從信號機X1進站，經過1#、2#道岔側向，至IIG停車。

以上四個過程，還可以按照方式一的方法細分為tpl、tqd、tyx、tzt等過程。

采用方式二折返時，由于路徑不同，相鄰兩列車的間隔時間不同，折返站的折返能力取決于相鄰列車的最大時間間隔。

2.2 站后折返

站后折返如圖4所示。圖4所示的車站配線在正常情況下均采用站后折返。僅當站后道岔轉轍設備出現故障時，將站前折返作用備用折返。以信號機X1為起點，IIIG作為折返軌。此過程中可同時有多列車進入準備或開始折返作業(yè)。折返的關鍵徑路有三條，對應的信號機分別是X1、X2和S4。每條徑路的行車間隔即對應信號機的信號開放間隔。

圖4 站后折返示意圖Fig.4 Schematic diagram of turn-back after station

信號機X1的信號開放間隔由以下幾個過程組成。

①系統(tǒng)排列進路時間tpl。系統(tǒng)排列信號機X1至信號機X2的進路。

②列車的啟動時間tqd。車載設備收到地面進路指令，啟動列車運行。

③列車的運行時間tyx1。列車從信號機X1出發(fā)，至IG停車。

④列車的站停時間tzt。站停時系統(tǒng)辦理發(fā)車進路。

⑤列車的啟動時間tqd。車載設備收到地面進路指令，啟動列車運行。

⑥列車的運行時間tyx2。列車從信號機X2出發(fā)至IIIG，車尾出清信號機S4處的計軸磁頭。

信號機X2的信號開放間隔由以下幾個過程組成。

①系統(tǒng)排列進路時間tpl。系統(tǒng)排列信號機X2至IIIG的進路。

②列車的啟動時間tqd。車載設備收到地面進路指令，啟動列車運行。

③列車的運行時間tyx1。列車從信號機X2出發(fā)，經過3#、4#道岔側向，至IIIG停車。

④系統(tǒng)排列進路時間tpl。系統(tǒng)排列進路時；車頭車尾完成換端。

⑤列車的啟動時間tqd。車載設備收到地面進路指令，啟動列車運行。

⑥列車的運行時間tyx2。列車從信號機S4出發(fā)，車尾出清信號機X3處的計軸磁頭。

信號機S4的信號開放間隔由以下幾個過程組成。

①系統(tǒng)排列進路時間tpl。系統(tǒng)排列信號機S4至IIG的進路。

②列車的啟動時間tqd。車載設備收到地面進路指令，啟動列車運行。

③列車的通過時間tyx1。列車從信號機S4出發(fā)，至IIG停車。

④列車的站停時間tzt。站停時系統(tǒng)辦理發(fā)車進路。

⑤列車的啟動時間tqd。車載設備收到地面進路指令，啟動列車運行。

⑥列車的通過時間tyx2。列車從信號機S3出發(fā)，車尾出清S3處的計軸磁頭。

X1、X2和S4對應的信號開放間隔即每段關鍵徑路的折返間隔時間Tt，而該折返站的折返間隔應該為三個折返間隔的最大值。根據式(1)可知，折返間隔最大的折返站的行車能力最差，也決定了整個車站的折返能力。

3 滘口站折返能力優(yōu)化方案

滘口站為廣州地鐵五號線的端頭折返站，于2009年開通運營。滘口站配線如圖5所示，滘口站采用站前折返，高峰期的最小折返間隔為126 s。五號線客流量大，然而滘口站的折返能力限制了五號線的加車需求，制約了五號線的運營效率。

圖5 滘口站配線示意圖Fig.5 Wiring diagram of Jiaokou Station

滘口站采用站前折返的第二種方式，即同時利用兩側站臺進行交替站前折返，保證站臺區(qū)至少停留一列車。站前折返時站前道岔區(qū)段只允許列車單向通過，即同一時刻只能允許有一條進路占用站前岔區(qū)，因此降低站前岔區(qū)的占用時間是提升折返能力的關鍵。

結合圖3并通過流程分析可知，滘口站進行折返時，列車由正線至滘口站站臺停車的接車進路時間較長。在移動閉塞模式下，此段接車進路不僅包括信號機X1距站臺停車點的距離，還應包括兩站間信號觸發(fā)點距X1的距離。觸發(fā)點一般由設備廠家根據線路牽引仿真數據計算確定。滘口站的X1位置距離防護道岔岔尖位置較遠，觸發(fā)點距離X1更遠。因此，如果將X1向其防護道岔的岔尖位置移動，可縮短滘口站進站的接車進路長度，從而減少此流程占用時間。信號集成商根據此方案對滘口的折返間隔進行了牽引仿真計算。結果顯示，滘口站的最小折返間隔可減小至120 s以內。

降低站前岔區(qū)占用時間的另一個方案是提高列車的側向過岔速度。牽引仿真計算結果顯示，信號系統(tǒng)內部將道岔的側向運行速度由40 km/h提高至45 km/h，可使折返間隔縮小2 s。由于道岔的側向運行速度受軌道道岔側向限速的影響，必須先明確軌道道岔側向限速。

根據分析可知，影響滘口站折返間隔的關鍵在于減小站前岔區(qū)占用時間。通過縮短進站接車進路的距離和提高列車側向過岔速度，可壓縮站前岔區(qū)占用時間，從而提高滘口站的行車能力。

4 結論

根據分析可知，區(qū)段的行車能力與列車的通過時間成反比。通過時間取決于行車間隔。行車間隔與區(qū)段內的行車組織方式、行車路徑有關。其中，折返站的行車間隔是關鍵。折返站的行車能力取決于行車間隔，而行車間隔與車站的折返方式有關。折返方式越復雜，折返中的流程越多，系統(tǒng)排列進路和列車啟動的次數越多，行車間隔越大，折返能力越差。結合廣州五號線滘口站的實際情況，采用縮短滘口進站接車進路的距離和提高列車側向過岔速度等折返能力優(yōu)化方案，將滘口站折返時的行車間隔從126 s縮短至120 s以內，提高了滘口站的行車能力。