城市軌道交通列車(chē)站后折返時(shí)間分配研究*

張 江 李 健 劉志鋼

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院， 201620， 上?！蔚谝蛔髡?， 碩士研究生)

提升城市軌道交通線路運(yùn)力最直接的方式是提高線路通過(guò)能力。線路通過(guò)能力包括區(qū)間追蹤能力、中間站通過(guò)能力和折返能力三方面。目前已有的理論研究及實(shí)踐表明，列車(chē)折返能力仍然是限制線路通過(guò)能力的主要瓶頸[1]。列車(chē)折返能力不僅受到折返站線路的制約，還受到信號(hào)系統(tǒng)、列車(chē)運(yùn)行速度和站臺(tái)作業(yè)時(shí)間等條件限制，各限制條件均會(huì)對(duì)折返時(shí)間間隔[2]產(chǎn)生直接影響。

目前大多數(shù)的研究多從優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]或提高道岔限速[4]等設(shè)備層面提升列車(chē)折返效率，也有部分研究從縮短停站時(shí)間、司機(jī)換端作業(yè)時(shí)間和駕駛出入庫(kù)時(shí)間[5]等方面提升列車(chē)折返效率。由于整個(gè)折返過(guò)程包含了設(shè)備運(yùn)行和人員操作的各作業(yè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、相互制約。當(dāng)設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)后，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間相對(duì)固定，而站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間仍具有一定調(diào)整空間。本文將重點(diǎn)研究設(shè)備運(yùn)行與站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)在時(shí)序上的關(guān)系，推導(dǎo)時(shí)間分配公式，提出站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間和列車(chē)追蹤間隔時(shí)間的調(diào)整建議。

1 站后折返的特點(diǎn)及影響因素

1.1 站后折返的特點(diǎn)分析

常見(jiàn)的折返站設(shè)置為站后雙折返線。站后折返由于交叉進(jìn)路少，避免了乘客上、下車(chē)產(chǎn)生的客流對(duì)沖，通過(guò)站后設(shè)置的配線可完成司機(jī)換端作業(yè)，因此能更好地確保列車(chē)折返安全。

1.2 站后折返的影響因素

站后折返的影響因素可分類(lèi)為客觀因素和主觀因素兩大類(lèi)[6]。其中：客觀因素為設(shè)備專(zhuān)有屬性，包括折返站型、列車(chē)型號(hào)和信號(hào)設(shè)置等；主觀因素主要為客運(yùn)人員作業(yè)操作。

1) 折返站型。按站臺(tái)布置分為側(cè)式站臺(tái)和島式站臺(tái)。其中，側(cè)式站臺(tái)為線路設(shè)在上、下行站臺(tái)的中間，島式站臺(tái)為站臺(tái)設(shè)在上、下行線路的中間。因此，與側(cè)式站臺(tái)相比，島式站臺(tái)的站后股道間距較遠(yuǎn)、道岔區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)[7]。此外， 城市軌道交通正線通常采用9號(hào)道岔(最大通過(guò)速度為35 km/h)或12號(hào)道岔(最大通過(guò)速度為45 km/h)，道岔型號(hào)也是制約站后折返的因素之一。

2) 列車(chē)型號(hào)。根據(jù)線路規(guī)劃建設(shè)，城市軌道交通列車(chē)可以選用4節(jié)、6節(jié)或8節(jié)編組，由此導(dǎo)致列車(chē)的長(zhǎng)度、質(zhì)量有所不同，進(jìn)而直接影響線路的出清占用區(qū)段時(shí)間、牽引/制動(dòng)下的加速度及減速度等參數(shù)的取值。

3) 信號(hào)設(shè)置。采用CBTC(基于通信的列車(chē)控制)系統(tǒng)的列車(chē)在折返過(guò)程中都需要得到移動(dòng)授權(quán)，道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、進(jìn)路建立時(shí)間、列車(chē)運(yùn)行速度、防護(hù)區(qū)段設(shè)置及聯(lián)鎖邏輯判斷等均會(huì)直接影響折返效率。

4) 人員操作。站務(wù)人員組織乘客乘降的時(shí)間，司機(jī)確認(rèn)信號(hào)動(dòng)車(chē)的反應(yīng)時(shí)間及換端時(shí)間等人員操作貫穿于整個(gè)折返過(guò)程，其作業(yè)的熟練程度直接影響折返效率。

2 站后折返過(guò)程

2.1 島式站臺(tái)站后折返線路設(shè)置

本文以島式站臺(tái)為例，對(duì)站后折返的過(guò)程及時(shí)間分配進(jìn)行深入研究。島式站臺(tái)站后折返線路的布置如圖1所示。其中：Ⅱ道為上行，Ⅰ道為下行；折返線共設(shè)置2條，分別為折Ⅰ線和折Ⅱ線；S表示上行運(yùn)行方向信號(hào)機(jī)，X表示下行運(yùn)行方向信號(hào)機(jī)，Z為盡頭線阻擋信號(hào)機(jī)，F(xiàn)為防護(hù)信號(hào)機(jī)；P為道岔；A、B、C為計(jì)軸點(diǎn)。

圖1 島式站臺(tái)站后折返布置圖Fig.1 Layout of turn-back after station of island platform

2.2 站后折返作業(yè)流程

站后折返作業(yè)流程按照時(shí)間順序可依次劃分為3個(gè)階段：接車(chē)作業(yè)、折返作業(yè)和發(fā)車(chē)作業(yè)。其中，折返作業(yè)又劃分為入折返線和出折返線兩部分。本文以固定采用折Ⅰ線折返為例，闡述列車(chē)在移動(dòng)閉塞模式下的折返作業(yè)流程。

1) 接車(chē)作業(yè)。Ⅱ道至A點(diǎn)空閑時(shí)，列車(chē)方可獲得進(jìn)站的移動(dòng)授權(quán)。列車(chē)駛?cè)擘虻啦⑼Ｓ谕＼?chē)點(diǎn)，隨后開(kāi)始站臺(tái)作業(yè)操作：交車(chē)司機(jī)(上行方向的司機(jī))辦理開(kāi)、關(guān)門(mén)作業(yè)并播放清客廣播；站臺(tái)人員組織列車(chē)清客；接車(chē)司機(jī)上車(chē)(雙司機(jī)折返時(shí)為下行方向的司機(jī))。

2) 折返作業(yè)。在Ⅱ道站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)期間，信號(hào)系統(tǒng)判斷折Ⅰ線至B點(diǎn)空閑后，預(yù)辦理S1至Z2入折Ⅰ線的進(jìn)路，轉(zhuǎn)動(dòng)P1、P3至反位鎖閉，同時(shí)鎖閉P5、P7在定位。當(dāng)Ⅱ道列車(chē)的聯(lián)鎖條件滿(mǎn)足時(shí)，進(jìn)路準(zhǔn)備完畢，進(jìn)折Ⅰ線信號(hào)將開(kāi)放。司機(jī)在確認(rèn)折返進(jìn)路信號(hào)開(kāi)放后，將列車(chē)駛?cè)胝邰窬€。當(dāng)列車(chē)出清A點(diǎn)后，P1、P3、P5、P7解鎖，列車(chē)在Z2前的停車(chē)點(diǎn)區(qū)域停車(chē)。交車(chē)司機(jī)與接車(chē)司機(jī)交接列車(chē)，并轉(zhuǎn)換列車(chē)的駕駛方向。同時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)預(yù)辦理F2至X1出折Ⅱ線的進(jìn)路，轉(zhuǎn)動(dòng)P1、P3至定位鎖閉，同時(shí)鎖閉P5、P7在定位。當(dāng)Ⅰ道至C點(diǎn)空閑時(shí)，出折Ⅱ線的信號(hào)開(kāi)放。此時(shí)由接車(chē)司機(jī)確認(rèn)信號(hào)開(kāi)放狀態(tài)，啟動(dòng)列車(chē)駛出折Ⅱ線至Ⅱ道停于停車(chē)點(diǎn)區(qū)域。

3) 發(fā)車(chē)作業(yè)：交車(chē)司機(jī)完成運(yùn)行任務(wù)，接車(chē)司機(jī)辦理開(kāi)、關(guān)門(mén)作業(yè)，站務(wù)人員組織乘客登乘。接車(chē)司機(jī)確認(rèn)時(shí)刻表始發(fā)時(shí)間及出站信號(hào)開(kāi)放后，動(dòng)車(chē)出清C點(diǎn)。

2.3 站后折返作業(yè)的時(shí)間分析

2.3.1 采用單折返線站后折返的過(guò)程時(shí)序

根據(jù)上述站后折返作業(yè)流程，結(jié)合移動(dòng)閉塞情況下各作業(yè)間的相互關(guān)系，繪制得到單線站后折返過(guò)程的時(shí)序圖如圖2所示。

2.3.2 站后折返各作業(yè)項(xiàng)目間的時(shí)間關(guān)系

由圖1可知，從單趟列車(chē)實(shí)施站后折返的角度分析，整個(gè)站后折返過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，接車(chē)、折返、發(fā)車(chē)3個(gè)過(guò)程有嚴(yán)格的順序流程；從多趟列車(chē)陸續(xù)實(shí)施站后折返的角度分析，不同列車(chē)、不同作業(yè)間的流程相互制約：接車(chē)作業(yè)受入折返線作業(yè)影響，入折返線作業(yè)受出折返線作業(yè)影響，出折返線作業(yè)受發(fā)車(chē)作業(yè)影響，發(fā)車(chē)作業(yè)又受列車(chē)追蹤間隔影響。

經(jīng)分析，彼此相互影響的干擾點(diǎn)為A、B、C 3個(gè)計(jì)軸點(diǎn)。為使各作業(yè)時(shí)間相互匹配，避免相互干擾，使列車(chē)的折返作業(yè)耗時(shí)最少，本文進(jìn)一步描述各作業(yè)項(xiàng)目間的時(shí)間關(guān)系。

受點(diǎn)A影響，列車(chē)接車(chē)時(shí)機(jī)的計(jì)算式為：

tⅡ,停妥+tⅡ,作業(yè)+t確,入折+tA

(1)

圖2 采用單折返線站后折返的過(guò)程時(shí)序Fig.2 Process sequence of turn-back after station with single turn-back line

受點(diǎn)B影響，列車(chē)入折時(shí)機(jī)的計(jì)算式為：

t折妥+t換+t確,出折+tB

t岔,入折-t信,入折

(2)

受點(diǎn)C影響，列車(chē)出折時(shí)機(jī)的計(jì)算式為：

tⅠ,停妥+tⅠ,作業(yè)+t確,發(fā)車(chē)+tC

t確,入折+tA+t折妥+t換-t信,出折

(3)

受列車(chē)追蹤間隔的影響，列車(chē)發(fā)車(chē)時(shí)機(jī)的計(jì)算式為：

t追蹤

tⅠ,作業(yè)+t確,發(fā)車(chē)+tC

(4)

上述的作業(yè)項(xiàng)目中，影響站后折返的主觀因素涉及tⅡ,作業(yè)、折返作業(yè)中司機(jī)確認(rèn)信號(hào)動(dòng)車(chē)時(shí)間(t確，入折、t確,出折)、換端作業(yè)時(shí)間t換，以及發(fā)車(chē)作業(yè)中Ⅰ道作業(yè)時(shí)間tⅠ,作業(yè)。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，合并時(shí)間相近或相同項(xiàng)目，其中t確,入折=t確,出折=t確,發(fā)車(chē)=t確；t信,入折=t信,出折=t信,發(fā)車(chē)=t信；t岔,入折=t岔,出折=t岔。將式(1)～(4)進(jìn)行整理，將主觀因素移至不等式左側(cè)后可得：

tⅡ,作業(yè)+t確

(5)

tⅡ,作業(yè)-t換-t確>t折妥+tB+t岔+t信-tⅡ,停妥

(6)

tⅠ,作業(yè)-t換

(7)

tⅠ,作業(yè)+2t確>t追蹤-t信-tB-tⅠ,停妥-tC

(8)

其中，將tⅡ,作業(yè)、tⅠ,作業(yè)定義為在上行站臺(tái)和下行站臺(tái)的客運(yùn)作業(yè)時(shí)間，即司機(jī)在離開(kāi)駕駛位至返回駕駛位的時(shí)間段內(nèi)司機(jī)及站務(wù)人員執(zhí)行作業(yè)內(nèi)容所需的總時(shí)間。具體的作業(yè)內(nèi)容依次為：司機(jī)離開(kāi)駕駛位、打開(kāi)司機(jī)室側(cè)門(mén)、站臺(tái)門(mén)和列車(chē)車(chē)門(mén)打開(kāi)并確認(rèn)、站務(wù)人員組織清客或登乘、站臺(tái)門(mén)和列車(chē)車(chē)門(mén)關(guān)閉并確認(rèn)、關(guān)閉司機(jī)室側(cè)門(mén)、返回駕駛位。tⅡ,作業(yè)和tⅠ,作業(yè)的區(qū)別僅在于站務(wù)人員的作業(yè)內(nèi)容：tⅡ,作業(yè)中站務(wù)人員在Ⅱ道站臺(tái)辦理清客作業(yè)；tⅠ,作業(yè)中站務(wù)人員在Ⅰ道站臺(tái)組織乘客登乘。

3 影響站后折返的主觀因素在時(shí)間上的分配

3.1 計(jì)算前提

在移動(dòng)閉塞模式下，本文對(duì)列車(chē)站后折返的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：采用站后折Ⅰ線折返；列車(chē)過(guò)岔的速度不得大于35 km/h；站臺(tái)范圍為平直股道，列車(chē)進(jìn)、出站的速度不得大于60 km/h；道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間取10.00 s，信號(hào)反應(yīng)時(shí)間取3.00 s；列車(chē)長(zhǎng)度為140 m，采用A型6節(jié)編組列車(chē)；列車(chē)的加速度和常用制動(dòng)速度取0.8 m/s2；列車(chē)運(yùn)行等級(jí)為一級(jí)。

基于上述參數(shù)，得到各客觀因素的具體時(shí)間分別為[8]：tⅡ,停妥=20.09 s；tA=48.97 s；t折妥=4.24 s；t岔=10.00 s；t信=3.00 s；tB=40.11 s；tⅠ,停妥=13.53 s；tC=22.78 s。將這些時(shí)間點(diǎn)分別代入式(5)～(8)，得到影響站后折返主觀因素間的不等式為：

tⅡ,作業(yè)+t確

(9)

tⅡ,作業(yè)-t換-t確>37.26

(10)

tⅠ,作業(yè)-t換<26.90

(11)

tⅠ,作業(yè)+2t確>t追蹤-79.42

(12)

由于客觀因素在線路建成后若再進(jìn)行技術(shù)改造，將會(huì)產(chǎn)生較大的成本，因此，在運(yùn)營(yíng)管理中如何控制影響站后折返的主觀因素，對(duì)于提升線路通過(guò)能力有著重要意義。

3.2 列車(chē)追蹤間隔與站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間的最優(yōu)關(guān)系

分析雙司機(jī)換端作業(yè)及確認(rèn)信號(hào)作業(yè)可知，司機(jī)換端時(shí)間t換、確認(rèn)信號(hào)最小時(shí)間值t確分別為20.00 s、6.00 s。整理式(9)～(10)可得，tⅡ,作業(yè)與上行列車(chē)追蹤間隔的關(guān)系為：

63.26

(13)

在此情況下，tⅡ,作業(yè)的最小值為63.26 s，t追蹤的最小值為138.32 s。若增加tⅡ，作業(yè)，則接車(chē)的追蹤間隔也需同步增加，否則將造成列車(chē)在站外停車(chē)、無(wú)法正常進(jìn)站的情況發(fā)生。

由式(11)～(12)可得，tⅠ,作業(yè)與t追蹤間的關(guān)系為：

t追蹤-91.42

(14)

為了不影響出折返線作業(yè)，tⅠ,作業(yè)必須控制在46.90 s以?xún)?nèi)。當(dāng)tⅠ,作業(yè)取最大值46.90 s時(shí)，t追蹤為138.32 s。

綜上可得到折返車(chē)站站臺(tái)上、下行作業(yè)時(shí)間與列車(chē)追蹤間隔間的關(guān)系。線路正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，t追蹤的最優(yōu)值為138.32 s，tⅡ,作業(yè)為63.26 s，tⅠ,作業(yè)為46.90 s。

3.3 列車(chē)追蹤間隔120 s時(shí)的站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間

為了實(shí)現(xiàn)地鐵線路的高密度運(yùn)行，行車(chē)密度應(yīng)滿(mǎn)足不小于30對(duì)/h。當(dāng)列車(chē)追蹤間隔達(dá)到120 s時(shí)，需對(duì)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間作進(jìn)一步計(jì)算。tⅡ,作業(yè)因只受前序折返列車(chē)影響，故仍設(shè)置為63.26 s，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)列車(chē)站外停車(chē)、排隊(duì)等待進(jìn)站的情況，后續(xù)列車(chē)的排隊(duì)等待時(shí)間為18.32 s。由此，tⅠ,作業(yè)應(yīng)調(diào)整為28.58 s。在此情況下，對(duì)客運(yùn)作業(yè)提出以下幾點(diǎn)建議：

1) 在未改變折返流程和信號(hào)系統(tǒng)邏輯判斷的情況下，站臺(tái)Ⅱ道的客運(yùn)作業(yè)時(shí)間均可設(shè)置為 63.26 s，可滿(mǎn)足線路末端車(chē)站乘客較少時(shí)的清客需求。

2) 如需延長(zhǎng)站臺(tái)Ⅱ道的停站時(shí)間，將導(dǎo)致站外列車(chē)排隊(duì)等待時(shí)間增加。此時(shí)還需考慮站間距對(duì)閉塞分區(qū)的影響，以避免多列車(chē)區(qū)間阻塞。

3) 如需適度延長(zhǎng)站臺(tái)Ⅰ道的乘客登乘時(shí)間，可采取提高列車(chē)區(qū)間運(yùn)行等級(jí)或縮短途中停站時(shí)間等措施，以保證列車(chē)按圖定追蹤間隔運(yùn)行。

4) 站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)宜采用標(biāo)準(zhǔn)化流程，以確保司機(jī)作業(yè)一次完成，避免因誤操作造成的時(shí)間延誤。在提高折返效率的同時(shí)，更應(yīng)重視折返安全，站務(wù)人員與司機(jī)需加強(qiáng)溝通協(xié)作，避免夾人、夾物等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析列車(chē)在站后折返過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行和人員操作的各作業(yè)環(huán)節(jié)，梳理了各環(huán)節(jié)間的相互制約關(guān)系，并將這些關(guān)系轉(zhuǎn)化為不等式。代入相對(duì)固定的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間后，計(jì)算得到站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間，使設(shè)備運(yùn)行與人員操作的各環(huán)節(jié)更加緊密結(jié)合。此外，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中還可根據(jù)本文研究得到的時(shí)間分配公式，用以推導(dǎo)不同列車(chē)追蹤間隔下的站臺(tái)客運(yùn)作業(yè)時(shí)間范圍，并有針對(duì)性地制定列車(chē)站后折返的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方案，以提升折返效率。