城市軌道交通線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化方案研究

于海鵬，郝 賓

（1.無錫地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 無錫 214000；2.湖南中車時(shí)代通信信號有限公司， 湖南 長沙 410005）

0 引言

在城市軌道交通（簡稱“城軌”）運(yùn)輸系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)（如線路設(shè)計(jì)、信號設(shè)計(jì)等）過程中，工程設(shè)計(jì)方案所能達(dá)到的行車能力需要被預(yù)估。針對城軌領(lǐng)域的牽引計(jì)算，眾多學(xué)者多偏重不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)€路運(yùn)行能力計(jì)算的研究。文獻(xiàn)［1］在整個列車運(yùn)行過程中基于Nash均衡策略較好地實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)條件下多牽引力的牽引過程模擬。文獻(xiàn)［2］在Simulink平臺搭建了一個完整的列車牽引計(jì)算和運(yùn)行仿真模型，著重進(jìn)行了列車運(yùn)動學(xué)過程的模擬，為列車線路運(yùn)行分析提供了便利，且模型具有一定的可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)［3］應(yīng)用Matlab面向?qū)ο缶幊烫岢隽艘环N電氣化鐵路牽引仿真計(jì)算簡易工具，能很好地適用于鐵路供電工程計(jì)算。文獻(xiàn)［4］開發(fā)了能實(shí)現(xiàn)多車追蹤的地鐵列車仿真開發(fā)平臺。文獻(xiàn)［5］用Matlab編程進(jìn)行基于多質(zhì)點(diǎn)模型的城軌列車牽引計(jì)算仿真研究，其計(jì)算結(jié)果精度較高，與實(shí)際運(yùn)行情況較為接近。文獻(xiàn)［6］通過建立列車牽引計(jì)算力學(xué)模型，再結(jié)合運(yùn)行控制策略并基于運(yùn)行圖，對多列車牽引計(jì)算進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［7］從能量控制和速度控制角度出發(fā)，著重研究了城軌牽引計(jì)算中的多車追蹤間隔和支線處理。文獻(xiàn)［8］基于既有特定項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)運(yùn)營能力仿真分析，并詳細(xì)分析了列車牽引、惰行和制動3種工況及其轉(zhuǎn)換，為用戶考核驗(yàn)收系統(tǒng)提供了關(guān)鍵參考。這些研究為分析各自專業(yè)領(lǐng)域所關(guān)注的運(yùn)行能力影響因素提供了很好的參考，便于對各自產(chǎn)品系統(tǒng)分別進(jìn)行優(yōu)化迭代。但在具體工程實(shí)踐中，各專業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)需被融合應(yīng)用，不同專業(yè)產(chǎn)品的性能之間既有相互促進(jìn)的部分，又有相互制約的部分，必須全盤考慮和整體優(yōu)化才能提高整體的線路運(yùn)行能力，這就需要對線路運(yùn)行能力按照一致的衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算評估。

然而，城軌建設(shè)工程中，對于業(yè)主、設(shè)計(jì)院、信號產(chǎn)品和車輛等供應(yīng)商、軟件解決方案供應(yīng)方，目前其現(xiàn)有絕大多數(shù)關(guān)于行車能力計(jì)算的軟件或程序因缺乏一致的標(biāo)準(zhǔn)且各方側(cè)重于各自專業(yè)而具有局限性，導(dǎo)致精度水平參差不齊，計(jì)算模型對實(shí)際設(shè)計(jì)方案的還原度也各不相同。同一個設(shè)計(jì)經(jīng)不同工具計(jì)算得出的結(jié)果差異較大，與建成后投入實(shí)際運(yùn)營的效果也有較大出入。對于關(guān)注工程整體成效的業(yè)主來說，各計(jì)算軟件的可信度均不高，且出現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)實(shí)施階段，不同專業(yè)對線路運(yùn)行能力的評估偏向于側(cè)重各自專業(yè)軟件的計(jì)算結(jié)果，而難于在整體層面達(dá)成一致認(rèn)識的局面。此外，由于缺乏一致的參考基準(zhǔn)，對于不同線路、車型及編組情況，以及快、慢車混跑等情形，目前能夠用于評估信號系統(tǒng)應(yīng)用條件下線路行車能力的牽引計(jì)算方法各異，一些概念的定義并不明確，可比較性不佳。因此有必要參照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1407.1-2018《列車牽引計(jì)算第1部分：機(jī)車牽引式列車》［9］和具備一定標(biāo)準(zhǔn)雛形的NELURCC-WP-2017003《城市軌道交通行車能力設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)平臺需求導(dǎo)則》［10］等現(xiàn)有成果，明確城軌線路運(yùn)行能力計(jì)算相關(guān)概念，提出一種可以達(dá)到工程精度的行車能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方案。這種方案應(yīng)該具備較強(qiáng)的適應(yīng)性和一定的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不同的線路拓?fù)?、較多類型的常用車型和信號系統(tǒng)，并具有良好的一致性和參考性，便于在軌交系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)營業(yè)主、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)及系統(tǒng)提供商等方面形成一致的認(rèn)識。

為達(dá)到上述目標(biāo)，同時(shí)考慮到實(shí)際工程的多樣性，本文從行車能力指標(biāo)的定義及計(jì)算精度需求、模型框架及標(biāo)準(zhǔn)化接口、計(jì)算輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行闡述和分析，探索一種能實(shí)現(xiàn)城軌線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的方案，并對開展相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作提出建議。

1 標(biāo)準(zhǔn)化原則

本文旨在探索實(shí)現(xiàn)城軌線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的方案（簡稱“標(biāo)準(zhǔn)化方案”），用于指導(dǎo)相應(yīng)仿真和計(jì)算分析軟件的開發(fā)和使用?？紤]到線路的結(jié)構(gòu)特征、列車的牽引/制動特性、信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理的形式多樣性（比如城市軌道交通的線路多為直線形、Y字形、環(huán)形，并且專屬路權(quán)線路占比較大，車輛多為固定編組的動車組形式），為簡化問題，標(biāo)準(zhǔn)化方案重點(diǎn)考慮地鐵、輕軌、自導(dǎo)向系統(tǒng)、中低速磁浮、市域快軌及跨座式單軌等不同制式的專屬路權(quán)軌道交通，而有軌電車和智軌列車等共享路權(quán)的城軌交通以及干線鐵路的客運(yùn)貨的線路運(yùn)行能力計(jì)算可參考該標(biāo)準(zhǔn)化方案。本文提出線路運(yùn)行能力仿真計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化建議，不特別限定具體實(shí)現(xiàn)方式和仿真計(jì)算平臺細(xì)節(jié)。

標(biāo)準(zhǔn)化方案基于以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）滿足新線和既有線改造工程行車能力的設(shè)計(jì)、評估、檢驗(yàn)、運(yùn)營調(diào)度的需求。

（2）綜合線路條件、車輛型式、信號系統(tǒng)控制模式及運(yùn)營要求等所有影響運(yùn)輸效率的決定因素，仿真計(jì)算模型采取模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)接口采用規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出格式，可計(jì)算線路整體和局部的運(yùn)行能力。

（3）充分考慮行車安全，通過處理基礎(chǔ)設(shè)施條件、設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)、行車效率及乘車舒適度之間的關(guān)系，使計(jì)算得出的線路運(yùn)行能力與行車安全要求不沖突。

（4）建立可擴(kuò)展的行車能力計(jì)算框架，以適應(yīng)不同的線路、列車、設(shè)備及運(yùn)營模型的使用。

（5）建立完備的模型庫，包含工程設(shè)計(jì)的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、行車系統(tǒng)設(shè)備和運(yùn)營調(diào)度的模型和參數(shù)，滿足對不同信號系統(tǒng)方案與行車能力匹配性的分析及驗(yàn)證的需要。

（6）仿真計(jì)算結(jié)果與給定條件下工程實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)平均值的偏差應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。

（7）可通過選擇不同詳細(xì)程度的仿真模型或使用不同的仿真步長進(jìn)行計(jì)算，以得出不同精度層次的結(jié)果，適用于工程設(shè)計(jì)不同階段對行車能力評估的不同精度需求。

（8）采用綜合全面的指標(biāo)衡量線路運(yùn)行能力，且能實(shí)現(xiàn)同一線路不同工程設(shè)計(jì)方案間的縱向比較和不同線路間的橫向?qū)Ρ取?/p>

（9）標(biāo)準(zhǔn)化方案并不是對信號系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)全真模擬，而主要是對線路運(yùn)行能力進(jìn)行仿真計(jì)算，但仍可為系統(tǒng)的全真模擬提供參考。

（10）針對標(biāo)準(zhǔn)化方案，可開發(fā)開放的框架式計(jì)算平臺，能夠方便地適應(yīng)實(shí)際工程中多樣性的計(jì)算需求，各應(yīng)用單位可在框架適用范圍內(nèi)擴(kuò)展相應(yīng)的線路、列車、信號控制和運(yùn)營調(diào)度的模型，在使用時(shí)僅需要輸入必不可少的信息并采用規(guī)范、直觀的形式呈現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。

2 需求分析

交通運(yùn)輸?shù)男适侵高\(yùn)輸活動中有效產(chǎn)出與資源投入之間的比率。在一條城軌線路的運(yùn)輸活動中，投入的核心資源是運(yùn)輸能力，包括線路的運(yùn)行能力和容納能力兩方面，標(biāo)準(zhǔn)化方案對其中的線路運(yùn)行能力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評估探索。城軌線路的運(yùn)輸能力一般定義為線路某一方向單位時(shí)間（通常為1 h）內(nèi)運(yùn)送的旅客總數(shù)。若忽略每列車承載旅客人數(shù)，剔除線路容納能力的因素，則城軌線路運(yùn)行能力可定義為城軌系統(tǒng)及信號正常運(yùn)行時(shí)線路某一方向單位時(shí)間內(nèi)所通過的列車數(shù)量。運(yùn)行能力具體計(jì)算需進(jìn)一步考慮列車在正線、折返及整個交路、進(jìn)出場段不同運(yùn)行場景的平均速度和時(shí)間間隔等因素。

2.1 運(yùn)行能力評價(jià)指標(biāo)

采用正線行車能力、折返能力、交路運(yùn)行能力和場段運(yùn)行能力這4個方面的指標(biāo)，能夠綜合全面地評價(jià)線路運(yùn)行能力。正線行車能力是指列車在正線運(yùn)行的能力。折返能力是指某一折返路徑完成折返過程的能力。交路運(yùn)行能力是指列車完成某一交路運(yùn)行過程的能力。場段運(yùn)行能力是指列車從場段的庫線到達(dá)正線或從正線返回庫線的行車能力。按表1所示的具體指標(biāo)對線路運(yùn)行能力進(jìn)行評價(jià)［9-11］，各指標(biāo)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的精度要求。

表1 線路運(yùn)行能力評價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of operation capacity on the line

通常為了體現(xiàn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)物理量微小差異對線路運(yùn)行能力的影響，要求計(jì)算輸入?yún)?shù)精度不低于工程設(shè)計(jì)精度，從而確保計(jì)算所得指標(biāo)能達(dá)到精度要求（計(jì)算輸入與實(shí)際值高度一致前提下，各指標(biāo)計(jì)算輸出值與多次實(shí)測統(tǒng)計(jì)平均值之間的相對誤差不超過1%）。

2.2 運(yùn)行能力相關(guān)因素分析

為保證線路運(yùn)行能力計(jì)算結(jié)果有良好的一致性和可參考性，對線路運(yùn)行能力的決定性因素和影響因素進(jìn)行較全面的分析和明確的界定是非常有必要的。城軌線路運(yùn)行能力由線路條件及信號設(shè)備布置、列車特征和牽引/制動特性、信號控制方式及列車控制策略、運(yùn)營調(diào)度等要素綜合平衡，共同決定；同時(shí)還受系統(tǒng)響應(yīng)延遲、設(shè)備動作時(shí)間、運(yùn)營作業(yè)時(shí)間及人員反應(yīng)時(shí)間這4類不可避免的常有因素，以及行車密度、雨雪氣候及系統(tǒng)異常狀況等一系列不常有的隨機(jī)因素、甚至一些未知因素的影響。線路運(yùn)行能力計(jì)算顯然無法將全部的因素都考慮到，但必須囊括所有決定性因素和主要影響因素，從而保證所得結(jié)論與工程實(shí)際有較高的一致性和可信度。

2.2.1 影響線路運(yùn)行能力的決定性因素

城軌線路工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，線路設(shè)計(jì)和列車選型是產(chǎn)生線路運(yùn)行能力的源頭，而信號設(shè)備布置、信號控制方式及列車控制策略及運(yùn)營調(diào)度方案的整體優(yōu)化配合，可使得線路條件和列車性能在保障列車運(yùn)行安全的前提下高效集約且有計(jì)劃地轉(zhuǎn)化為運(yùn)輸能力。由此可見，線路條件及信號設(shè)備軌旁布置、列車特征和牽引/制動特性、信號控制方式及列車控制策略、運(yùn)營調(diào)度方案這4個方面是正向產(chǎn)生線路運(yùn)行能力的決定性因素，在線路運(yùn)行能力計(jì)算中應(yīng)當(dāng)對這4個方面的因素進(jìn)行全覆蓋。

2.2.2 影響線路運(yùn)行能力的主要因素

信號控制系統(tǒng)、牽引/制動系統(tǒng)的各類指令從發(fā)出到響應(yīng)等各類延遲時(shí)間、閘瓦和道岔等各類機(jī)械設(shè)備的動作時(shí)間、站臺作業(yè)等運(yùn)營需求的作業(yè)時(shí)間、司機(jī)和系統(tǒng)操作等人員對收到信號和執(zhí)行操作等的反應(yīng)時(shí)間、行車密度較大時(shí)不可避免的車間干涉、雨雪導(dǎo)致軌面濕滑以及一些不可預(yù)知的突發(fā)狀況等，都會不同程度地制約線路運(yùn)行能力發(fā)揮。這些影響因素中，系統(tǒng)各類延遲時(shí)間、設(shè)備動作時(shí)間、運(yùn)營作業(yè)時(shí)間和人員反應(yīng)時(shí)間是不可避免的；而通過合理控制行車密度和行車速度可以減小甚至規(guī)避車間干涉；雨雪氣候及其他不可預(yù)知突發(fā)狀況的影響則為非常有因素。

在線路運(yùn)行能力計(jì)算中，對上述各類影響因素?zé)o法做到全面覆蓋，應(yīng)當(dāng)擇主棄次地將絕大多數(shù)影響較大的因素考慮在內(nèi)，以便評估這些因素的影響程度，從而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)人員有具體方向地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最大限度降低這些因素對線路運(yùn)行能力的影響。一個關(guān)于線路運(yùn)行能力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)明確所考慮的所有影響因素。本文建議按照下列原則考慮這些影響因素：

（1）對于系統(tǒng)各類延遲時(shí)間、設(shè)備動作時(shí)間、運(yùn)營作業(yè)時(shí)間和人員反應(yīng)時(shí)間這4類不可避免的影響因素，應(yīng)做充分考慮；

（2）對于行車密度較大時(shí)產(chǎn)生的車間干涉和雨雪導(dǎo)致的軌面濕滑這兩種不常有但影響較大的因素，應(yīng)根據(jù)具體情況做可選擇性的考慮；

（3）對于突發(fā)狀況和其他不可預(yù)知的影響因素，不納入線路運(yùn)行能力計(jì)算的考慮范圍，可作為擴(kuò)展設(shè)計(jì)考慮。

3 計(jì)算任務(wù)及原理分析

3.1 計(jì)算任務(wù)

通過上文對線路運(yùn)行能力評價(jià)指標(biāo)和影響因素的分析可知，線路運(yùn)行能力可以視為以工程設(shè)計(jì)方案中線路條件、列車特征和牽引/制動特性、信號控制方式和列車控制策略、運(yùn)營調(diào)度方案4方面的決定性因素和系統(tǒng)各類延遲時(shí)間、設(shè)備動作時(shí)間、運(yùn)營作業(yè)時(shí)間和人員反應(yīng)時(shí)間，以及行車密度、雨雪氣候等主要影響因素為輸入，以正線行車能力、折返行車能力、交路運(yùn)行能力、出/入段能力4個指標(biāo)作為輸出的映射，如圖1所示。

圖1 線路運(yùn)行能力計(jì)算分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation and analysis for operation capacity on the line

線路運(yùn)行能力計(jì)算的任務(wù)就是要完成[Y1，Y2，…，Ym]=f(X1，X2，…，Xn)這一映射過程，以評價(jià)設(shè)計(jì)方案并得出評價(jià)結(jié)論。這一任務(wù)等效于圖2所示的一般性計(jì)算流程，總體分為3步：第一步，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，描述設(shè)計(jì)方案對線路運(yùn)行能力的影響因素；第二步，進(jìn)行仿真計(jì)算，輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算列車運(yùn)行控制曲線，模擬列車運(yùn)行，記錄并分析過程數(shù)據(jù)，輸出評價(jià)指標(biāo)；第三步，通過結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析評價(jià)指標(biāo)，得出評價(jià)結(jié)論。

圖2 線路運(yùn)行能力計(jì)算流程Fig.2 Calculation process of operation capacity on the line

3.2 仿真計(jì)算原理

城市軌道交通運(yùn)營常規(guī)情景是晨間列車從場段出車，日間沿正線按照計(jì)劃交路循環(huán)運(yùn)行，夜間結(jié)束運(yùn)營收車入庫。全部運(yùn)營過程由進(jìn)出場段、正線運(yùn)行及折返這3種路徑銜接組合而成。從列車的角度來看，每種過程都是走行和停止交替的線形運(yùn)動過程。

將運(yùn)行計(jì)劃按照線路場景分解為交路運(yùn)行和進(jìn)出場段2種運(yùn)營場景。交路運(yùn)行場景劃分為正線路徑和折返路徑，進(jìn)出場段運(yùn)營場景為場段路徑；正線路徑、折返路徑、場段路徑按照信號點(diǎn)位均被劃分為進(jìn)路。根據(jù)閉塞模式按進(jìn)路或前車位置確定列車前方追蹤點(diǎn)，據(jù)此計(jì)算ATP（列車自動防護(hù)系統(tǒng)）防護(hù)曲線和ATO（列車自動駕駛系統(tǒng)）控制曲線；按照牽引/制動特性，圍繞ATO控制曲線仿真出列車運(yùn)行曲線（速度-位置、速度-時(shí)間及位置-時(shí)間）數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)即可計(jì)算得到線路運(yùn)行能力的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)。其中，列車運(yùn)行過程中前后車之間、列車與信號設(shè)備之間的干涉問題按照實(shí)際信號系統(tǒng)處理干涉問題的原理進(jìn)行模擬。采用模型仿真與公式計(jì)算相結(jié)合的方式構(gòu)建線路運(yùn)行能力計(jì)算框架，分為線路運(yùn)行仿真和評價(jià)指標(biāo)計(jì)算2個模型，描述其功能模塊的信息流如圖3所示。

圖3 線路運(yùn)行能力計(jì)算信息流Fig.3 Information flow diagram of line operation capacity calculation

4 計(jì)算框架及標(biāo)準(zhǔn)化接口

在建模時(shí)，將線路條件及信號設(shè)備軌旁布置、列車特征及牽引/制動特性、信號控制方式及列車控制策略、運(yùn)營調(diào)度方案這4個對行車能力起決定性作用的因素納入仿真建模，并把系統(tǒng)響應(yīng)延遲、設(shè)備動作時(shí)間等影響因素考慮在對應(yīng)的模型中，對于像空氣潮濕導(dǎo)致軌面濕滑這樣的隨機(jī)影響因素予以忽略，不納入模型描述。整體仿真建模按照模塊化設(shè)計(jì)，明確各模塊間的接口關(guān)系和各參數(shù)的精度要求。

4.1 框架總體結(jié)構(gòu)

計(jì)算模型從頂層框架和底層模塊2方面構(gòu)建，以計(jì)算原理和計(jì)算步驟為基礎(chǔ)建立計(jì)算框架，再針對不同的線路、車型、信號控制模式和運(yùn)營場景建立可選的仿真模塊，計(jì)算時(shí)按照需求選取合適的模塊拼入計(jì)算框架。

計(jì)算模型和模塊依據(jù)功能細(xì)化分解的形式來劃分［4，12-13］，按照樹形結(jié)構(gòu)建立線路運(yùn)行能力計(jì)算框架，框架總體層次架構(gòu)以及各模塊、模型的功能劃分如圖4所示。

圖4 線路運(yùn)行能力計(jì)算框架Fig.4 Model frame diagram of operation capacity on the line

按照功能的獨(dú)立性，線路運(yùn)行能力計(jì)算框架整體按基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、仿真計(jì)算及分析評價(jià)指標(biāo)呈現(xiàn)3個模塊進(jìn)行構(gòu)建。仿真計(jì)算模塊由線路運(yùn)行仿真和評價(jià)指標(biāo)計(jì)算2個模型組成。其中，線路運(yùn)行仿真模型包含運(yùn)營調(diào)度模擬、信號控制模擬、列車運(yùn)行仿真和線路條件模擬4個功能；評價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型包括用于計(jì)算正線行車能力、折返行車能力、交路運(yùn)行能力和出/入段能力4個功能。

4.2 輸入輸出及接口標(biāo)準(zhǔn)化

在計(jì)算框架外部及內(nèi)部各模塊間均存在繁雜的數(shù)據(jù)輸入、輸出過程?；A(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到仿真計(jì)算模塊后，通過仿真和計(jì)算輸出得到評價(jià)指標(biāo)結(jié)果數(shù)據(jù)；在計(jì)算框架內(nèi)，各模塊、模型間通過錯綜的數(shù)據(jù)交換、相互協(xié)作，完成仿真和計(jì)算任務(wù)。

線路運(yùn)行能力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化，需要工程各方按照統(tǒng)一的規(guī)范為線路運(yùn)行能力計(jì)算工作提供技術(shù)數(shù)據(jù)，從而使得該工作能夠按照統(tǒng)一的規(guī)范輸出計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)線路、車輛、信號及運(yùn)營4個核心相關(guān)方面提供其工程方案成果的技術(shù)數(shù)據(jù)作為線路運(yùn)行能力計(jì)算框架的輸入時(shí)，建議按照表2所示的規(guī)范提供和組織數(shù)據(jù)［9-11］。

表2 輸入數(shù)據(jù)接口規(guī)范Tab.2 Input data interface specification

續(xù)表

為提高數(shù)據(jù)查詢效率和便于后期數(shù)據(jù)維護(hù)，需借助數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，為相關(guān)方面提供通用接口。

為給工程各方面提供較為全面的參考數(shù)據(jù)，線路運(yùn)行能力計(jì)算的輸出標(biāo)準(zhǔn)建議包含以下5個方面的指標(biāo)和數(shù)據(jù)：

（1）正線運(yùn)行能力，含站間運(yùn)行時(shí)間、旅行時(shí)間、技術(shù)時(shí)間、旅行速度、技術(shù)速度、最小追蹤間隔和發(fā)車間隔。

（2）折返行車能力，含折返間隔、折返時(shí)間和折返能力。

（3）交路運(yùn)行能力，含行車能力、全周轉(zhuǎn)時(shí)間和最大配車數(shù)量。

（4）場段運(yùn)行能力，含場段運(yùn)行間隔和場段運(yùn)行時(shí)間。

（5）仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，含速度-時(shí)間、位置-時(shí)間和速度-位置數(shù)據(jù)。

4.3 仿真計(jì)算方法

線路運(yùn)行仿真環(huán)節(jié)按照線路場景、運(yùn)營計(jì)劃和依據(jù)待評估工程設(shè)計(jì)方案建立的模型進(jìn)行仿真，模擬線路運(yùn)行過程，得到列車運(yùn)行曲線（速度-位置、速度-時(shí)間、位置-時(shí)間）。為能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化方案基本原則，該環(huán)節(jié)線路運(yùn)行仿真模型按照運(yùn)營調(diào)度模擬、信號控制模擬、列車運(yùn)行仿真、線路條件模擬這4個功能設(shè)計(jì)，并將不同影響因素分別納入4個功能的建模描述中，以涵蓋線路運(yùn)行能力4個方面的決定性因素，同時(shí)模擬運(yùn)營、信號、列車及線路4部分的核心功能。仿真模型內(nèi)4個功能間均定義明確的接口。

線路運(yùn)行仿真是按照一定的分度間隔逐步遞推列車在線路運(yùn)行的過程，能較好地體現(xiàn)從輸入到輸出的遞進(jìn)過程，更接近于實(shí)際的列車運(yùn)行模型。按照時(shí)間切片原理將整個過程劃分為等時(shí)間間隔的連續(xù)子過程，每個子過程采用公式計(jì)算實(shí)現(xiàn)。連續(xù)子過程之間按照仿真遞推法實(shí)現(xiàn)遞進(jìn)，整體按照設(shè)定的時(shí)間分度（Δt）對列車運(yùn)行過程進(jìn)行逐步遞推，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行過程的仿真模擬，并記錄過程數(shù)據(jù)。后續(xù)通過統(tǒng)計(jì)分析過程數(shù)據(jù)，得出線路運(yùn)行能力的評價(jià)指標(biāo)。

仿真采用時(shí)間切片的方法，仿真程序可按照位置和時(shí)刻索引到當(dāng)前約束條件，作為計(jì)算下一時(shí)刻列車運(yùn)動學(xué)狀態(tài)的輸入條件代入，再注入此時(shí)刻運(yùn)動學(xué)狀態(tài)進(jìn)行迭代，得到下一時(shí)刻運(yùn)動學(xué)狀態(tài)；如此重復(fù)，直到完成全部路徑的仿真，如圖5所示。

圖5 仿真方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of simulation methods

4.4 評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

根據(jù)對正線、折返、場段中任一路徑仿真得到的列車運(yùn)行過程數(shù)據(jù)，可以繪出速度—位置、速度—時(shí)間、位置—時(shí)間這3種列車運(yùn)行曲線，如圖6所示。圖中，“站臺”通常表示實(shí)際的站臺，也可表示一般的停車點(diǎn)。

圖6 列車運(yùn)行曲線示意圖Fig.6 Schematic diagram of train operation curve

通過圖6（a）可以獲知列車途經(jīng)各個站間距Di和列車總的走行路程Sall；通過圖6（b）可獲取各站發(fā)車間隔Istarti、不同位置行車間隔Iruni、不同時(shí)間行車間距Eruni、折返分段時(shí)間（折入時(shí)間Tzr、換端總時(shí)間Thd、折出時(shí)間Tzc）、全周轉(zhuǎn)時(shí)間Tcircle、出段時(shí)間Tcd、入段時(shí)間Trd；通過圖6（c）可獲得各站間運(yùn)行時(shí)間TSi、各停站時(shí)間 Tstopi、旅行時(shí)間 TTravel。

以上述直接從運(yùn)行曲線中得到的指標(biāo)為基礎(chǔ)，按照圖7所示評價(jià)指標(biāo)計(jì)算關(guān)系做進(jìn)一步計(jì)算，即可得到表1所列舉的各評價(jià)指標(biāo)。

圖7 評價(jià)指標(biāo)計(jì)算關(guān)系圖Fig.7 Evaluation index calculation diagram

5 結(jié)語

本文針對實(shí)現(xiàn)城軌線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的方案進(jìn)行了初步探索。首先，探討了標(biāo)準(zhǔn)化方案中需考慮的原則，為制定“城市軌道交通線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”明確了若干可供商榷的總體原則；接著，進(jìn)一步分析線路運(yùn)行能力的評價(jià)需求，提出了能夠多維、全面衡量線路運(yùn)行能力的指標(biāo)體系，明確定義了線路運(yùn)行能力計(jì)算的目標(biāo)，同時(shí)分析了作用于這些指標(biāo)的決定性因素和影響因素；然后，基于各因素分析明確了計(jì)算任務(wù)，并推導(dǎo)出線路運(yùn)行能力仿真計(jì)算原理和流程，劃分了計(jì)算框架的功能模塊，定義了模塊間的信息流，從而提出一種線路運(yùn)行能力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)范式。按照計(jì)算流程和功能模塊劃分，擬定了計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)及各功能模塊的建模路線、輸入輸出接口規(guī)范；最后，對列車運(yùn)行仿真和指標(biāo)統(tǒng)計(jì)計(jì)算做了簡要說明。

日后，業(yè)界各方將會逐漸推動城市軌道交通線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的建立、并完成方案制定和平臺框架搭建等工作。線路、信號及車輛等不同專業(yè)只需按照統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)接口，將各子模型接入到該框架，即可通過簡便的操作，自動生成線路運(yùn)行能力計(jì)算評估的報(bào)告、圖表，從而為業(yè)主提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、高可信度、展現(xiàn)形式直觀準(zhǔn)確的方案評估服務(wù)。此外，還可在線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算框架基礎(chǔ)上，研究擴(kuò)展搭建能夠銜接工程設(shè)計(jì)、方案評估、工程管理等城市軌道交通建設(shè)各階段的云計(jì)算平臺，使設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，定期進(jìn)行線路運(yùn)行能力計(jì)算評估，便于線路、車輛、信號等各專業(yè)方面能夠及時(shí)獲知整體方案所表現(xiàn)的線路運(yùn)行能力，準(zhǔn)確迅速查找到瓶頸點(diǎn)。

本文針對實(shí)現(xiàn)城市軌道交通線路運(yùn)行能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)方案所作的初步探索工作，為擬定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)框架，對線路運(yùn)行能力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化工作有著重要的參考價(jià)值，而線路運(yùn)行能力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化，對于城軌互聯(lián)互通及標(biāo)準(zhǔn)化地鐵相關(guān)工作將具有重要意義。