城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力分析及優(yōu)化

付 嚴(yán)

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

地鐵是高密度、快速運(yùn)行的城市公共交通系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力是指線路的各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施整體所具備的支持列車運(yùn)行密度的能力?？紤]到信號(hào)系統(tǒng)、車輛性能及配線設(shè)置方式所能夠提供的條件，GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》確定遠(yuǎn)期系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不應(yīng)小于30對(duì)/h[1]。

目前我國(guó)各大城市的地鐵建設(shè)中普遍采用了30對(duì)/h這一標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)這一標(biāo)準(zhǔn)在一定時(shí)期內(nèi)充分發(fā)揮了工程的運(yùn)輸效率，提高了服務(wù)水平，并在一定程度上具備適應(yīng)客流變化風(fēng)險(xiǎn)的能力。

但是在城市化發(fā)展過(guò)程中，客流激增，有些線路運(yùn)營(yíng)初期就達(dá)到了近遠(yuǎn)期客流水平，逼近30對(duì)/h的系統(tǒng)能力紅線。因此，有些城市在后續(xù)建設(shè)中提出了增加列車編組來(lái)解決輸送能力不足的問(wèn)題。

1 增加編組提升系統(tǒng)輸送能力

以成都5號(hào)線為例，可行性研究設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)能力30對(duì)/h，初、近和遠(yuǎn)期均采用6輛編組的A型車。隨著5號(hào)線服務(wù)的天府新區(qū)升級(jí)為國(guó)家級(jí)新區(qū)，成都市城市空間將向天府新區(qū)擴(kuò)展、城市功能和產(chǎn)業(yè)布局導(dǎo)致客流發(fā)生了巨大變化。系統(tǒng)能力30對(duì)/h，6A編組的輸送能力已經(jīng)不能滿足需求。因此，5號(hào)線在可研調(diào)整過(guò)程中，將列車編組由6A改為了8A。很明顯，在系統(tǒng)能力不變的情況下，6A編組改為8A編組，其輸送能力增加了33.3%。

增加車輛編組，線路需要根據(jù)站位和周邊構(gòu)筑物情況調(diào)整曲線半徑和坡度；車站需要增加土建規(guī)模和配套市政管線遷改、交通疏解等投入；區(qū)間需要新增風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施；車輛基地用地規(guī)模和建筑規(guī)模均大幅增加；牽引變電站數(shù)量和容量需要增加；軌道、機(jī)電和弱電系統(tǒng)投資也隨著車站及車輛基地規(guī)模的增加而增加。因此，通過(guò)增加列車編組的方式提高輸送能力同時(shí)也增加了土建規(guī)模、配套投入、風(fēng)險(xiǎn)控制措施和運(yùn)營(yíng)能耗。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力分析

在線路條件、車輛配置、信號(hào)設(shè)備和供電系統(tǒng)等設(shè)施設(shè)備與行車組織條件一定的情況下，線路在單位時(shí)間1 h內(nèi)所能通過(guò)或接發(fā)的最大列車對(duì)數(shù)，通常用行車間隔指標(biāo)來(lái)判定（行車間隔指在線路上任意一點(diǎn)，同向連續(xù)運(yùn)行列車間的時(shí)間間隔）[2]，計(jì)算公式為

式中：C為系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，對(duì)/h；T為行車間隔，h或s[3]。

行車間隔要考慮區(qū)間追蹤間隔、中間站通過(guò)間隔和折返站折返間隔3方面因素，通常區(qū)間追蹤間隔、中間站通過(guò)間隔均能滿足不大于90 s，但折返間隔受限于折返站配線、車輛、軌道、停站時(shí)間和信號(hào)系統(tǒng)等的影響往往在120 s左右，甚至更大，是制約城市軌道交通線路提升運(yùn)輸能力的瓶頸。因此減小折返間隔，是提高運(yùn)輸能力的關(guān)鍵。

也就是說(shuō)只要折返間隔縮短，系統(tǒng)能力就能夠提高，進(jìn)而可以增加地鐵的輸送能力。相對(duì)于增加土建規(guī)模，通過(guò)提升系統(tǒng)能力提高輸送能力更經(jīng)濟(jì)。因此有必要研究提升系統(tǒng)能力的方法，尤其是提升折返能力的方法。

3 系統(tǒng)能力設(shè)計(jì)

近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通線路大都采用移動(dòng)閉塞模型設(shè)計(jì)。但是對(duì)于特殊場(chǎng)景系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)考慮安全因素和技術(shù)限制，在移動(dòng)閉塞的局部會(huì)采用固定閉塞。折返區(qū)域就是采用的固定閉塞。固定閉塞模型認(rèn)為行車間隔的本質(zhì)是列車在各固定閉塞分區(qū)的占用時(shí)間，折返過(guò)程中列車占用時(shí)間最長(zhǎng)的閉塞分區(qū)決定了折返間隔的大小。對(duì)一個(gè)折返站折返能力進(jìn)行分析時(shí)，首先識(shí)別折返過(guò)程中的閉塞分區(qū)；然后逐一分解閉塞分區(qū)的作業(yè)流程，通過(guò)優(yōu)化每一個(gè)作業(yè)流程的時(shí)間，確定列車在整個(gè)閉塞分區(qū)的占用時(shí)間；最后取占用時(shí)間最大值作為該折返站的折返間隔。以下從固定閉塞和移動(dòng)閉塞折返能力分別進(jìn)行分析。

3.1 固定閉塞折返能力分析

3.1.1 固定閉塞作業(yè)流程分解

站后折返效率高，被廣泛采用。因此，本文以最典型的站后折返站型進(jìn)行折返能力分析。按照固定閉塞模型，折返作業(yè)過(guò)程可分為接車、折入、折出及發(fā)車4個(gè)閉塞分區(qū)，對(duì)應(yīng)4條聯(lián)鎖進(jìn)路，劃分方式如圖1所示。

圖1 固定閉塞進(jìn)路示意圖

（1）進(jìn)站停車進(jìn)路（P點(diǎn)—信號(hào)機(jī)S1）一次制動(dòng)曲線。

（2）入折返軌進(jìn)路（信號(hào)機(jī)S1—信號(hào)機(jī)S2）固定閉塞。

（3）出折返軌進(jìn)路（信號(hào)機(jī)X3—信號(hào)機(jī)X4）固定閉塞。

（4）發(fā)車駛離進(jìn)路（信號(hào)機(jī)X4—區(qū)間授權(quán)點(diǎn)）。

其中進(jìn)站停車可以分解為辦理接車進(jìn)路、列車進(jìn)站停車及停站下客3個(gè)過(guò)程；入折返線進(jìn)路可以分解為辦理折返進(jìn)路、列車駛?cè)胝鄯稻€2個(gè)過(guò)程；出折返線進(jìn)路可以分解為辦理離開(kāi)折返線進(jìn)路、列車換端、駛離折返線進(jìn)站停車及停站上客；發(fā)車駛離進(jìn)路可以分解為辦理發(fā)車進(jìn)路、駛離車站。如圖2所示。

圖2 折返作業(yè)流程分解圖

從聯(lián)鎖進(jìn)路原理上分析，到達(dá)間隔、折入折出間隔及發(fā)車間隔均受上一列車進(jìn)路軌道占用情況的影響。

發(fā)車進(jìn)路一般只要區(qū)間空閑，能夠進(jìn)行移動(dòng)授權(quán)即可辦理。

折出進(jìn)路辦理的條件是上一列車（列車1）駛離站臺(tái)，尾部出清C點(diǎn)，滿足當(dāng)前列車進(jìn)路保護(hù)區(qū)段建立的要求。立即辦理折出進(jìn)路，列車2啟動(dòng)駛?cè)胝九_(tái)區(qū)，此時(shí)發(fā)車間隔T發(fā)最小。

折入進(jìn)路辦理的條件是上一列車（列車1）駛離折返線，尾部出清B點(diǎn)，滿足限界和道岔轉(zhuǎn)換的要求。立即辦理折入進(jìn)路，列車2啟動(dòng)駛?cè)胝鄯弟墸藭r(shí)折入折出間隔T折最小。

接車進(jìn)路辦理的條件是上一列車（列車2）駛離站臺(tái)，尾部出清A點(diǎn)，滿足當(dāng)前列車（列車3）接車進(jìn)路保護(hù)區(qū)段建立的要求。一次制動(dòng)曲線進(jìn)站，此時(shí)列車到達(dá)間隔T到最小。

整個(gè)折返作業(yè)間隔T折返=max{T到，T折，T發(fā)}。

3.1.2 固定閉塞作業(yè)流程能力提升措施分析

從圖2分析可知，將作業(yè)類型分為進(jìn)路辦理、列車走行、站停上下客3類?？梢园裻1、t4、t7和t12劃為進(jìn)路辦理類；把t2、t5、t6、t9、t10和t13劃為列車走行類；把t3和t11劃為站停上下客類；t8列車換端作業(yè)可與t7進(jìn)路辦理同時(shí)進(jìn)行，因此把t8也劃為進(jìn)路辦理類。下面就此3類流程優(yōu)化措施進(jìn)行分析。

（1）進(jìn)路辦理優(yōu)化措施。進(jìn)路辦理一般包括進(jìn)路鎖閉信號(hào)開(kāi)放時(shí)間和進(jìn)路及保護(hù)區(qū)段內(nèi)道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖2中除t12僅包含進(jìn)路建立鎖閉信號(hào)開(kāi)放時(shí)間外，t1、t4、t7均包含上述2個(gè)時(shí)間。

進(jìn)路建立鎖閉信號(hào)開(kāi)放主要是聯(lián)鎖檢查敵對(duì)信號(hào)條件、道岔位置條件、軌道空閑條件和其他聯(lián)鎖條件是否滿足進(jìn)路鎖閉，滿足則輸出聯(lián)鎖指令，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作控制電路，開(kāi)放信號(hào)。一般情況下，只要道岔位置條件滿足，進(jìn)路建立的時(shí)間大約在1~2 s；如果道岔不在規(guī)定位置，則道岔轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。

單組牽引1/9號(hào)道岔轉(zhuǎn)換從聯(lián)鎖輸出道岔轉(zhuǎn)換指令、轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換鎖閉到聯(lián)鎖采集道岔狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程時(shí)間大約6.5 s。當(dāng)進(jìn)路中存在多組道岔時(shí)，為了減少轉(zhuǎn)轍機(jī)同時(shí)啟動(dòng)對(duì)電源系統(tǒng)的感性沖擊，聯(lián)鎖機(jī)設(shè)置了順序驅(qū)動(dòng)進(jìn)路中各組道岔的機(jī)制，但同時(shí)也增加了道岔轉(zhuǎn)換在進(jìn)路辦理中的整體動(dòng)作時(shí)間。

以圖1中S1→S2進(jìn)路為例，該進(jìn)路中包含1組單動(dòng)道岔D1和1組交叉渡線的道岔D2、D3、D4和D5，最不利情況下，所有道岔均不在所需位置，辦理該進(jìn)路要求5組道岔的轉(zhuǎn)轍機(jī)均順序動(dòng)作，聯(lián)鎖驅(qū)動(dòng)道岔D1~D5轉(zhuǎn)轍機(jī)向進(jìn)路需要位置轉(zhuǎn)換?？梢钥紤]從以下方面優(yōu)化作業(yè)時(shí)間：①聯(lián)鎖機(jī)配置減少道岔順序驅(qū)動(dòng)間隔時(shí)間。②聯(lián)鎖機(jī)配置同時(shí)驅(qū)動(dòng)2組道岔減少啟動(dòng)間隔數(shù)量，此時(shí)需要電源系統(tǒng)配合設(shè)計(jì)抗感性沖擊。③采用高速高性能轉(zhuǎn)轍機(jī)，減少轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作時(shí)間。④采用處理速度高的系統(tǒng)軟硬件設(shè)備，減少系統(tǒng)計(jì)算和指令輸出、狀態(tài)采集時(shí)間。

（2）列車走行優(yōu)化措施。列車走行主要考慮列車運(yùn)行時(shí)間和技術(shù)作業(yè)時(shí)間2方面。①優(yōu)化線路。通過(guò)道岔布置盡量靠近折返站臺(tái)、采用側(cè)式站臺(tái)壓縮線路間距等，使列車走行距離短。②優(yōu)化道岔側(cè)向通過(guò)速度。通過(guò)優(yōu)化道岔側(cè)向通過(guò)不可突破速度、采用大號(hào)碼道岔等措施，提高線路側(cè)向通過(guò)速度；同時(shí)優(yōu)化ATO速度使其速度更接近道岔不可突破速度。③優(yōu)化進(jìn)路解鎖時(shí)機(jī)。通過(guò)優(yōu)化布置軌旁計(jì)軸，使進(jìn)路逐段解鎖后，盡早釋放后續(xù)進(jìn)路建立需要的軌道區(qū)段。如圖1中A、B、C點(diǎn)的計(jì)軸布置。④優(yōu)化系統(tǒng)接口。傳統(tǒng)車載信號(hào)系統(tǒng)與TCMS列車控制系統(tǒng)之間采用MVB多功能車輛總線的接口方式進(jìn)行信息的傳輸，其傳輸時(shí)延在300~450 ms，加速度、減速度達(dá)到90%時(shí)，延時(shí)更達(dá)到了1 700 ms。近年來(lái)已有廠商研究車載以太網(wǎng)接口形式，延時(shí)可降低至10~50 ms。折返作業(yè)過(guò)程中車輛牽引制動(dòng)系統(tǒng)與信號(hào)ATO之間頻繁通信，采用車載以太網(wǎng)接口能減少系統(tǒng)間響應(yīng)時(shí)間，折返間隔能相應(yīng)縮減。⑤采用全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)減少人為技術(shù)作業(yè)時(shí)間，縮短折返時(shí)間。

通過(guò)上述分析可以看出，列車走行時(shí)間要在前期設(shè)計(jì)中對(duì)線路布置、設(shè)備選型和接口標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行充分研究比選優(yōu)化，后期則不容易壓縮間隔。

（3）站停時(shí)間優(yōu)化措施。正常情況下，列車在車站停穩(wěn)后車門站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)打開(kāi)，列車啟動(dòng)前應(yīng)通過(guò)目視或技術(shù)手段確認(rèn)車門關(guān)閉，在有站臺(tái)門的車站，列車關(guān)門時(shí)間不宜大于17 s，乘客比較擁擠的車站不宜大于19 s[1]。其中純開(kāi)門時(shí)間為2.5~3.5 s，純關(guān)門時(shí)間為3~4 s，還有大約10 s時(shí)間是站臺(tái)門、車輛系統(tǒng)響應(yīng)和確認(rèn)時(shí)間。

車門和站臺(tái)門系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，其中車門和信號(hào)ATO系統(tǒng)采用MVB多功能車輛總線接口，上文已經(jīng)做過(guò)分析此處不再贅述，僅將站臺(tái)門與信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)接口進(jìn)行分析。目前大多數(shù)城市的站臺(tái)門和信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用繼電接口，信號(hào)向站臺(tái)門系統(tǒng)傳遞開(kāi)門和關(guān)門指令，站臺(tái)門向信號(hào)系統(tǒng)反饋關(guān)閉且鎖緊和互鎖解除信息。信號(hào)系統(tǒng)集成站臺(tái)門門控系統(tǒng)，采用信號(hào)安全網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)站臺(tái)門進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)控制命令輸出和信息回傳，減少系統(tǒng)間信息傳遞時(shí)間。

傳統(tǒng)的固定閉塞折返模型下，單一技術(shù)措施都是秒級(jí)和毫秒級(jí)的間隔縮短，對(duì)系統(tǒng)能力提升是有限的。即便采用以上所有措施，在120 s間隔的基礎(chǔ)上有大幅縮減仍然是極大的挑戰(zhàn)。

3.2 移動(dòng)閉塞模型

3.2.1 移動(dòng)閉塞間隔分析

通過(guò)3.1.1固定閉塞作業(yè)流程分解可以清晰地看出，固定閉塞是對(duì)軌道空間資源進(jìn)行了大顆粒度的占用，列車沒(méi)有有效地進(jìn)行緊密追蹤。因此要想提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，必須打破固定閉塞模型，突破聯(lián)鎖進(jìn)路邏輯。

由圖1可以得出，對(duì)于進(jìn)站停車進(jìn)路和發(fā)車駛離進(jìn)路完全可以理解為移動(dòng)閉塞下的進(jìn)站停車和站臺(tái)發(fā)車。在這2種情況下移動(dòng)閉塞后車可以根據(jù)前車的實(shí)際位置進(jìn)行追蹤，大幅減少行車間隔。因此，這2個(gè)階段在移動(dòng)閉塞模型下不是折返間隔的瓶頸。

限制折返間隔真正的瓶頸實(shí)際上是折返區(qū)不可追蹤的區(qū)域，如圖3所示，折返間隔可以理解為干擾點(diǎn)P→P'之間的作業(yè)時(shí)間。

圖3 移動(dòng)閉塞折返示意圖

P→P'之間的作業(yè)時(shí)間可分解為以下流程。

后續(xù)列車折返前道岔轉(zhuǎn)換和移動(dòng)授權(quán)計(jì)算時(shí)間，按10 s計(jì)算；折返區(qū)干擾點(diǎn)P至折返軌的運(yùn)行時(shí)間；折返軌等待時(shí)間（含換端、道岔轉(zhuǎn)換和移動(dòng)授權(quán)計(jì)算等時(shí)間）按10 s計(jì)算；出清折返區(qū)P'的運(yùn)行時(shí)間，按30 s計(jì)算；按列車進(jìn)出折返線均走行215 m，道岔側(cè)向限速27 km/h，加速度1.0 m/s2計(jì)算，進(jìn)出不可追蹤區(qū)域走行時(shí)間各大約需要32.42 s；折返軌等待和后續(xù)列車授權(quán)時(shí)間各取10 s時(shí)間?？紤]理論上，P→P'間隔時(shí)間約為85 s。

通過(guò)上述分析，移動(dòng)閉塞模型下，后車的移動(dòng)授權(quán)在前車越過(guò)P干擾點(diǎn)后不可追蹤前車實(shí)際位置，只有當(dāng)前車越過(guò)P'干擾解除點(diǎn)后折返區(qū)域空閑，后車才能根據(jù)移動(dòng)受權(quán)追蹤前車。因此，移動(dòng)閉塞模型下提升系統(tǒng)折返能力的方法就是縮短P→P'之間的作業(yè)時(shí)間。而相應(yīng)的折返優(yōu)化技術(shù)措施與3.1.2固定閉塞中的闡述一致，對(duì)折返時(shí)間縮短同樣很有限，此處不再贅述。

3.2.2 移動(dòng)閉塞間隔能力實(shí)測(cè)

2021年5月9 日，在青島舉辦的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS）成果展示會(huì)上，中車四方所向與會(huì)專家展示了該系統(tǒng)在青島地鐵6號(hào)線的工程應(yīng)用及實(shí)測(cè)情況，目前實(shí)驗(yàn)中基于移動(dòng)閉塞折返間隔為92 s，還有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

2021年6月28 日，在卡斯柯的車車通信TACS系統(tǒng)評(píng)審會(huì)上，專家們現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了該系統(tǒng)多個(gè)關(guān)鍵功能和性能指標(biāo)，其中基于移動(dòng)閉塞模型的折返間隔指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了83 s。

2021年8月7 日，在上海電氣泰雷茲的“地鐵線路高新能折返（RET）新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)演示會(huì)”上，專家們現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證了移動(dòng)閉塞系統(tǒng)折返間隔達(dá)到了86 s。

從目前公布的基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)CBTC模式折返成績(jī)來(lái)看，卡斯柯和上海電氣泰雷茲系統(tǒng)基于移動(dòng)閉塞折返均達(dá)到了90 s，并留有一定的余量，也就以實(shí)例證明基于移動(dòng)閉塞折返能力可以大幅提升，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力達(dá)到40對(duì)/h是可能的。在編組不變的情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力由30對(duì)/h提升至40對(duì)/h后，輸送能力同樣增加了33.3%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)固定閉塞和移動(dòng)閉塞模型折返能力的分析，得出移動(dòng)閉塞折返間隔達(dá)到90 s的可能性，即移動(dòng)閉塞下可達(dá)到40對(duì)/h行車能力的目標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)提升系統(tǒng)能力和增大編組2種方案輸送能力效果的對(duì)比，提升系統(tǒng)能力在保證相同輸送能力的前提下，可采用相對(duì)較小的列車編組。這樣不僅減少了土建工程、配套設(shè)備數(shù)量及節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的支出，而且縮短行車間隔，減少了乘客候車時(shí)間，提高了服務(wù)質(zhì)量。軌道交通建設(shè)是百年工程，城市的發(fā)展具有不確定性，規(guī)劃會(huì)隨著城市發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)整，編組長(zhǎng)度和系統(tǒng)能力都是城市軌道交通輸送能力的儲(chǔ)備。