錢麗芳 譚喜堂 申朝旭

（同濟大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，200092，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生）

北京地鐵1號線與既有2號線、5號線、10號線等相銜接，特別是5號線、10號線的開通，使得1號線的客流量明顯增加，按照北京市城市路網(wǎng)規(guī)劃，未來將有新建4號線等多條線路與1號線相交，并且全新改造后的2號線也已經(jīng)開通。由此可見，未來幾年內(nèi)，1號線將面臨承擔(dān)各條新建線路聯(lián)絡(luò)換乘的嚴峻任務(wù)。從目前1號線運能現(xiàn)狀來看，其所能達到的綜合運輸能力，將不可能滿足未來客流增長和城市路網(wǎng)規(guī)劃運能要求。因此如何使北京地鐵1號線路在現(xiàn)有的條件下不斷地挖掘潛力、提高效率，保持較好的運送質(zhì)量，是一個值得探討的問題。

1 運營概況分析

北京地鐵1號線始建于1965年7月1日，是中國首條地鐵，線路西起53號站，東至四惠東，共設(shè)25座運營車站線路里程達到34km。作為首都的首條地鐵線路，1號線縱貫東西交通主干，自1981年建成投運以來，客流增勢迅猛。隨著北京軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營格局的形成，地鐵客流出現(xiàn)爆發(fā)式增長，最高日客流已接近130萬人次，是目前各條運營線路中客流量最大、運能要求最高的，同時也是運能與運量矛盾最為突出的軌道交通線路。

隨著北京地鐵逐漸成網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)和優(yōu)惠票價雙重刺激下，地鐵客流記錄不斷被刷新。北京地鐵日均客流迅速突破500萬人次大關(guān)，部分車站面對客流壓力被迫采取限流措施。市軌道交通指揮中心的數(shù)據(jù)顯示，目前1號線客流壓力最大，日均120萬人次，成為全世界運營強度最大的地鐵線路。其中四惠、四惠東換乘站高峰時段滿載率高達100%至130%，國貿(mào)站滿載率110%。

現(xiàn)就2009年度1號線運營狀況分析如下。

1）運能情況：列車編組，6節(jié)／列；每日開行610列；高峰時段最小行車間隔2min 15s；2）運營現(xiàn)狀見表1。運營時間為5：10～23：48。

表1 2009年北京地鐵1號線運營現(xiàn)狀況

由于1號線的運能不足，已經(jīng)逐漸形成以下狀況：

（1）在高峰期間，如上、下班或者陰雨天氣，各站采取了限流措施，造成大批乘客滯留站外，引起秩序混亂，乘客被迫改乘其他交通工具；

（2）北京地鐵所有線路全部實行2元制，因此乘坐地鐵出行的市民非常多，也就造成列車擁擠度加劇，上下班高峰尤其嚴重；

（3）地鐵設(shè)備故障時有發(fā)生，導(dǎo)致列車停運，嚴重時曾滯留10萬乘客。

綜上所述，巨大客流使1號線的運量和運能矛盾越來越突出，運量的增長與運能的不足已經(jīng)成為地鐵1號線當(dāng)前的迫切問題。

2 提高運能方案的比選

提高運能的方案可采用有增加列車編組的措施，或采用保持當(dāng)前的列車編組與速度、減少列車折返時間與停站時間等方法。針對1號線運營實際情況，具體分析如下。

2.1 增加列車編組

北京地鐵1號線運營的主力車型是DKZ4型地鐵電動車輛，每列列車均由Mc、T、M 3種型號的車輛組成。其中Mc車有動力和司機室，無受電弓；T車無動力，無受電弓，無司機室，俗稱拖車；M車有動力，無受電弓，無司機室，俗稱動車。6節(jié)列車的編組方式為：Mc－T－M－T－T－Mc。

若將列車編組提高到8節(jié)編組方式，以動車組CRH2A（8編組）為例，CRH2A的編組方式為：Tc－M－M－Tp－T－Mp－M－Tc。在原地鐵1號線工程設(shè)計方案中，大部分站臺長度均按8節(jié)編組設(shè)計施工。即為滿足不斷增加的運量需求，列車編組可由6節(jié)調(diào)整為8節(jié)。從土建條件上，具備開行8節(jié)編組列車的基本條件。

但由于目前1號線的信號系統(tǒng)、列車自動控制系統(tǒng)均按6節(jié)編組列車長度設(shè)置，如列車編組改為8節(jié)，須對目前的整套信號、車地通訊、安全防護等一系列設(shè)施進行改造。工程規(guī)模大并直接影響到日常運營及安全，具有一定的風(fēng)險。同時，根據(jù)車站設(shè)備與客流關(guān)系的分析[1]，安檢設(shè)施和樓、扶梯能力達不到設(shè)計值或?qū)嶋H客流需求造成車站通行瓶頸，并且高峰期自動扶梯入口排隊現(xiàn)象十分明顯，其通過能力不能滿足高峰客流的要求，存在一系列問題。因此為避免因改造相關(guān)運營設(shè)施所增加的費用和風(fēng)險，近階段不宜采用此方案。

2.2 保持當(dāng)前的列車編組，減少列車折返時間與停站時間

目前，北京地鐵運營管理水平已經(jīng)位居世界前列，2min15s的列車最小發(fā)車間隔國內(nèi)領(lǐng)先。但與香港、莫斯科、東京等城市地鐵列車編組動輒8節(jié)甚至10節(jié)車廂相比，北京既有地鐵線的運能提升空間有限。

影響行車間隔的主要因素有列車終點折返作業(yè)時間、在車站的停站時間、區(qū)間運行時間等，終點站折返本身作業(yè)時間較短且基本固定。根據(jù)目前的客流狀況，地鐵1號線建國門、天安門西、復(fù)興門以及萬壽路站均已縮短列車進站?？繒r間。建國門站縮短到45s，天安門西站縮短到28s，復(fù)興門站上行（復(fù)興門到南禮士路）縮短到50s下行（南禮士路到復(fù)興門）縮短到45s，萬壽路上行列車停靠時間縮短到45s。因而就車站的停站時間與終點折返作業(yè)時間可壓縮的余地都較小。同時，減少列車行車間隔主要依靠壓縮區(qū)間運行時間即提高區(qū)間運行速度來實現(xiàn)，這點將會在下面進行詳細分析。

2.3 分析限速，增設(shè)“點式環(huán)線（Spot Loop）”裝置，計算速度碼優(yōu)化組合

北京地鐵1號線信號系統(tǒng)由英國西屋信號有限公司（WSL）提供的基于無絕緣軌道電路（JTC）的固定閉塞系統(tǒng)。為保證列車運行安全，追蹤運行列車之間保持一定的間隔，也就是要相隔一定數(shù)量的閉塞分區(qū)。北京地鐵1號線采用三顯示自動閉塞系統(tǒng)，正常條件下要求列車間的運行間隔為3個閉塞分區(qū)如圖1所示。

圖1 自動閉塞系統(tǒng)示意圖

三顯示下，通過信號機有3種顯示，其中黃色燈光是預(yù)告燈光。一個閉塞分區(qū)的長度內(nèi)滿足從規(guī)定速度到零的制動距離，閉塞分區(qū)長度要大于或等于列車制動距離S：

式中：Nsignal為區(qū)間內(nèi)通過信號機個數(shù)。

在三顯示下，兩列車間的最少間隔長度：

式中：lcar為列車長度（m）。在三顯示下追蹤間隔為

這種系統(tǒng)的性能有兩個特別的限制。首先，通常有一個可以傳送給列車的數(shù)量有限的“速度級別”。第二，在列車的前面必須有足夠的制動距離，以保證列車在準備進入更嚴格的區(qū)間時，以最大安全速度而不用減速到目標速度能準確停在前行列車或其他障礙物之前，這就要求設(shè)置“0／0”區(qū)間。

本文提出的速度碼計算方法，主要是解決上述提到的固定閉塞的兩個特別限制。在保障列車之間的安全距離、限速約束的前提下，采用點式環(huán)線（Spot Loop）裝置減少“0／0”區(qū)間和增加“速度級別”，從而減少運行時間，提高運能。

一般情況下，列車在實際運行中，考慮到各種情況，如停車時間的延誤、列車運行間隔的調(diào)整、列車司機操作水平的不同等，設(shè)計的旅行速度相對計算速度會有10%～15%的預(yù)留富余量，以便在實際過程中能夠有調(diào)整的余地，因此系統(tǒng)最終核定的旅行速度為36～38km／h，全周轉(zhuǎn)旅行速度在33～35 km／h之間，這一設(shè)計是按線路和車輛允許速度80 km／h和限速要求加10%～15%富余量計算的。如在線路最高速度和速度等級要求不一致時，運行時間和旅行速度還要調(diào)整。因此，在保障運行安全的前提下，在運行高峰時間一定程度地減少速度的富余量，對速度碼進行調(diào)整，可以在很大程度上縮短行車間隔。

從實際應(yīng)用的角度分析，該方案的可操作性較強、效果直觀（乘客候車時間縮短）。實踐證明，分析各種限速條件，增設(shè)Spot Loop裝置，計算速度碼優(yōu)化組合的方案應(yīng)是北京地鐵1號線提高運能的直接、有效的方法。

3 方案實施

3.1 算法基本思想

在運用基于條件匹配的ATP（列車自動防護系統(tǒng)）區(qū)段速度碼計算方法[5]的基礎(chǔ)上，增加各種線路限制條件并且使用Spot Loop裝置，對速度碼進行進一步的分析和計算。以閉塞分區(qū)和進路為最基本的計算單位，每個基本單位的各種速度碼的組合構(gòu)成一個有限集，且有限集中的元素均與某些相關(guān)條件形成對應(yīng)的關(guān)系，即可以通過不同的條件確定一個區(qū)間或一條進路的不同速度碼組合，這種對應(yīng)方式可用式（3）表示。再對各種組合進行比較分析，對于不同的情況，如早高峰時段、客流較少采用節(jié)能方式運行等不同的場合下選擇不同的速度組合。

式中：

fn（）——第n個計算基本單位從各信息條件到所求速度碼組合的映射；

x1，x2，…，xk——決定第n個計算基本單位的速度碼組合的各條件；

k——第n個計算基本單位的速度碼組合的條件數(shù)目；

SiYn——第n個計算基本單位通過映射得到的各區(qū)段的速度碼組合（i指不同的運行條件）。

所需的條件就是各區(qū)段的占用情況、前方區(qū)段的速度碼、信號機的狀態(tài)和進路的鎖閉狀態(tài)等，這些條件均可通過采集或計算得到，各計算單元的速度碼組合構(gòu)成有限集，由設(shè)計單位提供的區(qū)間碼和聯(lián)鎖區(qū)碼序表得到。

3.2 具體實施或映射過程

3.2.1 總體步驟

由于線路情況復(fù)雜、列車間隔時間短、列車速度較高等原因，北京地鐵1號線需要更多、更靈活的MSS／TS組合（MSS為最高安全速度，TS為目標速度）?，F(xiàn)在地鐵運營中，只提供五個等級的安全速度碼“0”，“38／0”，“59／／37”，“74／58”，“74／73”，并不能滿足系統(tǒng)的需要。

為了解決此問題，在1號線ATP（列車自動防護）系統(tǒng)增加Spot Loop裝置[6]，用以向ATP車載設(shè)備發(fā)送點式環(huán)線頻率。點式環(huán)線頻率是由聯(lián)鎖電路根據(jù)對目標速度的要求而確定的。點式環(huán)線安裝于ATP區(qū)段接收端，通過聯(lián)鎖電路確定的點式環(huán)線頻率來選擇該區(qū)段ATP安全碼所代表的目標速度。頻率A或沒有接收到點式頻率，表示在該區(qū)段ATP安全速度碼所代表的是通常目標速度，頻率B至E表示在該區(qū)段安全速度碼4個可選擇的目標速度（B至E），如表2。

根據(jù)故障－安全原則，最大安全速度對于給定區(qū)段是一個定值。所有的點式環(huán)線頻率信息僅用于選擇目標速度，而不能改變最大安全速度。

模擬試驗以北京地鐵1號線八寶山站到玉泉路站為區(qū)域控制中心控制范圍，這段區(qū)間中包含23個閉塞分區(qū)（見圖2）。

表2 北京地鐵1號線安全速度碼分配表

根據(jù)速度碼序表，每個計算單元（閉塞分區(qū)）的速度碼與前一個計算單元的速度碼有關(guān)，速度碼序不可跳變。因此，區(qū)段速度碼的計算必須按照一定的順序進行，本文使用與列車運行方向相反計算的順序。在試驗中，區(qū)段速度碼的計算按照上、下行方向閉塞區(qū)間和道岔區(qū)間順序分別進行計算。

上行方向速度碼的計算順序如下：

YQL－XX，YQL－S1，YQL－BB1，YQL－S2，YQLS3，YQL－S4，YQL－S5，YQL－S6，YQL－S7，YQL－S8，YQL－S9，BBS－XX。

下行方向速度碼的計算順序如下：

BBS－SX，BB－YQ1，BB－YQ2，BB－YQ3，BBYQ4，BB－YQ5，BB－YQ6，BB－YQ7，YQL－BB1，BBYQ8，BB－YQ9，YQL－SX。

圖2 八寶山站到玉泉路站閉塞分區(qū)劃分示意圖

總體計算步驟為：

（1）將站內(nèi)所有區(qū)段速度碼均設(shè)為“未處理”標志；

（2）分上、下行方向，首先進行進路速度的修訂；

（3）速度碼為“進路處理”標志的區(qū)段速度碼計算；

（4）按上述順序計算各閉塞分區(qū)、各岔道分區(qū)所屬區(qū)段的速度碼；

（5）將速度碼計算完成，仍為“未處理”標志的區(qū)段的速度碼設(shè)為F00碼。

3.2.2 按照上.下行方向進行速度碼的計算

試驗程序中，首先進行上行方向的速度碼計算，然后進行下行方向的速度碼計算。這兩次計算的方法與步驟基本相同，區(qū)別有以下兩點。

（1）上、下行方向計算的閉塞分間不同，計算閉塞分區(qū)間與道岔分區(qū)的排列順序不同，按照本文3.1給出的算法進行。

（2）上行方向的速度碼計算，以進路為單位計算時，僅計算上行方向的進路；下行方向的速度碼計算，以進路為單位進行計算時，僅計算下行方向的進路。

3.2.3 閉塞分區(qū)速度碼的計算過程

通過對安全碼序表的總結(jié)可知，決定一個分區(qū)速度碼的因素有：各分區(qū)所包含的各自占用情況；分區(qū)前方分區(qū)的占用與否或速度碼；分區(qū)前方的限速情況，包括道岔限速、彎道限速、進路限速和臨時限速。表3為前3種狀況下限速條件。

分區(qū)速度碼的計算過程為：

（1）根據(jù)列車實際運行情況，考慮運量或節(jié)能運行的不同要求，各個閉塞分區(qū)的速度等級會有所不同。按照運能要求，按照前文給出的順序進行計算，判斷進路狀態(tài)（是否閉鎖、信號機是否開放、占有條件）進行映射。

（2）在特殊情況下，如道岔限速、彎道、進路、臨時限速、長大上坡道等狀況下運行時，列車運行速度較低，其實際速度低于黃燈限速，此時可以采用兩閉塞分區(qū)計算法。

（3）按順序?qū)ζ渌]鎖分區(qū)進行處理，結(jié)合上述限速條件表和安全速度碼分配表，綜合考慮減少5%的富余量進行計算。

完成以上步驟的運算，得到當(dāng)前條件下對應(yīng)的區(qū)間所包含區(qū)段的速度碼組合。

表3 各種狀況下的限速條件

4 仿真與結(jié)論

車載設(shè)備從接收到的安全速度碼中，獲得允許列車運行的MSS和TS，并與列車的實際速度進行比較。當(dāng)列車當(dāng)前的運行速度大于MSS時，列車將緊急制動，以保證列車的安全。

根據(jù)上述步驟，計算得出北京地鐵1號線八寶山站到玉泉路站上行方向區(qū)間速度碼。圖3為計算前后的速度碼比較。

圖3 計算前后八寶山站到玉泉路站速度碼序列

從圖4對比優(yōu)化前后的速度碼數(shù)據(jù)，可以看出通過使用點式環(huán)線裝置與限速情況分析，改變了安全速度碼的目標速度與限速，減少了列車在站間的運行時間。八寶山站到玉泉路后站間距為1 498.43 m，加速度1m／s2。計算得出，原運行時間為104.2 s，對速度碼進行優(yōu)化后得出的運行時間為96s。對于全線進行計算，每列車的運行時間減少200s，則每日開行列車數(shù)從610列增加到680列，1號線高峰小時運力將提高11%的運能。

圖4 計算前后的速度碼比較性能改善

不改變既有信號系統(tǒng)，借鑒國外成功經(jīng)驗，在低投資和低風(fēng)險的條件下，通過增加點式環(huán)線（Spot Loop）裝置，優(yōu)化速度碼組合，達到提高既有線路運營能力的效果。對于其它使用與北京地鐵1號線相同信號系統(tǒng)的地鐵線路，本方法同樣適用。

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