陳垚 毛保華，2 李明高 趙欣苗 趙宇剛

(1.北京交通大學(xué)城市復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100044;

2.中國綜合交通研究中心 北京100044;3.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 北京100038)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通運(yùn)營組織越來越受到重視。折返能力是確定城市軌道交通線路運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)，是城市軌道交通運(yùn)營組織的關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)折返能力進(jìn)行了大量研究，主要是從車站的線路與站臺(tái)布置［1-2］、計(jì)算方法［3-5］、能力提高［6-7］等方面對(duì)折返能力進(jìn)行研究，但從接車進(jìn)路安全區(qū)段的角度分析折返能力的研究較不充分。接車進(jìn)路安全區(qū)段與列車折返過程有直接聯(lián)系，筆者在既有研究基礎(chǔ)上，分析接車進(jìn)路安全區(qū)段對(duì)折返作業(yè)時(shí)間的影響，建立折返出發(fā)間隔的解析計(jì)算公式，并通過算例分析不同優(yōu)化方案下折返能力的變化規(guī)律。

1 折返能力分析

站后折返是指列車在前進(jìn)方向的出發(fā)端利用站后盡端折返線或環(huán)線進(jìn)行折返作業(yè)，站后雙折返線折返站布置形式如圖1所示。

圖1 站后雙折返線折返站布置

圖1 中，A點(diǎn)為列車在X1信號(hào)機(jī)未開放時(shí)需要制動(dòng)的位置。B點(diǎn)為道岔與正線的軌道電路分界點(diǎn)，C點(diǎn)為道岔與側(cè)向直軌的軌道電路分界點(diǎn)，D點(diǎn)為車站出站信號(hào)機(jī)S1位置點(diǎn)，E點(diǎn)、F點(diǎn)為道岔與折返線的軌道電路分界點(diǎn)，G點(diǎn)為X2信號(hào)機(jī)位置點(diǎn)?？拷霭l(fā)正線的折返線為折返線I，靠近進(jìn)站正線的折返線為折返線Ⅱ。

列車進(jìn)站時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)為其辦理接車進(jìn)路，同時(shí)需要設(shè)置接車進(jìn)路的安全區(qū)段［8］。由于列車的期望停車點(diǎn)在站臺(tái)端部，以供乘客上下車，因此聯(lián)鎖系統(tǒng)必須將接車進(jìn)路的安全區(qū)段設(shè)置在X2信號(hào)機(jī)內(nèi)方。當(dāng)X2信號(hào)機(jī)內(nèi)方的第1個(gè)軌道電路GB段大于安全防護(hù)距離時(shí)，安全區(qū)段設(shè)置到B點(diǎn)即可。當(dāng)?shù)?個(gè)軌道電路GB段長度不足安全防護(hù)距離時(shí)，安全區(qū)段需在信號(hào)機(jī)內(nèi)方第2個(gè)軌道電路內(nèi)結(jié)束，則利用折返線I折返時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)將安全區(qū)段設(shè)置到道岔后F點(diǎn);利用折返線Ⅱ折返時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)將安全區(qū)段設(shè)置到道岔后E點(diǎn)［9］。因此，折返能力分析時(shí)分2種情況進(jìn)行討論，即安全區(qū)段延伸到正線和安全區(qū)段延伸到道岔。

1.1 安全區(qū)段延伸到正線

當(dāng)安全區(qū)段延伸到正線時(shí)，列車?yán)谜鄯稻€I和折返線Ⅱ折返的作業(yè)過程相同。以折返線I為例，對(duì)站后雙折返線的折返過程進(jìn)行分析。折返作業(yè)具體可以分為3個(gè)子過程:接車作業(yè)、進(jìn)出折返線作業(yè)、發(fā)車作業(yè)。

1.1.1 接車作業(yè)

列車的接車作業(yè)自前行列車出清軌道電路分界點(diǎn)B開始進(jìn)站，至全部通過B點(diǎn)止，其過程如圖2所示。

圖2 接車作業(yè)流程

則接車間隔時(shí)間為

式中:t接為接車間隔時(shí)間;t作業(yè)為車站辦理進(jìn)路作業(yè)的時(shí)間;t反應(yīng)為車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間;t進(jìn)站為列車從進(jìn)站位置A運(yùn)行至站臺(tái)的時(shí)間;t停站為列車在終點(diǎn)站的停站時(shí)間;t出清B點(diǎn)為列車從站臺(tái)運(yùn)行至全部通過軌道電路分界點(diǎn)B的時(shí)間。

1.1.2 進(jìn)出折返線作業(yè)

列車的進(jìn)出折返線作業(yè)自前行列車出清軌道電路分界點(diǎn)C起開始進(jìn)折返線，至全部通過C點(diǎn)止，其過程如圖3所示。

圖3 進(jìn)出折返線作業(yè)流程

則折返間隔時(shí)間為

式中:t折為折返間隔時(shí)間;t作業(yè)為車站辦理進(jìn)路作業(yè)的時(shí)間;t反應(yīng)為車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間;t進(jìn)折為列車從站臺(tái)運(yùn)行至折返線I的時(shí)間;t轉(zhuǎn)換為折返時(shí)列車進(jìn)行駕駛室轉(zhuǎn)換的時(shí)間;t出清C點(diǎn)為列車從折返線I運(yùn)行至全部通過軌道電路分界點(diǎn)C的時(shí)間。

1.1.3 發(fā)車作業(yè)

列車的發(fā)車作業(yè)自前行列車出清軌道電路分界點(diǎn)D起開始出折返線，至全部通過D點(diǎn)出站止，其過程如圖4所示。

圖4 發(fā)車作業(yè)流程

則發(fā)車間隔時(shí)間為

式中:t發(fā)為發(fā)車間隔時(shí)間;t作業(yè)為車站辦理進(jìn)路作業(yè)的時(shí)間;t反應(yīng)為車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間;t出折為列車從折返線I運(yùn)行至站臺(tái)的時(shí)間;t停站為列車在終點(diǎn)站的停站時(shí)間;t出清D點(diǎn)為列車從站臺(tái)運(yùn)行至全部通過軌道電路分界點(diǎn)D的時(shí)間。

1.2 安全區(qū)段延伸到道岔

當(dāng)安全區(qū)段延伸到道岔(E/F點(diǎn))時(shí)，折返線I與折返線Ⅱ的折返過程不同。

1.2.1 折返線I

利用折返線I折返時(shí)，前行列車在出清E點(diǎn)時(shí)，BE段解鎖，開始辦理后續(xù)列車的接車進(jìn)路，設(shè)置GF段為安全區(qū)段。此時(shí)，前行列車的折返進(jìn)路與后續(xù)列車的接車進(jìn)路無交叉。只要出站正線空閑，前行列車即可折返。因此，當(dāng)安全區(qū)段延伸到道岔時(shí)，折返線I的作業(yè)過程與安全區(qū)段延伸到正線相同，只是接車過程的軌道電路分界點(diǎn)由B點(diǎn)移至E點(diǎn)，接車間隔計(jì)算公式為

式中:t出清E點(diǎn)為列車從站臺(tái)運(yùn)行至全部通過軌道電路分界點(diǎn)E的時(shí)間。

在辦理接車進(jìn)路時(shí)，由于安全區(qū)段延伸至道岔，設(shè)置安全區(qū)段時(shí)需要進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換，作業(yè)時(shí)間會(huì)增長。

1.2.2 折返線Ⅱ

利用折返線Ⅱ折返，在前行列車在出清F點(diǎn)時(shí)，開始辦理后續(xù)列車的接車進(jìn)路。類似地，接車間隔公式為

式中:t出清F點(diǎn)為列車從站臺(tái)運(yùn)行至全部通過軌道電路分界點(diǎn)F的時(shí)間。

辦理后續(xù)列車接車進(jìn)路時(shí)，將安全區(qū)段設(shè)為GE段，此時(shí)前行列車的折返進(jìn)路與后續(xù)列車的接車進(jìn)路存在交叉。只有在后續(xù)列車接車進(jìn)路安全區(qū)段解鎖后，才能辦理前行列車的折返進(jìn)路。因此，前行列車在進(jìn)入折返線后必須等待后續(xù)列車進(jìn)站停車、安全區(qū)段解鎖后才能辦理出折返線進(jìn)路，在等待時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行駕駛室的轉(zhuǎn)換。

列車的進(jìn)出折返線過程為:列車進(jìn)入折返線Ⅱ，在出清F點(diǎn)時(shí)，辦理后續(xù)列車的接車進(jìn)路。列車在折返線停穩(wěn)后，進(jìn)行駕駛室的轉(zhuǎn)換，同時(shí)等待后續(xù)列車的安全區(qū)段GF段解鎖。在后續(xù)列車進(jìn)站停車后，GF段解鎖，開始辦理列車的出折返線進(jìn)路。在駕駛室轉(zhuǎn)換及進(jìn)路辦理都完成后，列車出折返線，直到出清C點(diǎn)。因此，折返間隔可表示為

站后折返的折返出發(fā)間隔由接車間隔、折返間隔和發(fā)車間隔的最大值決定，可以表示為

式中:t站后折發(fā)為站后折返的折返出發(fā)間隔時(shí)間。

站后折返能力可根據(jù)折返出發(fā)間隔通過下式進(jìn)行計(jì)算

式中:n折返為站后折返的折返能力，列/h。

2 算例分析

2.1 折返能力計(jì)算

根據(jù)上述分析，選用DKZ4型列車與天津江灣二支路站作為研究算例，DKZ4型列車基本參數(shù)如表1所示，其牽引制動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。

站后折返站采用天津江灣二支路站，其簡化布置如圖5所示。

表1 DKZ4型列車參數(shù)

表2 DKZ4型列車牽引制動(dòng)數(shù)據(jù)

圖5 江灣二支路站簡化布置

江灣二支路站的站臺(tái)寬度為14 m，站臺(tái)長度為144 m，車站線間距為17 m。車站站后設(shè)雙折返線用于車輛折返，采用的是9號(hào)道岔，兩折返線間距為5 m，折返線距正線6 m。X1、X2、S1、S2信號(hào)機(jī)距站臺(tái)端部5 m，軌道電路GB段長10.561 m。軌道電路分界點(diǎn)B、C點(diǎn)在道岔基本軌接頭處，距道岔中心距離BO、MC長13.839 m。道岔區(qū)側(cè)向段OP、LM長度為54.232 3 m，PQ、MN長度為45.314 2 m，道岔直向段MQ、PN長度為45.067 3 m。QE、NF段為道岔中心到道岔始端距離13.839 m。折返線有效長度為155.162 5 m。車站采用DKZ4型列車運(yùn)行，正線運(yùn)行速度取72 km/h，側(cè)向過岔速度取30 km/h。此外，車站安全防護(hù)距離取40 m。

車站的技術(shù)作業(yè)時(shí)間設(shè)置［10］如下:停站時(shí)間30 s，無道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時(shí)間取6 s，有道岔轉(zhuǎn)換的進(jìn)路辦理時(shí)間取13 s，車載設(shè)備反應(yīng)時(shí)間取3 s，駕駛室轉(zhuǎn)換時(shí)間取12 s。

由于GB段長度13.839 m小于車站要求的安全防護(hù)距離40 m，安全區(qū)段需要延伸到道岔。基于車站技術(shù)作業(yè)時(shí)間，根據(jù)式(2)～(8)，引入列車運(yùn)行計(jì)算模型，利用Matlab計(jì)算列車在車站的運(yùn)行時(shí)間，車站折返能力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 車站折返能力計(jì)算結(jié)果

從表3中可以看出，折返線Ⅰ的折返能力比折返線Ⅱ大7列，折返線Ⅰ、Ⅱ的接車間隔與發(fā)車間隔相同。折返線Ⅱ的折返間隔遠(yuǎn)大于折返線Ⅰ的折返間隔，主要是由于駕駛室轉(zhuǎn)換時(shí)間比較短，列車在折返線Ⅱ上完成駕駛室轉(zhuǎn)換后，還需要等待后續(xù)列車進(jìn)站才開始辦理出折返線進(jìn)路;而在折返線Ⅰ上折返時(shí)，駕駛室轉(zhuǎn)換完后，即可出折返線。因此，折返線I的折返能力大于折返線Ⅱ的折返能力。

2.2 折返能力優(yōu)化方案

車站GB段長度小于安全防護(hù)距離，安全區(qū)段延伸到道岔，導(dǎo)致接車間隔較大。如果改變岔線結(jié)構(gòu)，加大GB段長度，使其滿足ATP(列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng))要求的安全保護(hù)距離(即40 m)，聯(lián)鎖系統(tǒng)不需要將道岔區(qū)段設(shè)為安全區(qū)段，列車出清B點(diǎn)后即可辦理后續(xù)列車的接車進(jìn)路。以折返線I為例，改變岔線結(jié)構(gòu)前后的折返能力如表4所示。

表4 折返線Ⅰ的折返能力

從表4可以看出，岔線結(jié)構(gòu)改變后，折返線Ⅰ的折返能力增加了1.24列/h。接車間隔減少了19 s，接車間隔的減少主要是由于加大了GB段距離，出清F點(diǎn)時(shí)間33 s縮至出清B點(diǎn)時(shí)間21 s，辦理接車作業(yè)的時(shí)間也由13 s縮至6 s。折返間隔與發(fā)車間隔都增加了4 s，這是由于GB段長度加長導(dǎo)致進(jìn)出折返線的走行距離增加了29.439 m。安全區(qū)段延伸到正線后，折返線Ⅱ的折返能力與折返線Ⅰ相同。折返線Ⅱ的折返能力由24.79列/h增加為33.05列/h，增加了8.26列/h。

總的來說，安全區(qū)段延伸到道岔使折返線的折返能力受到一定限制。改變岔線結(jié)構(gòu)后，兩折返線能力都得到了提升。值得注意的是，盡管增加GB段長度會(huì)提高折返能力，但GB段長度的增加會(huì)使車站整體長度變長，增加土建工程量，增加地鐵工程造價(jià)。因此，在實(shí)際工程中需綜合考慮折返能力需求和工程造價(jià)等因素。

優(yōu)化軌道電路設(shè)計(jì)(如增設(shè)結(jié)緣節(jié)等)同樣可提高折返能力。若在O、P間設(shè)置絕緣節(jié)(如圖5中H點(diǎn)所示)，使GH段長度滿足安全保護(hù)距離40 m，相當(dāng)于使安全區(qū)段延伸到正線，可以使后續(xù)列車進(jìn)站時(shí)間提前，同時(shí)避免折返進(jìn)路的交叉干擾。增設(shè)絕緣節(jié)之后的折返能力如表5所示。

表5 增設(shè)絕緣節(jié)前后的折返能力

從表5可以看出，增設(shè)絕緣節(jié)后，折返線Ⅰ與Ⅱ的折返能力分別增加了2.48和9.5列/h。增設(shè)絕緣節(jié)可以避免增大車站規(guī)模、也不會(huì)加長列車走行距離，兩折返線能力得到了更大提升。但該措施需考慮OP段長度是否夠長，以使GH段滿足安全保護(hù)距離。在站后雙折返線車站，線間距一般較大，可以滿足該條件。

3 結(jié)論

筆者針對(duì)站后雙折返線，考慮接車進(jìn)路的安全區(qū)段，分析了安全區(qū)段延伸到正線和道岔兩種情況下的折返過程，得出了折返能力的計(jì)算公式，并以江灣二支路站為算例進(jìn)行了分析。主要得到以下研究結(jié)論:

1)在江灣二支路站，聯(lián)鎖系統(tǒng)需將安全區(qū)段設(shè)置到道岔，折返線Ⅱ的折返能力比折返線Ⅰ小7列/h?？芍?，站后雙折返線折返站的接車進(jìn)路安全區(qū)段延伸到道岔時(shí)，靠近出發(fā)正線的折返線能力要大于靠近進(jìn)站正線的折返線能力。因此，在客流高峰時(shí)期，列車應(yīng)該盡量采用靠近出發(fā)正線的折返線進(jìn)行折返。

2)通過改變江灣二支路站的岔線結(jié)構(gòu)或增設(shè)絕緣節(jié)，使安全區(qū)段延伸到正線，車站折返能力得到了提高。其中，增設(shè)絕緣節(jié)效果更佳，使折返線Ⅰ的折返能力增加了2.48列/h、折返線Ⅱ增加了9.5列/h。可知，站后雙折返線折返站的接車進(jìn)路安全區(qū)段延伸到道岔，使折返線的折返能力受到一定限制，可以通過增設(shè)絕緣節(jié)或改變車站的岔線結(jié)構(gòu)，使安全區(qū)段延伸到正線的方式來提升車站折返能力。

此外，可以將結(jié)論推廣至站后交叉渡線與站后單折返線。其中，當(dāng)安全區(qū)段延伸至正線時(shí)，單折返線與雙折返線的折返過程一樣;當(dāng)安全區(qū)段延伸至道岔時(shí)，單折返線折返能力應(yīng)按站后雙折返線中靠近進(jìn)站正線的折返線處理。

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