郭 戩

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081）

城市軌道交通等間隔行車調(diào)整方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭 戩

（中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，北京100081）

等間隔行車是在城市軌道交通發(fā)生特殊情況時(shí)應(yīng)用的一種行車指揮方法，在無法按照列車運(yùn)行圖正常行車時(shí)能夠簡單高效地恢復(fù)運(yùn)營秩序。為解決既有等間隔行車運(yùn)行調(diào)整方法存在的問題，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的等間隔調(diào)整方法，通過自動計(jì)算目標(biāo)調(diào)整間隔、實(shí)時(shí)計(jì)算列車追蹤間隔、局部優(yōu)先調(diào)整并兼顧平衡全線列車分布密度等手段，改進(jìn)了運(yùn)行調(diào)整效果，并通過仿真驗(yàn)證了方法的有效性。

行車指揮；等間隔調(diào)整；自動列車監(jiān)督；列車運(yùn)行圖

1　概述

列車等間隔調(diào)整是應(yīng)用于城市軌道交通中的一種特殊的行車指揮辦法，通常在出現(xiàn)意外事件 (如車輛或信號故障、自然災(zāi)害等)、無法組織列車按運(yùn)行圖規(guī)定的交路行車或運(yùn)行圖嚴(yán)重紊亂的情況下使用。列車等間隔調(diào)整是指讓列車按照同一個交路，以相同的追蹤間隔往復(fù)行車。等間隔調(diào)整交路如圖1所示，假設(shè)平時(shí)按 A 到 C 站大交路運(yùn)行，在 C 站因故封閉的情況下，迅速組織列車在 A 到B 站間按小交路運(yùn)行，以便最大程度減少意外情況對行車的影響。這種情況下，由于交路與運(yùn)行圖不符，無法按照時(shí)刻表行車，此時(shí)采用等間隔調(diào)整是最簡單和高效的運(yùn)營手段[1]。

圖1　等間隔調(diào)整交路

等間隔調(diào)整一般是通過自動列車監(jiān)督系統(tǒng)(ATS) 自動實(shí)現(xiàn)的。ATS 是城市軌道交通信號控制系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一，其核心功能是監(jiān)督跟蹤列車運(yùn)行、排列進(jìn)路和列車運(yùn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)行車指揮自動化。在正常情況下，ATS 根據(jù)運(yùn)行圖自動為列車排列進(jìn)路、進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整。一列車從進(jìn)入正線運(yùn)營開始至運(yùn)營結(jié)束入段為止，ATS 會賦予該列車運(yùn)行圖上的一條計(jì)劃運(yùn)行線，其中包含列車車次、運(yùn)行路徑 (經(jīng)停股道、終到折返線或轉(zhuǎn)換軌) 和時(shí)刻表等關(guān)鍵行車信息。在列車接近一架信號機(jī)時(shí)，ATS根據(jù)其對應(yīng)車次的運(yùn)行路徑為列車自動排列進(jìn)路；當(dāng)折返列車駛?cè)肽康恼鄯稻€后，ATS 會自動將列車車次更新為下一段反方向行程的車次，然后自動排列駛出折返線的進(jìn)路，列車完成換端后開始下一段行程，如此往復(fù)直至運(yùn)營服務(wù)結(jié)束。列車在到站停車時(shí)，ATS 會根據(jù)其對應(yīng)車次的時(shí)刻表信息，自動調(diào)整列車停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行速度等級，使列車運(yùn)行的時(shí)間-距離曲線盡量貼近計(jì)劃運(yùn)行線，即為自動運(yùn)行調(diào)整[2]。

在使用等間隔調(diào)整運(yùn)行模式時(shí)，由于脫離運(yùn)行圖運(yùn)營，需要通過 ATS 人工為列車指定運(yùn)行交路，即兩段首尾相接閉合的運(yùn)行路徑；ATS 根據(jù)指定的運(yùn)行路徑自動為列車排列進(jìn)路。目前國內(nèi)城市軌道交通 ATS 采用的等間隔調(diào)整方法存在以下有待完善的問題。①需要預(yù)設(shè)調(diào)整間隔時(shí)間。即需要人工輸入或使用運(yùn)行圖間隔時(shí)間，ATS 按照這個時(shí)間作為等間隔調(diào)整的目標(biāo)間隔。在交路和列車旅行速度確定的情況下，交路上的間隔時(shí)間取決于運(yùn)營列車數(shù)；如果運(yùn)營列車數(shù)與預(yù)設(shè)調(diào)整間隔時(shí)間不匹配，總會存在一個過大或過小的間隔，需要調(diào)度員手動干預(yù)或重新調(diào)整間隔時(shí)間。②調(diào)整時(shí)的參照系是列車的離站時(shí)間。在對某一列車進(jìn)行調(diào)整運(yùn)算時(shí)，參照的是其運(yùn)行前方相鄰列車的離站時(shí)間，而離站時(shí)間并不能實(shí)時(shí)地反映實(shí)際的列車追蹤間隔。如果只是簡單地按照前行列車在當(dāng)前站的離站時(shí)間推算被調(diào)整列車的發(fā)車時(shí)間，一旦前行列車發(fā)生延誤，就會造成兩車間隔過小；如果被調(diào)整列車本身延誤，則又會因?yàn)槁每图鄱鴮?dǎo)致延誤愈發(fā)嚴(yán)重，造成兩車間隔過大[3]。

為改進(jìn)上述問題并做進(jìn)一步優(yōu)化，研究設(shè)計(jì)一種新的等間隔調(diào)整方法，并用軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2　軌道交通等間隔調(diào)整行車方法優(yōu)化

2.1調(diào)整策略

列車之間追蹤間隔的調(diào)整主要依靠調(diào)整停站時(shí)間和自動列車駕駛系統(tǒng) (ATO) 區(qū)間運(yùn)行速度等級2 個參數(shù)實(shí)現(xiàn)。在信號系統(tǒng)能夠及時(shí)提供行車許可的前提下，列車停站時(shí)間延長，與前車間隔會拉大，與后車間隔會縮短；列車在區(qū)間運(yùn)行速度加快，與前車間隔會縮短，與后車間隔會拉大。

等間隔調(diào)整需要在列車到站停穩(wěn)時(shí)進(jìn)行，這是由于：停站時(shí)間只有在列車停站時(shí)有效；列車在區(qū)間的運(yùn)行速度等級只能在列車停站時(shí)發(fā)送給列車，大部分 ATO也不支持在列車運(yùn)行過程中修改運(yùn)行速度等級。每當(dāng)列車停站、開始等間隔調(diào)整時(shí)，先根據(jù)交路上的運(yùn)營列車數(shù)重新計(jì)算目標(biāo)追蹤間隔。根據(jù)當(dāng)前停站列車至其前、后方相鄰列車的實(shí)際空間距離，綜合考慮區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和停站/折返時(shí)間，估算出當(dāng)前停站列車至其前后方相鄰列車的追蹤間隔。通過延長或縮短列車停站時(shí)間，輔以提高或降低列車區(qū)間運(yùn)行速度等級，使列車前后向間隔向目標(biāo)間隔靠攏。①優(yōu)先采用調(diào)整停站時(shí)間的方式，少數(shù)必要情況下調(diào)整列車區(qū)間運(yùn)行速度等級，以減少列車頻繁的速度變化。②限定最大和最小停站時(shí)間，以避免乘客由于停站時(shí)間過長而產(chǎn)生焦慮感，或者由于停站時(shí)間過短使乘客來不及上下車[4]。③采用“局部優(yōu)先，兼顧全線”的原則進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)先保證局部范圍內(nèi)列車追蹤間隔均勻，再根據(jù)線路上列車的分布情況，調(diào)整列車密集區(qū)域的列車，將其盡快調(diào)配到列車稀疏區(qū)域[5]。④調(diào)整時(shí)兼顧前后向間隔，確保在某一列車出現(xiàn)延誤時(shí)，其前方列車也會延長停站時(shí)間或降低運(yùn)行等級來“等待”延誤列車追趕，分擔(dān)客流，從而避免出現(xiàn)愈延誤便愈延誤的惡性循環(huán)發(fā)生[6]。

2.2目標(biāo)間隔時(shí)間計(jì)算

通常會根據(jù)客流量等因素為每個車站設(shè)定默認(rèn)停站時(shí)間；折返線也可以看作一個停車站臺，將平均折返時(shí)間作為默認(rèn)停站時(shí)間。ATO 根據(jù)車輛的牽引制動性能、實(shí)際線路平縱斷面等因素定義各區(qū)間的經(jīng)濟(jì)速度曲線，即常規(guī)運(yùn)行等級。

假定城市軌道交通常規(guī)運(yùn)營，即列車使用常規(guī)運(yùn)行等級、在各站按默認(rèn)停站時(shí)間停站的情況下，列車能夠?qū)崿F(xiàn)的旅行速度為 V旅行，交路的總長度為L交路，在線列車數(shù)為 N列車，則等間隔調(diào)整的目標(biāo)間隔時(shí)間 I等計(jì)算公式為

2.3追蹤間隔計(jì)算

正常運(yùn)營的城市軌道交通列車通常在線路上同向追蹤運(yùn)行，2 個相鄰的追行列車先后通過同一位置的時(shí)間間隔，稱為這 2 列車的追蹤間隔；追蹤間隔也可以理解為后車從其當(dāng)前位置運(yùn)行至前車當(dāng)前位置所需的時(shí)間。追蹤間隔包含 2 列車間的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和停站/折返時(shí)間。

（1）區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。區(qū)間運(yùn)行時(shí)間是指列車在 2 個車站間的區(qū)間運(yùn)行消耗的時(shí)間；列車采用不同的區(qū)間運(yùn)行速度等級，對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間也不同。在等間隔調(diào)整情況下，采用常規(guī)運(yùn)行等級對應(yīng)的列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。追蹤間隔如圖2所示，設(shè) B 站到 A 站區(qū)間運(yùn)行時(shí)間為 IBA，C 站到B 站區(qū)間運(yùn)行時(shí)間為 ICB；對于列車 2 到 B 站這樣不足一個完整區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間，采用近似值，即ICBp= LCBp/LCB×ICB；則列車 1 到列車 2 的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間為 I區(qū)間= IBA+ ICBp。

圖2　追蹤間隔

（2）停站/折返時(shí)間。停站/折返時(shí)間是指列車到站停車或進(jìn)、出折返線及換端消耗的時(shí)間；計(jì)算停站或折返時(shí)間時(shí)，需要對被調(diào)整列車與其前、后向列車的間隔區(qū)分計(jì)算。①后向間隔應(yīng)計(jì)算被調(diào)整列車所處車站或折返線 (不含) 至后向列車之間所有車站或折返線的默認(rèn)停站/折返時(shí)間之和；如果后向列車正在停站中，需要增加后向列車的剩余停站時(shí)間；如果后向列車在折返線上，需要增加該折返線的默認(rèn)折返時(shí)間。設(shè)每個站的默認(rèn)停站/折返時(shí)間為 D默認(rèn)；列車在停站時(shí)，發(fā)車指示器 (DTI) 指示的剩余停站時(shí)間為 D剩余。以圖2 計(jì)算列車 1 至列車3 的間隔為例 (假設(shè)列車 2 不存在，列車 3 與列車 1追蹤運(yùn)行)，停站/折返時(shí)間產(chǎn)生的間隔為 I停= DB默認(rèn)+ DC剩余。②前向間隔應(yīng)計(jì)算被調(diào)整列車所處車站或折返線 (含) 至前向列車之間所有車站或折返線的默認(rèn)停站/折返時(shí)間之和；如果前向列車正在車站停車中，需要增加該車站默認(rèn)停站時(shí)間與前向列車剩余停站時(shí)間之差。以圖2 中列車 3 計(jì)算至列車 1 的間隔為例 (同樣假設(shè)列車 2 不存在，列車 3 與列車 1 追蹤運(yùn)行)，停站/折返時(shí)間造成的間隔為 I停=DB默認(rèn)+ (DA默認(rèn)－DA剩余)。

綜上，兩列車間的追蹤間隔為區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和停站/折返時(shí)間之和，即 I實(shí)際= I區(qū)間+ I停。

2.4停站時(shí)間計(jì)算

調(diào)整停站時(shí)間是城市軌道交通自動運(yùn)行調(diào)整的主要手段。根據(jù)停靠站臺為列車在每個車站分配最大停站時(shí)間 Dmax和最小停站時(shí)間 Dmin，作為停站時(shí)間的自動調(diào)整極限值。列車在到站停穩(wěn)時(shí)計(jì)算停站時(shí)間，并輸出到 DTI 顯示。定義等間隔調(diào)整的允許誤差為 δ (δ ＞ 0)，目標(biāo)間隔上限 I+= I等+ δ，目標(biāo)間隔下限 I-= I等－δ，與前車追蹤間隔為 I前，與后車追蹤間隔為 I后。根據(jù)前后向追蹤間隔的不同情況，分 3 種條件計(jì)算理想停站時(shí)間 D。

（1）間隔條件 1：前向或后向間隔符合目標(biāo)間隔標(biāo)準(zhǔn)。這種情況應(yīng)在不破壞前向/后向間隔的前提下進(jìn)行調(diào)整，在允許誤差 δ 內(nèi)使不符合目標(biāo)的間隔向目標(biāo)間隔靠攏。

（2）間隔條件 2：前向間隔大、后向間隔小，或者前向間隔小、后向間隔大的情況。這種情況下優(yōu)先調(diào)整前向間隔，即優(yōu)先保證被調(diào)整列車與前車間隔向目標(biāo)間隔靠攏。

（3）間隔條件 3：前后向間隔都大或都小的情況。這種情況下停站時(shí)間暫不做調(diào)整，使用默認(rèn)停站時(shí)間。

綜上計(jì)算得出理想停站時(shí)間 D，如果 D ＞ Dmax，則停站時(shí)間初始值為 Dmax；反之，如果 D ＜ Dmin，則停站時(shí)間初始值為 Dmin；為盡量避免發(fā)生當(dāng)后車到達(dá)當(dāng)前站時(shí)，由于當(dāng)前被調(diào)整列車還沒有結(jié)束停站，后車站外停車的情況，如果 D ＜ I后，則停站時(shí)間初始值為 Dmin。

2.5區(qū)間運(yùn)行速度等級計(jì)算

ATO 通常提供多個運(yùn)行速度等級，除常規(guī)運(yùn)行等級外，還有更快和更慢的等級，從而為調(diào)整留出余地。當(dāng)通過停站時(shí)間計(jì)算得出的理想停站時(shí)間D 超出 [Dmin，Dmax] 范圍，或者出現(xiàn)間隔條件 3 時(shí)，需要通過改變運(yùn)行等級進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整。

為簡化描述，假設(shè) ATO 提供 3 個運(yùn)行等級，分別為慢速等級 L慢、常規(guī)等級 L常規(guī)和快速等級 L快。實(shí)際情況中如果存在更多的運(yùn)行等級，可以根據(jù)理想停站時(shí)間與最大或最小停站時(shí)間之差，以及不同等級補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間，更精確地選用一個運(yùn)行等級。如果理想停站時(shí)間 D 超出 [Dmin，Dmax] 范圍，根據(jù)列車到站停穩(wěn)時(shí)得出的理想停站時(shí)間 D，計(jì)算運(yùn)行等級 L。

間隔條件 3 常出現(xiàn)于故障情形，如圖3a 中列車1因故中斷運(yùn)行一段時(shí)間，或如圖3b 中列車 1 和列車 2 中間的區(qū)段因故只能拉大間隔運(yùn)行。如此，在閉環(huán)的交路中就會形成大間隔和大間隔、小間隔和小間隔相鄰存在的情況[7]。

圖3　非正常間隔情況示例

此情況下，無論縮短或延長停站時(shí)間都無益于調(diào)整間隔和改善乘客體驗(yàn)，需要通過對線路上列車的分布情況進(jìn)行分析，決定列車是否需要加/減速行駛。以圖3b 中的列車 3 為例，以被調(diào)整列車車頭位置為起點(diǎn)，向其前后各延伸交路長度的 1/4 為止，統(tǒng)計(jì)這 1/2 個交路上的列車數(shù)目 N列車半，并計(jì)算出平均追蹤間隔時(shí)間 I半= (1/2 L交路/V旅行) /N列車半，據(jù)此計(jì)算該列車適宜的運(yùn)行等級。

根據(jù)列車分布情況調(diào)整運(yùn)行等級的目的是讓密度較大區(qū)段的列車加速行駛、密度較小區(qū)段的列車減速行駛，從而縮小線路上的大間隔，實(shí)現(xiàn)等間隔行車。

2.6調(diào)整策略的可行性

等間隔調(diào)整的收斂目標(biāo)是達(dá)到任意 2 列車之間的間隔滿足 I-＜ I任意＜ I+。在間隔條件 1 和 2 的情況下，調(diào)整停站時(shí)間和運(yùn)行等級都會使被調(diào)整列車的前后間隔向目標(biāo)間隔趨近，并且不破壞已經(jīng)達(dá)到收斂目標(biāo)的間隔，不存在發(fā)散的可能。在間隔條件 3 的情況下，存在不作任何調(diào)整的可能，但這種情況不是一個穩(wěn)態(tài)。設(shè)交路上共存在 n 列車，列車 m 與其前方列車的間隔是 Im，則整個交路的運(yùn)行時(shí)間 T 為

如果存在一個 Ij＜ I-，那么必然至少存在一個間隔 Ik＞ I+，反之亦然。因此，間隔條件 3 必然伴隨間隔條件 1 或 2 同時(shí)出現(xiàn)，其他間隔的調(diào)整結(jié)果會傳導(dǎo)，改變間隔條件 3。

2.7等間隔調(diào)整的影響因素

決定等間隔調(diào)整收斂速度的因素包括以下 4 個方面。

（1）站間距。由于列車調(diào)整只能在停站時(shí)進(jìn)行，站間距越短，列車調(diào)整得越頻繁，收斂越快。

（2）可容忍的誤差?？扇萑痰恼`差值越大，調(diào)整的裕度也越大，收斂越快。

（3）最大和最小停站時(shí)間。差異越大，在使用停站時(shí)間作為調(diào)整手段時(shí)，在車站補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間越多，收斂越快。

（4）ATO 特性。ATO 特性決定了不同區(qū)間運(yùn)行速度等級對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間差異；運(yùn)行時(shí)間差異越大，在使用運(yùn)行等級作為調(diào)整手段時(shí)，在區(qū)間補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間越多，收斂越快。

3　仿真驗(yàn)證

選用國內(nèi)某城市軌道交通線路的一段交路進(jìn)行仿真試驗(yàn)，線路及其他仿真參數(shù)如表1 所示。

表1　仿真數(shù)據(jù)

仿真環(huán)境軟件包括服務(wù)器軟件 COM：等間隔調(diào)整運(yùn)算，跟蹤列車，自動排列進(jìn)路和通信轉(zhuǎn)發(fā)[8]；仿真軟件 SIMU：模擬 ATO 系統(tǒng)自動行車，模擬聯(lián)鎖系統(tǒng)開放進(jìn)路[9]；操作終端軟件 HMI：顯示站場和列車運(yùn)行情況，控制操作；運(yùn)行圖軟件 SCHD：記錄列車實(shí)際運(yùn)行線。

仿真步驟如下。

（1）在 SIMU 軟件上布置列車，模擬不規(guī)則、不均勻的間隔情況。

（2）在 HMI 軟件上啟動等間隔調(diào)整功能。

（3）在 SCHD 軟件上觀察列車運(yùn)行線，驗(yàn)證列車追蹤間隔是否趨向目標(biāo)間隔，以及達(dá)到調(diào)整目標(biāo)所需時(shí)間。開始等間隔調(diào)整 20 min 后的運(yùn)行線如圖4 所示；80 min 后的運(yùn)行線如圖5所示，此時(shí)基本達(dá)到調(diào)整目標(biāo)。

圖4　等間隔調(diào)整大約 20 min 后的運(yùn)行線

圖5　等間隔調(diào)整大約 80 min 后實(shí)際運(yùn)行線

4　結(jié)論

在城市軌道交通線路無法按照列車運(yùn)行圖正常行車的情況下，等間隔行車是相對簡單、高效地恢復(fù)運(yùn)營秩序的一種列車運(yùn)行調(diào)整方法。針對既有等間隔調(diào)整方法存在的一些問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：①實(shí)時(shí)、動態(tài)地自動計(jì)算目標(biāo)調(diào)整間隔，可以避免由于人工預(yù)設(shè)間隔時(shí)間與列車數(shù)目不匹配導(dǎo)致的異常間隔，也無需根據(jù)列車上、下線情況人工反復(fù)設(shè)置間隔時(shí)間；②采用局部優(yōu)先調(diào)整并兼顧平衡全線列車分布密度的調(diào)整策略，可以在自動實(shí)現(xiàn)列車等間隔運(yùn)行的同時(shí)，兼顧乘客體驗(yàn)，避免在列車延誤時(shí)出現(xiàn)因旅客聚集而導(dǎo)致延誤列車愈發(fā)延誤等情況。通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證優(yōu)化的等間隔行車方法實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，具備在實(shí)際工程中應(yīng)用的價(jià)值。

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責(zé)任編輯：劉 新

Optimization of Constant Headway Regulation Method in Urban Rail Transit

GUO Jian

(Signal & Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 10081，China)

Constant headway train operation is a traffic command method applied in the particular circumstances of urban rail transit, which can restore the operation order easily and efficiently in case of train diagram disorder. In order to solve the problems of existing Constant Headway Regulation (CHR) Method, this paper introduces the design of an optimized CHR method. This optimized design improves the running adjustment effect by automatically calculating the target headway, calculating the train interval in real time, adjusting the local priority and balancing the train distribution density. The effectiveness of this CHR method is validated by simulation.

Traffic Command; Constant Headway Regulation; ATS (Automatic Train Supervision); Train Diagram

1003-1421(2016)11-0087-06

U239.5

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.11.18

2016-05-30

中國鐵道科學(xué)研究院科研項(xiàng)目 (2014YJ073)