宋周敏，劉葛輝，張晨曦

(北京交通大學 交通運輸部綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應用技術交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100044)

城市軌道交通系統(tǒng)中，列車開行密度的調整需要通過列車出入段作業(yè)來實現(xiàn)，其效率取決于出入段作業(yè)的速度。提高出入段作業(yè)速度對于提高運營效率、節(jié)約列車使用具有重要意義。出入段作業(yè)能力主要受車輛段和接軌站形式限制，因此有必要對不同形式下的出入段作業(yè)能力進行研究。

既有研究多從車輛段角度出發(fā)，探討咽喉區(qū)作業(yè)能力、不同作業(yè)模式或設備條件下出段能力及出入線設計方法。張雄等[1]、李桂桂[2]基于車輛段出入線設計方案和作業(yè)流程，采用區(qū)段劃分法將出入段能力劃分為段內和出段兩個區(qū)段能力，并將作業(yè)流程分為列車出庫、制式轉換、出入線運行和列車進站四個過程，進一步通過計算給出具體的出入段能力，但主要關注段內區(qū)段的作業(yè)能力。丁建中等[3]、張蕓蕓[4]、覃定明等[5]、張建華[6]從列車控制系統(tǒng)和設備布局角度分析車輛段出入段能力，并分別針對具體案例提出了擴能的方法。王粉線等[7]、陳福貴[8]、方杰偉[9]、尹舒郁[10]分別從接軌位置及形式、收發(fā)車作業(yè)組織方法上探討車輛段接軌站的配線方案和作業(yè)難點，并總結了不同接軌形式的優(yōu)缺點。

以往的研究對出段區(qū)段作業(yè)能力研究較少，特別是忽略了接軌站不同作業(yè)組織方案對其作業(yè)能力影響。而出段區(qū)段作業(yè)過程對于全部出入段能力和正線作業(yè)均有較大的影響，因此本文以出段區(qū)段作業(yè)能力為核心展開研究，針對不同接軌站形式和出入段作業(yè)方案，分別提出加車和收車過程的用時計算模型，確定各出入段方案下的能力?；趯嶋H車站的案例分析，分析不同作業(yè)方案的適應性，并生成不同運營時段下的最優(yōu)作業(yè)方案。

1 接軌站列車出入段能力影響因素分析

出入段能力包括出段能力和入段能力。出段能力指單位時間內由車輛段發(fā)車到正線的最大列車數(shù)，反之則為入段能力。由于出段作業(yè)會額外受到正線列車的影響，其能力一般小于入段作業(yè)，所以本文重點對出段方案及其能力進行分析。

列車出段作業(yè)包括段內區(qū)段和出段區(qū)段作業(yè)，見圖1。段內區(qū)段作業(yè)包括咽喉區(qū)和轉換軌2個運行過程，出段區(qū)段分為出入線運行和正線車站進站運行2個過程。以上過程中的主要瓶頸點是接軌站進站過程，主要受車輛段接軌方式影響。

圖1 上線列車出段過程示意圖

1.1 車輛段的接軌方式

接軌站指車輛段的出入線與正線接軌的車站。接軌方式可分為線路終端接軌與中部接軌[11]。受車輛段選址、線路建設時序、車站敷設方案和運營條件等因素影響，我國軌道交通車輛段多采用中部接軌。中部接軌主要包括雙站八字線接軌和單站單側接軌兩種方式，其中單站單側接軌工程量較小，且可實現(xiàn)出入線雙線雙向收發(fā)車，作業(yè)組織比較靈活。單側接軌主要包括單島、雙島、一島一側等模式，見圖2。

圖2 單側接軌示意圖

1.2 車輛段出入段形式

車輛段的出入線一般為雙線，在條件困難或作業(yè)量小時可設計為單線[12]。雙出入線形式允許單線、雙線兩種出入段形式[13]。單線出入段指固定一條線路承擔出段作業(yè)，另一條承擔入段作業(yè)。這一模式下出入段作業(yè)相互影響小、運營管理簡單。在實際運營中，出段和入段作業(yè)的重疊時間較短，可通過兩條出入線同時進行出段或入段作業(yè)，以提高列車出入段效率，這種模式為雙線出入段。

2 接軌站列車出入段作業(yè)能力分析

將列車由出入線運行至接軌站正線的過程定義為加車作業(yè)，列車由正線移送至出入線的過程為收車作業(yè)。加車能力表示正線對上線列車的接納能力，是在滿足安全條件下，單位時間進入正線的最大列車數(shù)量，主要受線路布局、列車性能、列控制式、車站作業(yè)時間等因素影響[14]。

2.1 加車作業(yè)時間

加車作業(yè)過程包括接車作業(yè)、列車停站作業(yè)和發(fā)車作業(yè)，如圖3所示，各項作業(yè)時間及計算方法見表1。

圖3 出段列車加車作業(yè)在站過程流程圖

表1 出段列車加車過程部分作業(yè)時間及計算方法

列車停站時間tstop的計算方法如式(1)，包括開門時間、上下客時間、司機作業(yè)時間、關門時間四部分：

tstop=topen+max{tup_down,ttrans,tturn}+tclose，

(1)

式中，tup_down為上下客總時間，計算方法如式(2)：

(2)

司機作業(yè)時間包括司機換端時間和換班時間。司機換端時間指司機在駕駛室之間走行的時間，即tduan=trun；換班作業(yè)時間指司機交接班所需時間，如式(3)：

ttrans=tfill+thandover+trun+tcheck，

(3)

式中，tfill為列車停穩(wěn)車門開啟后至材料填寫完整時間，thandover為交接作業(yè)時間，trun為司機走行時間，tcheck為換班作業(yè)檢查時間。

2.2 加車作業(yè)能力

加車作業(yè)能力與接軌模式、作業(yè)組織形式密切相關。單側接軌單島模式(圖2a)下，出段列車必須占用正線停車，而雙島(圖2b)和一島一側(圖2c)模式可通過合理運營組織，最小化對正線的影響。為探討運營組織方案對出入段作業(yè)的影響，本節(jié)以單側接軌雙島模式(圖2b)為例，從加車形式和出段形式兩方面分別分析接軌站出入段作業(yè)能力。

2.2.1 加車形式

按照出段過程中列車運行方向是否改變將加車作業(yè)分為正向加車和反向加車。在雙島模式中，正向加車是指通過III道和下行方向正線加車，反向加車是指通過III道向上行方向正線加車。

2.2.2 出段形式

(1)單線出段

當加車作業(yè)需要占用正線停車時，需正線列車出清站臺末端信號機時，才可開放出段列車進站信號，如圖4中徑路1(占用正線正向加車)。此時出段列車與正線列車的最小發(fā)車間隔如式(4)：

T1=tarr+tstop+tdep，

(4)

式中，tarr為正線列車接車作業(yè)時間，tstop為正線列車在站停車時間，tdep為正線列車發(fā)車至出清車站時間。

圖4 出段列車進站徑路示意圖

圖5 正線列車與出段列車運行關系

當出段列車出清站臺末端信號機時，可開放正線列車進站信號，如圖5所示，出段列車與正線列車最小發(fā)車間隔如式(5)：

(5)

綜上，當加車作業(yè)需要占用正線停車時(圖4徑路1)，要求正線列車最小發(fā)車間隔如式(6)：

Tmin=T1+T2。

(6)

當出段列車采用站臺中間III道正向加車時(圖4徑路2)，沖突僅存在于正線與出段列車的發(fā)車進路，出段列車進站過程與正線作業(yè)平行。全部加車作業(yè)過程見圖6和圖7。

圖6 通過III道加車過程1

圖7 通過III道加車過程2

當出段列車采用站臺中間III道反向加車時(如圖4徑路3)，與III道正向加車類似，沖突僅存在于正線與出段列車的發(fā)車進路。

加車作業(yè)不占用正線停車時，作業(yè)能力主要受正線列車最小追蹤間隔約束，此時要求正線列車最小發(fā)車間隔如式(7)：

(7)

式中，tmin為最小追蹤間隔。

(2)雙線出段

雙線出段情況下，如圖8所示，可利用兩條出入線并分別通過正線和III道同時加車，且可實現(xiàn)正反向同時加車，即III道反向加車、正線正向加車。作業(yè)能力可根據(jù)其占用正線或III道按單線出段下相應公式計算而得。由于兩條進路間不存在沖突，接軌站可實現(xiàn)兩方向同時加車，提高列車上線能力。

圖8 雙線出段列車進站路徑示意圖

2.3 收車作業(yè)形式

按作業(yè)過程中是否需要改變列車運行方向，收車作業(yè)亦可分為正向收車和反向收車。正向收車中列車方向沒有改變，即上行列車通過III道和入段線回段，如圖9徑路1所示；反之則為反向收車，即下行列車利用正線或III道和出段線或入段線回段，如圖9徑路2和徑路3所示?？梢?條徑路中僅徑路1和徑路3不存在沖突，即正反向作業(yè)可同時進行。

圖9 列車收車路徑示意圖

3 案例研究

3.1 計算基礎數(shù)據(jù)

以某市軌道交通13號線的某接軌站為例計算其出入段作業(yè)能力，車站和出入線設置形式和距離參數(shù)如圖10所示。

圖10 出入段線與正線接軌的形式和距離參數(shù)

計算基礎參數(shù)如下：

(1)列車采用8A編組，長度為186 m，相關參數(shù)如表2所列。

表2 8A編組列車相關技術參數(shù)

(2)車站的全部道岔均為9號道岔，側向過岔限速35 km/h?？紤]到預留一定安全裕量，模擬計算時取側向過岔速度為30 km/h。

(3)道岔解鎖及進路辦理時間為13 s，車載設備信號延遲為2 s。

(4)乘客平均上、下車的時間取0.6 s/人[15]，開關門延緩時間為5 s，開門和關門(含關門預告)時間分別為3 s、6 s，各車門上下客不均衡延誤為3 s，關門后列車啟動反應時間為2 s?；趯嶋H客流數(shù)據(jù)，列車進站停站時間計算結果如表3所列。

表3 列車停站時間計算結果

(5)列車采用ATO自動駕駛模式，線路的最小追蹤間隔時間為90 s。

3.2 列車加車能力

根據(jù)圖10中的線路布局形式，可執(zhí)行的加車作業(yè)組織方案有6種：單線出段正線正向加車、單線出段III道正向加車、單線出段III道反向加車、雙線出段正向加車、雙線出段反向加車和雙線出段正反向加車。需要在正線停車的組織方案對正線列車運營影響較大，利用III道加車的方案可有效減少對正線的影響。故選取單線出段正線和III道正向加車、單線出段III道反向加車3種方案，分別計算各方案的加車能力和高峰時段加車時正線的最小發(fā)車間隔，并用軟件OpenTrack仿真驗證，仿真結果見表4。

表4 加車作業(yè)OpenTrack仿真結果

單線出段列車通過正線正向加車作業(yè)過程(如圖4中徑路1)及各過程用時如圖11所示。計算得到出段列車最小加車時間為119 s，即最大加車能力為30列/h，當正線列車的發(fā)車間隔大于2倍加車時間間隔時(即238 s)，出段列車加車作業(yè)不會影響正線列車的運營，可滿足順利加車的要求。

圖11 出段列車利用正線正向加車作業(yè)過程

單線出段列車通過III道正向加車作業(yè)(圖4中徑路2)的過程如圖12所示，此時加車作業(yè)只受最小追蹤間隔時間約束，當正線列車的發(fā)車間隔大于180 s時可順利完成加車。

圖12 出段列車利用III道正向加車作業(yè)過程

出段列車反向加車時需利用III道加車。列車進站停車時間為上客停站時間和司機換端作業(yè)時間中較大值，計算停站時間為120 s。經計算，加車時間間隔為214 s，最大能力為16 列/h。當正線列車發(fā)車間隔滿足最小發(fā)車間隔180 s時，可順利進行反向加車作業(yè)。

仿真計算時，單線出段列車利用正線或III道進站和出站的行駛距離存在差別，而定量計算時其距離假設相等，故定量計算結果與仿真結果存在細微差別，其差值在可接受范圍，故定量計算方法能有效計算接軌站的出入段能力。

不同加車作業(yè)組織方案的加車能力如表5所列。由此可知：反向加車需改變列車運行方向，作業(yè)時間較正向加車長，故正向加車能力大于反向加車能力；單線出段能力最大模式為正線正向加車、III道反向加車，正反向同時加車不存在沖突，由于最小行車間隔為90 s，故能力上限為40列/h，而雙線出段不受最小行車間隔影響，故正反向最大加車能力為正向和反向加車能力之和，即46列/h；正向加車占用III道時，正線列車仍可辦理進站作業(yè)，與出段列車僅在發(fā)車作業(yè)沖突，而加車占用正線時，兩列車在站所有作業(yè)均沖突，故單線出段順利加車的正線最小行車間隔關系為正線加車大于III道加車，受發(fā)車作業(yè)影響，不同形式的正向加車能力相等；雙線出段較單線出段能力有明顯提升，但加車是否成功仍受正線最小行車間隔影響。

表5 加車能力計算結果

3.3 列車收車能力

根據(jù)圖10中線路布局形式，可執(zhí)行的收車作業(yè)組織方案有5種：單線正向收車、單線反向收車、雙線正向收車、雙線反向收車和雙線正反向收車。

利用III道收車將對后續(xù)正線運營不產生影響，包括單線正向收車、雙線正向收車、單線III道反向收車3種方案。列車正向收車作業(yè)(如圖9徑路1)時，當回段列車尾部出清道岔防護信號機(A點)后，即可辦理下一次回段作業(yè)，經計算，其正線列車的最小回段間隔為115 s，下線能力為31列/h。列車利用正線反向收車(如圖9徑路3)，相比正向收車作業(yè)，列車利用正線反向回段時需額外增加司機的換端走行時間，總時間為210 s。

不同收車作業(yè)組織方案下的收車能力計算結果如表6所示。對于單線回段方式，反向收車比正向收車的作業(yè)時間長，所以正向收車的收車能力大于反向收車。而對于雙線回段方式，兩正向收車進路存在較多沖突，而兩反向收車進路僅在列車進站時存在沖突，故反向收車能力較正向收車大。正反向收車可通過合理安排路徑，實現(xiàn)兩列車同時收車，以提高收車能力，但要求下行線路列車行車間隔時間超過210 s。雙線與單線正向收車方案下列車進站作業(yè)和回段作業(yè)進路均存在沖突，最大收車能力相等。

表6 收車能力計算結果

4 接軌站出入段作業(yè)組織分析

不同的運營時段對應不同的出入段作業(yè)需求，如早高峰前需列車快速出段，并且盡量平衡上下行的開行密度，在高峰后需根據(jù)客流情況進行收車，在平峰時期則很少需要出入段作業(yè)。根據(jù)以上出入段作業(yè)能力的計算結果，分析不同運營時段下推薦的出入段組織方案。

對于列車加車作業(yè)，在早高峰前發(fā)車時段，需由車輛段向正線快速增加列車，可優(yōu)先采用單線出段、正反向同時加車形式，使正線上下行方向快速達到需要的開行密度。當線路較短時，也可采用雙線出段正向加車形式，以快速為單一方向提供列車；線路較長時，宜采用雙線出段正反向加車，平衡兩個方向的發(fā)車間隔。雙線出段和通過III道加車的單線出段均不能滿足突發(fā)回段列車的需求。在平峰時段，由于不需要發(fā)揮最大加車能力，可采用單線出段并利用III道加車，以減少對正線運營的影響。

對于收車作業(yè)，在晚間收車時段，當線路下行方向行車間隔小于210 s時，應采用雙線正反向同時收車，否則應采用單線正向收車形式。在上下行均需調整行車密度的平峰時段，可根據(jù)具體情況安排列車利用III道正向或反向回段，以快速實現(xiàn)正線雙向行車密度的轉換。

當發(fā)車間隔不滿足順利加車或收車條件時，可通過改變后續(xù)列車在其余車站的停站時間進一步調整全線的行車間隔使接軌站的最小行車間隔滿足限制條件，確保列車的安全加車和收車作業(yè)。

5 結論

本文針對城市軌道交通接軌站出入段能力進行研究，在考慮段內區(qū)段能力充足情況下，重點對單側接軌雙島模式的出段區(qū)段的作業(yè)能力進行分析，討論了作業(yè)過程流程、作業(yè)時間、沖突條件等因素，以實際數(shù)據(jù)進行了參數(shù)計算和案例分析。主要結論如下：

(1)接軌站的上下行線路作業(yè)能力與出入線接入方向有關，順向作業(yè)的能力大于逆向作業(yè)的能力。

(2)列車加車作業(yè)受接軌站發(fā)車間隔的約束。當加車占用正線時，作業(yè)能力由出段列車和正線列車間進路時間確定；加車不占用正線時，作業(yè)能力由最小追蹤間隔和列車發(fā)車作業(yè)時間確定。當發(fā)車間隔不滿足順利加車條件時，可通過調節(jié)后續(xù)列車在各站的停站時間來滿足接軌站安全出段作業(yè)的最小行車間隔。

(3)早高峰發(fā)車時，推薦采用單線出段、正反向同時加車模式。晚間收車時，當線路下行列車在接軌站的行車間隔大于210 s時，列車才可采用正線反向收車，否則推薦采用正反向雙線收車。在平峰時段時，推薦采用通過III道收發(fā)車，以減少對正線運營的影響。