范海寧 何勇浩

(1.上海電氣泰雷茲交通自動化系統(tǒng)有限公司，上海，201206；2.深圳地鐵運營集團有限公司，深圳，510840 ∥ 第一作者，工程師)

在全天不同運營時段，城市軌道交通斷面客流分布不均勻，早晚高峰或臨時性大客流時段客流強度大，其余時段客流相對不飽和，客流呈潮汐分布態(tài)勢。通過調研和相關研究發(fā)現，大部分線路平峰期間滿載率不足六成，列車滿載率低，造成運力和能源浪費，以及運營成本增加。

大客流情況下運力不足，小客流情況下能源浪費大、運營服務水平低(運營間隔大)，這一矛盾越來越明顯，急需一種能夠靈活應對這一矛盾，同時又能減少運營成本的方案。本文基于靈活編組的需求分析，提出了靈活編組的功能需求和實現方式。

1 列車靈活編組的需求分析及應用案例

1.1 需求分析

城市軌道交通運營部門主要關心的三點是：上線運營列車的運能能夠應對客流變化的挑戰(zhàn)，列車開行成本最低，運營服務水平持續(xù)穩(wěn)定。

城市軌道交通各線路斷面客流不均衡，同線路不同運營時段客流也不均衡，如果按常規(guī)的列車編組方式，采用固定編組，在客流高峰時段，按照長編組、高密度組織行車，則能夠應對客流壓力；但在平峰階段，如果仍以長編組、低密度組織行車，則必然會造成運營能耗增加，造成運力和能源的浪費，同時，開行對數的降低，必然會降低運營服務水平(運營間隔大)。

基于運營部門的客觀需求，在客流高峰期，采用長編組(固定長編組和短編組組合)的運營模式；在客流平峰期間，采用長編組(固定長編組)+短編組的組合運營模式，通過采用靈活編組的方式，能夠根據不同的客流需求實現精準運能投放，降低運營成本，同時使運營服務水平保持相對較高的水平。

1.2 應用案例

國內采用靈活編組的代表性線路有廣州地鐵3號線和上海軌道交通16號線，國外采用靈活編組的、比較有特點的線路有溫哥華天車線和肯尼迪機場線。

廣州地鐵3號線列車采用“3+3”聯(lián)掛方式，每一短編組列車的3輛車的編組形式為“帶司機室動車-拖車-帶司機室動車”，這種型式保證可從任意方向聯(lián)掛編組成長編組列車。聯(lián)掛或解編后的列車可以實現ATP/ATO(列車自動保護/列車自動運行)功能。同時信號系統(tǒng)可以對這些列車進行時刻表編輯，滿足運營的調整需要[1]。信號系統(tǒng)通過完整性識別及VOBC(車載控制器)識別來確認列車在線聯(lián)掛和解編后的列車編組變化情況。

上海軌道交通16號線大部分線路位于郊區(qū)，設計初期，列車按3節(jié)編組；遠期，列車按“3+3”重聯(lián)編組。3節(jié)編組列車肩負“大站車”使命，僅在龍陽路站、羅山路站、新場站、惠南站、臨港大道站、滴水湖站?？?。

溫哥華天車線在1986年首次投入運營時，在高峰期和重大活動期間，列車按4節(jié)編組運營；在平峰期和節(jié)假日期間，列車按2節(jié)編組運營。

肯尼迪機場線列車的編組形式有1節(jié)編組、2節(jié)編組、3節(jié)編組和4節(jié)編組。在夜晚低谷期，列車按1節(jié)編組運營；在高峰期，列車按4節(jié)編組運營。列車可以雙向折返運行。

2 靈活編組功能的實現

本文以深圳地鐵9號線工程為例，研究和討論3節(jié)編組列車聯(lián)掛、解編的功能需求和實現方案。為實現靈活編組，采用“3+3”編組方式替代6節(jié)固定編組，“3+3”編組列車可解編為2列3節(jié)編組列車。

2.1 靈活編組方案

1) 聯(lián)掛：將2列3節(jié)編組列車通過全自動電氣車鉤以人工/自動的方式進行重聯(lián)，擴編為6節(jié)編組(3+3)列車。在聯(lián)掛過程中，司機不需要下車作業(yè)。聯(lián)掛后，2列3節(jié)編組列車的控制硬線和網絡等都能進行重聯(lián)，車輛和信號系統(tǒng)支持擴編列車的運行。

2) 解編：是聯(lián)掛的逆向過程?！?+3”編組列車通過全自動電氣車鉤以人工/自動的方式進行車輛脫鉤解編，分離為2列獨立的3節(jié)編組列車。在解編過程中，司機不需要下車作業(yè)。解編后，2列3節(jié)編組列車的控制硬線和網絡等都能進行重聯(lián)，車輛和信號系統(tǒng)支持2列3節(jié)編列車的獨立運行。

3) 長短編混跑：增購列車采用3節(jié)編組，實施靈活編組方案后，線路上將可能出現3節(jié)編組、6節(jié)編組和“3+3”編組3種編組列車。不同編組列車具備不同的運能，運營使用者可根據全日客流變化制定運營組織方案。

適應全日客流變化的運營組織方案是指，在目前預測客流水平情況下，為保持服務水平[2]，在高峰小時開行大編組列車(包括6節(jié)編組和“3+3”編組)，在平峰時段開行部分或全部小編組(6節(jié)編組和部分3節(jié)編組，或者全部3節(jié)編組)、高密度列車。

聯(lián)掛、解編的列車數量需依據客流的實際需要和運營組織相關人員配置，并結合運營間隔所需，進行統(tǒng)籌考慮。混跑列車的比例可以根據客流變化進行調節(jié)。

在具體設計工作中，需根據線路初期、近期和遠期的分時段客流，在考慮一定能力儲備的前提下，分別計算不同編組列車的客流適應性，并進行全日行車計劃編排[3]。

2.2 功能需求

1) 車輛：為支持2列3節(jié)編組列車的聯(lián)掛、解編，車輛的列車功能至少包括牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、列車控制、車門系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等的功能[4]。

2) 信號系統(tǒng)：為支持2列3節(jié)編組列車的聯(lián)掛、解編，信號系統(tǒng)功能至少包括以下部分：

(1) 冗余功能：3節(jié)編組列車采用的應是熱備冗余的車載設備架構。當2列3節(jié)編組編列車聯(lián)掛后，處于列車中間位置的2個信號系統(tǒng)設備斷電、退出工作(外部電路控制)；聯(lián)掛后，新的頭端和尾端車載設備需要建立通信和工作，并形成新的熱備冗余架構。

(2) 網絡重構：信號車載網絡的架構設計應能保證當列車聯(lián)掛或解編后，網絡上各設備間的通信都能維持正常的功能需要。

(3) 車型車號：信號系統(tǒng)應能根據聯(lián)掛或解編狀態(tài)下的各類輸入，自動判斷和識別當前列車的編組情況；信號系統(tǒng)根據聯(lián)掛或解編狀態(tài)來重新分配車號。

(4) 列車參數：信號系統(tǒng)固定存儲該線路上所有可能編組類型列車的參數。當軟件判斷出聯(lián)掛列車編組類型后，加載與之相匹配的列車參數；信號系統(tǒng)根據新編組列車參數進行計算和控制。

(5) 作業(yè)區(qū)域：對聯(lián)掛、解編的作業(yè)區(qū)域設定，除了需滿足信號系統(tǒng)本身功能需求限定條件以外，還要結合實際的線路條件和車輛參數，最終需滿足業(yè)主方的規(guī)定和需要。聯(lián)掛、解編的作業(yè)區(qū)域一旦確定以后，需將其設定為數據庫中新的參數。

(6) 命令控制：信號系統(tǒng)模式下，聯(lián)掛、解編的命令控制可由中央ATS(列車自動監(jiān)控)人工下發(fā)，車輛自動執(zhí)行作業(yè)。當ATS下發(fā)命令以后，信號車載設備根據當前條件將命令下達至車輛，通過ATP/ATO控制功能進行作業(yè)防護，最終實現聯(lián)掛或解編。

(7) 停站對位：信號系統(tǒng)需具備不同編組列車到站后對位停準的功能。

(8) 開關門控制：信號系統(tǒng)需支持3節(jié)編組和6節(jié)編組列車到站后車門的開關與站臺門開關保持關聯(lián)性。

(9) 軌旁通信：信號系統(tǒng)需支持列車在聯(lián)掛、解編前后，維持車載與軌旁的持續(xù)通信，以使聯(lián)掛、解編后的列車能快速投運。

(10) 人機界面：信號車載人機界面(TOD)應支持聯(lián)掛、解編的列車的狀態(tài)信息顯示。中央ATS(列車自動監(jiān)控)工作站調度界面應支持聯(lián)掛、解編的列車的狀態(tài)信息顯示，應包括聯(lián)掛、解編的作業(yè)操作界面，應能對3節(jié)編組、6節(jié)編組和“3+3”編組列車進行區(qū)別顯示。

(11) 運行圖/時刻表：運行圖、時刻表的設計應支持聯(lián)掛、解編的不同編組列車運行班次調整需要，包括計劃班次和臨時調整。

3) 站臺門功能：靈活編組下將出現3節(jié)編組、6節(jié)編組和“3+3”編組列車(默認“3+3”編組情況下站臺門能全開)混跑的情形，站臺門系統(tǒng)功能至少包括以下部分：

(1) 區(qū)分不同編組列車開關站臺門：可根據到站列車的不同編組情況，對應開啟不同區(qū)域、不同數量的站臺門。

(2) 信號系統(tǒng)正常模式下聯(lián)動控制功能：在信號系統(tǒng)正常模式下，軌旁設備會根據到站列車的不同編組情況發(fā)給站臺門不同的控制命令。

(3) 降級模式下手動控制功能：在信號故障或其它降級模式下，司機需要手動開關站臺門，站臺門設備以及PSL(就地控制盤)應具備對應不同編組列車的使能、開關門、互鎖解除等控制功能。

4) PIS(乘客信息系統(tǒng))功能。

(1) 列車聯(lián)掛狀態(tài)下，2列3節(jié)編組列車PIS系統(tǒng)的信息統(tǒng)一傳輸與控制。

(2) 當不同編組列車進站時，地面PIS能根據信號系統(tǒng)的報文通知，顯示不同編組列車到站的相關信息。

5) 廣播功能：當不同編組列車進站時，PA(廣播)系統(tǒng)能根據信號系統(tǒng)的報文通知，廣播不同編組列車到站的相關信息。

2.3 功能實現

基于上文中關于列車聯(lián)掛和解編的功能需求分析，提出信號系統(tǒng)改造方案的主要內容：

1) 信號軌旁設備硬件補點和軟件升級。

(1) 信標：所有站臺新增應答器，存車線、虛擬站臺、試車線等處視需要新增應答器。

(2) 接近盤：所有站臺新增精確停車應答器，存車線、虛擬站臺、試車線等處視需要新增應答器。

(3) 移動授權單元(MAU)數據庫更新，參數表更新等。

(4) 移動授權單元軟件功能升級，以支持靈活編組。

(5) 計算機聯(lián)鎖單元(PMI)軟件升級，以支持不同編組列車到站后，車門開關與站臺門聯(lián)動。

2) 信號ATS系統(tǒng)改造：ATS系統(tǒng)設計、軟件升級支持聯(lián)掛、解編作業(yè)，以及靈活編組情形下的圖形圖標顯示。

(1) ATS界面改造：增加操作對話框、圖形顯示、信息提醒等功能。

(2) 列車車次號顯示。

(3) 運行圖、時刻表顯示。

3) 與站臺門接口的改造設計：ZC(區(qū)域控制器)與站臺門接口需增加輸出接口，用于控制不同編組列車到站后開關站臺門。ZC向PSD(屏蔽門)系統(tǒng)每個車站(兩站臺)的輸出命令應按站臺前部開門命令、站臺后部開門命令、站臺前部關門命令、站臺后部關門命令的順序在ZC輸出板卡上排列。表1為開關門繼電器動作與站臺門動作和控制命令之間的關系。

表1 開關門繼電器動作與站臺門動作和控制命令之間的關系對應表

4) 與PIS、PA的接口改造：信號系統(tǒng)與PIS和PA間的基本協(xié)議保持不變。協(xié)議中有一項train ID參數，為適應不同編組列車的乘客信息告知，信號系統(tǒng)對不同編組列車分配不同的train ID。PIS和PA可每次依據收到的train ID參數來關聯(lián)不同的車長信息，以呈現不同的列車信息。

3 經濟效益分析

城市軌道交通的能耗主要包括固定設施能耗和移動能耗。固定設施能耗主要指地面設施，如通風空調、照明、電扶梯等的能耗；移動能耗又由列車牽引能耗和列車輔助能耗組成。列車牽引能耗占城市軌道交通總能耗的一半以上，降低牽引能耗可產生巨大的經濟效益[5]。

根據深圳地鐵9號線的能耗統(tǒng)計數據， 9號線(含一期、二期)年總用電量為19 710萬kWh，其中牽引用電量為7 884萬kWh，占總用電量的40%。平峰期列車開行對數占比約為60%，故9號線平峰期日均牽引用電量約為12.96萬kWh。

根據9號線已運營階段的能耗統(tǒng)計數據的預測計算結果為：在同一運行圖運營情況下，平峰期若采用3節(jié)編組列車替代6節(jié)編組列車進行運營，節(jié)能率能達到40%。即當9號線平峰期全部采用3節(jié)編組列車時，日均節(jié)電量約為5.18萬kWh。每度電按照0.7元計算[6]，全年可節(jié)省1 323.49萬元。

4 結語

采用靈活編組運營模式可以在平衡運營能力的同時，降低運營成本，符合運營部門的客觀需求。本文從靈活編組的功能需求入手，分析聯(lián)掛和解編的功能需求和實現方式，并從經濟效益角度論證靈活編組方式具備良好的經濟效益。靈活編組技術已逐漸成熟，未來，靈活的編組運營與全自動運行技術[7]結合，在正線混編運營、列車聯(lián)掛救援等運營場景下將得到更多的應用。