馬保仁

(中國鐵路設計集團有限公司交通運輸規(guī)劃研究院，300308，天津∥高級工程師)

20世紀60年代，日本都市交通審議會將“市郊私營鐵道與地鐵按統(tǒng)一標準建設，實現(xiàn)互聯(lián)互通、直通運輸”作為工作重點[1]，持續(xù)提高軌道交通通勤服務水平，打造了“軌道上的東京都市圈”。借鑒相關經(jīng)驗，廣州都市圈、深圳都市圈新建都市圈城際鐵路：一是新建線路伸入城市核心區(qū)時，采用地下敷設方式，與城市軌道交通在付費區(qū)換乘；二是新建線路與既有鐵路銜接融合，兼具城際鐵路和市域(郊)鐵路雙重功能，打造都市圈通勤圈；三是新建線路滿足公交化運輸組織需求。在2022年前，粵港澳大灣區(qū)將啟動建設深惠城際(含大鵬支線)、深圳機場至大亞灣城際(簡稱“深大城際”)[2]等都市圈城際鐵路。結合前期研究成果，這些線路平均站間距為6～8 km，適于采用160 km/h速度目標值；主要服務市域通勤需求，兼顧跨區(qū)域組團間直連直通，分時段運輸組織靈活，對線路通過能力要求高。為更好地適應乘客便捷換乘、隨到隨走的需要，車站盡量避免設置多站臺、多股道，折返站結合敷設條件參照地鐵布置型式。

折返能力是都市圈城際鐵路線路通過能力的控制環(huán)節(jié)，主要由列車運行控制(以下簡稱“列控”)系統(tǒng)制式、車站配線形式和折返作業(yè)組織方式、列車最高運行速度、車輛加減速性能、停站時間及列車長度等因素綜合確定[3]。在我國，城市軌道交通列控系統(tǒng)多采用CBTC(基于通信的列車控制)制式，其折返能力研究相對成熟[4]；高速鐵路列控系統(tǒng)制式以CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))為主，結合鐵路客運組織和技術作業(yè)條件，其地面站采用“空間換時間”[5]的方式來實現(xiàn)設計折返能力。對于采用CTCS2制式的都市圈城際鐵路，其折返能力和折返作業(yè)組織方法作為新技術研發(fā)[6]的基礎，正越發(fā)受到關注。

1 都市圈城際鐵路列車開行方案

根據(jù)深圳都市圈城際鐵路研究年度遠期(2050年)線網(wǎng)開行方案(如圖1所示)，在高峰時段，深惠城際開行列車17對/h，深大城際開行列車16對/h。考慮為深大城際和深惠城際在五和站跨線運行留有一定的運營調(diào)整裕量，線路設計折返能力不宜低于20對/h。為實現(xiàn)設計折返能力，T4樞紐站作為深大城際端點折返站[2]，相鄰列車在該站折返間隔不宜大于180 s。

圖1 深圳都市圈城際鐵路研究年度列車開行方案

2 T4樞紐站折返間隔影響因素分析

2.1 T4樞紐站車站布置方案

T4樞紐站采用一島兩線站后折返布置(如圖2所示)。站后交叉渡線采用12#道岔。道岔限速為50 km/h。

2.2 列控系統(tǒng)制式

考慮與既有鐵路跨線運營，從與之技術標準相協(xié)調(diào)角度考慮，暫假定深圳都市圈城際鐵路列控系統(tǒng)采用CTCS2+ATO(中國列車運行控制系統(tǒng)二級結合列車自動運行)制式，列車能夠自動進入折返線停穩(wěn)[7]。

相鄰列車在T4樞紐站進站時的追蹤過程如圖2所示。當前行列車(G101)尾部出清站臺區(qū)段后，列控系統(tǒng)開始為后行列車(G103)辦理接車進路，且辦理用時為26 s。若前行列車未能出清站臺區(qū)段，則后行列車制動停穩(wěn)于距站臺區(qū)段進站信號機前方L防處。

圖2 相鄰列車在T4樞紐站進站時的追蹤過程示意圖

如圖3所示，相鄰列車在T4樞紐站出發(fā)時的追蹤出站時，前行列車(G101)尾部出清第一離去區(qū)段后，列控系統(tǒng)開始為后行列車(G103)辦理發(fā)車進路，且辦理用時為26 s。

圖3 相鄰列車在T4樞紐站出發(fā)時的追蹤過程示意圖

2.3 列車折返作業(yè)程序

列車折返作業(yè)程序同列控系統(tǒng)制式、乘務組織及司機操作流程等有關，其包括自列車完全進入折返線停穩(wěn)時起，至列車開始駛離折返線時止，列車在折返線上所進行的全部技術作業(yè)流程。經(jīng)過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單司機作業(yè)與雙司機作業(yè)在技術上均可行。通過去掉復核性冗余操作、使司機操作熟練，對常規(guī)作業(yè)進行優(yōu)化，現(xiàn)場記錄優(yōu)化前后的列車折返作業(yè)程序及平均用時，見表1。

表1 現(xiàn)狀折返作業(yè)程序?qū)憣?/p>

從表1中可以看出：在列車折返線作業(yè)中，單司機作業(yè)優(yōu)化前平均用時為765 s，優(yōu)化后用時可壓縮至565 s；雙司機作業(yè)優(yōu)化前用時為500 s，優(yōu)化后用時可壓縮至335 s。本文不考慮司機熟練度及冗余作業(yè)的影響，故僅按優(yōu)化后用時進行分析。

2.4 其他參數(shù)

動車組的車長按201.4 m計算?？紤]乘客舒適度，兼顧動車組快啟快停需求，列車最大減速度按0.9 m/s2控制[8]。

3 T4樞紐站折返間隔檢算及壓縮策略

3.1 基本方案

基本方案為雙司機作業(yè)、單折返線折返。由表1可知，基本方案折返作業(yè)平均用時為335 s。基本方案折返作業(yè)流程如圖4所示。以利用II道單線折返為例，前行折返列車尾部出清警沖標AC2時，后行折返列車即可接入II道。

由圖4可知，基本方案的折返間隔為451 s，折返能力為7對/h，未實現(xiàn)設計折返能力。

CTCS2+ATO列控系統(tǒng)將折返車站劃分為到達站臺分區(qū)、折返線分區(qū)和出發(fā)站臺分區(qū)等3個閉塞分區(qū)。列車在折返站追蹤過程可相應等效為相鄰列車在3個閉塞分區(qū)按準移動閉塞追蹤運行的過程。對列車折返作業(yè)流程進一步合并處理，如圖4 b)所示，將折返間隔重構劃分為列車占用到達站臺分區(qū)時間(即相鄰列車在到達站臺分區(qū)追蹤間隔I到達)、列車占用折返線分區(qū)時間(即相鄰列車在折返線分區(qū)追蹤間隔I折返)和列車占用出發(fā)站臺分區(qū)時間(即相鄰列車在出發(fā)站臺分區(qū)追蹤間隔I出發(fā))。

圖4 基本方案中相鄰兩列折返列車追蹤過程和列車折返作業(yè)時序圖

不難看出，相鄰列車在折返線分區(qū)實現(xiàn)最緊密追蹤，列車在折返線分區(qū)追蹤間隔是列車折返間隔的控制環(huán)節(jié)。研究壓縮T4樞紐站折返間隔，就是研究壓縮相鄰列車在折返線分區(qū)追蹤間隔。

將折返線分區(qū)追蹤過程展開如圖5所示。由圖5可以看出，由于前行列車占用進折返線咽喉，與后行列車占用出折返線咽喉不能同時發(fā)生，僅可按順序進行，故相鄰列車在折返線分區(qū)的追蹤間隔受限。針對這一情況，本文提出折返間隔壓縮策略。

圖5 相鄰列車在折返線分區(qū)的追蹤流程及時序圖

3.2 壓縮策略一

折返間隔的壓縮策略一為雙司機作業(yè)、多折返線交替折返策略。列車在折返線上的作業(yè)時間(335 s)較長,故提出增設折返線，組織多列車在折返站平行作業(yè)，進而壓縮列車折返間隔。在該策略基礎上，細化為雙折返線交替折返方案與三折返線交替折返方案。

3.2.1 雙折返線交替折返方案

在雙折返線交替折返方案中，I道與II道交替使用。通過調(diào)整，使列車進折返線占用咽喉與出折返線占用咽喉時間緊密接續(xù)。相鄰列車在折返站追蹤時序為：

第1步：①車在II道停車。

第2步：在①車完全進入II道后，即可辦理②車進I道進路。

第3步：在①車完成折返線作業(yè)后，即可辦理出II道(進入出發(fā)站臺)。此時，不影響②車進入I道停車(出II道與進I道形成平行進路，可同步進行)。

第4步：①車尾部出清II道時，即可辦理③車接入II道進路。

第5步：③車完全進入II道后，即可辦理②車出I道的進路。

第6步：②車尾部出清I道后，即可辦理④車接入I道進路。

連續(xù)3列列車為1個周期。此后重復第3步至第6步。

該方案的流程及時序如圖6所示。

經(jīng)檢算，雙司機作業(yè)、雙折返線交替折返時，折返能力為15對/h，未能實現(xiàn)設計折返能力。

3.2.2 三折返線交替折返方案

在三折返線交替折返方案中，3條折返線(Ⅰ道、Ⅱ道及Ⅲ道)交替使用。通過調(diào)整,使列車進折返線占用咽喉與出折返線占用咽喉時間緊密接續(xù)。相鄰列車在折返站追蹤時序為：

第1步：①車在Ⅲ道停車。

第2步：①車完全進入Ⅲ道后，即可辦理②車進Ⅱ道進路。

第3步：②車完全進入Ⅱ道后，即可辦理③車進Ⅰ道進路。

第4步：①車完成折返線作業(yè)后，即可辦理出Ⅲ道(進入出發(fā)站臺)。此時，不影響③車進Ⅰ道停車(出Ⅲ道與進Ⅰ道形成平行進路，同步進行)。

第5步：②車完成折返線作業(yè)后，即可辦理出Ⅱ道(進入出發(fā)站臺)。

第6步：②車尾部出清Ⅱ道時，即可辦理④車進Ⅲ道進路。

第7步：④車完全進入Ⅲ道后，即可辦理③車出Ⅰ道進路。

第8步：③車尾部出清Ⅰ道時，即可辦理⑤車進Ⅱ道進路。

連續(xù)4列列車為1個周期。此后重復第4步至第8步。

該方案的折返線布置及折返流程時間如圖7所示。

圖7 三折返線交替折返方案的列車作業(yè)流程及時序圖

經(jīng)檢算，相對雙折返線交替折返方案，雙司機作業(yè)、三折返線交替折返方案的折返能力為16對/h，雖有一定提升，卻仍未能實現(xiàn)設計折返能力。

3.3 壓縮策略二

壓縮策略二為優(yōu)化折返作業(yè)組織策略，通過合理排布列車折返作業(yè)時序，優(yōu)化折返作業(yè)組織，進而壓縮折返作業(yè)間隔。以三折返線交替折返方案為例，如圖8所示，調(diào)整④車進入Ⅲ道與①車駛離Ⅲ道接續(xù)，調(diào)整②車在Ⅱ道等待，可將列車折返間隔壓縮至180 s，實現(xiàn)設計折返能力。

圖8 優(yōu)化后的三折返線交替折返方案列車作業(yè)流程及時序圖

4 折返線作業(yè)時間優(yōu)化及數(shù)值規(guī)律

4.1 雙折返線的作業(yè)時間優(yōu)化

都市圈城際鐵路一般會在斷面客流量突降的中間站設置折返站。小交路折返由于不宜占用正線，故至多采用雙折返線交替折返方案。

如圖9所示：使列車占用進折返線咽喉與占用出折返線咽喉流程緊密接續(xù)，當列車的折返線作業(yè)時間壓縮為244 s時，列車折返間隔為180 s，可以實現(xiàn)設計折返能力。當組織列車在雙折返線交替作業(yè)時，因折返作業(yè)存在平面交叉，前行折返列車即便提前完成駕駛室換向等技術作業(yè)，也需在出清折返線前等待后行列車進入折返線，因而列車在折返線上停留的時間不能低于206 s。據(jù)此計算，此方案中留有38 s調(diào)節(jié)裕量。

結合圖9中的反算結果，如站后組織列車雙折返線交替折返，則需在當前折返線作業(yè)時間(335 s)基礎上進一步核減91 s。司機號、車次號及載頻信息等信息可從CTCS的列車計劃中獲得并由司機手動輸入，CCS編號、電話號、列車參數(shù)可由ATP軟件從配置中讀取。由此，建議優(yōu)化DMI(列控車載人工界面)數(shù)據(jù)輸入，以ATP軟件自動錄入代替人工輸入，并由司機在發(fā)車前一鍵確認，同時省略ATP激活后的制動測試[5]。此時，折返線作業(yè)時間可壓縮至120～215 s，低于折返線作業(yè)時間閾值244 s，不再制約180 s折返間隔的實現(xiàn)。

圖9 雙折返線交替折返方案下反算折返線作業(yè)時間閾值

4.2 單折返線的作業(yè)時間優(yōu)化

當站后折返站折返線與停車線合并設置時，需以單折返線來實現(xiàn)設計折返能力。

如圖10所示，使列車占用進折返線咽喉與占用出折返線咽喉緊密接續(xù)。當列車在單折返線上的作業(yè)時間為64 s時，列車追蹤間隔為180 s，能實現(xiàn)設計折返能力。

圖10 單折返線條件下反算折返線作業(yè)時間閾值

結合圖10中的反算結果，為實現(xiàn)設計折返能力，需在雙折返線作業(yè)時間優(yōu)化的基礎上，將折返線作業(yè)時間進一步核減64～151 s。通過動車組增設貫通線或車站增加無線設備等技術改造手段，將折返線上技術作業(yè)時間(表1中的步驟2至步驟7、步驟9至12)壓縮至3 s；考慮折返線上僅司機乘降，不考慮各車門上下客的不均衡延誤和站臺門的開關門延緩時間，僅考慮開門時間3 s、關閉車門(含預告時間)時間6 s和關門后列車起動反應時間2 s，將列車停穩(wěn)確認開門時間從20 s壓縮至11 s。此時，單折返線作業(yè)時間可壓縮至64 s，能實現(xiàn)設計折返能力。

4.3 相關數(shù)值規(guī)律分析

針對不同折返線數(shù)量，反算得出折返線作業(yè)時間閾值，依此推演折返線上技術作業(yè)時間與折返線數(shù)量的等量關系：

1) 采用三折返線交替折返時，任一折返列車占用折返線時間為540 s。

2) 采用雙折返線交替折返時，任一折返列車占用折返線時間為360 s；

3) 采用單折返線折返時，任一折返列車占用折返線時間為180 s。

由此可知，折返線數(shù)量N、任一列車占用折返線時間t占和實現(xiàn)設計折返能力的折返間隔I系統(tǒng)之間存在等量關系：

式中：

t作業(yè)——辦理進折返線進路時間；

t進折返線——列車開始駛離到達站臺，至列車完全進入折返線；

t換——列車換端時間；

t延——列車完成換端后，因等待后行列車進入其他折返線，需在開始駛離折返線前等待時間；

t出折返線——列車開始駛離折返線，至列車尾部完全出清折返線時間。

考慮I系統(tǒng)受相鄰列車在到達站臺分區(qū)追蹤間隔I到達、相鄰列車在出發(fā)站臺分區(qū)追蹤間隔I出發(fā)中較大值控制，且為列車進、出折返線咽喉留有調(diào)整，其取值應滿足約束條件：

s.t.I系統(tǒng)≥max[t進折返線+t作業(yè)+t出折返線+

t作業(yè),I到達,I出發(fā)]

5 結語

1) 提出基于CTCS2+ATO列控系統(tǒng)的折返間隔計算方法和控制因素。結合折返站列車追蹤流程，將基于CTCS2+ATO列控系統(tǒng)的折返過程分解為列車在到達站臺分區(qū)、折返線分區(qū)和出發(fā)站臺分區(qū)按準移動閉塞追蹤運行的過程，識別折返間隔的控制因素為折返線分區(qū)追蹤間隔。

2) 提出都市圈城際鐵路折返能力提升策略并計算論證。論證結果表明，在雙司機、站后三折返線交替折返時，通過優(yōu)化折返作業(yè)組織，能夠?qū)崿F(xiàn)設計折返能力。

3) 提出了N、t占與I系統(tǒng)的數(shù)值關系，以期為都市圈城際鐵路配線設計、運營管理規(guī)程編制和自動折返有關技術研發(fā)提供理論指引。