趙興東，張 蕾，謝莎婷，梅 杰，豆 飛，周 旭

（1. 交控科技股份有限公司，北京 100070；2. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

1 引言

城市軌道交通是我國大城市居民市內(nèi)出行的主要交通方式，其科學(xué)、合理的運輸組織模式是提高服務(wù)水平、節(jié)約運營成本的重要手段。虛擬編組技術(shù)可以縮短列車追蹤間隔、列車折返作業(yè)時間，提高線路通過能力，增加運能。同時，該技術(shù)也帶來了運輸組織模式的革新，可以使運能與客流的時空分布規(guī)律相匹配，以實現(xiàn)運輸效益和服務(wù)質(zhì)量的雙贏。因此，虛擬編組技術(shù)是未來城市軌道交通領(lǐng)域研究的重要方向，對基于虛擬編組技術(shù)的列車開行方案進(jìn)行研究是非常必要的。

2 研究概述

2.1 研究背景

自2014年4月歐盟“Shift2Rail”研究計劃提出以來，虛擬編組列車一直是歐洲軌道交通的重要研究方向。英國鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會（Rail Safety and Standards Board，RSSB）在Closer Running研究報告中也將虛擬編組技術(shù)作為技術(shù)路線的一個關(guān)鍵組成。此外，德國宇航中心交通事業(yè)部等機(jī)構(gòu)也對虛擬編組的機(jī)制、場景和仿真分析進(jìn)行了研究。隨著虛擬編組技術(shù)研究的逐步深入，基于虛擬編組技術(shù)的行車方案研究也應(yīng)運而生。

2.2 研究價值

虛擬編組技術(shù)在提高線路的通過能力和供需匹配能力方面有一定價值。劉嶺[1]提出了一種基于多智能體系統(tǒng)（MAS）的虛擬編組列車的協(xié)調(diào)控制模型，該模型實現(xiàn)了實時的動態(tài)調(diào)整，提高了列車的運行效率。Quaglietta[2]等人詳細(xì)介紹了虛擬編組概念，進(jìn)行了線路通過能力分析，并提出了一種可以捕獲列車運行狀態(tài)的列車跟蹤模型，證明虛擬編組能提高線路通過能力。Liu[3]等人基于虛擬編組技術(shù)，考慮實時客流，提出了一種以動態(tài)編組為主的時空調(diào)度模型，該模型能有效地根據(jù)客流時空分布不均勻特征配置運輸能力。曹源[4]等人提出重大疫情下基于虛擬編組的列車動態(tài)編組與調(diào)度方案，以提高城市軌道交通的運輸效率。

總的來說，虛擬編組技術(shù)突破了改變編組對特定場地和作業(yè)時間的限制，使對列車開行方案的優(yōu)化和設(shè)置更加靈活。

（1）虛擬編組技術(shù)通過實時在線聯(lián)掛和解編，可拓展大小交路、跨線運行、快慢車運行等既有組織模式的實現(xiàn)方式，形成新的列車運行組織模式。

（2）虛擬編組技術(shù)可提升列車實時進(jìn)入、退出與改變運用狀態(tài)的效率，針對運營中斷與運營擾動，將形成新型的調(diào)度調(diào)整策略。

（3）虛擬編組技術(shù)將更新列車追蹤運行、車站到發(fā)、越行、折返、出入段等作業(yè)過程與時間標(biāo)準(zhǔn)，可以縮短列車的追蹤間隔[5-6]和折返時間[7-8]，從而提高線路的通過能力。

3 虛擬編組下行車方案分析

列車開行方案是城市軌道交通日常運營組織的基礎(chǔ)，對合理配置列車運力資源，均衡交通供給和需求之間的關(guān)系具有重要意義。因此，在編制列車開行方案之前，首先需要明確影響列車開行方案的主要因素。目前針對列車開行方案的影響因素已有一定研究。韋子文[9]從乘客出行需求和客流分布特征、運力資源、行車條件3方面分析列車開行方案的影響因素。劉猛[10]對客流分布特征、乘客出行需求、企業(yè)提供的運力資源、設(shè)施設(shè)備條件等方面進(jìn)行研究。許得杰[11]、王慧[12]、劉澤原[13]重點從客流需求、運力資源、行車條件3方面分析其對列車開行方案的影響。本文將影響列車開行方案的主要因素歸納為以下4個方面。

（1）客流分布特征。主要包括客流時間分布特征和空間分布特征。時間分布特征是指研究時段內(nèi)不同時間的客流強度的差異性。空間分布特征是指在線路的不同方向和不同位置客流強度的差異性。

（2）乘客出行需求?？茖W(xué)合理的開行方案要最大程度地滿足乘客出行需求，保持對乘客的足夠吸引力，以保證良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。因此，城市軌道交通系統(tǒng)應(yīng)從安全性、直通性、快捷性、舒適性等幾個方面來滿足乘客出行需求。

（3）運力資源。城市軌道交通線路運營企業(yè)所能提供的運力資源也是編制列車開行方案的重要影響因素，列車運用數(shù)量、企業(yè)運營成本、運輸組織復(fù)雜性和車站客運組織水平對列車開行方案的編制產(chǎn)生重要的影響。

（4）行車條件。城市軌道交通系統(tǒng)中車站和線路上的設(shè)備、設(shè)施條件是列車開行方案編制與實施的基礎(chǔ)，主要考慮線路通過能力、折返站折返能力等因素。虛擬編組技術(shù)能夠縮小列車追蹤間隔，提高線路通過能力；同時該技術(shù)能增強列控系統(tǒng)的實時性，提高折返站折返能力。

4 首都機(jī)場線開行方案設(shè)計

基于虛擬編組技術(shù)下列車可實時解編或重聯(lián)的特性，以首都機(jī)場線為研究對象，提出3種列車開行方案。

4.1 線路概況

首都國際機(jī)場軌道交通線（以下簡稱“首都機(jī)場線”）是一條現(xiàn)代化的城市軌道交通線，于2008年7月19日開通，全長27.3 km，共設(shè)4座車站，其中地下站3座、高架站1座，采用4節(jié)編組L型列車，定員218人，最高速度可達(dá)110 km/h[14]。

首都機(jī)場線連接北京市區(qū)與北京首都國際機(jī)場，采用Y形回路運行，沿東直門站、三元橋站、3號航站樓站、2號航站樓站、三元橋站、東直門站的順序行駛。該線路在東直門站與地鐵2號線、13號線換乘，在三元橋站與地鐵10號線平行換乘，與奧林匹克中心區(qū)域相連。另外，在機(jī)場的2個航站樓之間還設(shè)置了聯(lián)絡(luò)線，方便機(jī)場旅客換乘，基本實現(xiàn)城市中心區(qū)和北京首都國際機(jī)場之間的點對點運營。首都機(jī)場線的開通縮短了北京首都國際機(jī)場與中心城區(qū)的通行時間，改善了首都機(jī)場的交通狀況，加強了其國際航空港的地位。

4.2 客流分析

以首都機(jī)場線2019年4月19日（周五）全天分時段客流數(shù)據(jù)為研究對象，客流情況如圖1所示，可以看出17 : 00～18 : 00的客流量最大，主要對該時段客流量進(jìn)行分析。

圖1 機(jī)場線2019年4月19日全日客流情況

機(jī)場線高峰小時客流如表1所示，T2航站樓和T3航站樓的客流量如表2所示?？梢钥闯鯰2航站樓和T3航站樓的客流量相近，因此，可以采取在某一位置將列車解編分別駛向T2航站樓和T3航站樓的方案，以提高服務(wù)水平并降低企業(yè)運營成本。

表1 機(jī)場線高峰小時客流數(shù)據(jù) 人次

表2 T2、T3航站樓客流數(shù)據(jù) 人次

4.3 開行方案

4.3.1 虛擬編組方案 1

列車反向運行，在11號道岔附近進(jìn)行解編，1列運行至T2航站樓（通過支線運行至T3航站樓匯合），1 列運行至T3航站樓，然后返回在T3航站樓虛擬重聯(lián)運行，如圖2所示。實際運行過程中，會結(jié)合運行時長進(jìn)行編組，部分列車單節(jié)運行，不采用虛擬編組形式。該方案可以方便至T2航站樓的乘客出行，節(jié)約大約11 min時間，但采用反向運行方式，信號等系統(tǒng)預(yù)計需要一定的改造。

圖2 虛擬重聯(lián)方案1

該方案的列車運行圖示意圖如圖3所示，綠線表示2編組列車虛擬重聯(lián)運行；藍(lán)線表示虛擬解編后駛向T2航站樓的列車；紅線表示虛擬解編后駛向T3航站樓的列車。為便于描述，假設(shè)列車只有2編組，第1編組開往T2航站樓，第2編組開往T3航站樓。第n列車的第2編組和第n - 1列車的第1編組在T3航站樓虛擬重聯(lián)運行。第1列車的第2編組單獨返回，最后1列車的第1編組單獨返回。

圖3 方案1列車運行圖示意圖

4.3.2 虛擬編組方案 2

列車正向運行，在13號道岔附近進(jìn)行解編，1列運行至T2航站樓（通過支線運行至T3航站樓匯合），1 列運行至T3航站樓，然后返回在T3航站樓虛擬重聯(lián)運行，如圖4所示。該方案能方便至T2航站樓的乘客出行，但是該方案新增1組道岔，設(shè)備系統(tǒng)改造預(yù)計較多，且可能存在土建條件不具備的情況。

圖4 虛擬重聯(lián)方案2

該方案各區(qū)間運行時間與方案1大致相同，列車運行圖基本一致，如圖5所示。第n列車的第2編組和第n - 1列車的第1編組在T3航站樓虛擬重聯(lián)運行。第1列車的第2編組單獨返回，最后1列車的第1編組單獨返回。

圖5 方案2列車運行圖示意圖

4.3.3 虛擬編組方案 3

列車正向運行，在13號道岔附近進(jìn)行解編，1列運行至T2航站樓（反向原路折回），1列運行至T3航站樓，然后返回至14號道岔處虛擬重聯(lián)運行，如圖6所示。該方案新增1組道岔，設(shè)備系統(tǒng)改造預(yù)計較多，且可能存在土建條件不具備的情況。另外，該方案中至T2航站樓列車?yán)閷线\行，當(dāng)發(fā)車間隔為12 min時，必須將從13號道岔至T2航站樓的運行時間控制在4.5 min（目前在6 min左右，可能不具備壓縮區(qū)間運行時間的條件），才能保證列車正常運行，后續(xù)也無法再壓縮間隔。

圖6 虛擬重聯(lián)方案3

列車運行圖示意圖如圖7所示。每列車在13號道岔處解編，分別駛向T2和T3航站樓；完成停站后2列車返回，在14號道岔處重聯(lián)，駛向東直門。

圖7 方案3列車運行圖示意圖

5 首都機(jī)場線開行方案評價

從乘客角度和企業(yè)角度出發(fā)，選取乘客候車時間和在途時間、列車走行公里和平均列車滿載率作為評價指標(biāo)，以12 min為發(fā)車間隔，對首都機(jī)場線現(xiàn)行方案和3種虛擬編組技術(shù)下的列車開行方案進(jìn)行對比分析。

5.1 指標(biāo)選取及計算

本文規(guī)定：T2、T3航站樓至東直門站為上行方向，東直門至T2、T3航站樓為下行方向，其中，T2至T3也為下行方向。

5.1.1 乘客候車時間

乘客候車時間：

式（1）、式（2）中，qij表示ij間的客流；I表示發(fā)車間隔；tw表示乘客總候車時間。

5.1.2 乘客在途時間

上行方向乘客在途時間：

下行方向乘客在途時間：

式（3）、式（4）中，tz+表示上行方向乘客在途時間，tz-表示下行方向乘客在途時間；qij表示ij間的客流；tym表示列車在區(qū)間m的運行時間；ttn表示乘客在n站的停站時間。第一站為起始站（東直門站），第a站為共線區(qū)段最后一站（三元橋站），第N1為交路1最后一站（T2站），第N2站為交路2最后一站（T3站）。

5.1.3 列車走行公里

列車走行公里：

式（6）、式（7）中，k = 1為開往T2航站樓的交路，k = 2為開往T3航站樓的交路；Lk表示k交路的長度；L23表示下行方向列車從T2航站樓到T3航站樓的長度；fk表示k交路的發(fā)車頻率；nk表示k交路的編組輛數(shù)；Lf表示兩車虛擬重聯(lián)后下行方向的長度。

5.1.4 平均列車滿載率

區(qū)間x上行方向的滿載率：

所有區(qū)間的平均斷面滿載率：

式（8）～式（10）中，γx

5.2 方案評價及對比

5.2.1 參數(shù)取值

各方案區(qū)間運行時間及停站時間如表3所示，各方案區(qū)間的運行里程如表4所示，各方案客流數(shù)據(jù)如表5所示。各方案的列車定員為每節(jié)定員218人，全列定員872人。

表3 區(qū)間運行時間及停站時間 min

表4 區(qū)間運行里程 km

表5 各站點客流數(shù)據(jù) 人次

5.2.2 指標(biāo)對比

根據(jù)指標(biāo)計算的方法及參數(shù)，對各指標(biāo)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表6所示。

表6 各方案指標(biāo)值

從4個指標(biāo)來看，由于4種方案發(fā)車間隔一樣，每站點客流量相同，因此，乘客候車時間一致。

方案1、方案2的乘客在途時間比現(xiàn)行方案減少14.1%；方案1、方案2的列車走行公里比現(xiàn)行方案減少9.2%；方案1、方案2的平均列車滿載率提高33.9%，更加充分利用了列車運能。方案1和方案2的各項指標(biāo)大致相同，但方案2需要增加1組道岔，可能存在不可行問題。

方案3的乘客在途時間比現(xiàn)行方案減少24.9%；方案3的列車走行公里比現(xiàn)行方案減少13.8%；方案3的平均列車滿載率提高31.7%，更加充分利用了列車運能。雖然方案3在各項指標(biāo)上較好，但是該方案需要提高列車在13號道岔和T2航站樓之間的運行速度，將運行時間縮短至4.5 min，預(yù)計很難實現(xiàn)，可行性較小。且方案 3必須保持較大的發(fā)車間隔，不利于遠(yuǎn)期的發(fā)車間隔調(diào)整。

從方案指標(biāo)計算情況來說，虛擬編組技術(shù)下的3種列車運行方案與現(xiàn)行方案相比，在乘客角度和企業(yè)角度都具有一定優(yōu)勢。方案1、方案2與現(xiàn)行方案相比，在乘客在途時間、列車走行公里和平均列車滿載率3個指標(biāo)上都具有一定優(yōu)勢；方案3在乘客在途時間和列車走行公里2個指標(biāo)上具有較大優(yōu)勢。

從方案實施條件來說，方案1采用整體反向運行的模式，需要對信號系統(tǒng)進(jìn)行改造；方案2和方案3需要增加1組道岔，可能存在土建條件不具備的情況；另外，方案3采用拉抽屜運行方式，需要較大的行車間隔才可實現(xiàn)，限制遠(yuǎn)期的行車間隔調(diào)整。因此，方案1的可行性較高。

綜上所述，綜合考慮指標(biāo)優(yōu)化和方案可行性2方面因素，建議選擇方案1，在提高服務(wù)效率的同時降低運營成本。

6 結(jié)語

針對首都機(jī)場線實際情況，提出了3種基于虛擬編組技術(shù)的列車開行方案，該方案可以實現(xiàn)列車在某一位置解編成2列車分別駛向T2航站樓和T3航站樓，折返后在某一位置重聯(lián)成1列車駛向東直門。以首都機(jī)場線某日的高峰小時客流量為例，驗證了3種列車開行方案能有效提高乘客出行效率、降低企業(yè)運營成本。但新型列車開行方案可能存在不可行情況，因此，在選取列車開行方案時應(yīng)綜合考慮指標(biāo)優(yōu)化和方案可行性2方面因素。