白佳薇，張 琦，魯 放

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

1 研究背景

我國大城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模日漸擴(kuò)大，以“站站?！睘橹鞯倪\(yùn)營組織模式無法滿足不同層次乘客的出行需求。上海、廣州、成都等國內(nèi)超大型城市借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)建設(shè)了快慢車運(yùn)行的城市軌道交通線路?？炻囘\(yùn)行雖然能減少遠(yuǎn)距離乘客的旅行時(shí)間，但仍存在慢車乘客旅行時(shí)間增加、運(yùn)行圖不平行鋪畫而造成通過能力損失等問題，虛擬編組這一新技術(shù)的發(fā)展有望改進(jìn)傳統(tǒng)的快慢車運(yùn)行模式。

虛擬編組技術(shù)是指使用無線通信代替機(jī)械聯(lián)掛，通過車-車之間的無線通信，使后車獲取前車的運(yùn)行狀態(tài)[1]，實(shí)現(xiàn)相同或不同型號列車在運(yùn)營過程中實(shí)時(shí)、快速地重聯(lián)或解編。城軌線網(wǎng)應(yīng)用虛擬編組技術(shù)后，同一線路上的不同車次列車可根據(jù)運(yùn)營需求，在車站停車狀態(tài)下或在區(qū)間不停車狀態(tài)下，進(jìn)行動態(tài)重聯(lián)或解編(見圖1)[2]。這種實(shí)時(shí)在線的解編模式不僅縮短了列車追蹤間隔，更帶來了運(yùn)行組織模式的革新。

圖1 虛擬編組列車的虛擬解編聯(lián)掛 Figure 1 Train marshaling/unmarshaling realized through the technology of virtual coupling

虛擬重聯(lián)列車的雛形來自于Bock 等提出的“virtually coupled train formations(虛擬重聯(lián)列車編隊(duì))”設(shè)想[3]，列車不再通過物理車鉤進(jìn)行聯(lián)掛，而是通過車與車之間的無線通信保持一定的距離運(yùn)行(見圖2)。國內(nèi)外許多學(xué)者研究討論了虛擬編組的基本概念，實(shí)現(xiàn)了虛擬編組所需要的技術(shù)支持，并指出虛擬編組技術(shù)因其前所未有的靈活性，將徹底改變軌道交通現(xiàn)有的運(yùn)營模式[4-7]。SCHUMANN T[8]在日本新干線上通過DFSimu 模擬器，對東京—大阪區(qū)段運(yùn)用虛擬編組進(jìn)行模擬運(yùn)行，結(jié)果顯示虛擬編組能夠提升線路通過能力。荀徑等[9]圍繞虛擬重聯(lián)運(yùn)行仿真和性能衡量，提出了虛擬重聯(lián)模型和改進(jìn)的車站追蹤模型，從制動距離和車站通過能力的角度，研究了虛擬編組列車的運(yùn)行性能。針對虛擬編組技術(shù)對車站和線路通過能力的具體影響，Liu 等[10]提出了一種虛擬編組技術(shù)下的智能調(diào)度與協(xié)調(diào)控制方法，用于車站進(jìn)站和離站操作的有效時(shí)空路徑規(guī)劃，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法可以顯著提高車站的通行能力。Wang 等[11]分別對列車在物理聯(lián)掛和虛擬編組條件下的操作組織和技術(shù)特征進(jìn)行分析，提出適用于城市軌道交通、郊區(qū)鐵路等 線路通過能力的計(jì)算方法。

圖2 虛擬編組前后的對比 Figure 2 The comparison between before and after virtual coupling

國內(nèi)外針對虛擬編組的既有研究主要集中于車站和線路的通過能力、車輛和相關(guān)列車運(yùn)行控制領(lǐng)域，對虛擬編組技術(shù)支持下的列車運(yùn)行組織模式的研究尚在起步階段。本研究針對傳統(tǒng)快慢車運(yùn)行組織模式中存在的問題，分析了虛擬編組技術(shù)支持快慢車組織模式的技術(shù)優(yōu)勢，提出了虛擬編組技術(shù)應(yīng)用下傳統(tǒng)快慢車組織模式的突破與創(chuàng)新，并通過算例分析了虛擬編組條件下快慢車運(yùn)行的優(yōu)勢。

2 虛擬編組技術(shù)下典型作業(yè)過程

2.1 虛擬重聯(lián)和虛擬解編作業(yè)過程

2.1.1 虛擬重聯(lián)作業(yè)

虛擬編組條件下的虛擬重聯(lián)作業(yè)可以分為車站重聯(lián)和區(qū)間重聯(lián)兩種方式。

圖3 車站重聯(lián) Figure 3 Marshaling realized at the station

1) 車站重聯(lián)。前車到站停車時(shí)等待后方列車進(jìn)站，在車站重聯(lián)后以虛擬重聯(lián)狀態(tài)發(fā)車(見圖3)。如果采用車站重聯(lián)的方式，則需考慮列車的車站追蹤間隔，在適當(dāng)延長前車停站時(shí)間的同時(shí)，配合提高后車區(qū)間運(yùn)行速度等措施，以保證后車追上前車。

2) 區(qū)間重聯(lián)。后車在區(qū)間追蹤前方列車，并以重聯(lián)狀態(tài)進(jìn)入車站(見圖4)。如果采用區(qū)間重聯(lián)，后車相對于前車而言，相對距離變小，相對速度變大，更容易產(chǎn)生危險(xiǎn)，對列車安全運(yùn)行的要求較高。同時(shí)，由于重聯(lián)過程中前、后車均處于運(yùn)行狀態(tài)，所以需要綜合考慮列車的追蹤間隔、區(qū)間運(yùn)行速度，以及線路長度是否滿足區(qū)間重聯(lián)的要求。

圖4 區(qū)間重聯(lián) Figure 4 Marshaling realized in the interval

2.1.2 虛擬解編作業(yè)

與虛擬重聯(lián)類似，虛擬重聯(lián)列車的虛擬解編方式有車站解編和區(qū)間解編兩種。

圖5 車站解編 Figure 5 Unmarshaling realized at the station

1) 車站解編(見圖5)。在車站進(jìn)行乘客乘降作業(yè)的同時(shí)，大編組列車虛擬解編為小編組列車，利用調(diào)整停站時(shí)間等措施，使前、后車在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持足夠的安全距離繼續(xù)運(yùn)行。

2) 區(qū)間解編(見圖6)。由于處于虛擬重聯(lián)狀態(tài)的兩列車在區(qū)間內(nèi)均以一定的速度運(yùn)行，因此在區(qū)間虛擬解編需要通過前車加速或后車減速的方式制造速度差，保持一定時(shí)間后，即可產(chǎn)生足夠的安全距離。但是，這種方法對區(qū)間長度、列車性能等有一定要求，需要根據(jù)具體的線路條件進(jìn)行決策。

圖6 區(qū)間解編 Figure 6 Unmarshaling realized in the interval

2.2 虛擬編組技術(shù)下車站間隔時(shí)間計(jì)算

在傳統(tǒng)CBTC 模式下，前后車在車站內(nèi)的安全間距最小值為前車駛出當(dāng)前車站，并通過安全間隔Sl，后車以最高運(yùn)行速度運(yùn)行至距車站近端距離為制動距離加反應(yīng)距離[12]，如圖7 所示。

假定列車加/減速度均為a，整車長度St，列車安全停車間隔Sl，列車區(qū)間最高允許運(yùn)行速度為vmax，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，列車車站內(nèi)的追蹤間隔Td可由前車從車站完全駛出并通過安全間隔區(qū)段Sl的時(shí)間Tf、司機(jī)和設(shè)備等的響應(yīng)時(shí)間Tr、后車制動所需時(shí)間Tb以及列車停 站時(shí)間Tp共4 個(gè)部分組成。為方便計(jì)算，假設(shè)在不考慮速度限制的情況下，列車勻加速至安全區(qū)段盡端時(shí)的速度為vf，即，則具體計(jì)算公式如下：

圖7 CBTC 下列車追蹤間隔 Figure 7 Train tracking interval under computer-based train control system

相比傳統(tǒng)CBTC，虛擬編組條件下前后列車可共享線路資源。由于虛擬編組支持協(xié)同制動，移動授權(quán)位置可定位至前車車尾甚至是車身(見圖8)，安全距離與傳統(tǒng)模式相比進(jìn)一步縮短 ，理論上可以為0，即后車可以在前車未出清保護(hù)區(qū)段的情況下追蹤進(jìn)站，縮短追蹤間隔。在實(shí)際運(yùn)用中考慮安全余量，安全間隔區(qū)段Sl可取2 m。

圖8 虛擬編組下列車追蹤間隔 Figure 8 Train tracking interval using virtual coupling technology

因此，在虛擬編組條件下，列車車站內(nèi)追蹤間隔Td的計(jì)算與傳統(tǒng)CBTC 模式相似，有

取列車區(qū)間最大運(yùn)行速度vmax=100 km/h、a= 1.1 m/s2、停站時(shí)間Tp=30 s 進(jìn)行計(jì)算，虛擬編組下列車車站內(nèi)的追蹤間隔可由傳統(tǒng)城軌列車的90 s 縮短至72 s。

虛擬編組條件下列車的追蹤進(jìn)站，后車可以在車站前區(qū)間適當(dāng)降速行駛，待前車啟動后，后車可立即進(jìn)站。虛擬編組的應(yīng)用，可盡快將后方站臺資源空出，以便增加線路車輛密度。

3 基于虛擬編組的快慢車運(yùn)行組織

3.1 虛擬編組在快慢車運(yùn)行組織中的優(yōu)勢

快慢車運(yùn)行是一種運(yùn)輸組織方法，它根據(jù)線路的客流特點(diǎn)以及通過能力情況，在開行傳統(tǒng)“站站停”列車的基礎(chǔ)上，加開“跨站停”快速列車。一般情況下，快慢車的技術(shù)速度大致相同，但由于快車停站較少，其全程旅行時(shí)間較短。

當(dāng)采用快慢車共線運(yùn)行的組織模式時(shí)，現(xiàn)有的運(yùn)行方式一般會組織快車在越行站越行。從運(yùn)輸組織和保證快車運(yùn)行速度的角度考慮，一般采用快車從正線越行、慢車在越行站設(shè)置的站線待避的方式[13]?？炻囘\(yùn)行有利于提高線路的運(yùn)輸效率，縮短了快車乘客的旅行時(shí)間；但同時(shí)增加了慢車乘客的候車時(shí)間和總旅行時(shí)間，降低了慢車乘客的服務(wù)水平[14]，并因運(yùn)行圖的不平行鋪畫而造成線路通過能力的損失。

在虛擬編組技術(shù)應(yīng)用條件下，快車和慢車可以在始發(fā)站以虛擬重聯(lián)狀態(tài)發(fā)車，運(yùn)行過程中可依據(jù)各自的停站方案及線路的具體條件，選擇適當(dāng)?shù)能囌净騾^(qū)間進(jìn)行虛擬重聯(lián)與虛擬解編作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)快慢車的共線運(yùn)行。

虛擬編組技術(shù)的應(yīng)用，可以緩解傳統(tǒng)快慢車運(yùn)行存在的問題。虛擬編組下快車和慢車可以在區(qū)間虛擬重聯(lián)運(yùn)行，縮短區(qū)間追蹤間隔時(shí)間，提升運(yùn)輸能力，從而部分抵消傳統(tǒng)快慢車組織中不平行運(yùn)行圖鋪畫導(dǎo)致的線路通過能力損失。同時(shí)，由于虛擬編組技術(shù)可以縮短車站間隔時(shí)間，所以慢車待避快車越行時(shí)間可較傳統(tǒng)模式進(jìn)一步縮短。

3.2 基于虛擬編組的快慢車組織策略

在虛擬編組條件下，快慢車組織模式可結(jié)合傳統(tǒng)模式中快車在越行站越行慢車的方式，也可以不使用越行線，直接采用列車在區(qū)間或車站進(jìn)行虛擬重聯(lián)解編的方式，以保證快慢車共線運(yùn)行。

不使用越行線的虛擬編組快慢車運(yùn)行過程如圖9所示，大編組列車(快車在前)在區(qū)間或車站解編為小編組列車，快車不停站通過部分車站，追趕前方列車，在區(qū)間或車站與前車虛擬重聯(lián)為大編組列車(快車在后)。

圖9 虛擬編組(無越行)快慢車運(yùn)行 Figure 9 Skip-stop operation applying virtual coupling (no overtaking)

不使用越行線的快慢車運(yùn)行模式，對線路越行設(shè)備的要求較低，不要求線路設(shè)置專門的越行線，列車在正線上即可完成快、慢車共線運(yùn)行。但由于快車在運(yùn)行過程中由“領(lǐng)頭”(在前)變?yōu)椤案S”(在后)，所以列車只能進(jìn)行一組解體、聯(lián)掛，快慢車組織方式無法在全線范圍內(nèi)采用。因此，需要綜合考慮列車的運(yùn)行速度、停站方案及線路的具體條件，以判斷該種模式是否適用。同時(shí)，由于快、慢車解編重聯(lián)需要一定的運(yùn)行速度差異，列車運(yùn)行圖仍存在不平行鋪畫的問題，因此對線路通過能力有一定的損失。

使用越行線的快慢車運(yùn)行模式與傳統(tǒng)技術(shù)下的快慢車越行類似：慢車進(jìn)入越行站側(cè)線停車，待后方快車越行后繼續(xù)前進(jìn)，但需要列車在區(qū)間或車站進(jìn)行虛擬解編、重聯(lián)。大編組列車(慢車在前快車在后)在區(qū)間或車站解編為小編組列車，具體過程如圖10 所示。到達(dá)越行站后，慢車駛?cè)雮?cè)線停車，進(jìn)行乘客的乘降作業(yè)；快車不停站快速通過正線，并與前方列車在區(qū)間或車站進(jìn)行虛擬聯(lián)掛，聯(lián)掛為大編組列車共同運(yùn)行。這種快慢車運(yùn)行組織模式可與前述不使用越行線的組織模式結(jié)合使用。

圖10 虛擬編組(有越行)快慢車運(yùn)行 Figure 10 Skip-stop operation applying virtual coupling (with overtaking)

3.3 虛擬編組技術(shù)應(yīng)用的保障措施

虛擬編組技術(shù)在為傳統(tǒng)的快慢車運(yùn)輸組織帶來新思路的同時(shí)，也為車站管理帶來了難度，因此需要增加相應(yīng)的車站、列車保障措施，以保證車站工作的正常開展。

1) 在客流組織方面，由于列車在運(yùn)行過程中會發(fā)生虛擬解編，重聯(lián)列車之間不互相連通，因此車站與列車需做好乘客的引導(dǎo)工作。在乘客上車前，通過車站廣播、工作人員引導(dǎo)等方式，減少乘客錯(cuò)乘；乘客上車后，及時(shí)提醒乘客所在車廂的到站情況，幫助錯(cuò)乘乘客及時(shí)下車換乘。

2) 在設(shè)施設(shè)備方面，虛擬編組技術(shù)改變了列車的運(yùn)行模式，存在同一線路不同車站的?？苛熊嚲幗M不同的現(xiàn)象，所以部分車站的站臺、屏蔽門等設(shè)施設(shè)備應(yīng)滿足虛擬重聯(lián)列車在站進(jìn)行乘客乘降作業(yè)的要求。

4 快慢車組織策略算例分析

下面運(yùn)用前述快慢車組織策略進(jìn)行算例分析，對比站站停方案、傳統(tǒng)快慢車方案、虛擬編組條件下快慢車方案的列車開行效果，分析列車服務(wù)頻率、乘客旅行時(shí)間等指標(biāo)。

4.1 算例條件

假設(shè)某軌道交通線路共設(shè)9 個(gè)車站，其線路具體信息與A—I 方向某高峰時(shí)段(1 h)客流OD 如表1、2所示。其中，B、F 為具備越行條件的車站，E、H 為大客流站，快車可能在越行站越行慢車，快、慢車停站時(shí)間最短為30 s。

表1 線路及停站信息 Table 1 Line and stop information

表2 A —I 方向某高峰時(shí)段(1 h)客流OD Table 2 Peak hourly OD (origin-destination) Passenger flow in A-I direction 人次

4.2 組織方案

在上述運(yùn)營條件下，按照運(yùn)行站站停列車、傳統(tǒng)快慢車、虛擬編組條件下快慢車3 種模式進(jìn)行分析。站站停列車與傳統(tǒng)快慢車是軌道交通常用的兩種運(yùn)行模式，在此不做贅述。虛擬編組條件下的快慢車組織方案可以根據(jù)快車是否利用越行線越行前方慢車，分為虛擬編組(有越行)條件下的快慢車運(yùn)行、虛擬編組(無越行)條件下的快慢車運(yùn)行。

為方便研究，降低問題復(fù)雜度，作如下假設(shè)：①車站站臺長度滿足重聯(lián)列車在站?？康囊蟆＂讵?dú)立運(yùn)行的列車采用6 編組B 型車，車輛定員230 人，最大允許滿員327 人[15]。③直達(dá)OD 間的乘客優(yōu)先選擇乘坐快車，其他乘客選擇乘坐慢車，在快車無法滿足客流需求時(shí)，乘客可選擇乘坐慢車；若快、慢車均無法滿足客流需求，則該部分客流流失；不考慮快車與慢車間的換乘行為。

快慢車運(yùn)行組織的具體方案為：

1) 傳統(tǒng)快慢車運(yùn)行如圖11 所示，快、慢車先后從A 站發(fā)出，按照停站方案停車，快車在F 站越行前方慢車。

2) 虛擬編組(有越行)條件下的快慢車運(yùn)行，即虛擬編組條件下快車借助越行站越行前方慢車的運(yùn)行模式，如圖12 所示。快車與慢車虛擬聯(lián)掛為大編組列車(快車在前、慢車在后)，駛出A 站后，在A-B 區(qū)間內(nèi)利用速度差，虛擬解編為快車和慢車?？燔囋贒 站追上前方慢車，與在D 站等待的慢車虛擬重聯(lián)為大編組列車(慢車在前、快車在后)。列車在大客流站E 站進(jìn)行乘客乘降作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行虛擬解編，乘降作業(yè)完成后，慢車和快車保持一定的安全間隔，先后駛離車站。后慢車在越行站F 站等待規(guī)避快車，待快車通過一定安全距離后，再駛離車站。

圖11 傳統(tǒng)快慢車運(yùn)行圖 Figure 11 Schematic of traditional skip-stop operation diagram

圖12 虛擬編組(有越行)條件下的快慢車運(yùn)行圖 Figure 12 Schematic of skip-stop operation diagram applying virtual coupling (with overtaking)

3) 虛擬編組(無越行)條件下的快慢車運(yùn)行(見圖13)，直接通過虛擬編組列車在車站和區(qū)間虛擬聯(lián)掛、解編的方式，實(shí)現(xiàn)列車的快、慢車運(yùn)行。也就是說，虛擬重聯(lián)列車(快車在前，慢車在后)在A-B 區(qū)間虛擬解編后，不在區(qū)間或車站發(fā)生越行。最終快車在G 站追上前方 慢車，與在G 站等待的慢車虛擬重聯(lián)為大編組列車(慢車在前、快車在后)，共同駛向前方車站。由于快、慢車的先后順序發(fā)生改變，該組織方式在運(yùn)行過程中只能進(jìn)行一組解體、聯(lián)掛作業(yè)，與有越行條件的相比，具有一定的局限性。

圖13 虛擬編組(無越行)條件下的快慢車運(yùn)行圖 Figure 13 Schematic of skip-stop operation diagram applying virtual coupling (no overtaking)

4.3 結(jié)果分析

按照列車區(qū)間運(yùn)行速度80 km/h、不停站通過車站速度60 km/h、傳統(tǒng)快慢車列車追蹤間隔90 s、虛擬編組條件下快慢車列車追蹤間隔72 s，對不同模式下列車運(yùn)行過程進(jìn)行計(jì)算模擬，鋪畫運(yùn)行圖，并進(jìn)行分析比較，其列車運(yùn)行情況如表3 所示。根據(jù)高峰客流OD 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不同類型乘客的旅行時(shí)間如表4 所示。

由表4 可知，傳統(tǒng)快慢車相比于站站停列車，增設(shè)了部分不停站運(yùn)行的快車，減少了快車乘客的旅行時(shí)間，但慢車在越行站待避快車越行，增加了停站時(shí)間，導(dǎo)致慢車的旅行時(shí)間增加。

表3 不同運(yùn)輸組織模式下的列車運(yùn)行情況 Table 3 Train operation under different transportation organization modes

表4 高峰小時(shí)乘客旅行時(shí)間 Table 4 Passenger travel time during peak hours

虛擬編組(有越行)條件下的快慢車運(yùn)行，由于虛擬編組技術(shù)的應(yīng)用，列車車站追蹤間隔由90 s 縮短至72 s，如圖14 所示，且部分運(yùn)行線合并，列車區(qū)間追蹤間隔進(jìn)一步縮短，大大縮短了乘客的旅行時(shí)間。同時(shí)，慢車等待越行時(shí)間縮短，節(jié)省了部分乘客的旅行時(shí)間；但快、慢車在車站的重聯(lián)，延長了慢車在重聯(lián)車站的停站時(shí)間，增加了部分旅行時(shí)間。在上述客流條件下，由于因慢車等待時(shí)間縮短而節(jié)省的乘客旅行時(shí)間較長，虛擬編組(有越行)條件下慢車的人均旅行時(shí)間較傳統(tǒng)快慢車的模式進(jìn)一步縮短。

在虛擬編組技術(shù)支持的兩種組織方式(見表3)中，無越行條件下的快慢車運(yùn)行相比有越行條件下的快慢車運(yùn)行，進(jìn)一步縮短了慢車的停站時(shí)間與快車的旅行時(shí)間，但由于快、慢車運(yùn)行時(shí)間的差異，以及列車運(yùn)行圖的不平行鋪畫，列車服務(wù)頻率降低。在車站乘客等待時(shí)間增加的同時(shí)，有部分乘客流失，人均旅行時(shí)間增加。

為方便研究，筆者簡化了問題的復(fù)雜度。在實(shí)際運(yùn)營過程中，應(yīng)具體考慮線路條件、列車停站方案、發(fā)車頻率以及乘客的精細(xì)化乘車行為等方面，進(jìn)一步研究討論虛擬編組的適用范圍。

圖14 虛擬編組與傳統(tǒng)快慢車的追蹤間隔時(shí)間對比 Figure 14 Comparison of tracking interval time of two types of skip-stop operation with or without applying virtual coupling technology

5 結(jié)語

虛擬編組技術(shù)作為一種較為前沿的列車動態(tài)編組技術(shù)，將為城市軌道交通列車運(yùn)行組織模式與作業(yè)過程帶來突破與革新。筆者結(jié)合虛擬編組技術(shù)的特點(diǎn)，分析了虛擬編組技術(shù)應(yīng)用下快慢車運(yùn)行組織模式中越行作業(yè)過程和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生的改變，進(jìn)一步分析了虛擬編組技術(shù)在傳統(tǒng)快慢車運(yùn)輸組織模式中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢。 值得注意的是，虛擬編組技術(shù)盡管有望拓展和革新傳統(tǒng)的快慢車運(yùn)輸組織模式，但也不可避免地增加了客流組織的難度。同時(shí)，其應(yīng)用也需全面分析對具體運(yùn)營條件的適應(yīng)性。因此，應(yīng)進(jìn)一步研究虛擬編組技術(shù)應(yīng)用下的列車運(yùn)行計(jì)劃編制與調(diào)整方法，分析其適用條件，并提出配套的客流組織技術(shù)，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供決策支持。