白佳薇，張 琦，魯 放

（北京交通大學交通運輸學院，北京 100044）

1 研究背景

我國大城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模日漸擴大，以“站站?！睘橹鞯倪\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，已經(jīng)建設了快慢車運行的城市軌道交通線路?？炻囘\行雖然能減少遠距離乘客的旅行時間，但仍存在慢車乘客旅行時間增加、運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的發(fā)展有望改進傳統(tǒng)的快慢車運行模式。

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

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)”設想[3]，列車不再通過物理車鉤進行聯(lián)掛，而是通過車與車之間的無線通信保持一定的距離運行(見圖2)。國內(nèi)外許多學者研究討論了虛擬編組的基本概念，實現(xiàn)了虛擬編組所需要的技術支持，并指出虛擬編組技術因其前所未有的靈活性，將徹底改變軌道交通現(xiàn)有的運營模式[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)段運用虛擬編組進行模擬運行，結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)運行仿真和性能衡量，提出了虛擬重聯(lián)模型和改進的車站追蹤模型，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行性能。針對虛擬編組技術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下的智能調(diào)度與協(xié)調(diào)控制方法，用于車站進站和離站操作的有效時空路徑規(guī)劃，驗證結果表明，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特征進行分析，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、車輛和相關列車運行控制領域，對虛擬編組技術支持下的列車運行組織模式的研究尚在起步階段。本研究針對傳統(tǒng)快慢車運行組織模式中存在的問題，分析了虛擬編組技術支持快慢車組織模式的技術優(yōu)勢，提出了虛擬編組技術應用下傳統(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行的優(yōu)勢。

2 虛擬編組技術下典型作業(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)。前車到站停車時等待后方列車進站，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，在適當延長前車停站時間的同時，配合提高后車區(qū)間運行速度等措施，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，對列車安全運行的要求較高。同時，由于重聯(lián)過程中前、后車均處于運行狀態(tài)，所以需要綜合考慮列車的追蹤間隔、區(qū)間運行速度，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)。在車站進行乘客乘降作業(yè)的同時，大編組列車虛擬解編為小編組列車，利用調(diào)整停站時間等措施，使前、后車在一定時間范圍內(nèi)保持足夠的安全距離繼續(xù)運行。

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 虛擬編組技術下車站間隔時間計算

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前車站，并通過安全間隔Sl，后車以最高運行速度運行至距車站近端距離為制動距離加反應距離[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)間最高允許運行速度為vmax，根據(jù)文獻[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的時間Tf、司機和設備等的響應時間Tr、后車制動所需時間Tb以及列車停 站時間Tp共4 個部分組成。為方便計算，假設在不考慮速度限制的情況下，列車勻加速至安全區(qū)段盡端時的速度為vf，即，則具體計算公式如下：

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)模式相比進一步縮短 ，理論上可以為0，即后車可以在前車未出清保護區(qū)段的情況下追蹤進站，縮短追蹤間隔。在實際運用中考慮安全余量，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的計算與傳統(tǒng)CBTC 模式相似，有

取列車區(qū)間最大運行速度vmax=100 km/h、a= 1.1 m/s2、停站時間Tp=30 s 進行計算，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站，后車可以在車站前區(qū)間適當降速行駛，待前車啟動后，后車可立即進站。虛擬編組的應用，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行組織

3.1 虛擬編組在快慢車運行組織中的優(yōu)勢

快慢車運行是一種運輸組織方法，它根據(jù)線路的客流特點以及通過能力情況，在開行傳統(tǒng)“站站停”列車的基礎上，加開“跨站?！笨焖倭熊?。一般情況下，快慢車的技術速度大致相同，但由于快車停站較少，其全程旅行時間較短。

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

在虛擬編組技術應用條件下，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?shù)能囌净騾^(qū)間進行虛擬重聯(lián)與虛擬解編作業(yè)，從而實現(xiàn)快慢車的共線運行。

虛擬編組技術的應用，可以緩解傳統(tǒng)快慢車運行存在的問題。虛擬編組下快車和慢車可以在區(qū)間虛擬重聯(lián)運行，縮短區(qū)間追蹤間隔時間，提升運輸能力，從而部分抵消傳統(tǒng)快慢車組織中不平行運行圖鋪畫導致的線路通過能力損失。同時，由于虛擬編組技術可以縮短車站間隔時間，所以慢車待避快車越行時間可較傳統(tǒng)模式進一步縮短。

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)間或車站進行虛擬重聯(lián)解編的方式，以保證快慢車共線運行。

不使用越行線的虛擬編組快慢車運行過程如圖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)快慢車運行 Figure 9 Skip-stop operation applying virtual coupling (no overtaking)

不使用越行線的快慢車運行模式，對線路越行設備的要求較低，不要求線路設置專門的越行線，列車在正線上即可完成快、慢車共線運行。但由于快車在運行過程中由“領頭”(在前)變?yōu)椤案S”(在后)，所以列車只能進行一組解體、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，由于快、慢車解編重聯(lián)需要一定的運行速度差異，列車運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行模式與傳統(tǒng)技術下的快慢車越行類似：慢車進入越行站側線停車，待后方快車越行后繼續(xù)前進，但需要列車在區(qū)間或車站進行虛擬解編、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。到達越行站后，慢車駛入側線停車，進行乘客的乘降作業(yè)；快車不停站快速通過正線，并與前方列車在區(qū)間或車站進行虛擬聯(lián)掛，聯(lián)掛為大編組列車共同運行。這種快慢車運行組織模式可與前述不使用越行線的組織模式結合使用。

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

3.3 虛擬編組技術應用的保障措施

虛擬編組技術在為傳統(tǒng)的快慢車運輸組織帶來新思路的同時，也為車站管理帶來了難度，因此需要增加相應的車站、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工作。在乘客上車前，通過車站廣播、工作人員引導等方式，減少乘客錯乘；乘客上車后，及時提醒乘客所在車廂的到站情況，幫助錯乘乘客及時下車換乘。

2) 在設施設備方面，虛擬編組技術改變了列車的運行模式，存在同一線路不同車站的停靠列車編組不同的現(xiàn)象，所以部分車站的站臺、屏蔽門等設施設備應滿足虛擬重聯(lián)列車在站進行乘客乘降作業(yè)的要求。

4 快慢車組織策略算例分析

下面運用前述快慢車組織策略進行算例分析，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，分析列車服務頻率、乘客旅行時間等指標。

4.1 算例條件

假設某軌道交通線路共設9 個車站，其線路具體信息與A—I 方向某高峰時段(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

在上述運營條件下，按照運行站站停列車、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)條件下的快慢車運行、虛擬編組(無越行)條件下的快慢車運行。

為方便研究，降低問題復雜度，作如下假設：①車站站臺長度滿足重聯(lián)列車在站?？康囊?。②獨立運行的列車采用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，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。

快慢車運行組織的具體方案為：

1) 傳統(tǒng)快慢車運行如圖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)條件下的快慢車運行，即虛擬編組條件下快車借助越行站越行前方慢車的運行模式，如圖12 所示?？燔嚺c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。快車在D 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 站進行乘客乘降作業(yè)的同時進行虛擬解編，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，實現(xiàn)列車的快、慢車運行。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，該組織方式在運行過程中只能進行一組解體、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)條件下的快慢車運行圖 Figure 13 Schematic of skip-stop operation diagram applying virtual coupling (no overtaking)

4.3 結果分析

按照列車區(qū)間運行速度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行過程進行計算模擬，鋪畫運行圖，并進行分析比較，其列車運行情況如表3 所示。根據(jù)高峰客流OD 數(shù)據(jù)進行計算，不同類型乘客的旅行時間如表4 所示。

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

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

表4 高峰小時乘客旅行時間 Table 4 Passenger travel time during peak hours

虛擬編組(有越行)條件下的快慢車運行，由于虛擬編組技術的應用，列車車站追蹤間隔由90 s 縮短至72 s，如圖14 所示，且部分運行線合并，列車區(qū)間追蹤間隔進一步縮短，大大縮短了乘客的旅行時間。同時，慢車等待越行時間縮短，節(jié)省了部分乘客的旅行時間；但快、慢車在車站的重聯(lián)，延長了慢車在重聯(lián)車站的停站時間，增加了部分旅行時間。在上述客流條件下，由于因慢車等待時間縮短而節(jié)省的乘客旅行時間較長，虛擬編組(有越行)條件下慢車的人均旅行時間較傳統(tǒng)快慢車的模式進一步縮短。

在虛擬編組技術支持的兩種組織方式(見表3)中，無越行條件下的快慢車運行相比有越行條件下的快慢車運行，進一步縮短了慢車的停站時間與快車的旅行時間，但由于快、慢車運行時間的差異，以及列車運行圖的不平行鋪畫，列車服務頻率降低。在車站乘客等待時間增加的同時，有部分乘客流失，人均旅行時間增加。

為方便研究，筆者簡化了問題的復雜度。在實際運營過程中，應具體考慮線路條件、列車停站方案、發(fā)車頻率以及乘客的精細化乘車行為等方面，進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 結語

虛擬編組技術作為一種較為前沿的列車動態(tài)編組技術，將為城市軌道交通列車運行組織模式與作業(yè)過程帶來突破與革新。筆者結合虛擬編組技術的特點，分析了虛擬編組技術應用下快慢車運行組織模式中越行作業(yè)過程和時間標準發(fā)生的改變，進一步分析了虛擬編組技術在傳統(tǒng)快慢車運輸組織模式中應用的技術優(yōu)勢。 值得注意的是，虛擬編組技術盡管有望拓展和革新傳統(tǒng)的快慢車運輸組織模式，但也不可避免地增加了客流組織的難度。同時，其應用也需全面分析對具體運營條件的適應性。因此，應進一步研究虛擬編組技術應用下的列車運行計劃編制與調(diào)整方法，分析其適用條件，并提出配套的客流組織技術，為該技術的工程應用提供決策支持。