城市轨道交通车站站后折返间隔的研究

王俊锋

WANG Junfeng

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081)

(Signal & Communication Research Institute， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

随着列车运行控制系统制式的更新换代，影响城市轨道交通整条线路运输通过能力的主要因素已经不再是区间运行间隔，终端折返站的折返间隔成为主要影响因素。终端站折返一般有站前折返和站后折返2种折返形式。在土建条件允许或对车站位置要求不高的情况下，一般终端车站均设置站后折返。为提升运输效率，从列车控制系统角度对站后折返进行分析，并在列车控制系统范畴内提出站后折返站型的合理运用。

1 城市轨道交通车站站后折返间隔分析

不同的线路由于地形、需求的不同，设计的车站类型各异，折返模式多样化。对于同一种折返站型，往往采取不同的折返操作和运营模式，折返间隔也会不同。

1.1 站后折返站型

站后折返是各城市轨道交通线路常采用的折返站型，这是由于站后折返时，列车的到达和出发分别使用2个不同的咽喉，在一定条件下，进站作业列车和折返作业列车可以同时进行，提高了折返效率。站后折返站型一般设计为站后交叉渡线[1]，站后折返站型如图1所示。

图1 站后折返站型Fig.1 Behind-station turnback station

1.2 站后单线折返分析

从站型图上看，站后折返具备单线折返和双线折返的能力[2]，单线折返还具有侧进直出和直进侧出2种折返方式。目前在基于通信的列车控制系统(CBTC)的技术条件下，列车具备在折返站自动折返的功能，并且列车在折返轨无乘降作业，满足在折返轨10 s内完成换端的能力，列车在折返轨停车的时间小于进入折返轨进路办理时间(13 s)，岔区资源的使用已经达到最大化。根据CBTC系统两列车之间的追踪特性，前车必须出清保护区段，保护进路建立后，后车才能以不降速的方式进站停车，否则列车将无法进站。由于不同的站型设计，保护区段或保护进路的设置差别较大。根据保护区段或保护进路设置不同，可以分为3种情况。

1.2.1 情况1

当出站信号机S01与道岔W02之间的距离满足安全距离，满足保护区段设置时，列车在该站可采用侧进直出或直进侧出的折返方式。站后折返情况1如图2所示。

图2 站后折返情况1Fig.2 Behind-station turnback case 1

同一时刻该站可以满足3列列车并行作业，3列列车作业时满足的条件分别为：当Tr2尾部出清计轴JZ01的时刻，不会影响Tr3的速度；当Tr1尾部出清计轴JZ04的时刻，不会影响Tr2进折返轨1进路的开放；当Tr1尾部出清站台轨道区段的时刻，不会影响Tr2返回站台1的进路开放。

3种作业分别对应3个追踪间隔的计算，即站台2的到达间隔、折返轨1的到达间隔及折返轨1的出发间隔[3]。3个追踪间隔的最大值即为该种模式的折返间隔。① 站台2的到达间隔：Tr2在站台2的停站时间+Tr2启动至尾部出清JZ01的运行时间+Tr3从列车不降速点P0运行至站台2停稳的时间。②折返轨1的到达间隔：Tr1的换端时间(或S05的直向进路办理时间，二者取最大值)+Tr1从启动至尾部出清计轴JZ04的时间+S01的侧向进路办理时间+Tr2启动至折返轨1停稳的时间。③折返轨1的出发间隔：Tr1从折返轨1发车至站台1停稳的时间+Tr1在站台1的停站时间+Tr1站台1发车至尾部出清站台的时间+S05直向进路的办理时间。

同理，当采用直进侧出的折返方式时，可以计算出站台2的到达间隔、折返轨2的到达间隔及折返轨2的出发间隔，取最大值即为这种折返模式的折返间隔。

对比侧进直出和直进侧出的折返间隔，2种折返模式的最小值即为该站型的折返间隔。

1.2.2 情况2

当出站信号机S01与道岔W02之间的距离不满足安全距离，但S01与JZ03之间的距离满足保护距离要求时，可设置此处作为保护区段，但此时必须有一个前提条件，JZ03必须处于非超限位置，否则该情况必须合并到情况3，即站台2的进站进路的保护进路与折返轨1的折返进路不构成敌对条件，可同时开放。由于保护区段占用并锁闭了岔区，采用直进侧出的折返方式时，Tr3的进站作业和Tr2的折返作业将不能同步进行，折返效率大大降低，不适用于情况2。而侧进直出的折返方式可以满足同步作业的条件，允许3列列车并行作业，据此计算3个位置的运行间隔，即站台2的到达间隔、折返轨1的到达间隔及折返轨1的出发间隔。站后折返情况2如图3所示。

图3 站后折返情况2Fig.3 Behind-station turnback case 2

与前一种情况相比，折返轨1的到达间隔和折返轨1的出发间隔计算方法与情况1相同，站台2的到达间隔为：Tr2在站台2的停站时间+Tr2启动至尾部出清JZ03的运行时间+Tr3从P0点运行至站台2停稳的时间。

1.2.3 情况3

当S01与JZ03之间的距离不满足保护距离要求时，应为进站列车设置保护进路[4]，即当Tr1尾部出清JZ03时，可以通过将道岔W02扳到定位，使区段JZ01与JZ05形成进站进路的保护进路，进路的建立需要考虑超限防护或确保列车出清岔区，以节省道岔操作的时间。保护进路占用并锁闭了道岔W01和W02，直进侧出的折返方式同样不适用此种情况。

站台2的到达间隔：Tr2在站台2的停站时间+Tr2启动至尾部出清JZ03的运行时间+Tr3从P0点运行至站台2停稳的时间。此处由于需要为进站进路设置保护进路，将W02扳到定位，在不影响进站列车速度情况下，需要P0点前移一段距离，预留出一次道岔动作时间。

折返轨1的到达间隔和折返轨1的出发间隔与前2种情况计算方法相同。

1.2.4 站后单线折返分析计算

综合以上3种情况，通过代入以下参数，比较3种情况的折返能力：站台长度满足6节编组列车停站，即120 m；停站制动率为0.75 m/s2；最大牵引加速度为0.86 m/s2；列车侧向过岔运行速度为30 km/h；列车正线最高运行速度为76 km/h；站台允许最高进站速度为50 km/h；有道岔动作时进路的办理时间Tms为13 s；无道岔动作时进路的办理时间为2 s；列车站后折返时需最短停站时间Td为35 s；列车在折返轨换端时间为10 s；保护区段长度为70 m。情况1：满足保护区段的长度要求。情况2：设信号机S01与道岔W02之间距离为30 m，S01处的计轴与岔区计轴JZ03之间的区段作为保护区段。情况3：设信号机S01与道岔之间距离取最小值。经过仿真计算后，得出站后折返间隔比较如表1所示。

表1 站后折返间隔比较 sTab.1 Behind-station turnback headway comparison

对比以上3种情况，在情况1中，侧进直出的折返间隔小于直进侧出。情况2的折返间隔最小，这说明在站后的站型设计时，出站信号机与道岔之间需保留一定距离，与侧向轨道一起组成进站进路的保护区段，但不宜过长，过长会增加列车站后走行距离(情况1)，拉长了列车在该处的走行时间，太短则需要通过将道岔扳到定位提前设置保护进路(情况3)。

1.3 站后双线折返分析

双线折返即列车到达站台2后，分别交替使用折返轨1和折返轨2进行折返。根据单线折返3种情况的划分，下面分别分析在同样3种情况下的折返间隔，并分别代入参数。由于情况2的特殊性，需要使用侧向进路作为保护进路，不适用于双线折返。

1.3.1 情况1

在情况1的站型时，出站信号机S01与道岔W02之间的距离满足保护区段设置，当前行列车尾部出清JZ01时，后续列车即可触发保护区段，正常进站停车。

在该情况下，由于保护区段的设置，进站作业与折返作业可以同步进行，而没有相互影响，其可视为单线折返时侧进直出和直进侧出的交替进行。因此，双线折返的折返间隔为2种折返方式下的平均值。

1.3.2 情况3

在情况3的站型时，由于S01与JZ03之间的距离不满足保护距离要求，其双线折返列车运行过程如下：双线折返时，第2列车进站台2完成乘降作业，通过开通侧向进路进入折返轨1；第3列车进站台2进行乘降作业，开通直向进路进入折返轨2，同时第2列车完成换端返回站台1；而后第4列车进站台2进行乘降作业，并开通侧向进入折返轨1，同时第3列车完成换端，通过侧向进路返回站台1，必须控制第4列车早于第3列车通过岔区的时机。这种情况下，列车有较多时间在折返轨进行换端，并且大于第2列车通过岔区的时间。

在情况3下，进站作业与折返作业需要分别交替使用道岔资源，并且折返轨1和折返轨2的列车也需要交替使用道岔资源，同时存在一定的并行作业情况，为方便说明问题，下面使用作业计划图[5]对双线折返进行说明计算。站后双线折返情况3如图4所示。

图4 站后双线折返情况3Fig.4 Behind-station turnback with double track case 3

1.3.3 站后双向折返分析计算

通过代入参数，分别仿真计算出2种情况下的折返间隔。站后双线折返间隔比较如表2所示。

在双线折返情况下，情况3由于进站作业、折返轨1和折返轨2的折返作业均需要占用惟一的道岔资源，道岔动作频繁，并行作业运用很差，并且存在争抢道岔资源的情况，增加了行车调度的难度。情况1虽然折返间隔较小，但与单线折返的情况1相比，没有提升折返能力，同时存在一定的调车作业难度。

表2 站后双线折返间隔比较 sTab.2 Behind-station turnback with double track comparison

综上，通过对站后单线折返和双线折返的分析，并代入参数仿真得出单线折返侧进直出的折返操作是当前CBTC系统下的最优折返方式。但是，在实际设计和运用中，往往还存在影响折返间隔的诸多因素，以下将通过分析这些因素，提出进一步优化站后折返间隔的对策。

2 城市轨道交通车站站后折返间隔优化对策

影响车站站后折返间隔的因素较多，主要表现在作业过程的时间和办理进路的时间。如何控制或缩短这些时间，将是影响站后折返能力的直接决定因素[6-7]。为此，从铁路线路、控制系统、机车车辆3个方面进行论述。

2.1 铁路线路方面

（1）提高土建限速。在城市轨道交通线路的初期设计阶段，如果条件允许的情况下，站后折返车站至前一车站之间区间线路尽可能建设成平直轨道，列车控制系统才能保证列车在最高限速下运行，减小到达车站的运行时间。

（2）控制岔区长度。在设计合理情况下，尽量压缩S01—S07的距离，减少列车在岔区的走行距离，以缩短占用岔区的时间，必须考虑道岔的超限防护设计，降低进站保护进路与折返进路干扰的可能性。

（3）合理选择道岔型号。尽量采用限速较高的道岔型号，如果可以选择9号道岔或12号道岔，尽量选择12号线道岔，以提升列车侧向限速[8]。

2.2 控制系统方面

（1）优化信号设备布置。包括计轴设备布置和应答器布置。计轴设备布置应充分考虑道岔位置、警冲标位置，计轴区段设置满足安全保护区段时，可以有效提升站后折返的能力。应答器的布置应在满足允许列车位置最大不确定性的条件下，合理布置，减少因位置不确定性引起的追踪距离的增加。

（2）缩短进路排列时间。进路排列时间分为有道岔动作的进路排列时间和无道岔动作的排列时间。其包括转辙机动作时间，排列进路需要道岔按要求操作到指定位置，再加上锁闭道岔、开放信号机的时间。

（3）合理优化进路开放时机。进路开放时机是指进路在ATS控制下自动开放的时机，包括进路自动触发时刻和进路提前开放距离的控制。进路提前开放距离会直接影响线路的通过能力，如果进路提前开放距离过长，会导致进路开放过早，可能造成与该进路冲突的进路无法开放，从而影响其他列车的运行；如果提前开放距离太短，则进路开放过晚，造成本车降速，影响运行效率。

（4）在安全条件下提高运行限制速度。在区间限速、道岔限速、进站限速等土建设计限速允许情况下，尽量提高控制系统控制列车的速度，缩短列车在各个运行过程中的运行时间，将缩短车站折返间隔。

（5）缩短系统响应时间。这里主要包括信息采集的表示周期、控制命令的反应时间、列车占用与空闲检测的应变响应时间、车载信号设备自接收地面信息至完成处理的时间、车地通信的报文周期、车地通信的传输延时等。通过提升控制系统设备性能，减少系统响应时间，可以有效缩短各个环节的时间。

（6）合理利用作业时间。在进行时刻表编制时，根据折返操作的特点，充分利用各作业过程的时间，可以有效提升折返效率。

2.3 机车车辆方面

车辆性能是影响线路通过能力的直接因素，主要是指牵引性能和制动性能。牵引性能主要指从按压发车按钮至列车达到所需加速度的时间、ATO牵引命令与车辆牵引响应的加速率一致性，以及可保证的最大牵引速度。制动性能主要指列车能够根据ATO或制动手柄的制动命令，保证在最小延时情况的制动效果的一致性。提升机车车辆的牵引和制动性能，可以有效降低车辆对ATO命令的响应时间，通过缩短列车各作业过程的运行时间达到缩短折返间隔的目的。

3 结束语

在当前CBTC技术条件下，站后双线折返看似利用了2个折返轨进行折返，但实际上并不能提升折返能力，相反会因为交替作业而增加折返的难度；站后单线折返特别是侧近直出的折返方式是优选的折返方式，如果在土建允许的情况下设置保护区段，将会进一步提升折返能力。保护区段的设置是影响折返间隔的关键，而增加的建设成本也是不容忽视的关键因素。随着信息通信技术的发展，列车控制系统对保护区段的长度要求也会降低，将进一步提升折返能力。