城市轨道交通列车折返效率相干因素的分析

摘  要：随着轨道交通技术的发展，现代轨道交通的运营模式已经从早期的ATP防护下的手动驾驶升级换代至无人的全自动驾驶系统。在技术的升级换代过程中，折返效率成为了技术瓶颈，无法满足现代轨道交通对高效运营的强烈需求。为了寻求提升折返效率的空间，本文通过对轨道交通建设中常见的站型折返过程进行分步模拟仿真，对影响折返效率的相干因素进行定量分析，探讨提升折返效率的可优化方向，为工程设计提供有力的理论参考。

关键词：轨道交通;折返效率;相干因素;规则优化

中图分类号：U292     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）18-0016-03

Abstract：With the development of rail transit technology，the operation mode of modern rail transit has been upgraded from manual driving under early ATP protection to unmanned automatic driving system. In the process of upgrading this technology，the return efficiency has become a technical bottleneck，which can not meet the strong demand of modern rail transit for efficient operation. In order to find the space to improve the return efficiency，this paper makes a quantitative analysis of the relevant factors affecting the return efficiency through the step-by-step simulation of the common station-type return process in rail transit construction，explores the optimization direction of improving the return efficiency，and provides a strong theoretical reference for engineering design.

Keywords：rail transit;return efficiency;coherent factors;rule optimization

0  引  言

影響轨道交通列车运营全周转时间的因素包括：列车运营间隔、列车旅行速度、站停时间等。其中列车运营间隔包含站间运行间隔及折返线的折返间隔，而随着技术的进步，正线的列车运行间隔已经可以缩短至90秒以下，而折返间隔却只是在缓慢减少，一直是列车全周转中的技术瓶颈。

本文的目的是通过对特定站型及特定列车编组的折返过程进行定量模拟，分析相关因素的变化对折返效率的影响，用以评估外界条件优化对折返效率产生影响的收益。

1  外界条件选择

1.1  站型选择

站后折返是轨道交通常用的折返方式，这种折返作业相对灵活，且通过规则的优化可提升折返效率，本文将选择站后折返站型作为分析案例。

站后折返方式常见的两种站型布置如图1所示，土建条件较好的线路一般选用站型2，站型2可缩短列车在折返过程中的走行距离，进而压缩折返时间，提升折返效率。站型1比站型2在相同道岔类型、站台长度、库线长度的条件下多20%的走行距离，因此为了满足折返效率的要求，需要进行相应的联锁规则上的优化。

1.2  列车编组选择

列车编组的情况多种多样，目前最长的地铁编组为8A编组，其车长将达到180m。列车的牵引制动特性将影响列车的加速度及减速度。加速度越大，列车加速到达限速点的时间越短;减速度越大，列车由最大速度减速至零所需的距离越短。在折返过程中，由于没有乘客在列车中跟随折返，因此在不考虑舒适的前提下，加速度与减速度越大，对提升折返效率越有利。

图2将站型1的对应8B编组形式的各处分段距离进行了标注。其中涉及的常用的弯进直出折返形式对应的走行距离为：入库=A+B+C=415m，出库=C+D+E-L=415m。列车折返后出库离开道岔的占用区域（过B点）所走行的距离为C+D=243m。

1.3  轨道条件的选择

在折返过程中，ATP因素与轨道条件相关联，库线的停车点距终端车挡的距离将影响ATP的限速曲线。

ATP防护曲线有三条：不可突破曲线、紧急制动曲线、ATO推荐曲线。这3条曲线组成了信号控制车辆运行的一个模型。其中不可突破曲线的终点也就是车挡的位置，ATO推荐曲线终点也就是停车点的位置。为了保证列车能够快速停下来又不触发紧急制动，需要考虑设置一个合理的ATO曲线，使之紧贴紧急制动触发曲线而又不触发紧急制动，保证最高效率。根据牛顿动力学定理，影响紧急制动曲线的因素就是距离和减速度。当紧急制动触发曲线的动力学模型里所设定的紧急制动保障率因数一定，且停车点距车挡的距离被设定时，ATO推荐曲线的减速也就可以相应推导出来。

根据《城市轨道交通工程设计规范》建议“列车折返线及停车线末端均应设置安全线，安全线自列车停车点至车挡前长度不宜小于50m（不含车挡）”，反推ATP与ATO的停车最高效减速度。当停车点距离防护点为50m时，且ATP的不可突破曲线的紧急制动保障率设置为-0.9m/s2时，ATO所对应的停车减速度为不超过-0.66m/s2。

2  仿真模拟与分析

2.1  减速度相关仿真

为了推算不同减速度对折返效率的影响，我们模拟了不同减加速情况下的列车入库情况，模拟的参数指标分别取加速度a=1.2m/s2，道岔过岔速度45km/h，减速度a=-0.66m/s2、a=-0.45m/s2，冲击率Jerk=0.7m/s3。之所以减速度取值为-0.66m/s2与-0.45m/s2，是因为对上文描述的停车点距防护点50m为基础，若在土建条件较差的情况下，停车点距防护点只有40m时，其ATP/ATO速度模型中减速度不可超过-0.45m/s2。经模拟计算，在加速度与过岔速度相同的情况下，减速度的不同对走行时间是有差异影响的，其对应的走行时间分别为48.6s、53s，由此可见停车点距防护点的距离对列车折返时的走行效率的影响较大。

2.2  道岔限速相关仿真

对于线间距较大的折返站如站型1，通常会选用高速12号道岔作为交叉渡线。目前12号道岔的侧向过岔速度（不可突破）有两种限速是50km/h和55km/h，下文将对两种限速分别进行模拟测算，分析其效率差异。

为了研究差异性，我们模拟了不同过岔速度情况下的列车入库情况，模拟的参数指标分别取加速度a=1.2m/s2，道岔过岔速度分别为45km/h、49km/h，减速度为a=-0.66m/s2，冲击率Jerk=0.7m/s3。之所以对比两种过岔速度，是为了分析在道岔型号选的情况下，通过技术手段提高过岔速度是否能够得到想要的效率提升，如果提升的效率有限，则建议保持道岔固有的限速设定。经模拟计算，在加速度与减速度相同的情况下，过岔速度的不同对走行时间是有差异影响的，其对应的走行时间分别为47.2s、48.6s，但该差距仅为1.4s，可见提高过岔速度得到的收益并不显著。

2.3  加速度相关仿真

为了研究加速度不同的影响，我们模拟了不同加速度情况下的列车入库情况，模拟的参数指标分别取加速度a= 1.2m/s2、a=1.0m/s2、a=0.8m/s2，道岔过岔速度为45km/h，减速度为a=-0.66m/s2，冲击率Jerk=0.7m/s3。经模拟计算，在减速度与过岔速度相同的情况下，加速度的不同对走行时间是有差异影响的，其对应的走行时间分别为48.6s、49.4s、50.8s。从结果上分析，加速度的不同对运行时间是有一定影响的。

2.4  折返全周转相关仿真

通过上述的不同输入条件的模拟仿真，我们对入库与出库的全周转时间进行了仿真，目的是为了后续的两车追踪折返的模拟仿真。我们选取了全部的最优条件（除过岔速度选定为45km/h），并将站台限速设置在65km/h。其模拟结果如图3，该仿真结果表明，列车在折返过程的折返时间设置为14s（48.6s→62.6s），包括列车停稳检查时间、列车自动换端时间、进路排列时间、道岔转动时间、信号开放时间、ATO发车指令时间、列车牵引执行时间，以及列车的特殊设置的折返换端等待时间等。14s对于这一系列动作已经是最短的设定，这个时间需要车辆系统、信号系统、轨道系统等一系列系统的密切配合。在这种情况下的列车全周转时间是108.1s，该时间是一个相对较长的时间，对相同站型且没有做联锁规则优化的项目，那么两列车的折返间隔一定远远大于108.1s。

3  综合分析

为完成结论性的分析，我们对折返间隔进行了模拟仿真，通过将上述的单车折返过程增加至2列车，来实际模拟列车折返追踪情况。经模拟计算，列车1过B点时刻为85.4s，到达发车站台为108.1s，列车2入库发车时间为102.4s。这个时间与列车1过B点时间相隔17s，这个时间包含列车1驶出道岔征用区的信号系统识别时间、进路排列时间、道岔转动时间、移动授权建立时间、ATO发车指令时间、列车牵引响应时间。这个时间比列车在库线的折返时间多3s，主要时间消耗在列车驶出道岔征用區的识别时间，以及进路确认时间。两列列车的折返间隔，为列车2发车时间102.4s。这个时间是选取最优条件而仿真模拟出来的最优时间。

4  结  论

综上所述，轨道交通列车折返是一个综合性问题，所涉及的系统是多方面的，为了实现最高效的折返，保障运营服务质量。需要综合考虑轨道、车辆、信号、司机等因素，在投资条件允许下，最大限度地对各系统进行优化匹配。本文的分析为各系统的优化收益提供了理论依据。

参考文献：

[1] 李莉.城市轨道交通列车折返能力综合优化分析 [J].铁路通信信号工程技术，2018，15（5）：47-52.

[2] 武云霞.城市轨道交通折返线的安全防护距离分析 [J].铁路通信信号工程技术，2018，15（11）：73-77.

[3] DB11/995-2013城市轨道交通工程设计规范 [S].北京：北京市规划委员会，2013.

[4] 张东欣.列车牵引计算仿真系统的研究与开发 [D].北京：北京交通大学，2016.

[5] 张东风，蒋昕，侯爱滨.北京城市轨道交通60kg/m钢轨12号单开道岔的设计研究 [J].铁道标准设计，2012（9）：30-34.

作者简介：郑承鑫（1982-），男，汉族，山东日照人，城轨系统部副经理，工程师，学士学位，研究方向：轨道交通信号系统。