车辆段接轨站出入段作业能力与运营组织分析

宋周敏，刘葛辉，张晨曦

(北京交通大学 交通运输部综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京 100044)

城市轨道交通系统中，列车开行密度的调整需要通过列车出入段作业来实现，其效率取决于出入段作业的速度。提高出入段作业速度对于提高运营效率、节约列车使用具有重要意义。出入段作业能力主要受车辆段和接轨站形式限制，因此有必要对不同形式下的出入段作业能力进行研究。

既有研究多从车辆段角度出发，探讨咽喉区作业能力、不同作业模式或设备条件下出段能力及出入线设计方法。张雄等[1]、李桂桂[2]基于车辆段出入线设计方案和作业流程，采用区段划分法将出入段能力划分为段内和出段两个区段能力，并将作业流程分为列车出库、制式转换、出入线运行和列车进站四个过程，进一步通过计算给出具体的出入段能力，但主要关注段内区段的作业能力。丁建中等[3]、张芸芸[4]、覃定明等[5]、张建华[6]从列车控制系统和设备布局角度分析车辆段出入段能力，并分别针对具体案例提出了扩能的方法。王粉线等[7]、陈福贵[8]、方杰伟[9]、尹舒郁[10]分别从接轨位置及形式、收发车作业组织方法上探讨车辆段接轨站的配线方案和作业难点，并总结了不同接轨形式的优缺点。

以往的研究对出段区段作业能力研究较少，特别是忽略了接轨站不同作业组织方案对其作业能力影响。而出段区段作业过程对于全部出入段能力和正线作业均有较大的影响，因此本文以出段区段作业能力为核心展开研究，针对不同接轨站形式和出入段作业方案，分别提出加车和收车过程的用时计算模型，确定各出入段方案下的能力。基于实际车站的案例分析，分析不同作业方案的适应性，并生成不同运营时段下的最优作业方案。

1 接轨站列车出入段能力影响因素分析

出入段能力包括出段能力和入段能力。出段能力指单位时间内由车辆段发车到正线的最大列车数，反之则为入段能力。由于出段作业会额外受到正线列车的影响，其能力一般小于入段作业，所以本文重点对出段方案及其能力进行分析。

列车出段作业包括段内区段和出段区段作业，见图1。段内区段作业包括咽喉区和转换轨2个运行过程，出段区段分为出入线运行和正线车站进站运行2个过程。以上过程中的主要瓶颈点是接轨站进站过程，主要受车辆段接轨方式影响。

图1 上线列车出段过程示意图

1.1 车辆段的接轨方式

接轨站指车辆段的出入线与正线接轨的车站。接轨方式可分为线路终端接轨与中部接轨[11]。受车辆段选址、线路建设时序、车站敷设方案和运营条件等因素影响，我国轨道交通车辆段多采用中部接轨。中部接轨主要包括双站八字线接轨和单站单侧接轨两种方式，其中单站单侧接轨工程量较小，且可实现出入线双线双向收发车，作业组织比较灵活。单侧接轨主要包括单岛、双岛、一岛一侧等模式，见图2。

图2 单侧接轨示意图

1.2 车辆段出入段形式

车辆段的出入线一般为双线，在条件困难或作业量小时可设计为单线[12]。双出入线形式允许单线、双线两种出入段形式[13]。单线出入段指固定一条线路承担出段作业，另一条承担入段作业。这一模式下出入段作业相互影响小、运营管理简单。在实际运营中，出段和入段作业的重叠时间较短，可通过两条出入线同时进行出段或入段作业，以提高列车出入段效率，这种模式为双线出入段。

2 接轨站列车出入段作业能力分析

将列车由出入线运行至接轨站正线的过程定义为加车作业，列车由正线移送至出入线的过程为收车作业。加车能力表示正线对上线列车的接纳能力，是在满足安全条件下，单位时间进入正线的最大列车数量，主要受线路布局、列车性能、列控制式、车站作业时间等因素影响[14]。

2.1 加车作业时间

加车作业过程包括接车作业、列车停站作业和发车作业，如图3所示，各项作业时间及计算方法见表1。

图3 出段列车加车作业在站过程流程图

表1 出段列车加车过程部分作业时间及计算方法

列车停站时间tstop的计算方法如式(1)，包括开门时间、上下客时间、司机作业时间、关门时间四部分：

tstop=topen+max{tup_down,ttrans,tturn}+tclose，

(1)

式中，tup_down为上下客总时间，计算方法如式(2)：

(2)

司机作业时间包括司机换端时间和换班时间。司机换端时间指司机在驾驶室之间走行的时间，即tduan=trun；换班作业时间指司机交接班所需时间，如式(3)：

ttrans=tfill+thandover+trun+tcheck，

(3)

式中，tfill为列车停稳车门开启后至材料填写完整时间，thandover为交接作业时间，trun为司机走行时间，tcheck为换班作业检查时间。

2.2 加车作业能力

加车作业能力与接轨模式、作业组织形式密切相关。单侧接轨单岛模式(图2a)下，出段列车必须占用正线停车，而双岛(图2b)和一岛一侧(图2c)模式可通过合理运营组织，最小化对正线的影响。为探讨运营组织方案对出入段作业的影响，本节以单侧接轨双岛模式(图2b)为例，从加车形式和出段形式两方面分别分析接轨站出入段作业能力。

2.2.1 加车形式

按照出段过程中列车运行方向是否改变将加车作业分为正向加车和反向加车。在双岛模式中，正向加车是指通过III道和下行方向正线加车，反向加车是指通过III道向上行方向正线加车。

2.2.2 出段形式

(1)单线出段

当加车作业需要占用正线停车时，需正线列车出清站台末端信号机时，才可开放出段列车进站信号，如图4中径路1(占用正线正向加车)。此时出段列车与正线列车的最小发车间隔如式(4)：

T1=tarr+tstop+tdep，

(4)

式中，tarr为正线列车接车作业时间，tstop为正线列车在站停车时间，tdep为正线列车发车至出清车站时间。

图4 出段列车进站径路示意图

图5 正线列车与出段列车运行关系

当出段列车出清站台末端信号机时，可开放正线列车进站信号，如图5所示，出段列车与正线列车最小发车间隔如式(5)：

(5)

综上，当加车作业需要占用正线停车时(图4径路1)，要求正线列车最小发车间隔如式(6)：

Tmin=T1+T2。

(6)

当出段列车采用站台中间III道正向加车时(图4径路2)，冲突仅存在于正线与出段列车的发车进路，出段列车进站过程与正线作业平行。全部加车作业过程见图6和图7。

图6 通过III道加车过程1

图7 通过III道加车过程2

当出段列车采用站台中间III道反向加车时(如图4径路3)，与III道正向加车类似，冲突仅存在于正线与出段列车的发车进路。

加车作业不占用正线停车时，作业能力主要受正线列车最小追踪间隔约束，此时要求正线列车最小发车间隔如式(7)：

(7)

式中，tmin为最小追踪间隔。

(2)双线出段

双线出段情况下，如图8所示，可利用两条出入线并分别通过正线和III道同时加车，且可实现正反向同时加车，即III道反向加车、正线正向加车。作业能力可根据其占用正线或III道按单线出段下相应公式计算而得。由于两条进路间不存在冲突，接轨站可实现两方向同时加车，提高列车上线能力。

图8 双线出段列车进站路径示意图

2.3 收车作业形式

按作业过程中是否需要改变列车运行方向，收车作业亦可分为正向收车和反向收车。正向收车中列车方向没有改变，即上行列车通过III道和入段线回段，如图9径路1所示；反之则为反向收车，即下行列车利用正线或III道和出段线或入段线回段，如图9径路2和径路3所示。可见3条径路中仅径路1和径路3不存在冲突，即正反向作业可同时进行。

图9 列车收车路径示意图

3 案例研究

3.1 计算基础数据

以某市轨道交通13号线的某接轨站为例计算其出入段作业能力，车站和出入线设置形式和距离参数如图10所示。

图10 出入段线与正线接轨的形式和距离参数

计算基础参数如下：

(1)列车采用8A编组，长度为186 m，相关参数如表2所列。

表2 8A编组列车相关技术参数

(2)车站的全部道岔均为9号道岔，侧向过岔限速35 km/h。考虑到预留一定安全裕量，模拟计算时取侧向过岔速度为30 km/h。

(3)道岔解锁及进路办理时间为13 s，车载设备信号延迟为2 s。

(4)乘客平均上、下车的时间取0.6 s/人[15]，开关门延缓时间为5 s，开门和关门(含关门预告)时间分别为3 s、6 s，各车门上下客不均衡延误为3 s，关门后列车启动反应时间为2 s。基于实际客流数据，列车进站停站时间计算结果如表3所列。

表3 列车停站时间计算结果

(5)列车采用ATO自动驾驶模式，线路的最小追踪间隔时间为90 s。

3.2 列车加车能力

根据图10中的线路布局形式，可执行的加车作业组织方案有6种：单线出段正线正向加车、单线出段III道正向加车、单线出段III道反向加车、双线出段正向加车、双线出段反向加车和双线出段正反向加车。需要在正线停车的组织方案对正线列车运营影响较大，利用III道加车的方案可有效减少对正线的影响。故选取单线出段正线和III道正向加车、单线出段III道反向加车3种方案，分别计算各方案的加车能力和高峰时段加车时正线的最小发车间隔，并用软件OpenTrack仿真验证，仿真结果见表4。

表4 加车作业OpenTrack仿真结果

单线出段列车通过正线正向加车作业过程(如图4中径路1)及各过程用时如图11所示。计算得到出段列车最小加车时间为119 s，即最大加车能力为30列/h，当正线列车的发车间隔大于2倍加车时间间隔时(即238 s)，出段列车加车作业不会影响正线列车的运营，可满足顺利加车的要求。

图11 出段列车利用正线正向加车作业过程

单线出段列车通过III道正向加车作业(图4中径路2)的过程如图12所示，此时加车作业只受最小追踪间隔时间约束，当正线列车的发车间隔大于180 s时可顺利完成加车。

图12 出段列车利用III道正向加车作业过程

出段列车反向加车时需利用III道加车。列车进站停车时间为上客停站时间和司机换端作业时间中较大值，计算停站时间为120 s。经计算，加车时间间隔为214 s，最大能力为16 列/h。当正线列车发车间隔满足最小发车间隔180 s时，可顺利进行反向加车作业。

仿真计算时，单线出段列车利用正线或III道进站和出站的行驶距离存在差别，而定量计算时其距离假设相等，故定量计算结果与仿真结果存在细微差别，其差值在可接受范围，故定量计算方法能有效计算接轨站的出入段能力。

不同加车作业组织方案的加车能力如表5所列。由此可知：反向加车需改变列车运行方向，作业时间较正向加车长，故正向加车能力大于反向加车能力；单线出段能力最大模式为正线正向加车、III道反向加车，正反向同时加车不存在冲突，由于最小行车间隔为90 s，故能力上限为40列/h，而双线出段不受最小行车间隔影响，故正反向最大加车能力为正向和反向加车能力之和，即46列/h；正向加车占用III道时，正线列车仍可办理进站作业，与出段列车仅在发车作业冲突，而加车占用正线时，两列车在站所有作业均冲突，故单线出段顺利加车的正线最小行车间隔关系为正线加车大于III道加车，受发车作业影响，不同形式的正向加车能力相等；双线出段较单线出段能力有明显提升，但加车是否成功仍受正线最小行车间隔影响。

表5 加车能力计算结果

3.3 列车收车能力

根据图10中线路布局形式，可执行的收车作业组织方案有5种：单线正向收车、单线反向收车、双线正向收车、双线反向收车和双线正反向收车。

利用III道收车将对后续正线运营不产生影响，包括单线正向收车、双线正向收车、单线III道反向收车3种方案。列车正向收车作业(如图9径路1)时，当回段列车尾部出清道岔防护信号机(A点)后，即可办理下一次回段作业，经计算，其正线列车的最小回段间隔为115 s，下线能力为31列/h。列车利用正线反向收车(如图9径路3)，相比正向收车作业，列车利用正线反向回段时需额外增加司机的换端走行时间，总时间为210 s。

不同收车作业组织方案下的收车能力计算结果如表6所示。对于单线回段方式，反向收车比正向收车的作业时间长，所以正向收车的收车能力大于反向收车。而对于双线回段方式，两正向收车进路存在较多冲突，而两反向收车进路仅在列车进站时存在冲突，故反向收车能力较正向收车大。正反向收车可通过合理安排路径，实现两列车同时收车，以提高收车能力，但要求下行线路列车行车间隔时间超过210 s。双线与单线正向收车方案下列车进站作业和回段作业进路均存在冲突，最大收车能力相等。

表6 收车能力计算结果

4 接轨站出入段作业组织分析

不同的运营时段对应不同的出入段作业需求，如早高峰前需列车快速出段，并且尽量平衡上下行的开行密度，在高峰后需根据客流情况进行收车，在平峰时期则很少需要出入段作业。根据以上出入段作业能力的计算结果，分析不同运营时段下推荐的出入段组织方案。

对于列车加车作业，在早高峰前发车时段，需由车辆段向正线快速增加列车，可优先采用单线出段、正反向同时加车形式，使正线上下行方向快速达到需要的开行密度。当线路较短时，也可采用双线出段正向加车形式，以快速为单一方向提供列车；线路较长时，宜采用双线出段正反向加车，平衡两个方向的发车间隔。双线出段和通过III道加车的单线出段均不能满足突发回段列车的需求。在平峰时段，由于不需要发挥最大加车能力，可采用单线出段并利用III道加车，以减少对正线运营的影响。

对于收车作业，在晚间收车时段，当线路下行方向行车间隔小于210 s时，应采用双线正反向同时收车，否则应采用单线正向收车形式。在上下行均需调整行车密度的平峰时段，可根据具体情况安排列车利用III道正向或反向回段，以快速实现正线双向行车密度的转换。

当发车间隔不满足顺利加车或收车条件时，可通过改变后续列车在其余车站的停站时间进一步调整全线的行车间隔使接轨站的最小行车间隔满足限制条件，确保列车的安全加车和收车作业。

5 结论

本文针对城市轨道交通接轨站出入段能力进行研究，在考虑段内区段能力充足情况下，重点对单侧接轨双岛模式的出段区段的作业能力进行分析，讨论了作业过程流程、作业时间、冲突条件等因素，以实际数据进行了参数计算和案例分析。主要结论如下：

(1)接轨站的上下行线路作业能力与出入线接入方向有关，顺向作业的能力大于逆向作业的能力。

(2)列车加车作业受接轨站发车间隔的约束。当加车占用正线时，作业能力由出段列车和正线列车间进路时间确定；加车不占用正线时，作业能力由最小追踪间隔和列车发车作业时间确定。当发车间隔不满足顺利加车条件时，可通过调节后续列车在各站的停站时间来满足接轨站安全出段作业的最小行车间隔。

(3)早高峰发车时，推荐采用单线出段、正反向同时加车模式。晚间收车时，当线路下行列车在接轨站的行车间隔大于210 s时，列车才可采用正线反向收车，否则推荐采用正反向双线收车。在平峰时段时，推荐采用通过III道收发车，以减少对正线运营的影响。