地铁车辆段发车能力研究

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430061）

随着社会经济的迅猛发展，人们生活水平的不断提高，交通出行方式也变得更加多元化。地铁出行方式，由于其准时、高效、运载量大等特点，已成为市民出行方式中最为重要的选择之一[1-3]。

在现代地铁建设规划发展中，城市用地日趋紧张，建设线路不断延长，配属车辆数逐渐增多。因此，车辆段的选址点急剧减少，单个车辆段承担作业量繁重，段场规模要求较大。车辆段的布局主要受用地条件的影响，导致新设车辆段基本无法满足贯通式、多到发线等设计条件。基于此背景，车辆段设计对早高峰时期的发车效率提出了更高的要求[4-5]。

1 研究必要性

针对车辆段的发车能力进行研究，普遍认为咽喉区的通过能力是限制发车能力的最主要原因[6-10]。然而，目前对车辆段咽喉区通过能力的研究大多为基于概率论统计方式分析计算所得到的结果，其数学意义仅是对于咽喉区不同道岔组的利用率的反映，因此并不能直接反映车辆段的发车效率或咽喉区通过效率的高低。综上，现阶段亟须一种行之有效的理论方法，能够直接反映车辆段早高峰的发车效率高低，并对咽喉区通过能力进行分析计算，对车辆段发车能力进行合理评估。

2 发车能力研究

地铁车辆发车能力受咽喉通过能力影响，而咽喉区通过能力主要受控于库线规模、道岔布置形式、信号机数量等因素，还受到实际运营管理的模式和方法等因素的制约，列车出入段或通过咽喉区能力的计算，是地铁车辆段设计中的重点和难点[11-12]。

2.1 咽喉区运行径路

咽喉区运行径路指的是列车从停车库到转换轨，完成模式转换并出清转换轨所走行的径路[13]。

当列车库前端的出发信号机开放后，司机驾驶列车行驶至停车库门前停车，对前方进行观察瞭望，确认前方平交道路安全后，列车出清停车库[14]。

在出清车库前，列车的速度不应超过5 km/h[15]；当列车完全出清车库后，以不超过25 km/h行驶。列车继续行驶至转换轨信号机前停下，进行模式转换，或不停车直接转换模式并通过转换轨，当模式转换完成后，列车便可按照列车自动运行模式（ATO）运行至出清转换区，至此，列车通过咽喉区径路完成。

根据车辆基地及出段线的信号机布置和联锁关系设置，城市轨道交通车辆基地的列车出段作业有列车径路和总出发径路两种方式[10]，当为列车径路方式时，列车可直接行驶至转换轨的正线入口信号机处；当为总出发径路方式时，列车先行驶至总出发信号机，然后根据总出发信号机的显示，进入正线入口的模式转换信号机处。本文基于总出发径路方式，考虑了车辆驶出转换轨的时间不受车辆进站办理时间的影响，即同时段只考虑列车发车径路，无接车作业。其发车线路分区示意图如图1所示。

图1 车辆段发车路线分区示意图

2.2 出段径路方式

调研发现，地铁出段行进方式与段内所采用的信号机系统类型有关，根据列车行驶至转换轨区段是否需要停车（两种不同信号机类型），出段径路方式一般可大致分为两种。第一种径路方式中，接收到调车指令的司机手动控制列车，通过咽喉区道岔组，行驶至转换轨，停车并手动操作使列车转为ATO正线跟踪模式，驶向车站；第二种径路方式中，接收到调车指令的司机手动控制列车，通过咽喉区道岔组，行驶至转换轨，无须司机手动操作，列车在信号系统的控制下，自动转为ATO正线跟踪模式，并驶向车站。两种信号系统在实际运营中均有所应用，在这里仅对第一种信号系统中的列车出段过程进行分析，第二种信号系统实际上是在其基础上进行的升级，原理一致[16]。

2.3 单车发车时间计算

列车从停车库通过咽喉区驶出车辆段，对于单列车而言，其走行时间称为单车出段时间；对于多列车而言，其出库总时间包含前后两列车之间的发车时间间隔，这个时间称为追踪出段时间。

单车通过咽喉区出段时间T单：

式中：t准——列车出发前径路办理、司机准备等时间；t1——列车从停车位置行驶到库门线处所用时间；t望——司机在库门线处停车观察瞭望的时间；t2——列车从库门处行驶至出清库门的时间；t3——列出从出清车库到行驶至转换轨信号机处所用时间；t转——模式转换时间；t4——列车从模式转换信号机处至出清转换轨所用的时间。

准备时间t准、瞭望时间t望、模式转换时间t转与司机操作习惯有关，可以取平均值，其他时间根据列车在每个小区间段上行驶的距离和速度决定，其中对于t3的计算，由于库内不同股道出库端到转换轨信号机位置的线路长度相差较小，当行驶速度一定时，计算所得t3相对误差相比于总用时可忽略不计，因此可认为咽喉区各股道列车出清车库到转换轨信号机处的走行时间相等。列车出清车库前限速为5 km/h，至出清车辆段间限速为25 km/h[15]，速度均较低，因此在计算时间时忽略列车加减速过程造成的影响，假设列车为匀速行驶模式，并取值为最大限速的80%，即4 km/h和20 km/h。所以各行驶时间段可表示为：

式中：v5、v25——列车在限速5 km/h和25 km/h下的平均行驶速度。

至此，单列车通过咽喉区的出段时间T单得到了参数化表示。由于列车从出清总出发信号机至出清模式转换信号机的时间小于列车从停车库至出清总出发信号机的时间，因此列车出清总出发信号机后的时间不作为咽喉区的通过能力限制点考虑，而重点考虑列车从停车库至出清总出发信号机的时间，这段时间称为追踪出段时间。

2.4 全段列车发车时间计算

以国内某地铁车辆段为例，停车列检库、咽喉区及正线接入示意图如图2所示。

图2 车辆段停车列检库及出入段线布置

其停车库内设置为以双列位停车线为主，单列位停车线为辅的布局模式，停车库总体上分为两个半区，每个半区连接1条到发线，且两条到发线之间有交叉渡线连接，两条到发线的接发车径路称之为平行进路。

按照运营规定，一个闭塞区间内同一时间段仅允许1列车行进。车辆段的咽喉区属于一个闭塞区间，列车发车时，双到发线的设计允许上下半区可同时发车，通过平行进路驶入正线，1个半区单次只有1列车发出，待前一列车出清总出发信号机后（即达到追踪出段时间），后一列车开始发车。这种发车模式中整个车库的列车全部发出的总时间取决于停放车辆数较多的车库半区。设停车数较多的半区内停放2列车的线路有m条，停放1列车的线路有n条，则车库内所有列车通过咽喉区驶出车辆段的总时间T总可表示为：

式中：Δt——2列位停放列车相比1列位停放列车多走行时间。

两列位停放列车相比一列位停放列车多走行时间等于行驶1列车长的距离所需要的时间，因此Δt计算如下：

式中：L间——两列位停车时前后列车之间的通道宽度，地铁设计规范中为8 m。

对于相邻两列车，当前一列车出清总出发信号机时，下一列车即开始办理进路准备出发，因此，计算列车的追踪出段时间T追：

式中：——列车从出清车库后提速到v25行驶至出清总出发信号机所用的时间；其余参数表示的含义与计算单车出段时间中的对应参数一致。

由此可得到车辆段内所有列车发车完成所需要的总时间T总。

3 结论与建议

通过上述计算模型可以看出，二列位非对称停放方式的存在，导致Δt和T追的增大，直接影响T总，即停车库内所有车全部发出所用的时间取决于停车数较多的半区，且停放两列车的停车列检线越多，所需要的时间越长；对于T追而言，由于列车由总出发信号机行驶到出清模式转换信号机所用的时间小于列车从库内到总出发信号机的时间，则t准由列车从库内到总出发信号机的时间，即咽喉区闭塞区间时间决定，而T追随着t准的增大而增大，而T追的增大直接导致T总增大；此外，司机反应及操作时间、瞭望时间、行驶时间、设备反应时间等均会影响T单，进而影响T总。基于上述结论，对于提高地铁车辆段发车能力给出如下建议：

（1）停车库进行列车停放时，库内两半区应尽量对称布置，优先单线单列停放，横向股道不足时再考虑纵向双列位停放，从而减少两列位列车发车前等待时间及增加的1列车长走行时间，以提高发车效率。

（2）条件允许情况下，建议将咽喉区内分成多个闭塞区间，以此形成通过咽喉区的前后列车之间良好的接续性，减少时间的浪费。同时，优先选择能实现自动进行ATO模式转换的信号机系统，以减去停车等待时间和加减速所延误的时间，提高单车通过的效率。

（3）培训司机的专业操作技能，升级信号设备性能均可以提高发车效率，此外，排列发车径路时，在选择道岔数少、路线较短的径路的同时，可在车库前的平交道口设置封锁门，当列车出入车库时，封锁平交道口并禁止人员和车辆进入，由此可省去停车及瞭望过程，尽可能地降低可控时间。

总之，地铁车辆出入车辆段，通过咽喉区是一个动态的、系统的、互相协调的过程，影响其通过能力的因素有很多，本文仅就实际运营情况进行了咽喉区通过效率的理论建模，部分影响因素有所弱化，但对于车辆段发车能力的评估计算和运营管理水平的提升具有实际意义。