北京地铁1号线运能现状及提高措施

2012-07-05钱丽芳谭喜堂申朝旭

城市轨道交通研究 2012年2期

钱丽芳谭喜堂申朝旭

（同济大学电子信息工程学院，200092，上海∥第一作者，硕士研究生）

北京地铁1号线与既有2号线、5号线、10号线等相衔接，特别是5号线、10号线的开通，使得1号线的客流量明显增加，按照北京市城市路网规划，未来将有新建4号线等多条线路与1号线相交，并且全新改造后的2号线也已经开通。由此可见，未来几年内，1号线将面临承担各条新建线路联络换乘的严峻任务。从目前1号线运能现状来看，其所能达到的综合运输能力，将不可能满足未来客流增长和城市路网规划运能要求。因此如何使北京地铁1号线路在现有的条件下不断地挖掘潜力、提高效率，保持较好的运送质量，是一个值得探讨的问题。

1 运营概况分析

北京地铁1号线始建于1965年7月1日，是中国首条地铁，线路西起53号站，东至四惠东，共设25座运营车站线路里程达到34km。作为首都的首条地铁线路，1号线纵贯东西交通主干，自1981年建成投运以来，客流增势迅猛。随着北京轨道交通网络化运营格局的形成，地铁客流出现爆发式增长，最高日客流已接近130万人次，是目前各条运营线路中客流量最大、运能要求最高的，同时也是运能与运量矛盾最为突出的轨道交通线路。

随着北京地铁逐渐成网，在网络效应和优惠票价双重刺激下，地铁客流记录不断被刷新。北京地铁日均客流迅速突破500万人次大关，部分车站面对客流压力被迫采取限流措施。市轨道交通指挥中心的数据显示，目前1号线客流压力最大，日均120万人次，成为全世界运营强度最大的地铁线路。其中四惠、四惠东换乘站高峰时段满载率高达100%至130%，国贸站满载率110%。

现就2009年度1号线运营状况分析如下。

1）运能情况：列车编组，6节／列；每日开行610列；高峰时段最小行车间隔2min 15s；2）运营现状见表1。运营时间为5：10～23：48。

表1 2009年北京地铁1号线运营现状况

由于1号线的运能不足，已经逐渐形成以下状况：

（1）在高峰期间，如上、下班或者阴雨天气，各站采取了限流措施，造成大批乘客滞留站外，引起秩序混乱，乘客被迫改乘其他交通工具；

（2）北京地铁所有线路全部实行2元制，因此乘坐地铁出行的市民非常多，也就造成列车拥挤度加剧，上下班高峰尤其严重；

（3）地铁设备故障时有发生，导致列车停运，严重时曾滞留10万乘客。

综上所述，巨大客流使1号线的运量和运能矛盾越来越突出，运量的增长与运能的不足已经成为地铁1号线当前的迫切问题。

2 提高运能方案的比选

提高运能的方案可采用有增加列车编组的措施，或采用保持当前的列车编组与速度、减少列车折返时间与停站时间等方法。针对1号线运营实际情况，具体分析如下。

2.1 增加列车编组

北京地铁1号线运营的主力车型是DKZ4型地铁电动车辆，每列列车均由Mc、T、M 3种型号的车辆组成。其中Mc车有动力和司机室，无受电弓；T车无动力，无受电弓，无司机室，俗称拖车；M车有动力，无受电弓，无司机室，俗称动车。6节列车的编组方式为：Mc－T－M－T－T－Mc。

若将列车编组提高到8节编组方式，以动车组CRH2A（8编组）为例，CRH2A的编组方式为：Tc－M－M－Tp－T－Mp－M－Tc。在原地铁1号线工程设计方案中，大部分站台长度均按8节编组设计施工。即为满足不断增加的运量需求，列车编组可由6节调整为8节。从土建条件上，具备开行8节编组列车的基本条件。

但由于目前1号线的信号系统、列车自动控制系统均按6节编组列车长度设置，如列车编组改为8节，须对目前的整套信号、车地通讯、安全防护等一系列设施进行改造。工程规模大并直接影响到日常运营及安全，具有一定的风险。同时，根据车站设备与客流关系的分析[1]，安检设施和楼、扶梯能力达不到设计值或实际客流需求造成车站通行瓶颈，并且高峰期自动扶梯入口排队现象十分明显，其通过能力不能满足高峰客流的要求，存在一系列问题。因此为避免因改造相关运营设施所增加的费用和风险，近阶段不宜采用此方案。

2.2 保持当前的列车编组，减少列车折返时间与停站时间

目前，北京地铁运营管理水平已经位居世界前列，2min15s的列车最小发车间隔国内领先。但与香港、莫斯科、东京等城市地铁列车编组动辄8节甚至10节车厢相比，北京既有地铁线的运能提升空间有限。

影响行车间隔的主要因素有列车终点折返作业时间、在车站的停站时间、区间运行时间等，终点站折返本身作业时间较短且基本固定。根据目前的客流状况，地铁1号线建国门、天安门西、复兴门以及万寿路站均已缩短列车进站停靠时间。建国门站缩短到45s，天安门西站缩短到28s，复兴门站上行（复兴门到南礼士路）缩短到50s下行（南礼士路到复兴门）缩短到45s，万寿路上行列车停靠时间缩短到45s。因而就车站的停站时间与终点折返作业时间可压缩的余地都较小。同时，减少列车行车间隔主要依靠压缩区间运行时间即提高区间运行速度来实现，这点将会在下面进行详细分析。

2.3 分析限速，增设“点式环线（Spot Loop）”装置，计算速度码优化组合

北京地铁1号线信号系统由英国西屋信号有限公司（WSL）提供的基于无绝缘轨道电路（JTC）的固定闭塞系统。为保证列车运行安全，追踪运行列车之间保持一定的间隔，也就是要相隔一定数量的闭塞分区。北京地铁1号线采用三显示自动闭塞系统，正常条件下要求列车间的运行间隔为3个闭塞分区如图1所示。

图1 自动闭塞系统示意图

三显示下，通过信号机有3种显示，其中黄色灯光是预告灯光。一个闭塞分区的长度内满足从规定速度到零的制动距离，闭塞分区长度要大于或等于列车制动距离S：

式中：Nsignal为区间内通过信号机个数。

在三显示下，两列车间的最少间隔长度：

式中：lcar为列车长度（m）。在三显示下追踪间隔为

这种系统的性能有两个特别的限制。首先，通常有一个可以传送给列车的数量有限的“速度级别”。第二，在列车的前面必须有足够的制动距离，以保证列车在准备进入更严格的区间时，以最大安全速度而不用减速到目标速度能准确停在前行列车或其他障碍物之前，这就要求设置“0／0”区间。

本文提出的速度码计算方法，主要是解决上述提到的固定闭塞的两个特别限制。在保障列车之间的安全距离、限速约束的前提下，采用点式环线（Spot Loop）装置减少“0／0”区间和增加“速度级别”，从而减少运行时间，提高运能。

一般情况下，列车在实际运行中，考虑到各种情况，如停车时间的延误、列车运行间隔的调整、列车司机操作水平的不同等，设计的旅行速度相对计算速度会有10%～15%的预留富余量，以便在实际过程中能够有调整的余地，因此系统最终核定的旅行速度为36～38km／h，全周转旅行速度在33～35 km／h之间，这一设计是按线路和车辆允许速度80 km／h和限速要求加10%～15%富余量计算的。如在线路最高速度和速度等级要求不一致时，运行时间和旅行速度还要调整。因此，在保障运行安全的前提下，在运行高峰时间一定程度地减少速度的富余量，对速度码进行调整，可以在很大程度上缩短行车间隔。

从实际应用的角度分析，该方案的可操作性较强、效果直观（乘客候车时间缩短）。实践证明，分析各种限速条件，增设Spot Loop装置，计算速度码优化组合的方案应是北京地铁1号线提高运能的直接、有效的方法。

3 方案实施

3.1 算法基本思想

在运用基于条件匹配的ATP（列车自动防护系统）区段速度码计算方法[5]的基础上，增加各种线路限制条件并且使用Spot Loop装置，对速度码进行进一步的分析和计算。以闭塞分区和进路为最基本的计算单位，每个基本单位的各种速度码的组合构成一个有限集，且有限集中的元素均与某些相关条件形成对应的关系，即可以通过不同的条件确定一个区间或一条进路的不同速度码组合，这种对应方式可用式（3）表示。再对各种组合进行比较分析，对于不同的情况，如早高峰时段、客流较少采用节能方式运行等不同的场合下选择不同的速度组合。

式中：

fn（）——第n个计算基本单位从各信息条件到所求速度码组合的映射；

x1，x2，…，xk——决定第n个计算基本单位的速度码组合的各条件；

k——第n个计算基本单位的速度码组合的条件数目；

SiYn——第n个计算基本单位通过映射得到的各区段的速度码组合（i指不同的运行条件）。

所需的条件就是各区段的占用情况、前方区段的速度码、信号机的状态和进路的锁闭状态等，这些条件均可通过采集或计算得到，各计算单元的速度码组合构成有限集，由设计单位提供的区间码和联锁区码序表得到。

3.2 具体实施或映射过程

3.2.1 总体步骤

由于线路情况复杂、列车间隔时间短、列车速度较高等原因，北京地铁1号线需要更多、更灵活的MSS／TS组合（MSS为最高安全速度，TS为目标速度）。现在地铁运营中，只提供五个等级的安全速度码“0”，“38／0”，“59／／37”，“74／58”，“74／73”，并不能满足系统的需要。

为了解决此问题，在1号线ATP（列车自动防护）系统增加Spot Loop装置[6]，用以向ATP车载设备发送点式环线频率。点式环线频率是由联锁电路根据对目标速度的要求而确定的。点式环线安装于ATP区段接收端，通过联锁电路确定的点式环线频率来选择该区段ATP安全码所代表的目标速度。频率A或没有接收到点式频率，表示在该区段ATP安全速度码所代表的是通常目标速度，频率B至E表示在该区段安全速度码4个可选择的目标速度（B至E），如表2。

根据故障－安全原则，最大安全速度对于给定区段是一个定值。所有的点式环线频率信息仅用于选择目标速度，而不能改变最大安全速度。

模拟试验以北京地铁1号线八宝山站到玉泉路站为区域控制中心控制范围，这段区间中包含23个闭塞分区（见图2）。

表2 北京地铁1号线安全速度码分配表

根据速度码序表，每个计算单元（闭塞分区）的速度码与前一个计算单元的速度码有关，速度码序不可跳变。因此，区段速度码的计算必须按照一定的顺序进行，本文使用与列车运行方向相反计算的顺序。在试验中，区段速度码的计算按照上、下行方向闭塞区间和道岔区间顺序分别进行计算。

上行方向速度码的计算顺序如下：

YQL－XX，YQL－S1，YQL－BB1，YQL－S2，YQLS3，YQL－S4，YQL－S5，YQL－S6，YQL－S7，YQL－S8，YQL－S9，BBS－XX。

下行方向速度码的计算顺序如下：

BBS－SX，BB－YQ1，BB－YQ2，BB－YQ3，BBYQ4，BB－YQ5，BB－YQ6，BB－YQ7，YQL－BB1，BBYQ8，BB－YQ9，YQL－SX。

图2 八宝山站到玉泉路站闭塞分区划分示意图

总体计算步骤为：

（1）将站内所有区段速度码均设为“未处理”标志；

（2）分上、下行方向，首先进行进路速度的修订；

（3）速度码为“进路处理”标志的区段速度码计算；

（4）按上述顺序计算各闭塞分区、各岔道分区所属区段的速度码；

（5）将速度码计算完成，仍为“未处理”标志的区段的速度码设为F00码。

3.2.2 按照上.下行方向进行速度码的计算

试验程序中，首先进行上行方向的速度码计算，然后进行下行方向的速度码计算。这两次计算的方法与步骤基本相同，区别有以下两点。

（1）上、下行方向计算的闭塞分间不同，计算闭塞分区间与道岔分区的排列顺序不同，按照本文3.1给出的算法进行。

（2）上行方向的速度码计算，以进路为单位计算时，仅计算上行方向的进路；下行方向的速度码计算，以进路为单位进行计算时，仅计算下行方向的进路。

3.2.3 闭塞分区速度码的计算过程

通过对安全码序表的总结可知，决定一个分区速度码的因素有：各分区所包含的各自占用情况；分区前方分区的占用与否或速度码；分区前方的限速情况，包括道岔限速、弯道限速、进路限速和临时限速。表3为前3种状况下限速条件。

分区速度码的计算过程为：

（1）根据列车实际运行情况，考虑运量或节能运行的不同要求，各个闭塞分区的速度等级会有所不同。按照运能要求，按照前文给出的顺序进行计算，判断进路状态（是否闭锁、信号机是否开放、占有条件）进行映射。

（2）在特殊情况下，如道岔限速、弯道、进路、临时限速、长大上坡道等状况下运行时，列车运行速度较低，其实际速度低于黄灯限速，此时可以采用两闭塞分区计算法。

（3）按顺序对其他闭锁分区进行处理，结合上述限速条件表和安全速度码分配表，综合考虑减少5%的富余量进行计算。

完成以上步骤的运算，得到当前条件下对应的区间所包含区段的速度码组合。

表3 各种状况下的限速条件

4 仿真与结论

车载设备从接收到的安全速度码中，获得允许列车运行的MSS和TS，并与列车的实际速度进行比较。当列车当前的运行速度大于MSS时，列车将紧急制动，以保证列车的安全。

根据上述步骤，计算得出北京地铁1号线八宝山站到玉泉路站上行方向区间速度码。图3为计算前后的速度码比较。

图3 计算前后八宝山站到玉泉路站速度码序列

从图4对比优化前后的速度码数据，可以看出通过使用点式环线装置与限速情况分析，改变了安全速度码的目标速度与限速，减少了列车在站间的运行时间。八宝山站到玉泉路后站间距为1 498.43 m，加速度1m／s2。计算得出，原运行时间为104.2 s，对速度码进行优化后得出的运行时间为96s。对于全线进行计算，每列车的运行时间减少200s，则每日开行列车数从610列增加到680列，1号线高峰小时运力将提高11%的运能。