城市轨道交通快、慢车仿真研究

吴 刚

（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 前言

对于城市轨道交通信号系统设计而言，根据信号系统制式对行车专业提出的配线设置、旅行速度、行车间隔、折返间隔等进行仿真验算非常重要，不但可以验证行车专业所提要求是否合理可行，更可以对信号系统的设计等提出可靠的依据。

广州地铁14号线工程采取快慢车运营模式，快车停靠部分车站，慢车则为站站停车，在越行车站设置快车越行线和慢车避让线。本文重点针对以下情况进行验证分析：（1）信号系统采用移动闭塞制式并实行快、慢车运行模式下，正线是否满足远期24列车且快慢1∶3开行比例的行车能力，即本线路是否可满足行车组织要求的早晚高峰能力要求，远期18对/小时慢+6对/小时快；（2）信号系统采用固定闭塞制式并实行站站停运行模式下，是否能实现4 min的最小追踪间隔。

图1 远期快慢车运营模式停站方案

1 仿真原理

本次仿真主要是运用广泛应用于以下轨道交通工程领域的Opentrack软件对广州地铁14号线列车运行的仿真。该软件能在不同的计算机平台上运行，且能够模拟各种场景。

Opentrack仿真模拟采用连续-离散混合求解算法，对列车运动的计算采用连续求解，获得加速度、速度、位移等；对行车信号与调度采用离散求解，获得信号机状态、路径占用等信息。系统在给定的基础设施条件下，让列车依据自身动力性能，按给定的时刻表进行运行[1]。

图2 Opentrack仿真原理

2 仿真过程

仿真分为模型建立、仿真模拟、数据输出三个过程。

模型建立包括对线路平纵断面、限速区段、车站站位等线路基础资料，还包括车辆性能数据、信号机设置及进路设置等，可为模拟建立一套精确的模型[2]。

仿真模拟的过程是在基础模型建立后，利用软件内部牵引计算系统对全线列车运行进行实时动态模拟的过程。模拟过程中，可动态观察列车运行速度、运行里程、加速度等多项列车指标，并对列车越行、折返等过程做出综合评价。如图3所示。

仿真结束后，系统可输出as＜加速度、里程曲线＞、vs＜速度、里程＞曲线、Fs＜牵引力、里程＞曲线、st1＜区段占用情况、时间＞曲线、st2＜区段占用情况、时间＞曲线、otsimcor＜列车曲线运行图＞、快慢车列车追踪间隔等30几种数据或者图形结果[1]。

3 仿真结果分析

3.1 快、慢车的行车能力

列车从嘉禾望岗往街口方向运行，选取2组1∶3的比例快慢车。发车间隔时间依次为0min，2.5min， 2min， 3.5min， 2min， 2.5min， 2min，3.5min。从图4可以清楚看到第一组快车在DP（东平站）、TH（太和站）、ZLT（钟落潭站）超越了前面发车的三列慢车，第二组快车不但在前面三站超过了第二组发车的三列慢车，还在TP（太平站）超过了第一组发车的第三列慢车快车，实现了快慢车有序超越。而且图4中并未出现冲突点，快车和慢车预先定义的旅行时间得到了保证，从而也证明了行车设置的越行站合理，信号系统可以根据移动闭塞制式实现这种交错的快慢车运行。

在移动闭塞列车控制方式的基础上，实行快慢车追踪运行，快车和慢车在交汇点处存在冲突点，快、慢车的组织也是围绕冲突点的管理来组织客运。通过明显的车次区别和线型区别，调度员可以很清晰地在站场图界面和时刻表界面上识别出列车快慢车。

在进行快慢车运行图编制时，往往采取单独仿真一条快车运行线，一条慢车运行线作为基础的运行图数据，在保证快车运行旅行时间不受影响的前提下，按照运行图事先要求的快慢车比例，先铺画快车运行图，然后根据避免冲突点的原理（在越行站设置一个慢车到达该站时刻与快车越过该站时刻的最小间隔时间T1和快车越过该站与慢车可以出发时刻的最小间隔时间T2，保证快、慢车不在越行站产生冲突)，不改变慢车区间运行的数据，增加慢车在越行站的等待时间，达到快车在越行站超越慢车，实现有序的快慢车追踪间隔运行。

图3 Opentrack仿真过程实录

为了保证列车追踪安全运行，这种铺画方式一般都对T1和T2取相对较大的时间间隔，而且实际每个越行站根据越行站前后车站快车是否停车对T1和T2的选取会略有不同，更没有动态调整的空间，很大程度上牺牲了慢车在越行站的等待时间，降低了地铁的服务水平。使用OPENTRACK进行仿真，采用基于行车给出的运行时刻表，可采取多次模拟仿真，实时调整慢车停站时间，或者快、慢车在区间的旅行时间，逐次逼近，在避免快慢车在越行站的冲突的基础上，选取最优的运行图为计划运行图，达到既保证快慢车的有序运行，又很大程度上提高了运行的效率。

3.2 降级模式下的最小追踪间隔的实现

降级模式下的列车最小追踪间隔是衡量系统能力的关键指标之一，也是信号系统设计重点。本次仿真以街口往嘉禾望岗下行方向为例，使用固定闭塞进行仿真。

本次采用两列前后制式完全相同的列车以最初4 min的发车间隔进行仿真，由图5可以清楚地看到后车的速度明显因前车的存在而受影响，后车不能以正常速度运行至前车相同位置，而且在TP（太平站）、DC（邓村站）出现了冲突点，即后车采取了在车站等待前行列车离开安全防护区段后发车的方式来保证与前车的安全距离。经过核 实 ，DC(邓 村)～SG(神岗)、TP(太 平)～XH （新和）区间距离均大于5 km，根据固定闭塞制式原理与初步设计方案，在长大区间采用加装信号分割点来保证固定闭塞制式下最小追踪间隔，通过在模型上对DC(邓村)～SG(神岗)、TP(太平)～XH （新和）区间增加计轴与信号机后，重新进行了仿真，结果满足初步设计要求的4 min的最小追踪间隔。

图4 1∶3的比例快慢车运行图

图5 降级模式下4 min追踪间隔运行图

根据仿真验算后的结果来布置正线轨旁设备，不但保证了信号系统设计的能力，而且提高了运营服务效率。

4 结论

本文通过利用OPENTRACK软件对广州地铁14号线CBTC模式快慢车能力和降级模式下固定闭塞最小追踪间隔的仿真，能够得出一系列数据，如列车运行图、列车时刻表、冲突检测、避让线占用率等，这些数据不仅可以形象直观地验证行车设计是否能够实现，避让线设置是否合理，而且可以验证信号系统能够达到的系统性能以及优化行车运行图，从何保证了设计的合理性。

［1］瑞士苏黎世联邦科学研究院北京星竹科技发展有限公司，OPEN TRACK用户手册--中文版（1.X版）［Z］.2010.

［2］广州地铁设计研究院有限公司，广州市轨道交通14号线一期及知识城支线工程行车组织与运营管理初步设计说明书［Z］.2013.