城市轨道交通等间隔行车调整方法优化设计

郭 戬

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京100081）

城市轨道交通等间隔行车调整方法优化设计

郭 戬

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京100081）

等间隔行车是在城市轨道交通发生特殊情况时应用的一种行车指挥方法，在无法按照列车运行图正常行车时能够简单高效地恢复运营秩序。为解决既有等间隔行车运行调整方法存在的问题，设计了一种优化的等间隔调整方法，通过自动计算目标调整间隔、实时计算列车追踪间隔、局部优先调整并兼顾平衡全线列车分布密度等手段，改进了运行调整效果，并通过仿真验证了方法的有效性。

行车指挥；等间隔调整；自动列车监督；列车运行图

1　概述

列车等间隔调整是应用于城市轨道交通中的一种特殊的行车指挥办法，通常在出现意外事件 (如车辆或信号故障、自然灾害等)、无法组织列车按运行图规定的交路行车或运行图严重紊乱的情况下使用。列车等间隔调整是指让列车按照同一个交路，以相同的追踪间隔往复行车。等间隔调整交路如图1所示，假设平时按 A 到 C 站大交路运行，在 C 站因故封闭的情况下，迅速组织列车在 A 到B 站间按小交路运行，以便最大程度减少意外情况对行车的影响。这种情况下，由于交路与运行图不符，无法按照时刻表行车，此时采用等间隔调整是最简单和高效的运营手段[1]。

图1　等间隔调整交路

等间隔调整一般是通过自动列车监督系统(ATS) 自动实现的。ATS 是城市轨道交通信号控制系统的重要子系统之一，其核心功能是监督跟踪列车运行、排列进路和列车运行调整，实现行车指挥自动化。在正常情况下，ATS 根据运行图自动为列车排列进路、进行运行调整。一列车从进入正线运营开始至运营结束入段为止，ATS 会赋予该列车运行图上的一条计划运行线，其中包含列车车次、运行路径 (经停股道、终到折返线或转换轨) 和时刻表等关键行车信息。在列车接近一架信号机时，ATS根据其对应车次的运行路径为列车自动排列进路；当折返列车驶入目的折返线后，ATS 会自动将列车车次更新为下一段反方向行程的车次，然后自动排列驶出折返线的进路，列车完成换端后开始下一段行程，如此往复直至运营服务结束。列车在到站停车时，ATS 会根据其对应车次的时刻表信息，自动调整列车停站时间和区间运行速度等级，使列车运行的时间-距离曲线尽量贴近计划运行线，即为自动运行调整[2]。

在使用等间隔调整运行模式时，由于脱离运行图运营，需要通过 ATS 人工为列车指定运行交路，即两段首尾相接闭合的运行路径；ATS 根据指定的运行路径自动为列车排列进路。目前国内城市轨道交通 ATS 采用的等间隔调整方法存在以下有待完善的问题。①需要预设调整间隔时间。即需要人工输入或使用运行图间隔时间，ATS 按照这个时间作为等间隔调整的目标间隔。在交路和列车旅行速度确定的情况下，交路上的间隔时间取决于运营列车数；如果运营列车数与预设调整间隔时间不匹配，总会存在一个过大或过小的间隔，需要调度员手动干预或重新调整间隔时间。②调整时的参照系是列车的离站时间。在对某一列车进行调整运算时，参照的是其运行前方相邻列车的离站时间，而离站时间并不能实时地反映实际的列车追踪间隔。如果只是简单地按照前行列车在当前站的离站时间推算被调整列车的发车时间，一旦前行列车发生延误，就会造成两车间隔过小；如果被调整列车本身延误，则又会因为旅客集聚而导致延误愈发严重，造成两车间隔过大[3]。

为改进上述问题并做进一步优化，研究设计一种新的等间隔调整方法，并用软件进行仿真验证。

2　轨道交通等间隔调整行车方法优化

2.1调整策略

列车之间追踪间隔的调整主要依靠调整停站时间和自动列车驾驶系统 (ATO) 区间运行速度等级2 个参数实现。在信号系统能够及时提供行车许可的前提下，列车停站时间延长，与前车间隔会拉大，与后车间隔会缩短；列车在区间运行速度加快，与前车间隔会缩短，与后车间隔会拉大。

等间隔调整需要在列车到站停稳时进行，这是由于：停站时间只有在列车停站时有效；列车在区间的运行速度等级只能在列车停站时发送给列车，大部分 ATO也不支持在列车运行过程中修改运行速度等级。每当列车停站、开始等间隔调整时，先根据交路上的运营列车数重新计算目标追踪间隔。根据当前停站列车至其前、后方相邻列车的实际空间距离，综合考虑区间运行时间和停站/折返时间，估算出当前停站列车至其前后方相邻列车的追踪间隔。通过延长或缩短列车停站时间，辅以提高或降低列车区间运行速度等级，使列车前后向间隔向目标间隔靠拢。①优先采用调整停站时间的方式，少数必要情况下调整列车区间运行速度等级，以减少列车频繁的速度变化。②限定最大和最小停站时间，以避免乘客由于停站时间过长而产生焦虑感，或者由于停站时间过短使乘客来不及上下车[4]。③采用“局部优先，兼顾全线”的原则进行调整，优先保证局部范围内列车追踪间隔均匀，再根据线路上列车的分布情况，调整列车密集区域的列车，将其尽快调配到列车稀疏区域[5]。④调整时兼顾前后向间隔，确保在某一列车出现延误时，其前方列车也会延长停站时间或降低运行等级来“等待”延误列车追赶，分担客流，从而避免出现愈延误便愈延误的恶性循环发生[6]。

2.2目标间隔时间计算

通常会根据客流量等因素为每个车站设定默认停站时间；折返线也可以看作一个停车站台，将平均折返时间作为默认停站时间。ATO 根据车辆的牵引制动性能、实际线路平纵断面等因素定义各区间的经济速度曲线，即常规运行等级。

假定城市轨道交通常规运营，即列车使用常规运行等级、在各站按默认停站时间停站的情况下，列车能够实现的旅行速度为 V旅行，交路的总长度为L交路，在线列车数为 N列车，则等间隔调整的目标间隔时间 I等计算公式为

2.3追踪间隔计算

正常运营的城市轨道交通列车通常在线路上同向追踪运行，2 个相邻的追行列车先后通过同一位置的时间间隔，称为这 2 列车的追踪间隔；追踪间隔也可以理解为后车从其当前位置运行至前车当前位置所需的时间。追踪间隔包含 2 列车间的区间运行时间和停站/折返时间。

（1）区间运行时间。区间运行时间是指列车在 2 个车站间的区间运行消耗的时间；列车采用不同的区间运行速度等级，对应的区间运行时间也不同。在等间隔调整情况下，采用常规运行等级对应的列车区间运行时间。追踪间隔如图2所示，设 B 站到 A 站区间运行时间为 IBA，C 站到B 站区间运行时间为 ICB；对于列车 2 到 B 站这样不足一个完整区间的运行时间，采用近似值，即ICBp= LCBp/LCB×ICB；则列车 1 到列车 2 的区间运行时间为 I区间= IBA+ ICBp。

图2　追踪间隔

（2）停站/折返时间。停站/折返时间是指列车到站停车或进、出折返线及换端消耗的时间；计算停站或折返时间时，需要对被调整列车与其前、后向列车的间隔区分计算。①后向间隔应计算被调整列车所处车站或折返线 (不含) 至后向列车之间所有车站或折返线的默认停站/折返时间之和；如果后向列车正在停站中，需要增加后向列车的剩余停站时间；如果后向列车在折返线上，需要增加该折返线的默认折返时间。设每个站的默认停站/折返时间为 D默认；列车在停站时，发车指示器 (DTI) 指示的剩余停站时间为 D剩余。以图2 计算列车 1 至列车3 的间隔为例 (假设列车 2 不存在，列车 3 与列车 1追踪运行)，停站/折返时间产生的间隔为 I停= DB默认+ DC剩余。②前向间隔应计算被调整列车所处车站或折返线 (含) 至前向列车之间所有车站或折返线的默认停站/折返时间之和；如果前向列车正在车站停车中，需要增加该车站默认停站时间与前向列车剩余停站时间之差。以图2 中列车 3 计算至列车 1 的间隔为例 (同样假设列车 2 不存在，列车 3 与列车 1 追踪运行)，停站/折返时间造成的间隔为 I停=DB默认+ (DA默认－DA剩余)。

综上，两列车间的追踪间隔为区间运行时间和停站/折返时间之和，即 I实际= I区间+ I停。

2.4停站时间计算

调整停站时间是城市轨道交通自动运行调整的主要手段。根据停靠站台为列车在每个车站分配最大停站时间 Dmax和最小停站时间 Dmin，作为停站时间的自动调整极限值。列车在到站停稳时计算停站时间，并输出到 DTI 显示。定义等间隔调整的允许误差为 δ (δ ＞ 0)，目标间隔上限 I+= I等+ δ，目标间隔下限 I-= I等－δ，与前车追踪间隔为 I前，与后车追踪间隔为 I后。根据前后向追踪间隔的不同情况，分 3 种条件计算理想停站时间 D。

（1）间隔条件 1：前向或后向间隔符合目标间隔标准。这种情况应在不破坏前向/后向间隔的前提下进行调整，在允许误差 δ 内使不符合目标的间隔向目标间隔靠拢。

（2）间隔条件 2：前向间隔大、后向间隔小，或者前向间隔小、后向间隔大的情况。这种情况下优先调整前向间隔，即优先保证被调整列车与前车间隔向目标间隔靠拢。

（3）间隔条件 3：前后向间隔都大或都小的情况。这种情况下停站时间暂不做调整，使用默认停站时间。

综上计算得出理想停站时间 D，如果 D ＞ Dmax，则停站时间初始值为 Dmax；反之，如果 D ＜ Dmin，则停站时间初始值为 Dmin；为尽量避免发生当后车到达当前站时，由于当前被调整列车还没有结束停站，后车站外停车的情况，如果 D ＜ I后，则停站时间初始值为 Dmin。

2.5区间运行速度等级计算

ATO 通常提供多个运行速度等级，除常规运行等级外，还有更快和更慢的等级，从而为调整留出余地。当通过停站时间计算得出的理想停站时间D 超出 [Dmin，Dmax] 范围，或者出现间隔条件 3 时，需要通过改变运行等级进行补偿调整。

为简化描述，假设 ATO 提供 3 个运行等级，分别为慢速等级 L慢、常规等级 L常规和快速等级 L快。实际情况中如果存在更多的运行等级，可以根据理想停站时间与最大或最小停站时间之差，以及不同等级补偿的时间，更精确地选用一个运行等级。如果理想停站时间 D 超出 [Dmin，Dmax] 范围，根据列车到站停稳时得出的理想停站时间 D，计算运行等级 L。

间隔条件 3 常出现于故障情形，如图3a 中列车1因故中断运行一段时间，或如图3b 中列车 1 和列车 2 中间的区段因故只能拉大间隔运行。如此，在闭环的交路中就会形成大间隔和大间隔、小间隔和小间隔相邻存在的情况[7]。

图3　非正常间隔情况示例

此情况下，无论缩短或延长停站时间都无益于调整间隔和改善乘客体验，需要通过对线路上列车的分布情况进行分析，决定列车是否需要加/减速行驶。以图3b 中的列车 3 为例，以被调整列车车头位置为起点，向其前后各延伸交路长度的 1/4 为止，统计这 1/2 个交路上的列车数目 N列车半，并计算出平均追踪间隔时间 I半= (1/2 L交路/V旅行) /N列车半，据此计算该列车适宜的运行等级。

根据列车分布情况调整运行等级的目的是让密度较大区段的列车加速行驶、密度较小区段的列车减速行驶，从而缩小线路上的大间隔，实现等间隔行车。

2.6调整策略的可行性

等间隔调整的收敛目标是达到任意 2 列车之间的间隔满足 I-＜ I任意＜ I+。在间隔条件 1 和 2 的情况下，调整停站时间和运行等级都会使被调整列车的前后间隔向目标间隔趋近，并且不破坏已经达到收敛目标的间隔，不存在发散的可能。在间隔条件 3 的情况下，存在不作任何调整的可能，但这种情况不是一个稳态。设交路上共存在 n 列车，列车 m 与其前方列车的间隔是 Im，则整个交路的运行时间 T 为

如果存在一个 Ij＜ I-，那么必然至少存在一个间隔 Ik＞ I+，反之亦然。因此，间隔条件 3 必然伴随间隔条件 1 或 2 同时出现，其他间隔的调整结果会传导，改变间隔条件 3。

2.7等间隔调整的影响因素

决定等间隔调整收敛速度的因素包括以下 4 个方面。

（1）站间距。由于列车调整只能在停站时进行，站间距越短，列车调整得越频繁，收敛越快。

（2）可容忍的误差。可容忍的误差值越大，调整的裕度也越大，收敛越快。

（3）最大和最小停站时间。差异越大，在使用停站时间作为调整手段时，在车站补偿的时间越多，收敛越快。

（4）ATO 特性。ATO 特性决定了不同区间运行速度等级对应的运行时间差异；运行时间差异越大，在使用运行等级作为调整手段时，在区间补偿的时间越多，收敛越快。

3　仿真验证

选用国内某城市轨道交通线路的一段交路进行仿真试验，线路及其他仿真参数如表1 所示。

表1　仿真数据

仿真环境软件包括服务器软件 COM：等间隔调整运算，跟踪列车，自动排列进路和通信转发[8]；仿真软件 SIMU：模拟 ATO 系统自动行车，模拟联锁系统开放进路[9]；操作终端软件 HMI：显示站场和列车运行情况，控制操作；运行图软件 SCHD：记录列车实际运行线。

仿真步骤如下。

（1）在 SIMU 软件上布置列车，模拟不规则、不均匀的间隔情况。

（2）在 HMI 软件上启动等间隔调整功能。

（3）在 SCHD 软件上观察列车运行线，验证列车追踪间隔是否趋向目标间隔，以及达到调整目标所需时间。开始等间隔调整 20 min 后的运行线如图4 所示；80 min 后的运行线如图5所示，此时基本达到调整目标。

图4　等间隔调整大约 20 min 后的运行线

图5　等间隔调整大约 80 min 后实际运行线

4　结论

在城市轨道交通线路无法按照列车运行图正常行车的情况下，等间隔行车是相对简单、高效地恢复运营秩序的一种列车运行调整方法。针对既有等间隔调整方法存在的一些问题进行优化设计：①实时、动态地自动计算目标调整间隔，可以避免由于人工预设间隔时间与列车数目不匹配导致的异常间隔，也无需根据列车上、下线情况人工反复设置间隔时间；②采用局部优先调整并兼顾平衡全线列车分布密度的调整策略，可以在自动实现列车等间隔运行的同时，兼顾乘客体验，避免在列车延误时出现因旅客聚集而导致延误列车愈发延误等情况。通过仿真实验，可以验证优化的等间隔行车方法实现了设计目标，具备在实际工程中应用的价值。

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责任编辑：刘 新

Optimization of Constant Headway Regulation Method in Urban Rail Transit

GUO Jian

(Signal & Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 10081，China)

Constant headway train operation is a traffic command method applied in the particular circumstances of urban rail transit, which can restore the operation order easily and efficiently in case of train diagram disorder. In order to solve the problems of existing Constant Headway Regulation (CHR) Method, this paper introduces the design of an optimized CHR method. This optimized design improves the running adjustment effect by automatically calculating the target headway, calculating the train interval in real time, adjusting the local priority and balancing the train distribution density. The effectiveness of this CHR method is validated by simulation.

Traffic Command; Constant Headway Regulation; ATS (Automatic Train Supervision); Train Diagram

1003-1421(2016)11-0087-06

U239.5

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.11.18

2016-05-30

中国铁道科学研究院科研项目 (2014YJ073)