城市轨道交通列车运行等级的研究

宋真祥李岩魏源

城市轨道交通列车运行等级的研究

宋真祥李岩魏源

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），210003，南京//第一作者，工程师）

地铁列车在运行过程中会出现偏离计划运行图的情况，为使列车尽量正点运行，提升列车的正点率及乘客满意度，需对偏离运行图的列车进行调整。改变列车的运行等级是列车调整的一种重要手段。通过对现有运行等级的研究，改进了列车运行等级划分，将列车运行等级划分为P1—P8共8个等级，每个运行等级对应一个运行的速度上限，包括列车允许的最大行驶速度、最大牵引加速度及制动减速度。并基于郑州地铁1号线的部分线路进行牵引仿真计算，验证该运行等级划分的合理性。仿真结果表明，运行等级的划分合理，通过改变列车的运行等级，能够在很大程度上改善列车偏离的情况。

城市轨道交通；列车运行自动调整；运行等级划分；牵引仿真

Author′s addressNARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），210003，Nanjing，China

准点是衡量地铁运营质量的重要指标之一。2014年4月1日开始实施的GBT 30012—2013《城市轨道交通运营管理规范》中明确规定，列车正点率应大于或等于98.5%，列车运行图兑现率应大于或等于99%。提高列车的正点率可以在很大程度上提升乘客满意度，减少投诉率，提升服务质量，但列车在运行过程中常常会受到某些干扰因素的影响，出现列车偏离计划运行的情况。由于地铁列车运行间隔短，某列列车的偏离往往会影响相邻列车的正常运行秩序，严重时可能导致列车运行的大面积紊乱，降低整个系统的运行效率，在保证地铁安全的基本前提下，其服务质量必将受到影响，此时需采取一定的调整措施使列车运行尽快恢复到正常有序的状态。对于偏离不是特别严重的列车，一般由ATS（列车自动监控）控制下的自动列车运行调整通过改变列车的停站时间和列车运行等级来实现，由ATS下发列车调整命令给车载控制器（VOBC），VOBC根据收到的停站时间和运行等级调整列车的运行，经过一次或多次调整使偏离的列车逐渐按图行驶；对于严重偏离运行计划的列车，需要列车调度员人工干预进行调整，包括设置列车跳停、列车扣车、组织乘客快速乘降、压缩列车停站时间等。

1 运行等级在列车运行调整中的应用

列车运行调整主要有自动调整和人工调整两种方式，采用何种方式主要取决于列车实际运行与计划时刻表的偏差大小。较小的偏差主要采用自动调整方式。在ATS系统中编制列车计划时刻表时，会预先设置列车在各个站的停站时间及列车在各个区间的运行等级，列车到站后，ATS调整模块将收到的列车到站时间与计划到站时间进行比较，若列车偏离在允许范围内，ATS将时刻表中的计划停站时间及下一区间的运行等级直接发给车载设备；若偏差大于允许范围，ATS将根据偏差大小适当调整列车停站时间及运行等级，并发给车载设备。自动调整流程如图1所示。

列车停站时间必须控制在一定的范围内，停站时间过长或过短都将影响乘客的乘车体验。调整列车运行等级会让乘客感觉更加自然，一次调整不一定使列车达到准点，可在多个站对偏离列车的运行进行多次调整，使列车逐渐恢复按图运行。对于偏差很大的情况则需调度员人工干预进行调整，偏差范围由ATS在系统中进行设定。

2 运行等级划分

虽然列车运行等级在城市轨道交通运行调整中有重要的作用，但国内学者对列车运行等级的研究相对较少，对运行等级的划分也不太合理。文献［5］提出通过改变区间列车运行等级的方法来调整列车运行，其将列车在区间上的运行模式分为一般模式与节能模式，每一种模式下分别设置快速、正常、慢速三种运行等级。若列车在某区间上运行的最短时间为T，则一般模式下三种列车运行等级（PL1—PL3）对应的区间运行时间分别为T、T+5 s、T+10 s，节能模式下三种列车运行等级（PL4—PL6）对应的区间运行时间分别为110%T、110%T+5 s、110%T+10 s。这样的运行等级设置虽能在一定程度上调整早点或晚点的列车，但可调整的范围并不明显，如列车在某区间运行的最短时间为100 s，则一般模式下慢速运行等级对应的区间运行时间与节能模式下快速运行等级对应的区间运行时间是一样的，都为110 s。另外，由于轨道线路的复杂性及各个运行区间的长度存在差异，这种等间隔的时间变化在列车实际运行过程中并不好控制，在定时约束条件下寻找合适的列车操纵方式会花费较多的资源。文献［6］提出了另一种运行等级的设计方案：系统设置P1—P5共5个运行等级，P1表示列车以最快的运行速度行驶，其他运行等级，每升高一个等级，列车的最高运行速度将降低10%。该方案下的列车运行等级能满足更大范围的列车早晚点调整，但其没有考虑列车的起动和制动过程，若所有的运行等级采取的牵引及制动方式都一样，则不利于满足列车节能及乘客舒适度的要求。从节能方面考虑，列车应采用最大加速及最大减速运行模式，但快速的起动和制动会降低乘客的舒适度。另外，该方案没有考虑区间限速运行的情况。

针对上述运行等级划分存在的不足，考虑城市轨道交通站间距离的差异、列车运行能耗以及乘客舒适度等因素，同时尽量让不同运行等级对应的区间运行时间差异足够大，使得偏离的列车通过调整运行等级达到准点的效果更加显著，本文设计了8个运行等级，分别用P1—P8表示，每个运行等级对应一个运行的速度上限，包括列车允许的最大行驶速度、最大牵引加速度及制动减速度。ATS系统在编辑列车时刻表时可选择P2作为列车默认的运行等级。运行等级的设置如表1所示。

表1 列车运行等级划分

3 算例测试

为验证运行等级划分的合理性及可行性，以郑州地铁1号线下行西流湖站—市体育中心站共20个站之间的线路数据为基础，进行牵引仿真计算。表2描述了秦岭路站—五一公园站区间的线路数据格式，整条线的线路数据与之类似。全线的线路坡度及曲线限速条件如图2、图3所示。

表2 秦岭路站—五一公园站区间线路数据

图2 郑州地铁1号线线路坡度示意图

图3 郑州地铁1号线线路限速示意图

为计算方便，将列车看作单质点进行受力分析，列车运行过程采用快速运行策略。即列车以允许的最大牵引力进行牵引（若产生的加速度大于运行等级规定的最大牵引加速度，则采用运行等级规定的最大加速度进行计算），当列车速度到达最大允许速度后以最大允许速度匀速运行，直到列车运行至制动转换点时采用允许的最大减速度进行制动。计算过程中对各个站间运行时间，以及每个时间步长内列车的实时速度和列车行走的距离进行记录，并绘制列车运行的S-v曲线，以直观反映各个运行等级下列车的运行情况。图4为运行等级P1—P4对应的速度距离曲线。

不同运行等级列车在区间的运行时间汇总如表3所示。

图4 列车运行等级P1—P4的速度距离曲线

表3 区间运行时间

4 结果分析

4.1调整效果的改善

根据文献［5］的运行等级划分原则，可计算出列车在区间的运行时分，如表4所示。表中“最大可调整时间”指列车最快通过区间的时间与最慢通过区间的时间之差，即列车通过调整运行等级一次最大的调整范围。

由表4可见，改进前PL3与PL4的区间运行时间相差不大，且通过调整运行等级来调节列车运营偏差的效果并不显著，单次仅可以调整20 s左右。

4.2仿真结果分析

从牵引仿真计算的结果可以看出，运行等级越高，区间运行时间越长，在列车正常运行模式下（非限速运行），通过调整列车运行等级，能够在很大程度上调整早点或晚点的列车。当列车运行偏离计划运行图较小时，可根据偏离时间的大小，结合计划到达下一站的时间以及下一站的计划运行等级，选择合适的运行等级运行；当列车偏离较大时，一次调整可能不足以使列车恢复计划运行，这时可通过多次调整列车运行等级并结合调整列车停站时间等多种手段，使偏离的列车尽量正点运行。

表4 改进前的区间运行时分

不同的行车区间，运行等级的调节能力不同。对于非限速运行模式下的运行等级（P1—P6），调节范围最小的为秦岭路站—五一公园站区间，最大可调范围为48 s；调节范围最大的为博学路站—市体中心站区间，最大可调节范围为111 s。一般情况下，区间距离越长，可调节的时间范围越大，并且不同运行等级之间的区间运行时间差也不同。这是由于运行等级划分的主要区别在于列车的牵引加速度大小、制动减速度大小以及区间最高限速，列车在区间运行时牵引和制动过程所占的比重相对较小，特别是在较长的区间内，中间运行过程所占的比重较大，所以区间距离越长，最高限速对列车运行等级所带来的影响就越大。例如，距离较长的博学路站—市体育中心站区间（区间距离2 483 m），相邻两个运行等级对应的时间差分别为12 s、17 s、19 s、27 s、36 s，而距离较短的秦岭路站—五一公园站区间（区间距离1 074m），相邻两个运行等级对应的时间差分别为6 s、8 s、8 s、12 s、14 s。也就是说，站间距离越长，通过调整运行等级来调节列车运行的效果就越显著，这与列车的实际运行情况相吻合。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.城市轨道交通运营管理规范：GB/T 30012—2013［S］.北京：中国标准出版社，2013.

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［4］徐航.城市轨道交通列车运行实时调整算法的研究［D］.成都：西南交通大学，2013.

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［6］陈荣武，刘莉，郭进，等.基于遗传算法的列车运行能耗优化算法［J］.交通运输工程学报，2012，12（1）：108-114.

［7］叶芹禄.城市轨道交通车辆电机牵引力计算方法研究［J］.城市轨道交通研究，2010，13（10）：71-73.

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［9］彭其渊，石红国，魏德勇.城市轨道交通列车牵引计算［M］.成都：西南交通大学出版社，2005.

Research of M etro Train Performance Level

SONG Zhenxiang，LIYan，WEIYuan

Metro trains in operation process often deviate from the running chart.To ensure the scheduled operation of trains,enhance the punctuality rate and the satisfaction of the customers，it is necessary to adjust the train that has deviated from the running chart，and an effective method is to change the performance level of the train.Based on a study of the present performance levels,the change resets 8 levels from P1 to P8，each corresponds to a ceiling of the running velocity，including the perm itted train maximum speed,maximum traction acceleration and breaking deceleration.Partial routes of Zhengzhou subway Line 1 are taken for the traction simulation calculation，to verify the rationality of the existing performance levels.The results show that the division of performance levels is reasonable，because by changing the performance level of the train，the condition of train deviation can be improved to a great extent.

urban rail transit；train automatic regulation；performance level grading；traction simulation

U29-39

10.16037/j.1007-869x.2017.07.018

2015-07-29）