城市轨道交通列车折返能力综合优化分析

李 莉

（北京京港地铁有限公司，北京 100068）

1 概述

随着城市轨道交通的迅速发展，地铁运行速度不断提升，自动化控制较高的基于通信的列车自动控制（Communication-based Train Control，CBTC）系统已经在地铁信号系统中广泛的应用，其中制约CBTC列车运行间隔的主要因素为列车折返能力。随着近年来城市客流不断增大，八节编组列车的普遍应用，列车折返能力更成为制约城市轨道交通运营能力的关键因素。

本文提出一种针对城市轨道交通列车折返能力综合优化的方法，通过对列车折返过程中的不同运行状态进行重新归纳，提出基于不同列车运行状态的折返能力优化分析图，最后依照该分析图对列车折返过程进行部分优化，并通过仿真验证结果表明该分析方法的有效性。

2 折返过程分析

在城市轨道交通运营中，信号系统是指挥列车运行、保障行车安全和提高行车效率的基础装备。本节主要对信号系统控制下列车的折返类型进行说明，并对列车的折返过程进行分析和重新归纳。

2.1 折返类型说明

在信号系统控制下，列车的折返方式可以分为列车自动运行（Automatic Train Operation，ATO）折返模式、列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）折返模式、限制人工折返模式、以及非限制人工折返模式。其中，在采用ATO折返模式时，列车在折返运行时无需司机进行控制，所有运行操作由信号系统直接完成，可极大的节省司机操作时间，提高折返效率。因此，在城市轨道交通运营组织中，ATO折返模式是最常使用的折返方式。

在ATO折返过程中，当列车停靠在折返站台时，司机在原列车头端完成固定操作后，列车进入自动折返模式:信号系统控车自动运行至折返点，停车后进行自动换端，之后再次控车运行至站台定位停车。司机在折返后的列车头端进行激活操作后，信号系统的自动折返程序退出，控制列车重新进入正常运营模式。ATO折返期间，司机只需在列车停站期间完成进入和退出折返模式的简单操作即可，列车运行期间无需任何其他人工干预。因此，需要在进行信号系统设计时，对折返过程进行细化分析，了解影响折返的各方面因素，才能在控制列车折返时有效提升效率。

2.2 折返过程分析

从列车整个折返过程的时间顺序上分析，折返过程包含:上行站台接车作业、折返作业、出库进入下行站台3个阶段。按照时间顺序绘制两车折返追踪过程示意如图1所示。

图1 列车折返过程图Fig.1 Train turn-back procedure chart

如按照传统的列车折返时间顺序对图1进行分析，则在同一时间段存在不同的列车运行状态，不利于归纳分析每段运行时间的影响因素。因此，本文从构成列车折返过程图的几何类型上进行分区，依照列车不同的运行状态对折返时间进行分析，有利于后续的归纳整合和深入分析。

因此，从构成列车折返过程图的几何类型上进行区分，列车折返过程可分为3类。

1）列车的运行时间:如图1中所有的斜线部分，即t0至t6的时间。该时间包括列车运行至上行折返站（t0）、折返站运行至折返点（t1至t3）、折返点重新运行至下行折返站（t4至t5），以及出清车站的时间（t6）等；

2）折返附加时间:如图1中所有的横线部分。列车折返过程中共计停站3次，分别包括上行的站停时间（Dwell）、折返点等待进路办理和道岔搬动时间（Tb），下行的停站时间（Dwell）；

3）前后两车的制约时间:如图1中的“1、2、3”3个区间段，只有前车将安全运行的进路资源释放出后，后车才能有占用该进路资源的条件，也就是这三个时间区段需要大于0。该区段时间也包含信号系统进行列车控制、进路办理和解锁等时间。

本节提出对列车折返过程的重新分类，为后续的折返能力优化提供基础。这样区分的优点在于，将同类折返运行状态进行归纳汇总，有针对性的对每类状态的制约因素进行综合分析，以达到压缩总折返时间的目的，最大化的提升线路运营能力，这也是本文优化折返能力的出发点。

3 折返能力综合优化分析

通过对城市轨道交通列车运营折返过程的整体分析，可从宏观上将各类因素进行综合统筹整理，然后再针对每一因素进行深入分析，确保没有遗漏，以达到最大程度的综合提升折返效率。以折返运行时间为例，综合优化分析如图2所示。

图2 折返能力优化分析图Fig.2 Turn-back capability optimization analysis diagram

首先从是否为安全关键因素角度对影响折返时间的所有因素进行分析，然后按照主观因素和客观因素进行分类，找到对应的所有利益相关方，再对每个利益相关方的影响因素一一进行深入分析和优化。对图2的举例分析详细说明如下。

3.1 安全关键因素分析

在安全关键因素中，由于涉及到各系统的安全设计和安全操作等，该部分的优化需要通过充分的理论证明和测试。明确所有安全关键点的制约因素，以便在设计时保证安全且避免不必要的浪费。制约列车折返运行时间的安全关键因素举例说明如下。

1）列车:列车的折返运行时间与牵引、制动、车长等客观因素有关。列车的编组长度数据应精确测量，作为信号系统对列车定位的输入；在安全运行条件下列车的牵引及制动力的选取范围应不同:例如在运营高峰期的折返作业中，车内无乘客且客流压力较大，可对列车运行舒适度的要求适当降低，列车的牵引及制动系数可在考虑司机安全的条件下取较高值，作为信号系统控车的接口输入边界条件。

2）信号:列车在折返的运行过程中，信号的主要功能为精确控车，在不同外部条件需求下，应采用不同的ATO算法进行列车控制，即当列车运行对高效、节能、舒适度等要求有不同侧重的情况下，选取的ATO算法都应不同。这些算法可在基于一定阀值的情况下彼此切换，以达到最优控制。如在客流高峰期的折返区段，对列车运行舒适度及精确度要求不高，但对折返效率要求较高时，可对差异变化快速响应，但存在一定跟随误差的FUZZY算法。

3）轨道和线路:在线路方面，应选择较为平顺的区域，避免小半径曲线、竖缓重合等地段作为列车折返区域，避免信号系统在控车时产生不必要的误差。在轨道方面，道岔型号和选取与列车的编组情况、运营间隔要求、线路客观条件等因素相关，同时道岔定位、反位通过速度为行车安全关键输入，在考虑安全行车的情况下，道岔定、反位通过速度应区分设置，作为信号系统控车的输入边界条件。

4）司机和站务人员:列车在折返的运行过程中，如采用ATO折返模式，则列车的折返运行时间部分不受主观因素的影响，只有在及其特殊情况下需要司机进行紧急制动操作。在折返附加时间中，司机的安全操作包括需确认屏蔽门与车门之间是否有异物，站务人员的安全操作需确认非运营区域没有乘客等。该方面的优化需要运营人员根据客观情况随时进行调整。

3.2 非安全关键因素的优化

在非安全关键因素中，主要涉及各接口系统之间的配合、接口条件的明确，以及运营组织等方面。制约列车折返运行时间的非安全关键因素简单举例如下。

1）列车:在依照信号系统控车，执行折返运行过程中，列车是所有信号控制命令的执行方。因此，可通过缩短信号系统控车响应时间、简化列车折返运行操作步骤等方式节约折返运行时间。该处的优化需要对信号与列车之间的硬件电路、软件接口等方面进行统一设计，同时需要依靠人因工程进行合理设计。

2）信号:列车在折返的运行过程中，应合理规划运行图。即列车运行的触发时间、各关键位置的时间点、前后列车的运行制约时间等需要在运行图上合理体现，以发挥列车最大运行能力，避免列车运行受到运行图的制约。另外，也可通过改善联锁系统办理方式，采用同时办理而不是顺序启动的方式，节约信号系统对折返行车控制的反应时间。

3）轨道和线路:在线路的前期设计中，对于折返站选址及站形情况，在考虑列车正常折返运行所需的线路条件外，应尽可能降低线路的附加长度；同时可以通过站后交叉渡线、站前单渡线等方面的设计，提升线路折返的冗余能力。轨道方面，需按轨道设施当前状态进行日常维护和定期检修，避免轨道损伤等造成信号在控车方面产生不必要的误差。

4）司机和站务人员:列车ATO折返运行中，列车的折返运行时间部分不受主观因素的影响。在折返停站时间中，站台的乘降作业需要司机和站务人员的配合，该方面能力的提升与乘务人员的主观因素、业务熟练程度有关，可通过培训、演练等方面提升人员能力，缩短附加时间。

以上为初步举例分析，影响折返的利益相关方以及每个利益相关方的影响因素还可以进一步深化梳理。同理也可采用该方法，对折返附件时间、前后车的制约时间进行一一分析，综合后使折返总时间充分优化。

4 仿真验证

按照以上分析，对影响列车折返运行的因素进行初步优化，主要优化点包括。

1）ATO算法优化:在折返过程中选取FUZZY算法进行仿真，对目标速度的变化率能够快速反应。

2）列车启动牵引及制动力的优化:优化车辆牵引和制动系数，作为信号系统控车的输入量。

3）线路:提升列车在折返道岔区域的侧向通过速度，与道岔最高侧向安全通过速度匹配。

对折出列车的运行图进行仿真，结果如图3、4所示。

对图3、4进行对比分析，可以看出经过优化后:

1）列车在交叉渡线部分速度明显提升，由37 km/h提升至接近目标速度46.3 km/h；

2）列车运行速度更加贴近目标速度，由原先的44.46 km/h提升为46.3 km/h；

3）列车在进站速度更高，由原来的31.86 km/h提升为32.22 km/h，站间通过提升列车制动力在目标点停车。

4）总体折返时间优化1.2 s，在确保安全的情况下提升了折返效率。

通过对比可知，通过初步优化后，列车的折返时间有效缩短。后续可通过因素分析方法，在城市轨道交通规划、设计、施工、运营组织、维护等各环节中，充分考虑影响折返的各类因素，并对每个因素分解和优化，以达到综合提升线路折返能力的目标。

5 总结

在当前我国城市轨道交通大面积建设的形势下，地铁在人们每天的出行中起到越来越重要的作用。在信号系统的控制下，如何实现列车高效自动折返成为提升轨道交通运营能力的关键因素之一。本文基于列车在折返过程中的不同运行状态，提出一种对列车折返能力的综合优化分析方法，并通过仿真验证了该优化的有效性。由于该分析方法所涵盖的因素较为全面，因此在后续的研究中，可针对其中的每个因素进行深入分析和优化，达到综合提升列车折返能力的效果。

图3 优化前折出列车运行情况Fig.3 Train turn-back running status before optimization

图4 优化后折出列车运行情况Fig.4 Train turn-back running status after optimization

[1]DONG Hairong，LI Li，Ning Bin，et al.Fuzzy Tuning of ATO System in Train Speed Control with Multiple Working Conditions[C].中国自动化学会.The 29th Chinese Control Conference(第二十九届中国控制会议),北京:2010:758-761.

[2]唐涛，黄良骥.列车自动驾驶系统控制算法综述[J].中国铁道学报，2003，25（2）:98-102.Tang Tao, Huang Liangji.A survey of control algorithm for automatic train operation[J].Journal Of The China Railway Society，2003，25（2）:98-102.

[3]王俊锋，孙旺，郜洪民.城市轨道交通车站站前折返间隔分析[J].城市轨道交通研究，2013，16（4）:69-73.Wang Junfeng，Sun Wang，Gao Hongmin.Analysis of Pre-station Turn-back Headway in Urban Rail Transit[J].Urban Mass Transit，2013,16（4）:69-73.

[4]Ji Kangxu, Qin Luo.Algorithm Design and Simulation of the Urban Rail Turn-back[J].Journal of Computer and Communications，2015，3（6）:18-24.

[5]Gao Shigen，Ning Bin，Dong Hairong.Fuzzy Dynamic Surface Control for Uncertain Nonlinear Systems Under Input Saturation via Truncated Adaptation Approach[C].Elsevier North-Holland，Inc.，2016（290）:100-117.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157-2013 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社，2013.

[7]王志海.轨道交通终点站折返能力分析及改进研究[J].城市轨道交通研究，2012（4）:86-89.Wang Zhihai.Analysis and Improvement of the Turnback Capacity at Rail Transit Terminal[J].Urban Mass Transit, 2012（4）:86-89.

[8]北京市质量技术监督局.DB11/ 995-2013 城市轨道交通工程设计规范[S].北京:北京市城乡规划标准化办公室，2013.

[9]毛保华.城市轨道交通系统运营管理[M]. 北京:人民铁道出版社，2006.

[10]李士勇.模糊控制神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998.