基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究

赵兴东，张 蕾，谢莎婷，梅 杰，豆 飞，周 旭

（1. 交控科技股份有限公司，北京 100070；2. 北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

1 引言

城市轨道交通是我国大城市居民市内出行的主要交通方式，其科学、合理的运输组织模式是提高服务水平、节约运营成本的重要手段。虚拟编组技术可以缩短列车追踪间隔、列车折返作业时间，提高线路通过能力，增加运能。同时，该技术也带来了运输组织模式的革新，可以使运能与客流的时空分布规律相匹配，以实现运输效益和服务质量的双赢。因此，虚拟编组技术是未来城市轨道交通领域研究的重要方向，对基于虚拟编组技术的列车开行方案进行研究是非常必要的。

2 研究概述

2.1 研究背景

自2014年4月欧盟“Shift2Rail”研究计划提出以来，虚拟编组列车一直是欧洲轨道交通的重要研究方向。英国铁路安全与标准委员会（Rail Safety and Standards Board，RSSB）在Closer Running研究报告中也将虚拟编组技术作为技术路线的一个关键组成。此外，德国宇航中心交通事业部等机构也对虚拟编组的机制、场景和仿真分析进行了研究。随着虚拟编组技术研究的逐步深入，基于虚拟编组技术的行车方案研究也应运而生。

2.2 研究价值

虚拟编组技术在提高线路的通过能力和供需匹配能力方面有一定价值。刘岭[1]提出了一种基于多智能体系统（MAS）的虚拟编组列车的协调控制模型，该模型实现了实时的动态调整，提高了列车的运行效率。Quaglietta[2]等人详细介绍了虚拟编组概念，进行了线路通过能力分析，并提出了一种可以捕获列车运行状态的列车跟踪模型，证明虚拟编组能提高线路通过能力。Liu[3]等人基于虚拟编组技术，考虑实时客流，提出了一种以动态编组为主的时空调度模型，该模型能有效地根据客流时空分布不均匀特征配置运输能力。曹源[4]等人提出重大疫情下基于虚拟编组的列车动态编组与调度方案，以提高城市轨道交通的运输效率。

总的来说，虚拟编组技术突破了改变编组对特定场地和作业时间的限制，使对列车开行方案的优化和设置更加灵活。

（1）虚拟编组技术通过实时在线联挂和解编，可拓展大小交路、跨线运行、快慢车运行等既有组织模式的实现方式，形成新的列车运行组织模式。

（2）虚拟编组技术可提升列车实时进入、退出与改变运用状态的效率，针对运营中断与运营扰动，将形成新型的调度调整策略。

（3）虚拟编组技术将更新列车追踪运行、车站到发、越行、折返、出入段等作业过程与时间标准，可以缩短列车的追踪间隔[5-6]和折返时间[7-8]，从而提高线路的通过能力。

3 虚拟编组下行车方案分析

列车开行方案是城市轨道交通日常运营组织的基础，对合理配置列车运力资源，均衡交通供给和需求之间的关系具有重要意义。因此，在编制列车开行方案之前，首先需要明确影响列车开行方案的主要因素。目前针对列车开行方案的影响因素已有一定研究。韦子文[9]从乘客出行需求和客流分布特征、运力资源、行车条件3方面分析列车开行方案的影响因素。刘猛[10]对客流分布特征、乘客出行需求、企业提供的运力资源、设施设备条件等方面进行研究。许得杰[11]、王慧[12]、刘泽原[13]重点从客流需求、运力资源、行车条件3方面分析其对列车开行方案的影响。本文将影响列车开行方案的主要因素归纳为以下4个方面。

（1）客流分布特征。主要包括客流时间分布特征和空间分布特征。时间分布特征是指研究时段内不同时间的客流强度的差异性。空间分布特征是指在线路的不同方向和不同位置客流强度的差异性。

（2）乘客出行需求。科学合理的开行方案要最大程度地满足乘客出行需求，保持对乘客的足够吸引力，以保证良好的社会和经济效益。因此，城市轨道交通系统应从安全性、直通性、快捷性、舒适性等几个方面来满足乘客出行需求。

（3）运力资源。城市轨道交通线路运营企业所能提供的运力资源也是编制列车开行方案的重要影响因素，列车运用数量、企业运营成本、运输组织复杂性和车站客运组织水平对列车开行方案的编制产生重要的影响。

（4）行车条件。城市轨道交通系统中车站和线路上的设备、设施条件是列车开行方案编制与实施的基础，主要考虑线路通过能力、折返站折返能力等因素。虚拟编组技术能够缩小列车追踪间隔，提高线路通过能力；同时该技术能增强列控系统的实时性，提高折返站折返能力。

4 首都机场线开行方案设计

基于虚拟编组技术下列车可实时解编或重联的特性，以首都机场线为研究对象，提出3种列车开行方案。

4.1 线路概况

首都国际机场轨道交通线（以下简称“首都机场线”）是一条现代化的城市轨道交通线，于2008年7月19日开通，全长27.3 km，共设4座车站，其中地下站3座、高架站1座，采用4节编组L型列车，定员218人，最高速度可达110 km/h[14]。

首都机场线连接北京市区与北京首都国际机场，采用Y形回路运行，沿东直门站、三元桥站、3号航站楼站、2号航站楼站、三元桥站、东直门站的顺序行驶。该线路在东直门站与地铁2号线、13号线换乘，在三元桥站与地铁10号线平行换乘，与奥林匹克中心区域相连。另外，在机场的2个航站楼之间还设置了联络线，方便机场旅客换乘，基本实现城市中心区和北京首都国际机场之间的点对点运营。首都机场线的开通缩短了北京首都国际机场与中心城区的通行时间，改善了首都机场的交通状况，加强了其国际航空港的地位。

4.2 客流分析

以首都机场线2019年4月19日（周五）全天分时段客流数据为研究对象，客流情况如图1所示，可以看出17 : 00～18 : 00的客流量最大，主要对该时段客流量进行分析。

图1 机场线2019年4月19日全日客流情况

机场线高峰小时客流如表1所示，T2航站楼和T3航站楼的客流量如表2所示。可以看出T2航站楼和T3航站楼的客流量相近，因此，可以采取在某一位置将列车解编分别驶向T2航站楼和T3航站楼的方案，以提高服务水平并降低企业运营成本。

表1 机场线高峰小时客流数据 人次

表2 T2、T3航站楼客流数据 人次

4.3 开行方案

4.3.1 虚拟编组方案 1

列车反向运行，在11号道岔附近进行解编，1列运行至T2航站楼（通过支线运行至T3航站楼汇合），1 列运行至T3航站楼，然后返回在T3航站楼虚拟重联运行，如图2所示。实际运行过程中，会结合运行时长进行编组，部分列车单节运行，不采用虚拟编组形式。该方案可以方便至T2航站楼的乘客出行，节约大约11 min时间，但采用反向运行方式，信号等系统预计需要一定的改造。

图2 虚拟重联方案1

该方案的列车运行图示意图如图3所示，绿线表示2编组列车虚拟重联运行；蓝线表示虚拟解编后驶向T2航站楼的列车；红线表示虚拟解编后驶向T3航站楼的列车。为便于描述，假设列车只有2编组，第1编组开往T2航站楼，第2编组开往T3航站楼。第n列车的第2编组和第n - 1列车的第1编组在T3航站楼虚拟重联运行。第1列车的第2编组单独返回，最后1列车的第1编组单独返回。

图3 方案1列车运行图示意图

4.3.2 虚拟编组方案 2

列车正向运行，在13号道岔附近进行解编，1列运行至T2航站楼（通过支线运行至T3航站楼汇合），1 列运行至T3航站楼，然后返回在T3航站楼虚拟重联运行，如图4所示。该方案能方便至T2航站楼的乘客出行，但是该方案新增1组道岔，设备系统改造预计较多，且可能存在土建条件不具备的情况。

图4 虚拟重联方案2

该方案各区间运行时间与方案1大致相同，列车运行图基本一致，如图5所示。第n列车的第2编组和第n - 1列车的第1编组在T3航站楼虚拟重联运行。第1列车的第2编组单独返回，最后1列车的第1编组单独返回。

图5 方案2列车运行图示意图

4.3.3 虚拟编组方案 3

列车正向运行，在13号道岔附近进行解编，1列运行至T2航站楼（反向原路折回），1列运行至T3航站楼，然后返回至14号道岔处虚拟重联运行，如图6所示。该方案新增1组道岔，设备系统改造预计较多，且可能存在土建条件不具备的情况。另外，该方案中至T2航站楼列车拉抽屉运行，当发车间隔为12 min时，必须将从13号道岔至T2航站楼的运行时间控制在4.5 min（目前在6 min左右，可能不具备压缩区间运行时间的条件），才能保证列车正常运行，后续也无法再压缩间隔。

图6 虚拟重联方案3

列车运行图示意图如图7所示。每列车在13号道岔处解编，分别驶向T2和T3航站楼；完成停站后2列车返回，在14号道岔处重联，驶向东直门。

图7 方案3列车运行图示意图

5 首都机场线开行方案评价

从乘客角度和企业角度出发，选取乘客候车时间和在途时间、列车走行公里和平均列车满载率作为评价指标，以12 min为发车间隔，对首都机场线现行方案和3种虚拟编组技术下的列车开行方案进行对比分析。

5.1 指标选取及计算

本文规定：T2、T3航站楼至东直门站为上行方向，东直门至T2、T3航站楼为下行方向，其中，T2至T3也为下行方向。

5.1.1 乘客候车时间

乘客候车时间：

式（1）、式（2）中，qij表示ij间的客流；I表示发车间隔；tw表示乘客总候车时间。

5.1.2 乘客在途时间

上行方向乘客在途时间：

下行方向乘客在途时间：

式（3）、式（4）中，tz+表示上行方向乘客在途时间，tz-表示下行方向乘客在途时间；qij表示ij间的客流；tym表示列车在区间m的运行时间；ttn表示乘客在n站的停站时间。第一站为起始站（东直门站），第a站为共线区段最后一站（三元桥站），第N1为交路1最后一站（T2站），第N2站为交路2最后一站（T3站）。

5.1.3 列车走行公里

列车走行公里：

式（6）、式（7）中，k = 1为开往T2航站楼的交路，k = 2为开往T3航站楼的交路；Lk表示k交路的长度；L23表示下行方向列车从T2航站楼到T3航站楼的长度；fk表示k交路的发车频率；nk表示k交路的编组辆数；Lf表示两车虚拟重联后下行方向的长度。

5.1.4 平均列车满载率

区间x上行方向的满载率：

所有区间的平均断面满载率：

式（8）～式（10）中，γx

5.2 方案评价及对比

5.2.1 参数取值

各方案区间运行时间及停站时间如表3所示，各方案区间的运行里程如表4所示，各方案客流数据如表5所示。各方案的列车定员为每节定员218人，全列定员872人。

表3 区间运行时间及停站时间 min

表4 区间运行里程 km

表5 各站点客流数据 人次

5.2.2 指标对比

根据指标计算的方法及参数，对各指标进行计算，计算结果如表6所示。

表6 各方案指标值

从4个指标来看，由于4种方案发车间隔一样，每站点客流量相同，因此，乘客候车时间一致。

方案1、方案2的乘客在途时间比现行方案减少14.1%；方案1、方案2的列车走行公里比现行方案减少9.2%；方案1、方案2的平均列车满载率提高33.9%，更加充分利用了列车运能。方案1和方案2的各项指标大致相同，但方案2需要增加1组道岔，可能存在不可行问题。

方案3的乘客在途时间比现行方案减少24.9%；方案3的列车走行公里比现行方案减少13.8%；方案3的平均列车满载率提高31.7%，更加充分利用了列车运能。虽然方案3在各项指标上较好，但是该方案需要提高列车在13号道岔和T2航站楼之间的运行速度，将运行时间缩短至4.5 min，预计很难实现，可行性较小。且方案 3必须保持较大的发车间隔，不利于远期的发车间隔调整。

从方案指标计算情况来说，虚拟编组技术下的3种列车运行方案与现行方案相比，在乘客角度和企业角度都具有一定优势。方案1、方案2与现行方案相比，在乘客在途时间、列车走行公里和平均列车满载率3个指标上都具有一定优势；方案3在乘客在途时间和列车走行公里2个指标上具有较大优势。

从方案实施条件来说，方案1采用整体反向运行的模式，需要对信号系统进行改造；方案2和方案3需要增加1组道岔，可能存在土建条件不具备的情况；另外，方案3采用拉抽屉运行方式，需要较大的行车间隔才可实现，限制远期的行车间隔调整。因此，方案1的可行性较高。

综上所述，综合考虑指标优化和方案可行性2方面因素，建议选择方案1，在提高服务效率的同时降低运营成本。

6 结语

针对首都机场线实际情况，提出了3种基于虚拟编组技术的列车开行方案，该方案可以实现列车在某一位置解编成2列车分别驶向T2航站楼和T3航站楼，折返后在某一位置重联成1列车驶向东直门。以首都机场线某日的高峰小时客流量为例，验证了3种列车开行方案能有效提高乘客出行效率、降低企业运营成本。但新型列车开行方案可能存在不可行情况，因此，在选取列车开行方案时应综合考虑指标优化和方案可行性2方面因素。