区域轨道交通跨线站配线方案研究

王 莹，王 宇，卢锦生，刘梦雨，3，吴兆斌

(1.北京交通大学交通运输学院,北京 100044; 2.广州地铁集团有限公司运营事业总部,广州 510220;3.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044)

引言

随着城市交通圈的快速发展和深度融合,由多种制式轨道交通复合而成的轨道交通网络系统,已经成为现代化都市圈发展的重要力量。推动“四网融合”、实现多种轨道交通间互联互通是我国区域轨道交通发展的必然趋势[1-2]。因此,列车跨线运营的实际需求也日益迫切。跨线运营的前提是线路互通,即通过衔接节点(即跨线站)实现跨线运行[3]。同时,跨线站衔接多条线路,对路网整体影响程度较高,且须满足列车跨线的多项作业要求[4-5]。因此,跨线站的配线布置对于实现线路互联互通,提升网络化运营效率至关重要,是区域轨道交通互联互通的关键。然而,现有研究中,跨线站配线研究主要面向城市轨道交通同信号制式,对不同制式线路跨线站的研究还不多见。同时,对跨线站配线方面的研究多是对配线类型、布置形式及布置原则等方面的阐述及梳理[6-7],关于车站运营组织特点对配线布置的影响和需求方面的研究较少。因此,本文重点立足跨线站运输组织需求,分别梳理同制式及不同制式线路的跨线站作业过程及特点,研究并提出不同实际运营场景下相适应的配线方案。

1 跨线站作业需求分析

从跨线前后线路信号制式是否发生改变角度,可以将列车跨线分为同信号制式跨线和跨信号制式跨线两类。相较于同信号制式跨线,跨信号制式跨线作业复杂程度明显提升,涉及信号制式切换、更换司机端及更换行车方向等多项流程。

1.1 同信号制式跨线作业需求分析

从作业流程上看,同信号制式跨线过程相对简单,可分为本线运行和跨线运行阶段。本线运行阶段是指列车跨线前在原线路的走行过程(图1红色路径所示);跨线运行阶段是指跨线车经由渡线等配线完成线路跨越,并在新线上继续运行的走行过程(图1中蓝色路径所示)。

图1 同信号制式跨线作业流程示意

由上述流程可知,在车站合适位置设渡线即可实现列车跨线[8]。考虑到渡线位置不同,所支持的跨线流程不同,可将跨线方式进一步分为接车端和发车端跨线。两种方式区别在于列车进站清客和跨线作业间的先后顺序,也各有利弊:接车端跨线时,列车进站前完成跨线,乘客不易坐错车;但遇故障会导致站外停车,产生安全隐患;发车端跨线则能有效避免站外停车,但可能会使部分乘客坐错车[9]。考虑运营安全性,建议采用发车端跨线,并加强站内乘客安全引导。由于同信号制式跨线站配线需求较为单一,车站规模也相对较小,因此,建议市区所设跨线站以同信号制式跨线站为主,以降低用地拆迁等投资成本。

1.2 跨信号制式跨线作业需求分析

1.2.1 信号制式切换需求分析

跨信号制式下,跨线前后线路信号系统制式不同,故车站配线在功能上须同时满足两种系统的作业要求[10]。以由CTCS-2信号制式切换为CBTC信号制式的过程为例,对列车作业流程进行说明(图2):跨线前后两条线路的信号系统制式分别是CTCS-2和CBTC。列车上需配备2套车载设备,并在到发线上设置制式切换区域。列车首先驶入具备制式切换条件的线路,并在过渡区域完成车载设备控制切换等操作,待前方线路满足运行条件后方可驶离[11-12]。

图2 CTCS和CBTC系统信号切换流程

当前技术条件下信号制式切换作业时间比较长,会增加线路占用时间,影响其他行车作业。当前针对跨信号制式领域的研究普遍认为采用双车载兼容模式跨线具备一定可行性[13-14]。该模式下,列车上需要安装兼容型列控系统,同时配备相关的地面设备,以实现不停车完成制式切换效果[15]。以CBTC与CTCS-2间跨线为例,列车首先以规定速度进入过渡区,在一定限速下,通过车载与地面设备的实时通信交互,在规定节点前完成待切换系统的热备及启用,并由司机在交互界面确认完成最终切换[16]。实现较短时间内快速切换是该领域主要的研究趋势和方向,如果在未来快速切换技术能够实际应用,信号制式切换作业时间有望大幅缩短。

此外,由于不同列控系统设备自动化程度不同,对到发线长度要求也不尽相同。以CTCS-2和CBTC系统为例:CBTC系统下列车具备自动驾驶功能,无须考虑司机停车余量,且列车安全防护距离、设备间距等方面也同CTCS系统有所区别,所需到发线长度通常比CTCS-2要短。表1展示了站台长度相同的情况下CTCS-2与CBTC系统所需到发线的有效长度[17]。

表1 CTCS-2与CBTC列控系统所需到发线有效长度

通过上述分析可知,信号制式切换作业会消耗一定时间,为避免线路长时间占用对后续接发车造成影响,可考虑增设到发线,为制式切换列车提供作业场所。如果未来兼容切换模式投入实际运营并实现稳定运行,将切换时间控制在较短时长(如1 min内),那么信号制式切换作业所产生影响就会显著降低,彼时可安排列车直接在站线作业而不再增设配线。

1.2.2 列车换端及换向需求分析

不同信号系统下,列车行车方向可能有所差别,通常情况CBTC系统为右侧行车,而CTCS系统为左侧行车。故因跨线前后信号制式的变化,可能导致行车方向改变,产生换向及换端需求。

换向作业是指更换行车方向(即左侧行车与右侧行车间转换)的作业,这是由信号系统制式发生改变所导致的。根据作业位置,换向可分为区间换向和车站换向。区间换向通过区间线路立交,进而改变列车进站方向来实现,如图3(a)所示;车站换向则通过列车在站内折返走行完成换向,如图3(b)所示。这两种换向形式分别适用不同形式的客流需求,区间换向主要适用于X形和Y形客流,而车站换向适用于V形客流。

图3 跨信号制式区间换向和车站换向作业流程示意

换端作业是指更换司机端的作业。对于顺向跨线,跨线前后运行方向一致,列车无需换端便能实现平滑衔接,如图3(a)所示;对于非顺向跨线,列车运行方向在前后两条线路上相反,因此须通过换端来实现线路过渡,如图3(b)所示。根据实际运营经验,在具备旅客乘降条件的线路,换端作业一般可与旅客乘降同步进行,作业时长一般在1 min内[18-19]。

综上,当列车跨信号制式跨线且客流以X形或Y形为主时,建议采用区间换向,对线路进行立交疏解使得列车在进站前完成换向。此时,跨线为顺向跨线,无须换端以及站内换向(图3(a))。而列车跨信号制式跨线且客流以V形为主时,建议采用车站换向,列车在站内完成换端及换向(图3(b))。

基于配线需求分析可知,跨信号制式跨线站增加了信号制式切换、换端换向等作业,为避免影响后续接发车,建议在车站增设配线。同时,考虑到车站区间也可能采用立交疏解,使占地规模及施工要求显著提升,故建议将跨信号制式跨线站设在郊区,以减轻用地及投资压力。

1.3 不同客流条件下跨线作业需求分析

由于区域轨道交通沿线经济发展水平、人口分布以及车站在线网中位置等因素的差异,不同车站承载客流会呈现出不同特点。从客流形式上,可分为X形、Y形及V形客流[20]:Y形客流是指一组线路与另一组线路间旅客单向流动的形式;X形客流是指两组线路之间旅客双向交叉流动的形式;V形客流与Y形客流类似,形式上同样是单向流动,但在跨线后流动方向发生了变更。图4为3种客流形式简要示意。

图4 Y形、X形及V形客流示意

根据跨线站客流形式,运营部门会相应地组织开行X形、Y形及V形等形式的跨线车来满足客流需求。其中,Y形跨线是指一组线路与另一组线路间邻线的单向跨线,如图5(a)所示;X形跨线是指两组线路之间邻线的双向跨线,如图5(b)所示;V形跨线则是指跨线前后行车方向发生转换的跨线形式,如图5(c)所示。

图5 X形、Y形和V形跨线作业示意

从发生场景上看,同信号制式跨线时,根据客流构成,会相应采用X形、Y形跨线;某方向折角客流量较大时,也可能开行V形跨线车。跨信号制式跨线时,由于跨线前后行车方向不一致,需根据客流形式安排列车进行区间或车站换向。区间换向时,列车首先在进站前完成换向并在站内切换信号制式,进行X形或Y形跨线;车站换向时,列车在站内完成换端换向以及制式切换作业,进行V形跨线。结合前文,通常同信号制式跨线以X形、Y形等顺向跨线形式为主,跨线流程简单,因此一般在正线间设渡线供跨线即可;而在跨信号制式跨线时,列车须进行信号制式切换、换端及换向等多项额外作业,且目前以上作业总体时长还难以控制在较低水平,因此,仍建议在跨信号制式跨线站增设到发线,到发线数量及位置须进一步结合客流、施工等因素确定。

1.4 跨线条件下运营可靠性需求分析

跨线运营时可能出现列车晚点,特别在跨信号制式跨线中还易出现信号制式切换失败等情况。为应对可能的非正常工况,跨线站配线设置应有效支持车站的应急组织工作。

跨信号制式跨线站内列车作业流线复杂,且车站本身衔接方向众多,故障工况会对车站接发车产生较大影响,也容易诱发线网延误传播[21]。因此,车站应具备故障车停留及小交路折返条件,在前方跨线列车晚点进站,或者信号制式切换失败时,引导前方列车临时待避,及时为后方进站列车出清径路,避免后续列车在站外等待。同时利用折返条件及时组织部分到站列车折返,最大限度降低对正常行车组织的干扰。

综上,为提升跨线站运营可靠性及能力冗余度,减缓非正常工况对运营组织的冲击,建议在施工条件允许的情况下在车站设停留线,为故障列车提供待避场所;同时,在跨线站两侧预留小交路折返的配线,便于故障条件下及时组织到站列车折返。如上述配线在本站无设置条件,也可以考虑在邻站布置。

1.5 跨线站配线设置原则建议

结合前文对同信号和跨信号制式两类跨线站列车作业需求和运营需求的分析,现针对两种类型的跨线站配线提出如下布置建议。

(1)针对同信号制式跨线站,根据列车跨线需求在车站合适位置布设渡线即可;考虑运营安全因素,建议将渡线设置于发车端。

(2)针对跨信号制式跨线站,考虑到其行车组织复杂性,且在现有技术条件下信号制式切换作业耗时较长,从提升作业效率和安全性角度,建议在车站至少增设一条共用到发线,兼作故障停留线及待避线之用;到发线设置数量及位置可根据车站客流特点、施工条件等因素确定。

(3)当跨线列车数量较多且同折返列车比例较为接近时,跨线站应预留列车折返条件,以提高车站通过能力以及冗余度;因增设折返线导致车站整体规模过大或者在施工条件受限时,也可以考虑在相邻车站进行设置。

(4)考虑车站规模及投资因素,建议市区跨线站设计为同信号制式跨线,跨信号制式跨线站则宜设在郊区,并根据车站能力需求、运营模式等因素选择合适的配线方案。

2 跨线车站配线方案研究

结合前文对跨线条件下各需求因素对配线的影响分析,进一步从跨线前后线路信号制式异同角度出发,分别基于同信号及跨信号制式跨线站列车运营组织特点,对两种跨线站配线设置方案进行研究。

2.1 同信号制式跨线站配线方案

由于承载客流特征不同,不同跨线站在车站构型、线路布设等方面都会呈现出不同特点。从车站构型角度,可以将跨线站分为“中间站-中间站”型跨线站和“终点站-中间站”型跨线站[22]。这两种跨线站在承载客流特征、跨线作业流程等方面均有所差异,应基于其作业特点相应研究配线方案。

2.1.1 “中间站-中间站”型跨线站配线方案

“中间站-中间站”型跨线站实质是一条线路中间站与另一条线路中间站对接而形成的跨线站,能实现两个方向与另外两个方向的贯通运行。基于其双向贯通的特点,其承载的客流形式也通常为X形客流,跨线也以双向X形跨线为主。另外,当某方向V形客流量较大时,也可以组织V形跨线。为接发两方向跨线车,应在车站两端各设一组交叉渡线;同时考虑运营安全,将渡线设在发车端,如图6所示。另外,如果要组织V形跨线,须对内包线路进行立交换向以便跨线。但一般情况下,同信号制式跨线站以X形和Y形客流为主,V形折角客流较少,因此实际中很少会采用立交形式。

图6 同信号制式“中间站-中间站”型跨线站配线方案

该方案中,列车可经由交叉渡线,在发车端完成双向X形跨线,如果进一步对内包线路区间立交,也可支持V形跨线,建议在同信号制式条件下的“中间站-中间站”型跨线站优先采用。另外,考虑两端交叉渡线会延长咽喉长度,增加建设规模,故当施工条件受限,或某些方向跨线需求不强时,可结合实际运营调整渡线数量及位置。

2.1.2 “终点站-中间站”型跨线站配线方案

“终点站-中间站”型跨线站的实质是一条线路终点站与另一条线路中间站对接形成跨线站,能实现一个方向与另外两个方向贯通运行。车站承载主要客流形式为Y形,跨线形式也以Y形跨线为主,故设单渡线满足列车跨线条件即可。另外,为提升运营灵活性,并便于线路远期改造,“终点站-中间站”型跨线站通常会保留支线独立运营条件,因此内包线应具备小交路折返功能。支线客流较大时折返列车开行频率会相应提升,此时应选择更加高效的站后折返,因此宜设站后折返线,如图7(a)所示(称“方案一”);支线客流量较小时折返需求较低,考虑铺设站后折返线施工量较大,此时可不设站后折返线,通过调整配线,利用渡线实现站前折返功能,如图7(b)所示(称“方案二”)。

图7 同信号制式“终点站-中间站”型跨线站配线方案

方案一中,列车可经由发车端的渡线跨线,同时支线来车也可利用站后折返线完成小交路折返。但站后折返线带来的工程量增加较为可观,因此适合在支线折返需求高,且工程条件不受限时采用。方案二取消了站后折返线,仅保留一条安全线,工程量显著降低。虽同样支持发车端跨线及折返,但由于改为折返效率较低的站前折返,通过能力会有下降。故方案二主要在折返需求较低,或施工条件受限时采用。同时,由于方案二中内包线路仅保留一条,列车经由渡线即可实现由外包线向内包线的V形跨线,因此当车站具备V形跨线需求时也可以采用。

2.2 跨信号制式跨线站配线方案

跨信号制式跨线涉及信号制式切换、换端及换向等一系列作业,其复杂程度显著高于同信号制式跨线,故在考虑其配线布置时应充分关注作业的复杂性及特殊性。同2.1节,本节仍从车站构型出发,分别对跨信号制式条件下“中间站-中间站”型跨线站和“终点站-中间站”型跨线站进行配线设置分析。

2.2.1 “中间站-中间站”型跨线站配线方案

跨信号制式跨线列车站内作业繁琐,其中关键作业就是信号系统制式切换。一方面,现有技术下信号系统切换作业耗时较长,会大幅占用线路能力;另一方面,由于作业操作流程复杂,且所涉及车载、轨旁及地面设备较多,容易出现故障情况。考虑上述情况,虽然增设到发线会提升建筑规模,但鉴于运营安全和能力冗余度因素,仍建议在跨信号制式跨线站增设双向到发线。另外,结合前文,不同信号系统对到发线有效长要求不同,故车站到发线的有效长应同时满足2种系统作业要求。关于折返线设置,通常情况下跨线站客流量较大,可能具备开行小交路需求。若内包线路具备小交路需求,满足施工要求情况下,可根据交路方向设置折返线,采用如图8(a)(称“方案一”)的方案;无折返需求或者施工受限时,可不设折返线而在邻站设置,选择如图8(b)(称“方案二”)的方案,也可将两组线路平行引入,使中间站台邻接两组线路使其具备同台换乘条件,采用如图8(c)(称“方案三”)的方案。

图8 跨信号制式“中间站-中间站”型跨线站配线方案

如图8所示的3种方案在不同客流条件下,均可分别支持X形及V形跨线。以方案一为例,采取车站换向时,列车站内不同侧运行,为双侧V形跨线;采取区间换向时,列车站内同侧(均为右侧)运行,为X形跨线,作业径路分别如图9(a)、图9(b)所示。方案一增设了站后折返线,虽然施工量较大,但内包线路具备了折返条件,在施工允许时,建议在跨线客流量较大,且存在折返需求跨线站优先采用。方案二取消了折返线,规模和投资相较方案一大幅节省,但内包线路无法开行小交路列车,远期再增设也很困难,故适用于跨线客流量大、内包线无折返需求或因施工条件所限无法设置的跨线站。方案三具备同台换乘条件,跨线客流量较低时,可减少跨线车开行,通过组织部分旅客站台换乘,间接实现跨线效果。方案三线路立交疏解量较少,工程投资也显著低于方案一和方案二,适合在跨线客流量低,且无折返需求的跨线站采用。值得注意,上述3种方案均以当前信号制式切换耗时较长实际情况为前提,如果未来信号制式切换用时能够有效缩短,则可以基本忽略信号制式切换等流程对其他作业的影响,取消到发线,对应采用同信号制式下的配线方案(图6)。

图9 方案一车站换向及区间换向下列车路径示意

2.2.2 “终点站-中间站”型跨线站配线方案

与“中间站-中间站”型跨线站类似,为满足跨线作业要求及提升运营可靠性,在“终点站-中间站”型跨线站同样应增设到发线。但与前者不同的是,这类跨线站对于内包线路是终点站,只进行单向接发车,一般利用站后双折返线其中一条即可实现折返。因此,从降低规模角度,可仅在跨线繁忙方向增设一条到发线供列车进行制式切换等,另一跨线方向利用其中一条折返线作上述用途,另外一条折返线则保留折返及故障停留功能。为进一步控制规模,考虑采用站前折返方式。此外,为避免折返列车和跨线车间出现作业流线交叉,应将渡线设于到发线进路后方并预留一定距离,如图10(a)所示。

图10 跨信号制式“终点站-中间站”型跨线站配线方案及列车作业流线示意

该方案在不同客流条件下,可以分别有效支持Y形及V形跨线。同时根据如图10(b)所示的流线示意,列车跨线与本线折返互为平行作业,不会产生流线冲突,接发车效率较高,故在“终点站-中间站”型跨线站建议采用。同样地,如果后续技术能实现短时间信号制式切换,则可简化配线,采用如图7所示同信号制式配线方案。

3 结语

车站配线设置是列车作业的基础和先决条件。本文从提升车站行车作业效率角度,研究形成一套针对区域轨道交通跨线站的配线设置原则和设计方案,以助于跨线站高效行车组织,进而提升区域轨道交通整体运营效率。以信号制式为切入点,将跨线站分为同信号制式跨线站和跨信号制式跨线站,并基于客流特征、车站构型及运营组织需求等关键要素,对不同运营场景下的跨线站配线方案设置方法深入研究,同时进行了技术经济分析。主要结论如下。

(1)同信号制式条件下列车跨线流程简单,以顺向跨线为主,因此跨线站主要在发车端设渡线,并结合折返需求情况辅以折返线等必要配线即可。当车站折返能力需求较低或工程投资等方面受限时,可通过合设内包线路、采取利用渡线实现站前折返等方式以降低工程量。考虑车站规模和投资成本,市区跨线站宜设计为同信号制式跨线站。

(2)跨信号制式条件下跨线作业流程复杂,具备信号制式切换、换端换向等多种需求,相应的配线也须涵盖更多功能。虽然信号制式快速切换技术是当前重要发展方向,但考虑现有技术条件下信号制式切换作业耗时较长,从提升运营效率和接发车能力角度,仍建议在车站正线之间增设到发线,设置数量及位置根据车站构型、客流构成、行车作业特点等相应确定。同时综合跨线及折返需求、工程投资等运营组织因素和技术经济条件,灵活布设渡线、折返线等其他配线。如果远期能够实现信号制式快速切换,则可以简化配线,参照同信号制式进行布设。同样基于占地规模和投资因素考量,跨信号制式跨线站一般建议设在郊区为宜。