錢麗芳 譚喜堂 申朝旭

（同濟(jì)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，200092，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

北京地鐵1號線與既有2號線、5號線、10號線等相銜接，特別是5號線、10號線的開通，使得1號線的客流量明顯增加，按照北京市城市路網(wǎng)規(guī)劃，未來將有新建4號線等多條線路與1號線相交，并且全新改造后的2號線也已經(jīng)開通。由此可見，未來幾年內(nèi)，1號線將面臨承擔(dān)各條新建線路聯(lián)絡(luò)換乘的嚴(yán)峻任務(wù)。從目前1號線運(yùn)能現(xiàn)狀來看，其所能達(dá)到的綜合運(yùn)輸能力，將不可能滿足未來客流增長和城市路網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)能要求。因此如何使北京地鐵1號線路在現(xiàn)有的條件下不斷地挖掘潛力、提高效率，保持較好的運(yùn)送質(zhì)量，是一個值得探討的問題。

1 運(yùn)營概況分析

北京地鐵1號線始建于1965年7月1日，是中國首條地鐵，線路西起53號站，東至四惠東，共設(shè)25座運(yùn)營車站線路里程達(dá)到34km。作為首都的首條地鐵線路，1號線縱貫東西交通主干，自1981年建成投運(yùn)以來，客流增勢迅猛。隨著北京軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營格局的形成，地鐵客流出現(xiàn)爆發(fā)式增長，最高日客流已接近130萬人次，是目前各條運(yùn)營線路中客流量最大、運(yùn)能要求最高的，同時(shí)也是運(yùn)能與運(yùn)量矛盾最為突出的軌道交通線路。

隨著北京地鐵逐漸成網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)和優(yōu)惠票價(jià)雙重刺激下，地鐵客流記錄不斷被刷新。北京地鐵日均客流迅速突破500萬人次大關(guān)，部分車站面對客流壓力被迫采取限流措施。市軌道交通指揮中心的數(shù)據(jù)顯示，目前1號線客流壓力最大，日均120萬人次，成為全世界運(yùn)營強(qiáng)度最大的地鐵線路。其中四惠、四惠東換乘站高峰時(shí)段滿載率高達(dá)100%至130%，國貿(mào)站滿載率110%。

現(xiàn)就2009年度1號線運(yùn)營狀況分析如下。

1）運(yùn)能情況：列車編組，6節(jié)／列；每日開行610列；高峰時(shí)段最小行車間隔2min 15s；2）運(yùn)營現(xiàn)狀見表1。運(yùn)營時(shí)間為5：10～23：48。

表1 2009年北京地鐵1號線運(yùn)營現(xiàn)狀況

由于1號線的運(yùn)能不足，已經(jīng)逐漸形成以下狀況：

（1）在高峰期間，如上、下班或者陰雨天氣，各站采取了限流措施，造成大批乘客滯留站外，引起秩序混亂，乘客被迫改乘其他交通工具；

（2）北京地鐵所有線路全部實(shí)行2元制，因此乘坐地鐵出行的市民非常多，也就造成列車擁擠度加劇，上下班高峰尤其嚴(yán)重；

（3）地鐵設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致列車停運(yùn)，嚴(yán)重時(shí)曾滯留10萬乘客。

綜上所述，巨大客流使1號線的運(yùn)量和運(yùn)能矛盾越來越突出，運(yùn)量的增長與運(yùn)能的不足已經(jīng)成為地鐵1號線當(dāng)前的迫切問題。

2 提高運(yùn)能方案的比選

提高運(yùn)能的方案可采用有增加列車編組的措施，或采用保持當(dāng)前的列車編組與速度、減少列車折返時(shí)間與停站時(shí)間等方法。針對1號線運(yùn)營實(shí)際情況，具體分析如下。

2.1 增加列車編組

北京地鐵1號線運(yùn)營的主力車型是DKZ4型地鐵電動車輛，每列列車均由Mc、T、M 3種型號的車輛組成。其中Mc車有動力和司機(jī)室，無受電弓；T車無動力，無受電弓，無司機(jī)室，俗稱拖車；M車有動力，無受電弓，無司機(jī)室，俗稱動車。6節(jié)列車的編組方式為：Mc－T－M－T－T－Mc。

若將列車編組提高到8節(jié)編組方式，以動車組CRH2A（8編組）為例，CRH2A的編組方式為：Tc－M－M－Tp－T－Mp－M－Tc。在原地鐵1號線工程設(shè)計(jì)方案中，大部分站臺長度均按8節(jié)編組設(shè)計(jì)施工。即為滿足不斷增加的運(yùn)量需求，列車編組可由6節(jié)調(diào)整為8節(jié)。從土建條件上，具備開行8節(jié)編組列車的基本條件。

但由于目前1號線的信號系統(tǒng)、列車自動控制系統(tǒng)均按6節(jié)編組列車長度設(shè)置，如列車編組改為8節(jié)，須對目前的整套信號、車地通訊、安全防護(hù)等一系列設(shè)施進(jìn)行改造。工程規(guī)模大并直接影響到日常運(yùn)營及安全，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，根據(jù)車站設(shè)備與客流關(guān)系的分析[1]，安檢設(shè)施和樓、扶梯能力達(dá)不到設(shè)計(jì)值或?qū)嶋H客流需求造成車站通行瓶頸，并且高峰期自動扶梯入口排隊(duì)現(xiàn)象十分明顯，其通過能力不能滿足高峰客流的要求，存在一系列問題。因此為避免因改造相關(guān)運(yùn)營設(shè)施所增加的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，近階段不宜采用此方案。

2.2 保持當(dāng)前的列車編組，減少列車折返時(shí)間與停站時(shí)間

目前，北京地鐵運(yùn)營管理水平已經(jīng)位居世界前列，2min15s的列車最小發(fā)車間隔國內(nèi)領(lǐng)先。但與香港、莫斯科、東京等城市地鐵列車編組動輒8節(jié)甚至10節(jié)車廂相比，北京既有地鐵線的運(yùn)能提升空間有限。

影響行車間隔的主要因素有列車終點(diǎn)折返作業(yè)時(shí)間、在車站的停站時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間等，終點(diǎn)站折返本身作業(yè)時(shí)間較短且基本固定。根據(jù)目前的客流狀況，地鐵1號線建國門、天安門西、復(fù)興門以及萬壽路站均已縮短列車進(jìn)站?？繒r(shí)間。建國門站縮短到45s，天安門西站縮短到28s，復(fù)興門站上行（復(fù)興門到南禮士路）縮短到50s下行（南禮士路到復(fù)興門）縮短到45s，萬壽路上行列車停靠時(shí)間縮短到45s。因而就車站的停站時(shí)間與終點(diǎn)折返作業(yè)時(shí)間可壓縮的余地都較小。同時(shí)，減少列車行車間隔主要依靠壓縮區(qū)間運(yùn)行時(shí)間即提高區(qū)間運(yùn)行速度來實(shí)現(xiàn)，這點(diǎn)將會在下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3 分析限速，增設(shè)“點(diǎn)式環(huán)線（Spot Loop）”裝置，計(jì)算速度碼優(yōu)化組合

北京地鐵1號線信號系統(tǒng)由英國西屋信號有限公司（WSL）提供的基于無絕緣軌道電路（JTC）的固定閉塞系統(tǒng)。為保證列車運(yùn)行安全，追蹤運(yùn)行列車之間保持一定的間隔，也就是要相隔一定數(shù)量的閉塞分區(qū)。北京地鐵1號線采用三顯示自動閉塞系統(tǒng)，正常條件下要求列車間的運(yùn)行間隔為3個閉塞分區(qū)如圖1所示。

圖1 自動閉塞系統(tǒng)示意圖

三顯示下，通過信號機(jī)有3種顯示，其中黃色燈光是預(yù)告燈光。一個閉塞分區(qū)的長度內(nèi)滿足從規(guī)定速度到零的制動距離，閉塞分區(qū)長度要大于或等于列車制動距離S：

式中：Nsignal為區(qū)間內(nèi)通過信號機(jī)個數(shù)。

在三顯示下，兩列車間的最少間隔長度：

式中：lcar為列車長度（m）。在三顯示下追蹤間隔為

這種系統(tǒng)的性能有兩個特別的限制。首先，通常有一個可以傳送給列車的數(shù)量有限的“速度級別”。第二，在列車的前面必須有足夠的制動距離，以保證列車在準(zhǔn)備進(jìn)入更嚴(yán)格的區(qū)間時(shí)，以最大安全速度而不用減速到目標(biāo)速度能準(zhǔn)確停在前行列車或其他障礙物之前，這就要求設(shè)置“0／0”區(qū)間。

本文提出的速度碼計(jì)算方法，主要是解決上述提到的固定閉塞的兩個特別限制。在保障列車之間的安全距離、限速約束的前提下，采用點(diǎn)式環(huán)線（Spot Loop）裝置減少“0／0”區(qū)間和增加“速度級別”，從而減少運(yùn)行時(shí)間，提高運(yùn)能。

一般情況下，列車在實(shí)際運(yùn)行中，考慮到各種情況，如停車時(shí)間的延誤、列車運(yùn)行間隔的調(diào)整、列車司機(jī)操作水平的不同等，設(shè)計(jì)的旅行速度相對計(jì)算速度會有10%～15%的預(yù)留富余量，以便在實(shí)際過程中能夠有調(diào)整的余地，因此系統(tǒng)最終核定的旅行速度為36～38km／h，全周轉(zhuǎn)旅行速度在33～35 km／h之間，這一設(shè)計(jì)是按線路和車輛允許速度80 km／h和限速要求加10%～15%富余量計(jì)算的。如在線路最高速度和速度等級要求不一致時(shí)，運(yùn)行時(shí)間和旅行速度還要調(diào)整。因此，在保障運(yùn)行安全的前提下，在運(yùn)行高峰時(shí)間一定程度地減少速度的富余量，對速度碼進(jìn)行調(diào)整，可以在很大程度上縮短行車間隔。

從實(shí)際應(yīng)用的角度分析，該方案的可操作性較強(qiáng)、效果直觀（乘客候車時(shí)間縮短）。實(shí)踐證明，分析各種限速條件，增設(shè)Spot Loop裝置，計(jì)算速度碼優(yōu)化組合的方案應(yīng)是北京地鐵1號線提高運(yùn)能的直接、有效的方法。

3 方案實(shí)施

3.1 算法基本思想

在運(yùn)用基于條件匹配的ATP（列車自動防護(hù)系統(tǒng)）區(qū)段速度碼計(jì)算方法[5]的基礎(chǔ)上，增加各種線路限制條件并且使用Spot Loop裝置，對速度碼進(jìn)行進(jìn)一步的分析和計(jì)算。以閉塞分區(qū)和進(jìn)路為最基本的計(jì)算單位，每個基本單位的各種速度碼的組合構(gòu)成一個有限集，且有限集中的元素均與某些相關(guān)條件形成對應(yīng)的關(guān)系，即可以通過不同的條件確定一個區(qū)間或一條進(jìn)路的不同速度碼組合，這種對應(yīng)方式可用式（3）表示。再對各種組合進(jìn)行比較分析，對于不同的情況，如早高峰時(shí)段、客流較少采用節(jié)能方式運(yùn)行等不同的場合下選擇不同的速度組合。

式中：

fn（）——第n個計(jì)算基本單位從各信息條件到所求速度碼組合的映射；

x1，x2，…，xk——決定第n個計(jì)算基本單位的速度碼組合的各條件；

k——第n個計(jì)算基本單位的速度碼組合的條件數(shù)目；

SiYn——第n個計(jì)算基本單位通過映射得到的各區(qū)段的速度碼組合（i指不同的運(yùn)行條件）。

所需的條件就是各區(qū)段的占用情況、前方區(qū)段的速度碼、信號機(jī)的狀態(tài)和進(jìn)路的鎖閉狀態(tài)等，這些條件均可通過采集或計(jì)算得到，各計(jì)算單元的速度碼組合構(gòu)成有限集，由設(shè)計(jì)單位提供的區(qū)間碼和聯(lián)鎖區(qū)碼序表得到。

3.2 具體實(shí)施或映射過程

3.2.1 總體步驟

由于線路情況復(fù)雜、列車間隔時(shí)間短、列車速度較高等原因，北京地鐵1號線需要更多、更靈活的MSS／TS組合（MSS為最高安全速度，TS為目標(biāo)速度）?，F(xiàn)在地鐵運(yùn)營中，只提供五個等級的安全速度碼“0”，“38／0”，“59／／37”，“74／58”，“74／73”，并不能滿足系統(tǒng)的需要。

為了解決此問題，在1號線ATP（列車自動防護(hù)）系統(tǒng)增加Spot Loop裝置[6]，用以向ATP車載設(shè)備發(fā)送點(diǎn)式環(huán)線頻率。點(diǎn)式環(huán)線頻率是由聯(lián)鎖電路根據(jù)對目標(biāo)速度的要求而確定的。點(diǎn)式環(huán)線安裝于ATP區(qū)段接收端，通過聯(lián)鎖電路確定的點(diǎn)式環(huán)線頻率來選擇該區(qū)段ATP安全碼所代表的目標(biāo)速度。頻率A或沒有接收到點(diǎn)式頻率，表示在該區(qū)段ATP安全速度碼所代表的是通常目標(biāo)速度，頻率B至E表示在該區(qū)段安全速度碼4個可選擇的目標(biāo)速度（B至E），如表2。

根據(jù)故障－安全原則，最大安全速度對于給定區(qū)段是一個定值。所有的點(diǎn)式環(huán)線頻率信息僅用于選擇目標(biāo)速度，而不能改變最大安全速度。

模擬試驗(yàn)以北京地鐵1號線八寶山站到玉泉路站為區(qū)域控制中心控制范圍，這段區(qū)間中包含23個閉塞分區(qū)（見圖2）。

表2 北京地鐵1號線安全速度碼分配表

根據(jù)速度碼序表，每個計(jì)算單元（閉塞分區(qū)）的速度碼與前一個計(jì)算單元的速度碼有關(guān)，速度碼序不可跳變。因此，區(qū)段速度碼的計(jì)算必須按照一定的順序進(jìn)行，本文使用與列車運(yùn)行方向相反計(jì)算的順序。在試驗(yàn)中，區(qū)段速度碼的計(jì)算按照上、下行方向閉塞區(qū)間和道岔區(qū)間順序分別進(jìn)行計(jì)算。

上行方向速度碼的計(jì)算順序如下：

YQL－XX，YQL－S1，YQL－BB1，YQL－S2，YQLS3，YQL－S4，YQL－S5，YQL－S6，YQL－S7，YQL－S8，YQL－S9，BBS－XX。

下行方向速度碼的計(jì)算順序如下：

BBS－SX，BB－YQ1，BB－YQ2，BB－YQ3，BBYQ4，BB－YQ5，BB－YQ6，BB－YQ7，YQL－BB1，BBYQ8，BB－YQ9，YQL－SX。

圖2 八寶山站到玉泉路站閉塞分區(qū)劃分示意圖

總體計(jì)算步驟為：

（1）將站內(nèi)所有區(qū)段速度碼均設(shè)為“未處理”標(biāo)志；

（2）分上、下行方向，首先進(jìn)行進(jìn)路速度的修訂；

（3）速度碼為“進(jìn)路處理”標(biāo)志的區(qū)段速度碼計(jì)算；

（4）按上述順序計(jì)算各閉塞分區(qū)、各岔道分區(qū)所屬區(qū)段的速度碼；

（5）將速度碼計(jì)算完成，仍為“未處理”標(biāo)志的區(qū)段的速度碼設(shè)為F00碼。

3.2.2 按照上.下行方向進(jìn)行速度碼的計(jì)算

試驗(yàn)程序中，首先進(jìn)行上行方向的速度碼計(jì)算，然后進(jìn)行下行方向的速度碼計(jì)算。這兩次計(jì)算的方法與步驟基本相同，區(qū)別有以下兩點(diǎn)。

（1）上、下行方向計(jì)算的閉塞分間不同，計(jì)算閉塞分區(qū)間與道岔分區(qū)的排列順序不同，按照本文3.1給出的算法進(jìn)行。

（2）上行方向的速度碼計(jì)算，以進(jìn)路為單位計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算上行方向的進(jìn)路；下行方向的速度碼計(jì)算，以進(jìn)路為單位進(jìn)行計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算下行方向的進(jìn)路。

3.2.3 閉塞分區(qū)速度碼的計(jì)算過程

通過對安全碼序表的總結(jié)可知，決定一個分區(qū)速度碼的因素有：各分區(qū)所包含的各自占用情況；分區(qū)前方分區(qū)的占用與否或速度碼；分區(qū)前方的限速情況，包括道岔限速、彎道限速、進(jìn)路限速和臨時(shí)限速。表3為前3種狀況下限速條件。

分區(qū)速度碼的計(jì)算過程為：

（1）根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行情況，考慮運(yùn)量或節(jié)能運(yùn)行的不同要求，各個閉塞分區(qū)的速度等級會有所不同。按照運(yùn)能要求，按照前文給出的順序進(jìn)行計(jì)算，判斷進(jìn)路狀態(tài)（是否閉鎖、信號機(jī)是否開放、占有條件）進(jìn)行映射。

（2）在特殊情況下，如道岔限速、彎道、進(jìn)路、臨時(shí)限速、長大上坡道等狀況下運(yùn)行時(shí)，列車運(yùn)行速度較低，其實(shí)際速度低于黃燈限速，此時(shí)可以采用兩閉塞分區(qū)計(jì)算法。

（3）按順序?qū)ζ渌]鎖分區(qū)進(jìn)行處理，結(jié)合上述限速條件表和安全速度碼分配表，綜合考慮減少5%的富余量進(jìn)行計(jì)算。

完成以上步驟的運(yùn)算，得到當(dāng)前條件下對應(yīng)的區(qū)間所包含區(qū)段的速度碼組合。

表3 各種狀況下的限速條件

4 仿真與結(jié)論

車載設(shè)備從接收到的安全速度碼中，獲得允許列車運(yùn)行的MSS和TS，并與列車的實(shí)際速度進(jìn)行比較。當(dāng)列車當(dāng)前的運(yùn)行速度大于MSS時(shí)，列車將緊急制動，以保證列車的安全。

根據(jù)上述步驟，計(jì)算得出北京地鐵1號線八寶山站到玉泉路站上行方向區(qū)間速度碼。圖3為計(jì)算前后的速度碼比較。

圖3 計(jì)算前后八寶山站到玉泉路站速度碼序列

從圖4對比優(yōu)化前后的速度碼數(shù)據(jù)，可以看出通過使用點(diǎn)式環(huán)線裝置與限速情況分析，改變了安全速度碼的目標(biāo)速度與限速，減少了列車在站間的運(yùn)行時(shí)間。八寶山站到玉泉路后站間距為1 498.43 m，加速度1m／s2。計(jì)算得出，原運(yùn)行時(shí)間為104.2 s，對速度碼進(jìn)行優(yōu)化后得出的運(yùn)行時(shí)間為96s。對于全線進(jìn)行計(jì)算，每列車的運(yùn)行時(shí)間減少200s，則每日開行列車數(shù)從610列增加到680列，1號線高峰小時(shí)運(yùn)力將提高11%的運(yùn)能。

圖4 計(jì)算前后的速度碼比較性能改善

不改變既有信號系統(tǒng)，借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，在低投資和低風(fēng)險(xiǎn)的條件下，通過增加點(diǎn)式環(huán)線（Spot Loop）裝置，優(yōu)化速度碼組合，達(dá)到提高既有線路運(yùn)營能力的效果。對于其它使用與北京地鐵1號線相同信號系統(tǒng)的地鐵線路，本方法同樣適用。

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