市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉通過能力計(jì)算研究

喬 木，姚麗萍

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路與站場樞紐設(shè)計(jì)研究院，天津 300308)

1 市域(郊)鐵路出入線接軌站概況

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快，服務(wù)于城市中心城區(qū)與周邊新城或組團(tuán)城市之間的市域(郊)鐵路應(yīng)運(yùn)而生。市域(郊)鐵路的特點(diǎn)是公交化、高密度、靈活編組和快速便捷，其服務(wù)功能和相關(guān)要求介于城市軌道交通與城際鐵路之間，服務(wù)特性更接近于城市軌道交通[1-2]。市域(郊)鐵路中間站布置圖型如圖1 所示，其站場布置比較簡單，作業(yè)類型單一，通常僅辦理列車的停站通過作業(yè)，與之相比，市域(郊)鐵路出入線接軌站布置圖型如圖2 所示，其站場布置較為復(fù)雜，且作業(yè)類型較多，因而需要對該類型車站作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

圖2 市域(郊)鐵路出入線接軌站布置圖型Fig.2 Layout pattern of urban(suburban) railway entrance and exit line junction station

市域(郊)鐵路出入線接軌站站址一般需根據(jù)市域(郊)鐵路線網(wǎng)規(guī)劃、車輛基地選址、行車組織運(yùn)營方案等確定，車站主要特點(diǎn)如下。

（1）車站主要辦理市域(郊)列車始發(fā)、終到、折返和出入車輛基地作業(yè)，部分車站具備接發(fā)國家鐵路列車條件，還會(huì)辦理國家鐵路列車的停站通過作業(yè)。

（2）市域(郊)鐵路車站咽喉區(qū)一般采用12號道岔，咽喉區(qū)長度較短，列車通過咽喉區(qū)時(shí)間較少，市域(郊)鐵路采取公交化運(yùn)營，列車停站時(shí)間同樣較少。

（3）站內(nèi)無調(diào)車、機(jī)車出入段作業(yè)，綜合維修天窗時(shí)間固定，采用站后折返的車站大幅度減少了發(fā)車端咽喉道岔(組)的妨礙時(shí)間。

（4）車站早晚高峰時(shí)段行車密度大于平峰時(shí)段，早、晚高峰前，增加的運(yùn)用車從車輛基地通過出入線進(jìn)入車站，早、晚高峰后，減少的運(yùn)用車從車站通過出入線返回車輛基地。

從上述特點(diǎn)不難看出，市域(郊)鐵路出入線接軌站在早晚高峰前后不僅辦理旅客列車的接發(fā)作業(yè)，還需辦理旅客列車出入車輛基地作業(yè)，上述各類作業(yè)進(jìn)路在出入線接軌的咽喉區(qū)交叉較多，對咽喉通過能力影響較大。因此，有必要對市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉通過能力進(jìn)行深入研究。

2 鐵路車站咽喉通過能力計(jì)算公式對比

目前，對于不同類型的鐵路車站，咽喉通過能力計(jì)算方法不盡相同，且尚未提出針對市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉通過能力的計(jì)算公式。

普速鐵路、高速鐵路和城際鐵路咽喉通過能力計(jì)算一般均采用利用率計(jì)算法，使用的公式均以前蘇聯(lián)的區(qū)段站運(yùn)能計(jì)算公式為基礎(chǔ)[3]，但各有不同。普速鐵路站內(nèi)影響咽喉通過能力的作業(yè)類型較多，在計(jì)算普速客運(yùn)站咽喉通過能力時(shí)，考慮了車站接發(fā)貨物列車、取送車輛、調(diào)車機(jī)車出入段等固定作業(yè)占用咽喉的時(shí)間對利用率的影響；高速鐵路車站僅辦理客運(yùn)作業(yè)，結(jié)合高速鐵路運(yùn)營特點(diǎn)，考慮了與旅客列車作業(yè)無關(guān)的固定作業(yè)時(shí)間和天窗時(shí)間的影響；城際鐵路具有高密度的運(yùn)營特點(diǎn)，計(jì)算公式主要側(cè)重分析高峰時(shí)段利用率，即該時(shí)段咽喉通過能力滿足需要時(shí)，其他時(shí)段也均滿足需要。不同類型鐵路車站咽喉通過能力計(jì)算方法如表1所示。

表1 不同類型鐵路車站咽喉通過能力計(jì)算方法Tab.1 Calculation methods for throat area carrying capacity of different types of railway stations

3 市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉通過能力研究

一般情況下，車站咽喉通過能力可以滿足車站各銜接方向接發(fā)列車等作業(yè)需要，但在車站有新建線接軌引起咽喉區(qū)改造或車站各銜接方向作業(yè)調(diào)整且在咽喉區(qū)產(chǎn)生較多沖突進(jìn)路等情況下，則要對車站咽喉道岔(組)通過能力進(jìn)行檢算。咽喉道岔(組)通過能力是指在合理固定到發(fā)線使用方案及作業(yè)進(jìn)路條件下，某銜接方向接、發(fā)車進(jìn)路上最繁忙的道岔(組)一晝夜能夠接、發(fā)該方向的旅客(貨物)列車數(shù)和運(yùn)行圖規(guī)定的旅客(貨物)列車數(shù)[10]。

計(jì)算車站咽喉通過能力的主要步驟如下：①確定各類作業(yè)的咽喉占用時(shí)間；②確定到發(fā)線的合理分工方案；③對咽喉區(qū)道岔進(jìn)行分組；④計(jì)算得出咽喉區(qū)道岔組的總占用時(shí)間及咽喉通過能力。

3.1 市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉通過能力計(jì)算公式確定

市域(郊)鐵路與普速鐵路、高速鐵路和城際鐵路均有所不同，具有早晚高峰行車密度大、僅辦理旅客列車接發(fā)作業(yè)、站內(nèi)無調(diào)車作業(yè)等特點(diǎn)。對于市域(郊)鐵路出入線接軌站而言，第一，車站作業(yè)類型較少且天窗時(shí)間固定，與普速鐵路差別較大，若采用普速鐵路的計(jì)算公式，咽喉道岔(組)通過能力按一晝夜時(shí)間計(jì)算不科學(xué)；第二，車站作業(yè)高峰時(shí)段具有潮汐性，不同于一般的高速鐵路車站，但與城際鐵路的車站作業(yè)具有相似性，因此，可借鑒城際鐵路的計(jì)算公式做進(jìn)一步研究；第三，市域(郊)鐵路是服務(wù)于中心城市與其周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)的快速便捷軌道交通系統(tǒng)[1-2]，而城際鐵路專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群，兩者服務(wù)范圍不同，且前者服務(wù)頻率一般更高，因而目前新建的市域(郊)鐵路出入線接軌站往往利用站后折返線完成折返作業(yè)，接軌咽喉區(qū)的作業(yè)性質(zhì)較城際鐵路更為單一，沒有與旅客作業(yè)無關(guān)的固定作業(yè)，因此，城際鐵路計(jì)算公式并不能完全適用于市域(郊)鐵路出入線接軌站的咽喉通過能力計(jì)算。

綜合以上分析，鑒于作業(yè)高峰時(shí)段列車接發(fā)作業(yè)和列車出入車輛基地作業(yè)存在間接妨礙，γ空參照城際鐵路計(jì)算公式取值范圍，故將市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉道岔(組)通過能力利用率計(jì)算公式修正為

式中：T市為作業(yè)高峰時(shí)段咽喉道岔(組)占用總時(shí)間，min；n為列車出入車輛基地作業(yè)高峰小時(shí)數(shù)，h，可根據(jù)設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)行圖確定；γ空為咽喉道岔(組)的空費(fèi)系數(shù)，可采用0.15～0.20。

咽喉道岔(組)通過能力計(jì)算如下。

3.2 市域(郊)鐵路出入線接軌站到發(fā)線分工和道岔分組確定

市域(郊)鐵路出入線接軌站在早晚高峰前后，各類作業(yè)進(jìn)路在出入線接軌的咽喉區(qū)交叉較多，因而在計(jì)算咽喉通過能力時(shí)需要合理確定車站到發(fā)線分工，優(yōu)化列車在咽喉區(qū)的運(yùn)行進(jìn)路，最大程度地減少各類作業(yè)進(jìn)路交叉；同時(shí)，為便于找出咽喉區(qū)最繁忙的道岔組，計(jì)算咽喉通過能力，需要對咽喉區(qū)所有的道岔進(jìn)行正確分組。因此，確定市域(郊)鐵路出入線接軌站到發(fā)線分工和道岔分組是咽喉通過能力計(jì)算的關(guān)鍵工作。

3.2.1 確定到發(fā)線分工及進(jìn)路優(yōu)化

到發(fā)線分工本質(zhì)上就是均衡地安排每條到發(fā)線需要辦理的作業(yè)。因此，可以根據(jù)車站咽喉區(qū)和到發(fā)線的布置特點(diǎn)、功能設(shè)置以及車站作業(yè)量等來合理確定到發(fā)線分工，同時(shí)，需要注意以下2 條基本原則。

（1）合理均衡安排每條到發(fā)線的作業(yè)時(shí)間，確保每條到發(fā)線均得到較為充分的使用。

（2）合理安排不同作業(yè)在咽喉區(qū)的運(yùn)行進(jìn)路，避免造成部分道岔繁忙程度不均。

出入線接軌站到發(fā)線作業(yè)性質(zhì)一般比較固定，主要辦理旅客列車的接發(fā)作業(yè)和出入車輛基地作業(yè)，部分車站設(shè)置國家鐵路車場，場內(nèi)到發(fā)線辦理國家鐵路列車停站通過作業(yè)。

在出入車輛基地作業(yè)高峰時(shí)段，出入線接軌站旅客列車接發(fā)作業(yè)和出入車輛基地作業(yè)次數(shù)較多，各類作業(yè)進(jìn)路在咽喉區(qū)交叉嚴(yán)重。因此，可利用最大概率進(jìn)路優(yōu)化法[11]對不同作業(yè)在咽喉區(qū)的運(yùn)行進(jìn)路進(jìn)行優(yōu)化。該方法與實(shí)際運(yùn)營接近，在確定某一項(xiàng)作業(yè)運(yùn)行進(jìn)路的同時(shí)為之后的作業(yè)預(yù)留合理的運(yùn)行進(jìn)路[12]，從而確保每條到發(fā)線得到均衡使用[13]。例如，某車站一側(cè)咽喉進(jìn)路選擇比較如圖3 所示，某項(xiàng)作業(yè)進(jìn)路起點(diǎn)為23號道岔，終點(diǎn)為65號道岔，共有2 條運(yùn)行進(jìn)路可供選擇，即進(jìn)路1：23—21—63—65，進(jìn)路2：23—25～31—45～51—65。利用最大概率進(jìn)路優(yōu)化法進(jìn)行分析，若選擇進(jìn)路1，剩余合理進(jìn)路如表2 所示，則該咽喉區(qū)剩余的合理進(jìn)路有9 條；若選擇進(jìn)路2，則該咽喉區(qū)剩余的合理進(jìn)路有7 條，少了合理進(jìn)路①和②。由此可見，若剩余每條合理進(jìn)路被選擇的概率相等，則選擇進(jìn)路1后，剩余合理進(jìn)路可選擇的概率最大，故進(jìn)路1 相對進(jìn)路2更優(yōu)。

表2 剩余合理進(jìn)路Tab.2 Remaining reasonable route

圖3 進(jìn)路選擇比較Fig.3 Comparison of route selection

3.2.2 道岔分組及其驗(yàn)證

為便于計(jì)算，通常將車站咽喉區(qū)的道岔根據(jù)不同的情況進(jìn)行分組，具體原則[10]如下。

（1）不能被2 條進(jìn)路同時(shí)分別占用的道岔，應(yīng)合并為1組。

（2）2條平行進(jìn)路上的道岔不能并為1組。

（3）交叉渡線中各平行線上的道岔不能分為2組。

道岔分組正確與否可通過坐標(biāo)計(jì)算法[11]進(jìn)行驗(yàn)證。坐標(biāo)計(jì)算法第一步確定道岔A和道岔B的岔心坐標(biāo)(xa，ya)和(xb，yb)，以及在2 組道岔直股a端和側(cè)股b 端的錨點(diǎn)坐標(biāo)(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)。第二步確定道岔A 和道岔B 直股a 端的相對關(guān)系，道岔直股a端相對關(guān)系示意圖如圖4所示，若x1＜xa且x2＞xb，則2組道岔岔尾相對；若x1＞xa且x2＜xb，則2組道岔岔尖相對；若x1＞xa且x2＞xb或x1＜xa且x2＜xb，則2組道岔岔尖岔尾相對[14]。第三步確定道岔A 和道岔B 側(cè)股b 端的相對關(guān)系，道岔直股b端相對關(guān)系示意圖如圖5所示，根據(jù)側(cè)股錨點(diǎn)坐標(biāo)和岔心坐標(biāo)的線性關(guān)系，可得到側(cè)股b 端所在直線的線性方程，將側(cè)股b 端的錨點(diǎn)(x3，y3)和(x4，y4)分別帶入所在的線性方程，若計(jì)算結(jié)果同號則說明2 錨點(diǎn)位于直股所在直線的同一側(cè)，反之則位于直股所在直線的異側(cè)。綜上，只有2 組道岔同時(shí)滿足2岔尾相對且側(cè)股b端2錨點(diǎn)位于直股所在直線的異側(cè)時(shí)，無法分在同一個(gè)道岔組中；反之，只要2 組道岔滿足其中之一，即可分在同一個(gè)道岔組中。

圖4 道岔直股a端相對關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relative position at the a-end of the turnout mainline

4 實(shí)例分析

4.1 上海東站市域場概況

上海東站市域場4 臺8 線，接入機(jī)場聯(lián)絡(luò)線、兩港快線支線等線路。近期，車輛基地出入左線和右線接入機(jī)場聯(lián)絡(luò)線場，遠(yuǎn)期車輛基地出入三線接入兩港快線支線場[15]。上海東站市域場平面布置示意圖如圖6所示。

4.2 確定到發(fā)線分工和道岔分組

上海東站市域場共有到發(fā)線8條，其中15道和16道主要辦理國家鐵路下線車停站通過作業(yè)，其余各條到發(fā)線主要辦理市域列車各類作業(yè)，且機(jī)場聯(lián)絡(luò)線與兩港快線支線無跨線列車交流。每日車輛基地出入線共有4 個(gè)作業(yè)高峰期，選取辦理列車作業(yè)數(shù)最多的19：00—20：00 計(jì)算該時(shí)段咽喉通過能力。該時(shí)段上海東站市域場到發(fā)線分工如表3 所示，作業(yè)類型如表4 所示，道岔分組結(jié)果如圖7 所示，核驗(yàn)示例如圖8所示。

表3 上海東站市域場到發(fā)線分工Tab.3 Receiving-departure track division of Shanghaidong railway station urban yard

表4 作業(yè)類型Tab.4 Operation type

圖7 道岔分組結(jié)果Fig.7 Turnout grouping result

圖8 核驗(yàn)示例Fig.8 Verified example

4.3 咽喉通過能力計(jì)算

上海東站市域場主要辦理機(jī)場聯(lián)絡(luò)線和兩港快線支線的始發(fā)、終到、立即折返、國家鐵路下線車和出入車輛基地作業(yè)，上海東站市域場各項(xiàng)作業(yè)占用咽喉時(shí)間如表5所示。

表5 上海東站市域場各項(xiàng)作業(yè)占用咽喉時(shí)間 minTab.5 Time of throat area occupied by operations in Shanghai east railway station urban yard

在到發(fā)線分工和道岔分組確定的基礎(chǔ)上，利用最大概率進(jìn)路法對各作業(yè)在咽喉區(qū)的運(yùn)行進(jìn)路進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算高峰時(shí)段所有作業(yè)占用各道岔組的總時(shí)間以及各道岔組的通過能力利用率，初期、近期、遠(yuǎn)期咽喉區(qū)道岔組最長占用時(shí)間分別為24.7 min，40.4 min和41.3 min。當(dāng)空費(fèi)系數(shù)取0.15時(shí)，對應(yīng)的咽喉能力利用率和通過能力分別為54.7%，79.2%，81.0%和17列/h、18列/h、15列/h。

從上述分析可以看出，該方法分析過程充分考慮了車站運(yùn)營特點(diǎn)，與客流量、旅客列車開行方案、客流的分時(shí)段特點(diǎn)相結(jié)合，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映咽喉區(qū)實(shí)際通過能力。該方法的提出深化了車站咽喉通過能力的研究理論，對實(shí)際運(yùn)營合理地使用線路運(yùn)輸能力、有計(jì)劃地安排運(yùn)輸組織方案，如合理布置運(yùn)輸生產(chǎn)計(jì)劃，調(diào)配不同時(shí)段出入車輛基地列車數(shù)起到指導(dǎo)作用。

5 結(jié)束語

近年來，我國市域(郊)鐵路迎來了快速發(fā)展期，而針對市域(郊)鐵路出入線接軌站咽喉通過能力的研究卻較少。研究通過對市域(郊)鐵路出入線接軌站作業(yè)類型和特點(diǎn)進(jìn)行分析，修正通過能力計(jì)算公式，利用最大概率進(jìn)路法優(yōu)化各類作業(yè)運(yùn)行進(jìn)路，利用坐標(biāo)計(jì)算法驗(yàn)證咽喉道岔分組準(zhǔn)確性，形成該類型車站咽喉通過能力計(jì)算方法。本次研究默認(rèn)市域場各條股道均處于空閑狀態(tài)，而實(shí)際作業(yè)中由于其他外界因素和突發(fā)事件的干擾，會(huì)使得車站作業(yè)更為復(fù)雜。同時(shí)，不同車站由于咽喉區(qū)長度、運(yùn)營速度等不同，需通過行車模擬確定各類作業(yè)占用咽喉時(shí)間，從而更加精準(zhǔn)地計(jì)算咽喉通過能力。