C2+ATO市域铁路列车追踪间隔优化仿真研究分析

C2+ATO市域铁路列车追踪间隔优化仿真研究分析

高文1

卡斯柯信号有限公司，518000，深圳//第一作者）

摘  要：随着市域铁路建设加速发展，为满足市域铁路高密度、小编组、公交化的特点，充分释放铁路运能，结合理论检算与仿真分析，获取了市域铁路动态的时间间隔结果，并根据该结果分析了多种优化时间间隔措施。通过控制变量法和大量的仿真实验，针对各种时间间隔优化方案进行了量化分析，对方案的有效程度和优缺点做了探讨和研究，为提高市域铁路通行能力提供理论参考。

关键词：市域铁路；追踪间隔；动态计算；优化时间间隔

Abstract: With the accelerated development of urban railway construction, in order to meet the characteristics of high density, small train formation, and bus-like operation in urban railways, and to fully maximize the railway capacity, combined with theoretical calculations and simulation analysis, dynamic time interval results of urban railways were obtained. Based on these results, various optimization measures for time intervals were analyzed. Using the controlled variable method and a large number of simulation experiments, quantitative analysis was conducted on various time interval optimization schemes, discussing and studying their effectiveness and advantages and disadvantages. This provides theoretical references for improving the capacity of urban railway traffic.

Keywords: urban railway; tracking interval; dynamic calculation; optimal time interval

0 引言

市域铁路是连接都市圈中心城市城区和周边城镇组团，为通勤客流提供快速度、大运量、公交化运输服务的轨道交通系统【1】。为满足高密度、小编组、公交化的特点，实现在早晚高峰能为大量的通勤客流提供高密度的公交化服务的能力，在实际实践中对列车追踪间隔时间提出了较高的要求，需要尽可能缩短优化整条线路最大间隔时间，提高发车效率。本文从实践出发，结合上海市域铁路机场线探索和实践，仿真分析论证了优化时间间隔的措施，量化了各种优化措施对时间间隔结果的影响，对固定闭塞制式的市域铁路进行了分析和思考。

1 仿真分析建模

列车追踪间隔时间被定义为：在自动闭塞区段，同一方向追踪运行的两列车间的最小间隔时间，是列车区间追踪间隔时间、列车出发追踪间隔时间、列车到达追踪间隔时间和列车通过追踪间隔时间中的最大者【2】。

本文借助计算机技术，对运行进路、线路条件和列车进行建模，计算了MRSP曲线、ATP曲线和ATO曲线，可以精确模拟线路中列车的追踪运行情况，有效的反映出整条线路制约点。通过模拟两车追踪，记录前车和后车按照运行控制策略运行再某一位置的时间差即为该位置的时间间隔。在列车追踪运行的整个过程中所有位置对应的间隔时间最大值即为该线路的追踪间隔时间。

其建模相关因素如下：

图1 建模相关影响因素图

1.1运行进路建模

运行进路为仿真列车建立相应的运行路径模型,作为仿真计算的输入，运行路径模型应包含列车运行线路模型、列车出发站信息、列车到达站信息、停站时间等。仿真中,每种列车类型可以有不同的运行路径供选择，列车模型和运行路径模型是一对多的关系。

列车运行交路是仿真列车实际所走的线路，在列车开始运行之前，根据列车交路信息，可以获取列车运行所在的线路模型、列车所经过的每个站间的站间模型，根据线路模型、站间模型以及列车本身的列车模型即可仿真控制列车运行，故软件需要根据项目实际需求为每列车建立交路模型，并在建立模型同时检查交路参数的有效性。

1.2线路条件建模

线路条件直接影响列车的运行。

逻辑进路在仿真之前已经根据列车运行规则划分并定义完成，仿真软件需根据实际需求加载相应的线路参数，并形成软件内部模型。具体需加载的线路参数包括：安全限速、功能限速、线路坡度、线路长短链、区间最大坡度、隧道、分相区、闭塞分区信息等。

在加载每个线路模型数据的同时，要检查每个逻辑进路内的相对坐标的有效性，保证相对坐标从小大大。

1.3信联闭设备建模

接发车进路办理时间的设置、闭塞分区占红延迟和出清延迟的设置。

闭塞方式设置为固定闭塞。

1.4列车建模

由于市域列车长度较短,在忽略车辆之间的相对运动时，可将动车组视作一个单质点整体。此时，列车载运行过程中的受力主要包括：牵引力、列车运行基本阻力、制动力和附加阻力。其中，在列车制动过程中，因为已切除牵引，故此时列车的受力仅为列车制动力、基本阻力和附加阻力。

同时还要输入车辆相关参数，如车长、车重、紧急制动参数、切除牵引指标、空转/打滑指标、常用制动参数、过分相参数、黏着系数等。本仿真采用与上海市域机场线一致的市域C型车参数。

ATP和ATO公式也采用与上海市域机场线一致的计算公式和逻辑。

2 市域铁路时间间隔分析

本文以上海市域机场线为例，对下行线方向进行全线仿真，并根据仿真的结果分析优化时间间隔。

机场联络线全线虹桥站至上海东站全长68.6公里，不含虹桥枢纽线路长度为67.29公里，其中桥梁长4.36公里，地下线长60.65公里，路基长2.28公里，桥隧比96.61%。全线设车站9座：虹桥（虹桥站属于上海市域线机场联络线虹桥枢纽工程）、七宝、华泾、三林南、张江、度假区、浦东机场、浦东机场规划航站楼站、上海东，其中地下站 6 座，地面站 3座，平均站间距离为 8.58 公里。

车辆为8编，总长201m。

正线运行时，其限速规定如下：

站台区最高不得超过的速度为：80km/h；

区间设计速度：160km/h；

9号道岔侧向最高不得超过的速度为：35km/h；

12号道岔侧向最高不得超过的速度为：45km/h；

18 号道岔侧向最高不得超过的速度为：80km/h；

张江站和华泾站的股道在侧线，需要侧线进站停车，为12号道岔。

联锁设置如下：

区间区段出清时间设置为3s；

上海虹桥站、华泾站、三林南站、张江站、度假区站、浦东机场站、浦东

机场航站楼站、上海东站的接发车办理进路时间为18s；

七宝站的接发车办理进路时间为7s。

全线仿真站停参考时间表如下：

表1 列车站停时间表

通过计算机仿真工具分析，以下表格给出上海虹桥站至上海东站方向的正线运营仿真结果。

表2 正线仿真结果表

下行线各站之间仿真运行距离和运行时间详情结果见下表

表3 下行运行仿真详细结果表

下行线站间/速度/间隔时间仿真详情如图所示，其中横坐标表示运行区间信息，纵坐标表示速度和间隔时间，蓝色实线表示列车的速度，红色实线表示列车的时间间隔，。仿真结果如下图所示。可以发现全线最大时间间隔为215s，即改线路时间间隔为215s。

图2 下行线距离/速度/时间间隔仿真图

通过以上图表可以看出，整条线路在张江站和华泾站进站限速为45km/h，导致进站前的时间间隔为全线的瓶颈点，即蓝实线曲线下降，红实线曲线上升。张江站进站前的时间间隔瓶颈点为215s，华泾站进站前的时间间隔瓶颈点为204s。

为解决因侧线进站导致的时间间隔过高的问题，分析列车追踪间隔时间影响因素，根据实际情况，提出切实可行的优化方案。目前影响因素如下图所示。

图3 时间间隔影响因素图

2.1线路条件因素

曲线、坡段、隧道以及分相区等线路条件会很大程度影响各类列车追踪间隔时间，但线路条件很难改变，而分相区在华泾站和张江站进站线路附近没有设置，所以本文不考虑改变线路条件的方案。

但可以考虑设置线路限速，列车进站前设置限速可以减小高速铁路车站到达追踪间隔，其基本原理是降低列车进站初始速度从而降低列车进站制动距离最终减少车站到达追踪间隔时间。

2.2列车制动性能因素

上海市域线的使用车型为市域C型车，车辆制动性能已确定，无法优化修改，所以本文不考虑列车制动性能因素。

2.3各类附加时间因素

信联闭设备动作时间对列车追踪间隔时间影响也是极其显著的，联锁设备会影响各类追踪间隔时间的附加作业时间。在此可考虑优化列车进站进路办理时间。

另外，车辆到站的停车时间也会影响后车追踪的时间间隔，其影响与办理径路时间影响类似。

2.4道岔侧向限速因素

由于进站到达列车必须以小于道岔侧向限速的速度通过道岔，因此在咽喉区长度及前行列车运行过程确定的情况下，道岔侧向限速越低，后行列车在咽喉区的走行时间越长，导致最小时间间隔变大。

在与设计院讨论和验算后，提出可适当提升道岔限速的方案，本文可考虑此方案。

2.5咽喉区长度因素

由于张江站和华泾站进站有侧线双簧灯限速，导致车辆以降低的速度行驶。车站咽喉区长度会影响列车的进站过程时长，咽喉区长度越长，则列车限速的时间和里程也越长，列车追踪间隔时间也随之越长。所以本文考虑缩短咽喉区长度的措施。          

2.6 ATO策略因素

ATO自动跑车时，可配置ATO速度与ATP限速的冗余，一般设置为5km/h，即ATP限速100km/h，ATO最高速度为95km/h。可考虑减少冗余配置的措施。

另外ATO进站后，由于配置策略不同，有的策略不允许ATO进站升速，有的策略允许ATO先加速后减速停车。本文将考虑修改ATO策略措施来优化间隔时间。

3 优化时间间隔措施量化分析

通过以上分析，针对上海市线张江站和华泾站进站时间间隔优化措施如下：

ATO速度冗余设置减少

缩短办理进站进路时间

提升侧线道岔限速

缩短咽喉区长度

进站前区段增加限速

修改ATO进站加速策略

优化措施对列车进站时间间隔的影响程度还需要具体量化分析，本文将采用控制变量法对不同优化措施进行定量多次仿真分析，以便评估出不同优化措施对时间间隔影响的程度。最终得到一个具体的优化方案，也为其他优化提供一些参考。

3.1 ATO速度冗余设置量化分析

方案一：设置3km/h的冗余，即ATP的限速与ATO的速度有3km/h的差值，这样列车双簧灯进站最高速度为42km/h（45km/h-3km/h），列车侧线道岔速度最高为47km/h（50km/h-3km/h）。

方案二：设置3km/h的冗余，即ATP的限速与ATO的速度有0km/h的差值，这样列车双簧灯进站最高速度为45km/h（45km/h-0km/h），列车侧线道岔速度最高为50km/h（50km/h-0km/h）。

另外上海虹桥站、华泾站、三林南站、张江站、度假区站、浦东机场站、浦东机场航站楼站、上海东站的接发车办理进路时间为18s；七宝站的接发车办理进路时间为7s。

以下表格给出仿真条件以及结果。

表4 仿真条件和结果对照表

结论：全线（包括道岔）ATO按照最高限速跑车比3km/h余量跑车时，张江和华泾的时间间隔可节约4s，全线节约时间将近40s。

3.2进路办理时间量化分析

方案一：办理进路时间为3s

方案二：办理进路时间为7s/18s。（根据各站情况不同设置）

以下表格给出仿真条件以及结果。

表5 仿真条件和结果对照表

结论：仿真采取了最严格的办理进路时间，有道岔的站办理进路为18s，无道岔的站办理进路为7s（都考虑了CTC软锁时间）。可以得出结论，办理进路的时间增加或减少多少，最大的时间间隔也将增加或减少多少。

3.3侧线道岔限速量化分析

本方案将原有的道岔限速由45km/h提升至50km/h。

表6 仿真条件和结果对照表

结论：虽然华泾站和张江站的道岔限速设置为50km/h，但由于列车在双黄灯进站限速为45km/h，列车经过进站信号机后，需要车尾保持45km/h，导致列车在经过华泾站和张江站的道岔速度扔基本保持45km/h。所以道岔限速的提升对减少时间间隔基本上无影响。

张江站和华泾站详细速度/时间/距离仿真图如下所示，其中蓝色实线为速度。

图4 华泾站停车仿真图

图5 张江站停车仿真图

3.4咽喉区长度量化分析

方案一、方案二、方案三、方案四、方案五在其他条件不变的情况下，缩短进站信号机至股道的距离0m，50m，100m，150m，200m，即减少咽喉区长度。

以下表格给出仿真条件以及结果。

表7 仿真条件和结果对照表

结论：仿真了进站信号机内移50m、100m、150m、200m的情况。可得出结论，平均内移11m-12m，时间间隔可以减少1s。

3.5进站前区段设置限速量化分析

方案一、方案二、方案三、方案四在其他条件不变的情况下，进站前区段设置减少限速0km/h（即限速160km/h），20 km/h（即限速140km/h），30 km/h（即限速130km/h），40 km/h（即限速120km/h）。

以下表格给出仿真条件以及结果。

表8 仿真条件和结果对照表

结论：仿真了站前限速减少20km/h、30km/h、40km/h的情况。可得出结论，平均降低10km/h，时间间隔可以降低4s-5s。

3.6 ATO进站加速策略量化分析

采用控制变量法进行量化分析，方案一与方案二作为一组对比，方案三和方案四作为一组对比，方案五和方案六作为一组对比。对比组唯一不同的变量为列车进站过道岔车尾保持后是否允许加速。

以下表格给出仿真条件以及结果。

表9 仿真条件和结果对照表

结论：仿真了各种不同场景条件下，列车进站后可加速和不可加速的情况。可得出结论，张江和华泾进站后不加速比加速的时间间隔增多15s左右。

3.7 综合优化方案分析

通过以上量化分析，对各种措施的有效程度做了论证分析，结合设计院交流结果，可作出以下优化方案：

ATP与ATO速度冗余量设置为0，ATO进站策略设置为过道岔车尾保持后允许加速，张江站缩短咽喉区60m（受站内头岔的影响），张华泾站缩短咽喉区100m（受站内头岔的影响），张江站进站前一区段限速设置为130km/h，华泾站进站前一区段限速设置为90km/h。

通过综合优化方案后，可将时间间隔控制在3分钟以内。下图为经过优化后的仿真图，图中显示最大时间间隔为180s。

图6优化下行线距离/速度/时间间隔仿真图

4 结束语

通过对C2+ATO市域铁路特征的分析，提取了多个计算机仿真建模因素，设计了一套计算机市域铁路仿真工具。结合理论检算与仿真分析，获取了市域铁路下行线动态的时间间隔结果，并根据该结果分析了多种优化时间间隔措施。通过控制变量法和大量的仿真实验，针对各种优化方案进行了量化分析，对各种优化方案的有效程度和优缺点做了探讨和研究，最终得出综合优化方案，压缩了整条线路的间隔时间，最大程度利用现有资源，进一步释放线路通过能力，为铁路和社会带来更大的社会经济效益。

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