马保仁

(中国铁路设计集团有限公司交通运输规划研究院，300308，天津∥高级工程师)

20世纪60年代，日本都市交通审议会将“市郊私营铁道与地铁按统一标准建设，实现互联互通、直通运输”作为工作重点[1]，持续提高轨道交通通勤服务水平，打造了“轨道上的东京都市圈”。借鉴相关经验，广州都市圈、深圳都市圈新建都市圈城际铁路：一是新建线路伸入城市核心区时，采用地下敷设方式，与城市轨道交通在付费区换乘；二是新建线路与既有铁路衔接融合，兼具城际铁路和市域(郊)铁路双重功能，打造都市圈通勤圈；三是新建线路满足公交化运输组织需求。在2022年前，粤港澳大湾区将启动建设深惠城际(含大鹏支线)、深圳机场至大亚湾城际(简称“深大城际”)[2]等都市圈城际铁路。结合前期研究成果，这些线路平均站间距为6～8 km，适于采用160 km/h速度目标值；主要服务市域通勤需求，兼顾跨区域组团间直连直通，分时段运输组织灵活，对线路通过能力要求高。为更好地适应乘客便捷换乘、随到随走的需要，车站尽量避免设置多站台、多股道，折返站结合敷设条件参照地铁布置型式。

折返能力是都市圈城际铁路线路通过能力的控制环节，主要由列车运行控制(以下简称“列控”)系统制式、车站配线形式和折返作业组织方式、列车最高运行速度、车辆加减速性能、停站时间及列车长度等因素综合确定[3]。在我国，城市轨道交通列控系统多采用CBTC(基于通信的列车控制)制式，其折返能力研究相对成熟[4]；高速铁路列控系统制式以CTCS(中国列车运行控制系统)为主，结合铁路客运组织和技术作业条件，其地面站采用“空间换时间”[5]的方式来实现设计折返能力。对于采用CTCS2制式的都市圈城际铁路，其折返能力和折返作业组织方法作为新技术研发[6]的基础，正越发受到关注。

1 都市圈城际铁路列车开行方案

根据深圳都市圈城际铁路研究年度远期(2050年)线网开行方案(如图1所示)，在高峰时段，深惠城际开行列车17对/h，深大城际开行列车16对/h。考虑为深大城际和深惠城际在五和站跨线运行留有一定的运营调整裕量，线路设计折返能力不宜低于20对/h。为实现设计折返能力，T4枢纽站作为深大城际端点折返站[2]，相邻列车在该站折返间隔不宜大于180 s。

图1 深圳都市圈城际铁路研究年度列车开行方案

2 T4枢纽站折返间隔影响因素分析

2.1 T4枢纽站车站布置方案

T4枢纽站采用一岛两线站后折返布置(如图2所示)。站后交叉渡线采用12#道岔。道岔限速为50 km/h。

2.2 列控系统制式

考虑与既有铁路跨线运营，从与之技术标准相协调角度考虑，暂假定深圳都市圈城际铁路列控系统采用CTCS2+ATO(中国列车运行控制系统二级结合列车自动运行)制式，列车能够自动进入折返线停稳[7]。

相邻列车在T4枢纽站进站时的追踪过程如图2所示。当前行列车(G101)尾部出清站台区段后，列控系统开始为后行列车(G103)办理接车进路，且办理用时为26 s。若前行列车未能出清站台区段，则后行列车制动停稳于距站台区段进站信号机前方L防处。

图2 相邻列车在T4枢纽站进站时的追踪过程示意图

如图3所示，相邻列车在T4枢纽站出发时的追踪出站时，前行列车(G101)尾部出清第一离去区段后，列控系统开始为后行列车(G103)办理发车进路，且办理用时为26 s。

图3 相邻列车在T4枢纽站出发时的追踪过程示意图

2.3 列车折返作业程序

列车折返作业程序同列控系统制式、乘务组织及司机操作流程等有关，其包括自列车完全进入折返线停稳时起，至列车开始驶离折返线时止，列车在折返线上所进行的全部技术作业流程。经过实地调研发现，单司机作业与双司机作业在技术上均可行。通过去掉复核性冗余操作、使司机操作熟练，对常规作业进行优化，现场记录优化前后的列车折返作业程序及平均用时，见表1。

表1 现状折返作业程序写实

从表1中可以看出：在列车折返线作业中，单司机作业优化前平均用时为765 s，优化后用时可压缩至565 s；双司机作业优化前用时为500 s，优化后用时可压缩至335 s。本文不考虑司机熟练度及冗余作业的影响，故仅按优化后用时进行分析。

2.4 其他参数

动车组的车长按201.4 m计算。考虑乘客舒适度，兼顾动车组快启快停需求，列车最大减速度按0.9 m/s2控制[8]。

3 T4枢纽站折返间隔检算及压缩策略

3.1 基本方案

基本方案为双司机作业、单折返线折返。由表1可知，基本方案折返作业平均用时为335 s。基本方案折返作业流程如图4所示。以利用II道单线折返为例，前行折返列车尾部出清警冲标AC2时，后行折返列车即可接入II道。

由图4可知，基本方案的折返间隔为451 s，折返能力为7对/h，未实现设计折返能力。

CTCS2+ATO列控系统将折返车站划分为到达站台分区、折返线分区和出发站台分区等3个闭塞分区。列车在折返站追踪过程可相应等效为相邻列车在3个闭塞分区按准移动闭塞追踪运行的过程。对列车折返作业流程进一步合并处理，如图4 b)所示，将折返间隔重构划分为列车占用到达站台分区时间(即相邻列车在到达站台分区追踪间隔I到达)、列车占用折返线分区时间(即相邻列车在折返线分区追踪间隔I折返)和列车占用出发站台分区时间(即相邻列车在出发站台分区追踪间隔I出发)。

图4 基本方案中相邻两列折返列车追踪过程和列车折返作业时序图

不难看出，相邻列车在折返线分区实现最紧密追踪，列车在折返线分区追踪间隔是列车折返间隔的控制环节。研究压缩T4枢纽站折返间隔，就是研究压缩相邻列车在折返线分区追踪间隔。

将折返线分区追踪过程展开如图5所示。由图5可以看出，由于前行列车占用进折返线咽喉，与后行列车占用出折返线咽喉不能同时发生，仅可按顺序进行，故相邻列车在折返线分区的追踪间隔受限。针对这一情况，本文提出折返间隔压缩策略。

图5 相邻列车在折返线分区的追踪流程及时序图

3.2 压缩策略一

折返间隔的压缩策略一为双司机作业、多折返线交替折返策略。列车在折返线上的作业时间(335 s)较长,故提出增设折返线，组织多列车在折返站平行作业，进而压缩列车折返间隔。在该策略基础上，细化为双折返线交替折返方案与三折返线交替折返方案。

3.2.1 双折返线交替折返方案

在双折返线交替折返方案中，I道与II道交替使用。通过调整，使列车进折返线占用咽喉与出折返线占用咽喉时间紧密接续。相邻列车在折返站追踪时序为：

第1步：①车在II道停车。

第2步：在①车完全进入II道后，即可办理②车进I道进路。

第3步：在①车完成折返线作业后，即可办理出II道(进入出发站台)。此时，不影响②车进入I道停车(出II道与进I道形成平行进路，可同步进行)。

第4步：①车尾部出清II道时，即可办理③车接入II道进路。

第5步：③车完全进入II道后，即可办理②车出I道的进路。

第6步：②车尾部出清I道后，即可办理④车接入I道进路。

连续3列列车为1个周期。此后重复第3步至第6步。

该方案的流程及时序如图6所示。

经检算，双司机作业、双折返线交替折返时，折返能力为15对/h，未能实现设计折返能力。

3.2.2 三折返线交替折返方案

在三折返线交替折返方案中，3条折返线(Ⅰ道、Ⅱ道及Ⅲ道)交替使用。通过调整,使列车进折返线占用咽喉与出折返线占用咽喉时间紧密接续。相邻列车在折返站追踪时序为：

第1步：①车在Ⅲ道停车。

第2步：①车完全进入Ⅲ道后，即可办理②车进Ⅱ道进路。

第3步：②车完全进入Ⅱ道后，即可办理③车进Ⅰ道进路。

第4步：①车完成折返线作业后，即可办理出Ⅲ道(进入出发站台)。此时，不影响③车进Ⅰ道停车(出Ⅲ道与进Ⅰ道形成平行进路，同步进行)。

第5步：②车完成折返线作业后，即可办理出Ⅱ道(进入出发站台)。

第6步：②车尾部出清Ⅱ道时，即可办理④车进Ⅲ道进路。

第7步：④车完全进入Ⅲ道后，即可办理③车出Ⅰ道进路。

第8步：③车尾部出清Ⅰ道时，即可办理⑤车进Ⅱ道进路。

连续4列列车为1个周期。此后重复第4步至第8步。

该方案的折返线布置及折返流程时间如图7所示。

图7 三折返线交替折返方案的列车作业流程及时序图

经检算，相对双折返线交替折返方案，双司机作业、三折返线交替折返方案的折返能力为16对/h，虽有一定提升，却仍未能实现设计折返能力。

3.3 压缩策略二

压缩策略二为优化折返作业组织策略，通过合理排布列车折返作业时序，优化折返作业组织，进而压缩折返作业间隔。以三折返线交替折返方案为例，如图8所示，调整④车进入Ⅲ道与①车驶离Ⅲ道接续，调整②车在Ⅱ道等待，可将列车折返间隔压缩至180 s，实现设计折返能力。

图8 优化后的三折返线交替折返方案列车作业流程及时序图

4 折返线作业时间优化及数值规律

4.1 双折返线的作业时间优化

都市圈城际铁路一般会在断面客流量突降的中间站设置折返站。小交路折返由于不宜占用正线，故至多采用双折返线交替折返方案。

如图9所示：使列车占用进折返线咽喉与占用出折返线咽喉流程紧密接续，当列车的折返线作业时间压缩为244 s时，列车折返间隔为180 s，可以实现设计折返能力。当组织列车在双折返线交替作业时，因折返作业存在平面交叉，前行折返列车即便提前完成驾驶室换向等技术作业，也需在出清折返线前等待后行列车进入折返线，因而列车在折返线上停留的时间不能低于206 s。据此计算，此方案中留有38 s调节裕量。

结合图9中的反算结果，如站后组织列车双折返线交替折返，则需在当前折返线作业时间(335 s)基础上进一步核减91 s。司机号、车次号及载频信息等信息可从CTCS的列车计划中获得并由司机手动输入，CCS编号、电话号、列车参数可由ATP软件从配置中读取。由此，建议优化DMI(列控车载人工界面)数据输入，以ATP软件自动录入代替人工输入，并由司机在发车前一键确认，同时省略ATP激活后的制动测试[5]。此时，折返线作业时间可压缩至120～215 s，低于折返线作业时间阈值244 s，不再制约180 s折返间隔的实现。

图9 双折返线交替折返方案下反算折返线作业时间阈值

4.2 单折返线的作业时间优化

当站后折返站折返线与停车线合并设置时，需以单折返线来实现设计折返能力。

如图10所示，使列车占用进折返线咽喉与占用出折返线咽喉紧密接续。当列车在单折返线上的作业时间为64 s时，列车追踪间隔为180 s，能实现设计折返能力。

图10 单折返线条件下反算折返线作业时间阈值

结合图10中的反算结果，为实现设计折返能力，需在双折返线作业时间优化的基础上，将折返线作业时间进一步核减64～151 s。通过动车组增设贯通线或车站增加无线设备等技术改造手段，将折返线上技术作业时间(表1中的步骤2至步骤7、步骤9至12)压缩至3 s；考虑折返线上仅司机乘降，不考虑各车门上下客的不均衡延误和站台门的开关门延缓时间，仅考虑开门时间3 s、关闭车门(含预告时间)时间6 s和关门后列车起动反应时间2 s，将列车停稳确认开门时间从20 s压缩至11 s。此时，单折返线作业时间可压缩至64 s，能实现设计折返能力。

4.3 相关数值规律分析

针对不同折返线数量，反算得出折返线作业时间阈值，依此推演折返线上技术作业时间与折返线数量的等量关系：

1) 采用三折返线交替折返时，任一折返列车占用折返线时间为540 s。

2) 采用双折返线交替折返时，任一折返列车占用折返线时间为360 s；

3) 采用单折返线折返时，任一折返列车占用折返线时间为180 s。

由此可知，折返线数量N、任一列车占用折返线时间t占和实现设计折返能力的折返间隔I系统之间存在等量关系：

式中：

t作业——办理进折返线进路时间；

t进折返线——列车开始驶离到达站台，至列车完全进入折返线；

t换——列车换端时间；

t延——列车完成换端后，因等待后行列车进入其他折返线，需在开始驶离折返线前等待时间；

t出折返线——列车开始驶离折返线，至列车尾部完全出清折返线时间。

考虑I系统受相邻列车在到达站台分区追踪间隔I到达、相邻列车在出发站台分区追踪间隔I出发中较大值控制，且为列车进、出折返线咽喉留有调整，其取值应满足约束条件：

s.t.I系统≥max[t进折返线+t作业+t出折返线+

t作业,I到达,I出发]

5 结语

1) 提出基于CTCS2+ATO列控系统的折返间隔计算方法和控制因素。结合折返站列车追踪流程，将基于CTCS2+ATO列控系统的折返过程分解为列车在到达站台分区、折返线分区和出发站台分区按准移动闭塞追踪运行的过程，识别折返间隔的控制因素为折返线分区追踪间隔。

2) 提出都市圈城际铁路折返能力提升策略并计算论证。论证结果表明，在双司机、站后三折返线交替折返时，通过优化折返作业组织，能够实现设计折返能力。

3) 提出了N、t占与I系统的数值关系，以期为都市圈城际铁路配线设计、运营管理规程编制和自动折返有关技术研发提供理论指引。