王 恒，景顺利

（南京恩瑞特实业有限公司，南京 210006）

随着城市的发展，城市轨道交通运行线路越来越长，为了减小轨道交通线路延长及列车频繁停站对客流吸引能力的影响，许多城市在市域轨道交通线路运营过程中采取了快慢车组合运营的方法[1]，提高列车运行效率，满足不同乘客的快速出行的需求，取得了良好的效果。

快慢车运行模式在国外已经运行多年，是成熟的模式，但在国内与常规地铁相比还是一种新模式，目前在快慢车设计规划、运营能力分析等方面国内都没有进行系统地分析和设计。本论文着重从地铁控制系统中的列车自动监控（ATS）系统进行快慢车运行分析，通过ATS系统在列车运行时间、停站时间、进路自动办理等方面进行控制，满足快慢车运行设计要求。并对运行调整、预测、切换方面进行了相关设计分析，特别是在快慢车切换和恢复方面，结合ATS系统进行了创新地分析和设计，提出了相关设计方法。

1 基本需求

目前采用快慢车组合运行的模式，大体可划分为 4 类：共线运行、分线运行、跨线运行、接线运行。其中，共线运行又可分为：共线不共轨运行和共线共轨运行[2]。

（1）共线不共轨运行：指快慢车在同一条线路上不共轨道运行；

（2）共线共轨运行：指快慢车在同一条线路上同一轨道运行；

（3）分线运行：指快慢车分别在各自的线路上运行，快车与慢车各行其道，但两者运营通过换乘设施间接结合；

（4）跨线运行：指快车线和慢车线两者属非完全同一的轨道交通制式，但可有条件地跨入另一制式不同的线路上运行；

（5）接线运行：指郊区和市区两条不同制式的轨道交通线路通过换乘连接，实现乘客市郊间乘行的快慢车运行模式，接线运行模式也可称接驳运行模式。

在现代轨道交通系统中，地铁要实现快车和慢车同时运行，可采取修建快、慢车线路的方式，或者在共线条件下设置越行站。本文描述在共线共轨方式下快慢车运行时ATS关键技术的研究和分析，其ATS系统具备的基本功能如下：

（1）满足不同时段快慢车开行比例、列车运行时间要求，能够编制计划时刻表；

（2）快车越站时，慢车的停站时间可以自动调整、适当延长；

（3）能够按照快慢车时刻表进行列车运行控制，例如进路自动办理、运行时间控制；

（4）能够进行快慢车运行切换控制，包括：快车到慢车，慢车（之前为快车）恢复成快车；

（5）列车运行过程中列车运行时间预测线，并能根据预测数据用于快慢车运行控制；

（6）快慢车运行控制，在正常运行过程中，快车越站慢车避让；如果快车越站时间延误较大，通过对列车运行的预测，在满足运行要求的情况下，慢车可以先于快车离站；

（7）快慢车显示需求，快慢车图标、快慢车车次号、状态、位置、运行方向、早晚点时间显示。

2 系统功能分析

在快慢车运行过程中，ATS系统需要满足“快慢车运行模式”和“全线慢车运行模式”的要求，因此，需要在运行模式管理、快慢车时刻表、快慢车运行显示、快慢车运行调整、快慢车进站进路自动选择进路、慢车避让策略选择、列车运行时间预测等方面进行设计和实现。

2.1 运营模式管理

系统根据编制的快慢车时刻表，为上线的列车分配快慢车车次号，运营模式管理分为：“快慢车”运营模式和“全慢车”运营模式。

在采用“快慢车”运营模式时，快车在慢车停靠站台采用直股通过，不进行上下客作业，慢车采用侧股作为上下客站台，如图1所示。快车在快慢车停靠站台采用直股停靠及进行上下客作业。

在采用“全慢车”运营模式时，线路上运营的列车自动降级为慢车，全线列车的运营采用慢车运营模式。此时列车经过慢车停靠站台时为了提高运营效率，采用直股进行上下客作业，如图2所示。

图1 快慢车运营模式

图2 全线慢车运营模式

2.2 快慢车运行显示

ATS系统根据快慢车时刻表及列车自动上线顺序对快/慢车进行识别，并对快/慢列车使用不同快/慢车车次号。主要在以下过程中为列车分配车次号：

（1）列车自动上线；

（2）人工车次号操作；

（3）系统自动创建车次号。

在实际界面显示时，快车识别号定义为“K”，慢车识别号定义为“M”，即K+车次号、M+车次号。并在ATS人机界面及大屏上进行显示。显示如图3所示。

图3 车次号显示

2.3 快慢车运行调整

对快慢车的运行调整提供人工和自动调整方式，通过调整停站时间、站间运行时间、扣车、越站等方法进行自动和人工调整，必要时可以进行时刻表在线修改[3]。

在ATS提供的人机界面上进行相应操作，适时进行人工调整。人工调整的优先级高于自动调整，人工调整方式包括：

（1）修改列车站停时间及站间运行时间；

（2）通过修改目的地码改变列车运行径路；

（3）扣车/越站操作（可以对特定站台或所有站台）；

（4）修改列车运行模式，进行快慢车切换。

自动调整的方式包括：

（1）快车按照快车定义的最大、最小时间修改站间运行时间；

（2）慢车按照快车定义的最大、最小时间修改站间运行时间；

（3）快车按照快车定义的最大、最小时间修改站停时间；

（4）慢车按照快车定义的最大、最小时间修改站停时间；

（5）策略调整。

2.4 快慢车控制策略

2.4.1 列车汇聚控制策略

两个相同属性的列车运行在Y型支路，将运行到C点汇聚，如图4所示，列车将按照计划运行时间到达S2车站。

图4 列车汇聚策略

（1）列车按照预定的顺序通过C点（下一站台S2的到达时间顺序）；

（2）列车T1还没有通过C点前，ATS系统不能为T2列车办理进路。

2.4.2 快车优先策略

T2为慢车，T3为快车运行在Y型支路，将运行到C点汇聚，如图5所示，列车将按照计划运行时间和快慢车优先策略，控制到达S2车站的顺序。

（1）列车按照预定的顺序通过C点（下一站台S2的到达时间顺序）。

（2）通过计算获取列车的到达预估时间ETA；

图5 快车优先策略

ETA(T2,S2) = 12:08 列车T2现有3 s延误；

ETA(T3,S2) = 12:10 列车T3准时。

（3）ETA(T2,S2) ＞ ETA(T3,S2)-Δ T，则 ATS不能为列车T2设置进路（其中，Δ T为慢车等待最长时间）。

在快慢车混合运营模式下，需要优先保证快车的运营，慢车进行避让，避让时间根据具体线路进行设置。

2.5 快慢车时刻表

采用城市轨道交通运行图编制软件进行快慢车时刻表编制和运行仿真，该软件在windows操作系统中运行，使用Microsoft Visual Studio 2008开发环境采用C++语言进行开发。根据各区间快慢车运行时间、各时间段行车量需求、快慢车停站需求、列车追踪间隔、越行站设置等要求编制快慢车计划时刻表文件,以满足不同时段不同比例的快、慢车运营要求[4]。

其中，快慢车时刻表编制过程中的关键为如何确定越行时间，地铁采用共线共轨运行模式时，因慢车避让快车越行，都增加了慢车的停车时间[5]。例如上海地铁16号线、北京地铁6号线、东京地铁。图6快慢车越行时间示意图（红色为快车、黑色为慢车）中，描述了慢车等待快车考虑的时间因素。

图6 快慢车越行时间示意

（1）根据图6所示，地铁快慢车越行时间由式（1）确定：

式（1）中：τ到达—列车到达间隔时间；τ出发—列车出发间隔时间；t快车停站—快车停站时间。

2.6 列车运行时间预测

列车运行过程中，ATS时刻表系统根据列车位置、站间运行时间、列车运行间隔、列车运行能力进行列车运行时间预测，并生成预测线[6]。同时根据预测运行时间信息，进行列车运行自动控制和人工调度，预测线如图7所示。

图7 计划线和预测线

3 快慢车切换设计

全线系统中将设置两种列车运行模式：快慢车运行模式和全线慢车运行模式。两种模式下，将采用两种不同的运行时刻表。其中，快慢车运行模式采用编制的时刻表，全线慢车运行模式将采用默认时刻表运行。

3.1 快车切换为慢车

在快慢车运行模式过程中，当运行出现故障（如：车载、联锁设备出现故障）时，为了保证列车正常运行，需要将快慢车运行模式切换成全线慢车运行模式，该切换指令采用人工操作的方式，切换后立即生效，快车将在每个车站停靠。

同时也可通过人机操作界面，尝试将该列车修改为慢车（其它快车仍然按照快车运行），如果时刻表在线修改功能，验证可以修改，则该列车将可以按照慢车运行，全线列车将采用修改后的时刻表运营。

3.1.1 快车切换为慢车处理

（1）全线列车切换为全线慢车运行模式，通过ATS系统中的人机接口（HMI）进行人工设置，并将该信息发送逻辑处理模块，完成列车运行模式设定；

（2）ATS系统加载列车默认时间，按照默认时刻信息进行列车运行控制。列车调整功能判断下一个停站站台，并按照该模式进行列车运行时间处理；

（3）ATS系统进路自动办理功能将根据列车快慢车属性、目的地码信息，按照提前设置的触发策略[7]自动办理直道进路（全慢车运行模式时通过的站台，一般为直向站台停车），慢车进入站台直道进行到站、停车、离站控制，同时控制办理出站进路的时机。

3.1.2 全慢车运行模式时间预报

列车到达站台后，按照默认时间进行列车运行控制，计算站间运行时间、停站时间、到站时间以及乘客信息系统（PIS）预报。

3.2 慢车恢复为快车

当快车故障排除后，需要将所有快车全部恢复成快车运行模式。只有是快车属性的列车才能恢复成快车，其他的列车无法恢复为快车，为了避免给旅客带来不便，慢车恢复为快车将在终点站完成，全线列车恢复为快慢车时刻表运行，需要一段时间。

3.2.1 慢车恢复为快车处理

当故障恢复后，列车运行模式将恢复为快慢车运行模式：

（1）全线列车切换为快慢车运行模式，通过ATS系统中的HMI进行人工设置，并将该信息发送给逻辑处理模块，完成列车运行模式设定；

（2）ATS系统加载快慢车运行时刻表，但此时所有列车仍需按照慢车运行要求到站；

（3）列车到达终点站后，ATS系统根据快慢车时刻表，进行自动办理进路、列车越站、到站、离站控制；

（4）全线恢复为快慢车运行模式，需要一定的时间才能保证列车与时刻表运行匹配。

3.2.2 快慢车运行模式时间预报

列车到终点站后（该行程运行结束后进行慢车恢复成快车切换，避免切换成快车后，乘坐慢车的客乘某些站点无法下车），按照快慢车时刻表进行列车运行控制，计算站间运行时间、停站时间、到站时间以及乘客信息系统（PIS）预报。

4 场景分析与验证

4.1 快车越站场景

快车越小站、停大站以达到缩短运行时间的目的。在图8场景中，分析慢车停在站台，快车越站的情况。慢车首先到达侧向站台，根据快慢车时刻表信息，设置停站时间，同时出站进路不能提前办理，以免影响快车进路的办理。

当快车越站时，存在如下处理过程，如图8所示。

图8 快车越站场景示意图

（1）慢车到站前触发进路办理，根据列车类型、选择办理的进路；

（2）慢车到站，驶入侧道停车避让（避让站台可采用双侧式车站或双岛四线车站[8]）；

（3）查看列车运行模式，慢车根据快慢车时刻表信息，计算停站时、站间运行时间、PIS预报信息、驱动DTI(发车指示器)进行显示；且出站进路不能立即办理；

（4）列车占用越站进路触发轨道时，查看列车运行模式，如果为“快慢车运行模式”提前办理快车出站进路；

（5）快车进站，驶入直道，并越站；

（6）慢车在离站时间前办理出站进路（如果快车越站、慢车不能提前办理出站进路，以免影响快车越站运行），列车按照DTI指示离站。

4.2 快车切换为慢车场景

在快慢车混合运行过程中，当出现列车故障、运行混乱时，为了保证列车正常运行，需要将快车切换成慢车，该操切换作通过ATS系统中的HMI下达切换指令或者进行在线实时时刻表修改[9]。如图9所示，将运行中的快车变成慢车需列车到站后才能完成最终模式切换过程。

快车切换成慢车，存在如下处理过程，如图9所示。

（1）HMI下达列车运行模式切换指令（例如：下达列车全线慢车运行模式）；

图9 快车切换为慢车场景示意图

（2）逻辑处理模块接收HMI下达的切换指令，完成列车运行模式设定；

（3）根据全线慢车运行策略，列车到站前触发直道进站进路办理；如果采用在线时刻表修改后的策略，仍然可以按照快慢车运行控制；

（4）快车按照慢车运行模式到达站台停稳后，ATS系统查看列车运行模式，使用默认时刻表（或在线修改后的时刻表）计算停站时间、站间运行时间、PIS预报信息、驱动数据传输接口（DTI）进行显示。

4.3 时刻表验证

通过快慢车区间运行时间、平均速度、停站时间、开行比例、避让策略等需求完成运行图编制，并使用列车运行图编制软件中模拟运行仿真功能验证运行图的可行性[10]，通过验证上述快慢车控制策略可以满足快慢车运行时间要求，最终生成的运行图，如图10所示。

图10 快慢车运行图

5 结束语

快慢车运营在城市轨道交通中具有较大的需求，本论文描述了ATS系统在快慢车运行控制中的系统功能控制要求，特别对快慢车运行调整、切换方面进行功能、设计和场景分析，提出了相关设计方法，为后续的具体实现提供了较好的设计思路。