付 严

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

地铁是高密度、快速运行的城市公共交通系统。系统设计能力是指线路的各项设备设施整体所具备的支持列车运行密度的能力。考虑到信号系统、车辆性能及配线设置方式所能够提供的条件，GB 50157—2013《地铁设计规范》确定远期系统设计能力不应小于30对/h[1]。

目前我国各大城市的地铁建设中普遍采用了30对/h这一标准，可以说这一标准在一定时期内充分发挥了工程的运输效率，提高了服务水平，并在一定程度上具备适应客流变化风险的能力。

但是在城市化发展过程中，客流激增，有些线路运营初期就达到了近远期客流水平，逼近30对/h的系统能力红线。因此，有些城市在后续建设中提出了增加列车编组来解决输送能力不足的问题。

1 增加编组提升系统输送能力

以成都5号线为例，可行性研究设计采用系统能力30对/h，初、近和远期均采用6辆编组的A型车。随着5号线服务的天府新区升级为国家级新区，成都市城市空间将向天府新区扩展、城市功能和产业布局导致客流发生了巨大变化。系统能力30对/h，6A编组的输送能力已经不能满足需求。因此，5号线在可研调整过程中，将列车编组由6A改为了8A。很明显，在系统能力不变的情况下，6A编组改为8A编组，其输送能力增加了33.3%。

增加车辆编组，线路需要根据站位和周边构筑物情况调整曲线半径和坡度；车站需要增加土建规模和配套市政管线迁改、交通疏解等投入；区间需要新增风险应对措施；车辆基地用地规模和建筑规模均大幅增加；牵引变电站数量和容量需要增加；轨道、机电和弱电系统投资也随着车站及车辆基地规模的增加而增加。因此，通过增加列车编组的方式提高输送能力同时也增加了土建规模、配套投入、风险控制措施和运营能耗。

2 系统设计能力分析

在线路条件、车辆配置、信号设备和供电系统等设施设备与行车组织条件一定的情况下，线路在单位时间1 h内所能通过或接发的最大列车对数，通常用行车间隔指标来判定（行车间隔指在线路上任意一点，同向连续运行列车间的时间间隔）[2]，计算公式为

式中：C为系统设计能力，对/h；T为行车间隔，h或s[3]。

行车间隔要考虑区间追踪间隔、中间站通过间隔和折返站折返间隔3方面因素，通常区间追踪间隔、中间站通过间隔均能满足不大于90 s，但折返间隔受限于折返站配线、车辆、轨道、停站时间和信号系统等的影响往往在120 s左右，甚至更大，是制约城市轨道交通线路提升运输能力的瓶颈。因此减小折返间隔，是提高运输能力的关键。

也就是说只要折返间隔缩短，系统能力就能够提高，进而可以增加地铁的输送能力。相对于增加土建规模，通过提升系统能力提高输送能力更经济。因此有必要研究提升系统能力的方法，尤其是提升折返能力的方法。

3 系统能力设计

近年来我国城市轨道交通线路大都采用移动闭塞模型设计。但是对于特殊场景系统设计会考虑安全因素和技术限制，在移动闭塞的局部会采用固定闭塞。折返区域就是采用的固定闭塞。固定闭塞模型认为行车间隔的本质是列车在各固定闭塞分区的占用时间，折返过程中列车占用时间最长的闭塞分区决定了折返间隔的大小。对一个折返站折返能力进行分析时，首先识别折返过程中的闭塞分区；然后逐一分解闭塞分区的作业流程，通过优化每一个作业流程的时间，确定列车在整个闭塞分区的占用时间；最后取占用时间最大值作为该折返站的折返间隔。以下从固定闭塞和移动闭塞折返能力分别进行分析。

3.1 固定闭塞折返能力分析

3.1.1 固定闭塞作业流程分解

站后折返效率高，被广泛采用。因此，本文以最典型的站后折返站型进行折返能力分析。按照固定闭塞模型，折返作业过程可分为接车、折入、折出及发车4个闭塞分区，对应4条联锁进路，划分方式如图1所示。

图1 固定闭塞进路示意图

（1）进站停车进路（P点—信号机S1）一次制动曲线。

（2）入折返轨进路（信号机S1—信号机S2）固定闭塞。

（3）出折返轨进路（信号机X3—信号机X4）固定闭塞。

（4）发车驶离进路（信号机X4—区间授权点）。

其中进站停车可以分解为办理接车进路、列车进站停车及停站下客3个过程；入折返线进路可以分解为办理折返进路、列车驶入折返线2个过程；出折返线进路可以分解为办理离开折返线进路、列车换端、驶离折返线进站停车及停站上客；发车驶离进路可以分解为办理发车进路、驶离车站。如图2所示。

图2 折返作业流程分解图

从联锁进路原理上分析，到达间隔、折入折出间隔及发车间隔均受上一列车进路轨道占用情况的影响。

发车进路一般只要区间空闲，能够进行移动授权即可办理。

折出进路办理的条件是上一列车（列车1）驶离站台，尾部出清C点，满足当前列车进路保护区段建立的要求。立即办理折出进路，列车2启动驶入站台区，此时发车间隔T发最小。

折入进路办理的条件是上一列车（列车1）驶离折返线，尾部出清B点，满足限界和道岔转换的要求。立即办理折入进路，列车2启动驶入折返轨，此时折入折出间隔T折最小。

接车进路办理的条件是上一列车（列车2）驶离站台，尾部出清A点，满足当前列车（列车3）接车进路保护区段建立的要求。一次制动曲线进站，此时列车到达间隔T到最小。

整个折返作业间隔T折返=max{T到，T折，T发}。

3.1.2 固定闭塞作业流程能力提升措施分析

从图2分析可知，将作业类型分为进路办理、列车走行、站停上下客3类。可以把t1、t4、t7和t12划为进路办理类；把t2、t5、t6、t9、t10和t13划为列车走行类；把t3和t11划为站停上下客类；t8列车换端作业可与t7进路办理同时进行，因此把t8也划为进路办理类。下面就此3类流程优化措施进行分析。

（1）进路办理优化措施。进路办理一般包括进路锁闭信号开放时间和进路及保护区段内道岔转换时间。图2中除t12仅包含进路建立锁闭信号开放时间外，t1、t4、t7均包含上述2个时间。

进路建立锁闭信号开放主要是联锁检查敌对信号条件、道岔位置条件、轨道空闲条件和其他联锁条件是否满足进路锁闭，满足则输出联锁指令，驱动继电器动作控制电路，开放信号。一般情况下，只要道岔位置条件满足，进路建立的时间大约在1~2 s；如果道岔不在规定位置，则道岔转换的时间较长。

单组牵引1/9号道岔转换从联锁输出道岔转换指令、转辙机转换锁闭到联锁采集道岔状态，整个过程时间大约6.5 s。当进路中存在多组道岔时，为了减少转辙机同时启动对电源系统的感性冲击，联锁机设置了顺序驱动进路中各组道岔的机制，但同时也增加了道岔转换在进路办理中的整体动作时间。

以图1中S1→S2进路为例，该进路中包含1组单动道岔D1和1组交叉渡线的道岔D2、D3、D4和D5，最不利情况下，所有道岔均不在所需位置，办理该进路要求5组道岔的转辙机均顺序动作，联锁驱动道岔D1~D5转辙机向进路需要位置转换。可以考虑从以下方面优化作业时间：①联锁机配置减少道岔顺序驱动间隔时间。②联锁机配置同时驱动2组道岔减少启动间隔数量，此时需要电源系统配合设计抗感性冲击。③采用高速高性能转辙机，减少转辙机动作时间。④采用处理速度高的系统软硬件设备，减少系统计算和指令输出、状态采集时间。

（2）列车走行优化措施。列车走行主要考虑列车运行时间和技术作业时间2方面。①优化线路。通过道岔布置尽量靠近折返站台、采用侧式站台压缩线路间距等，使列车走行距离短。②优化道岔侧向通过速度。通过优化道岔侧向通过不可突破速度、采用大号码道岔等措施，提高线路侧向通过速度；同时优化ATO速度使其速度更接近道岔不可突破速度。③优化进路解锁时机。通过优化布置轨旁计轴，使进路逐段解锁后，尽早释放后续进路建立需要的轨道区段。如图1中A、B、C点的计轴布置。④优化系统接口。传统车载信号系统与TCMS列车控制系统之间采用MVB多功能车辆总线的接口方式进行信息的传输，其传输时延在300~450 ms，加速度、减速度达到90%时，延时更达到了1 700 ms。近年来已有厂商研究车载以太网接口形式，延时可降低至10~50 ms。折返作业过程中车辆牵引制动系统与信号ATO之间频繁通信，采用车载以太网接口能减少系统间响应时间，折返间隔能相应缩减。⑤采用全自动运行技术减少人为技术作业时间，缩短折返时间。

通过上述分析可以看出，列车走行时间要在前期设计中对线路布置、设备选型和接口标准等方面进行充分研究比选优化，后期则不容易压缩间隔。

（3）站停时间优化措施。正常情况下，列车在车站停稳后车门站台门联动打开，列车启动前应通过目视或技术手段确认车门关闭，在有站台门的车站，列车关门时间不宜大于17 s，乘客比较拥挤的车站不宜大于19 s[1]。其中纯开门时间为2.5~3.5 s，纯关门时间为3~4 s，还有大约10 s时间是站台门、车辆系统响应和确认时间。

车门和站台门系统通过信号系统实现联动，其中车门和信号ATO系统采用MVB多功能车辆总线接口，上文已经做过分析此处不再赘述，仅将站台门与信号联锁系统接口进行分析。目前大多数城市的站台门和信号联锁系统采用继电接口，信号向站台门系统传递开门和关门指令，站台门向信号系统反馈关闭且锁紧和互锁解除信息。信号系统集成站台门门控系统，采用信号安全网络接口对站台门进行控制可以实现毫秒级控制命令输出和信息回传，减少系统间信息传递时间。

传统的固定闭塞折返模型下，单一技术措施都是秒级和毫秒级的间隔缩短，对系统能力提升是有限的。即便采用以上所有措施，在120 s间隔的基础上有大幅缩减仍然是极大的挑战。

3.2 移动闭塞模型

3.2.1 移动闭塞间隔分析

通过3.1.1固定闭塞作业流程分解可以清晰地看出，固定闭塞是对轨道空间资源进行了大颗粒度的占用，列车没有有效地进行紧密追踪。因此要想提高系统设计能力，必须打破固定闭塞模型，突破联锁进路逻辑。

由图1可以得出，对于进站停车进路和发车驶离进路完全可以理解为移动闭塞下的进站停车和站台发车。在这2种情况下移动闭塞后车可以根据前车的实际位置进行追踪，大幅减少行车间隔。因此，这2个阶段在移动闭塞模型下不是折返间隔的瓶颈。

限制折返间隔真正的瓶颈实际上是折返区不可追踪的区域，如图3所示，折返间隔可以理解为干扰点P→P'之间的作业时间。

图3 移动闭塞折返示意图

P→P'之间的作业时间可分解为以下流程。

后续列车折返前道岔转换和移动授权计算时间，按10 s计算；折返区干扰点P至折返轨的运行时间；折返轨等待时间（含换端、道岔转换和移动授权计算等时间）按10 s计算；出清折返区P'的运行时间，按30 s计算；按列车进出折返线均走行215 m，道岔侧向限速27 km/h，加速度1.0 m/s2计算，进出不可追踪区域走行时间各大约需要32.42 s；折返轨等待和后续列车授权时间各取10 s时间。考虑理论上，P→P'间隔时间约为85 s。

通过上述分析，移动闭塞模型下，后车的移动授权在前车越过P干扰点后不可追踪前车实际位置，只有当前车越过P'干扰解除点后折返区域空闲，后车才能根据移动受权追踪前车。因此，移动闭塞模型下提升系统折返能力的方法就是缩短P→P'之间的作业时间。而相应的折返优化技术措施与3.1.2固定闭塞中的阐述一致，对折返时间缩短同样很有限，此处不再赘述。

3.2.2 移动闭塞间隔能力实测

2021年5月9 日，在青岛举办的列车自主运行系统（TACS）成果展示会上，中车四方所向与会专家展示了该系统在青岛地铁6号线的工程应用及实测情况，目前实验中基于移动闭塞折返间隔为92 s，还有进一步的优化空间。

2021年6月28 日，在卡斯柯的车车通信TACS系统评审会上，专家们现场实测了该系统多个关键功能和性能指标，其中基于移动闭塞模型的折返间隔指标已经达到了83 s。

2021年8月7 日，在上海电气泰雷兹的“地铁线路高新能折返（RET）新技术现场演示会”上，专家们现场见证了移动闭塞系统折返间隔达到了86 s。

从目前公布的基于通信的列车自动控制系统CBTC模式折返成绩来看，卡斯柯和上海电气泰雷兹系统基于移动闭塞折返均达到了90 s，并留有一定的余量，也就以实例证明基于移动闭塞折返能力可以大幅提升，使系统设计能力达到40对/h是可能的。在编组不变的情况下，系统设计能力由30对/h提升至40对/h后，输送能力同样增加了33.3%。

4 结束语

本文通过对固定闭塞和移动闭塞模型折返能力的分析，得出移动闭塞折返间隔达到90 s的可能性，即移动闭塞下可达到40对/h行车能力的目标。同时，通过对提升系统能力和增大编组2种方案输送能力效果的对比，提升系统能力在保证相同输送能力的前提下，可采用相对较小的列车编组。这样不仅减少了土建工程、配套设备数量及节省运营费用的支出，而且缩短行车间隔，减少了乘客候车时间，提高了服务质量。轨道交通建设是百年工程，城市的发展具有不确定性，规划会随着城市发展战略调整，编组长度和系统能力都是城市轨道交通输送能力的储备。