ATC 车辆基地咽喉区通过能力计算方法研究

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原文发表于《都市快轨交通》

第 37 卷  第 2 期  2024 年 4 月

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黄宗志1，肖雅玲2，柏 赟2

城市轨道交通线路的行车水平主要受终点站折返能力、信号行车追踪能力以及车辆基地收发车能力等因素的影响。随着城市轨道交通信号系统和作业流程的不断优化，正线的列车运营间隔可压缩至105s，因此车辆基地的发车能力将成为城轨线路行车水平提高的关键[1]。车辆基地的发车能力为列车从库前至转换轨(段内区段)直至进入正线运营(段外区段)的能力，其受到咽喉区通过能力和加车能力的控制。其中，咽喉区通过能力为影响车辆段发车能力的主控因素[2]。因此，车辆基地咽喉区通过能力计算方法的研究对评估车辆基地设计方案的发车能力具有重要意义。自动化列车控制(automatictraincontrol，ATC)车辆基地为采用基于通信的列车控制系统(communicationbasedtraincontrolsystem，CBTC)信号制式且具备列车自动运行功能的车辆段[3]。与传统车辆基地相比，ATC车辆基地在调度权限、列车控制模式和出入场效率等方面均有差异。在调度权限方面，传统车辆基地的收发车作业是以转换轨为界，场段内至转换轨区域由停车场控制中心(depotcontrolcenter，DCC)调度指挥，转换轨以外至正线区域由运营控制中心(operatingcontrolcenter，OCC)调度指挥。ATC车辆基地的运用库至转换轨区域是无人值守的，可以由OCC统一管理，也可以在OCC排列完成后下放至DCC管理，其他作业调度权限由DCC管理。在列车控制模式方面，ATC车辆基地的列车进出车辆基地时为全自动驾驶，列车的间隔距离通过CBTC系统进行控制。在出入场效率方面，由于地铁正线采用CBTC模式，而车辆基地内采用基于轨道电路的控制系统(trackbasedtraincontrol，TBTC)，传统车辆基地的列车由正线回到车场或由车场驶入正线都需在转换轨处切换控制模式；在ATC车辆基地内，列车采用与正线相同的CBTC系统，实现列车自动控制，避免了控制模式切换，提高了列车出入场效率[3]。传统车辆基地的出段方式主要有列车进路方式和列调结合方式。列车进路模式下，将停车列检库至转换轨处划分为一个进路，一次性办理完成从车库内至出段的列车进路。列调结合模式下，在总出发信号机处进行进路划分，划分停车列检库至总出发信号机处为调车进路，划分总出发信号机至转换轨出清点处为列车进路。为更好地满足早高峰正线的运营需求，部分车辆基地开始探索建造ATC车辆基地，其一般采用ATC点灯模式和ATC灭灯模式。ATC点灯模式下，在总出发信号机处进行进路划分，划分停车列检库至总出发信号机处为调车进路，划分总出发信号机至转换轨出清点处为列车进路。ATC灭灯模式下，在共用道岔处进行进路划分，划分停车列检库至前后车共用道岔处为调车进路，划分共用道岔至转换轨出清点处为列车进路。ATC点灯模式和ATC灭灯模式下的列车进路均由CBTC控制。针对传统车辆基地，以段内区段为核心，张雄等[4]针对广州洛溪车辆段将段内作业划分为运用库至转换轨和出清转换轨2个过程，计算车辆段出段能力。刘娴等[5]将列车的出段流程划分为出库进路、调车进路和列车进路等，计算出各进路所需时间的最大值，进而得到车辆段的出段能力。

以段外区段为核心，宋周敏等[6]研究了不同接轨站形式和出入段作业方案下的加车和收车过程，提出了出入段作业能力的计算方法。针对ATC车辆基地，黄志红[7]指明在车辆段实现自动化运行，可以有效提高城市轨道交通的运行效率。汪小勇[8]分析了城市轨道交通ATC车辆段的关键功能，给出了设计时的注意事项。综上，既有研究对传统车辆基地的收发车能力计算方法和ATC车辆基地的功能展开了一些研究，但对ATC车辆基地收发车能力的计算方法考虑不足，难以评估ATC车辆基地布设方案的收发车能力。相较于传统的列调结合方式，ATC点灯模式下仍以总出发信号机为进路划分点；而ATC灭灯模式下以列车间的共用道岔为进路划分点，列车发车顺序会影响车辆基地发车能力。鉴于此，本文针对城市轨道交通ATC车辆基地，考虑ATC灭灯模式下列车发车顺序影响车辆基地发车能力的特点，通过比较不同发车顺序下的列车总发车时间，得到所有列车的最小总发车时间，进而确定ATC灭灯模式下车辆基地的咽喉区通过能力。最后以某地铁车辆基地为案例，验证模型的实施效果。

1模型建立

1.1问题描述

在ATC灭灯模式下，ATC车辆基地的列车从停车列检库运行至共用道岔的过程受TBTC系统控制，记为TBTC区段；在该区段内，同一时间内仅允许一列车运行，前一列车出清共用道岔后，后一列车才能进入该区段。列车从共用道岔运行至转换轨则受CBTC系统控制，记为CBTC区段；在该区段内，同一时间可以有多列车运行，列车间需满足最小追踪间隔。以图1所示的尽端式ATC车辆场段为例，该场段总共有4条股道，每条股道有两列列位，可以停放两列车。假设有编号为i1、i2、i3的3列车，准备从停车列检库发出。

由图1可知，列车i1、i2间的共用道岔为1号共用道岔，列车i2、i3间和列车i1、i3间的共用道岔为2号共用道岔。根据轨道电路分界点，对各线路分区进行编号。在ATC灭灯模式下，列车在TBTC区段内的运行间隔为前车从停车列检库到出清与后车共用道岔的时间，在CBTC区段内的行车间隔为最小追踪间隔。已知线路分区s的长度为ls，列车i的车长为li，列车在车辆基地内运行的平均速度为v1，进路准备等作业时间为t作业。列车发车顺序存在i1-i2-i3、i1-i3-i2、i2-i1-i3、i2-i3-i1、i3-i1-i2和i3-i2-i1共6种方案。以i1-i2-i3、i1-i3-i2两种方案为例，计算其列车运行间隔。方案1下，列车i1-i2的运行间隔为(l3+l13+li)/v1+t作业，列车i2-i3的运行间隔为(l6+l14+li)/v1+t作业。方案2下，列车i1-i3的运行间隔为(l3+l13+l14+li)/v1+t作业，列车i3-i2的运行间隔为(l9+l14+li)/v1+t作业。显然，在共用道岔前，不同的列车发车顺序下，列车的运行间隔不同，列车的总发车时间也不同。在共用道岔后，列车运行仅需满足最小追踪间隔。综上，列车发车顺序会影响列车的运行间隔，进而影响列车的总发车时间，而列车的总发车时间决定了车辆基地的咽喉区通过能力。为此，本文通过比较不同发车顺序下列车的总发车时间，得到最小总发车时间和最优发车顺序，进而确定ATC灭灯模式下车辆基地的咽喉区通过能力。1.2模型构建1)模型假设。在整个发车过程中，列车均会根据已知且固定的限速运行。不考虑正线运行列车对车辆基地发出列车间隔的影响。2)模型决策变量和参数。本文的目的在于优化列车间的发车顺序，将模型决策变量和参数的符号定义如下：M为车辆基地的列车集合；xm,n为0–1变量，若列车m早于列车n发出为1，否则为0，m∈M，n∈M；cm,n为常量，表示列车m和列车n之间的运行间隔。3)目标函数和约束条件。本文目的在于优化列车之间的发车顺序以最小化总发车时间，可理解为找到一条包含所有列车的路径使得路径成本最小化。其中，每两列车间的路径成本为列车间的运行间隔。因此，可参考旅行商问题(travelingsalesmanproblem，TSP)的建模思路构建本文模型。目标函数为路径成本最小化，即所有列车运行间隔之和最小化，表示为将每列车理解为节点，节点集合为M(|M|=N)，S为子点集。模型的约束条件为

1.3算法介绍

本文问题为NP-hard问题，随着问题规模的增大，短时间内难以求得可行解。考虑到车辆基地的列车数量较多，采用模拟退火算法[9]对模型进行求解。模拟退火算法适用于处理大规模复杂的组合优化问题，且与其他优化算法相比更容易实现。

2案例分析

2.1案例基本情况

为验证本文所提出模型和算法的有效性，选择广州萝岗车辆段进行案例分析。萝岗车辆段位于广州地铁6号线的终端，和某终端站以双线接轨的方式连接。根据行车资料，远期6号线一、二期贯通运营，贯通后线路长度为42km，全线高峰小时开行对数为30对/h，旅行速度为33km/h，按照规模分配原则，萝岗车辆段近期列位数为55列位，远期配属车列位数为75列位。目前，萝岗车辆段采取列调结合模式出段，即列车从停车列检库出发，到达总出发信号机，车尾离开信号转换段后，列车可以调整至正线追踪间隔。车辆段布设形式如图 2 所示，对其中共用道岔按顺序进行了编号

2.2参数设置

根据萝岗车辆段近期出入段线与咽喉区关系，对萝岗车辆段发车进路可进行如下排列：进路1承担L-3～L-10、L-11～L-21股道共31列位的发车任务；进路2承担L-22～L-33股道共24列位的发车任务。各发车股道停放的列车数如表1所示，按照发车股道顺序对列车进行编号。

参考相关行车资料，确定咽喉区通过能力计算的相关参数如下：列车在传统车辆基地咽喉区的平均运行速度为12km/h，在ATC车辆基地的平均运行速度为17km/h。进路准备时间为30s，司机信号确认时间为20s，平交道口一度停车时间为30s。列车长度为72.3m。进路1由D5总出发信号机控制，进路2由D7总出发信号机控制在ATC灭灯模式下，列车间的运行间隔为前车出清共用道岔的时间。依据萝岗车辆段的布设图，测量和计算列车间的运行间隔，得到的列车出清共用道岔走行距离和运行间隔部分如表2所示。模拟退火算法采用的相关参数取值分别为：初始温度50000、最低温度1×10–8、退火系数0.98、常数K为1、每个温度的迭代次数为1000。

2.3案例结果分析

2.3.1ATC灭灯模式下咽喉区通过能力

基于以上数据设置，对模型进行求解，得到的列车最优发车顺序如表3～4所示。优化结果中，进路1连续两列车的平均运行间隔为113.7s，总发车时间为3523.9s；进路2连续两列车的平均运行间隔为108.8s，总发车时间为2611.9s。根据车辆段能力计算公式[10]，在考虑10%的设备能力储备的情况下，萝岗车辆段的咽喉区通过能力为N咽喉= ´- ´ [3600(10.1)31]/3523.928/h≈列，发车频率为2.1min/列车。

2.3.2不同信号模式下咽喉区通过能力对比分析

对每条股道线进路走行里程进行统计，并据此计算得到列车进路模式、列调结合模式和ATC点灯模式下各列车间的运行间隔，如表5～6所示。1)列车进路模式。列车进路模式下，两列车的运行间隔为前车从停车列检库出发至出清转换轨出清点的运行时间。

由表5和表6可知，列车进路模式下，进路1连续2列车的平均发车间隔为288.5s，总发车时间为8942.9s；进路2连续两列车的平均发车间隔为288.2s，总发车时间为6917.4s。根据文献[10]的计算公式，考虑10%的设备能力储备的情况下，得到萝岗车辆段咽喉区通过能力为N咽喉= ´- ´ [3600(10.1)31]/8942.911≈列/h，发车频率为5.3min/列车。2)列调结合模式。列调结合模式下，两列车的行车间隔为调车进路和列车进路行车间隔的较大值。由表5和表6可知，进路1连续两列车的平均发车间隔为241.4s，总发车时间为7482.8s；进路2连续2列车的平均发车间隔为241.1s，总发车时间为5787s。根据文献[10]的计算公式，考虑10%的设备能力储备，得到萝岗车辆段咽喉区通过能力为N咽喉= ´- ´ [3600(10.1)31]/7282.813≈列/h，发车频率为4.6min/列车。3)ATC点灯模式。在ATC点灯模式下，列车在进路区域按照CBTC模式连续追踪，追踪间隔小于调车进路的发车间隔，因而列车间的发车间隔以调车进路间隔为主。由表5和表6可知，进路1连续2列车的平均发车间隔为185.0s，总发车时间为5737.9s；进路2连续两列车的平均发车间隔为184.9s，总发车时间为4437.9s。根据文献[10]的计算公式，考虑10%的设备能力储备，萝岗车辆段咽喉区通过能力为N咽喉= [3600(10.1)31]/5737.917´ - ´ ≈列/h，发车频率为3.53min/列车。

2.4不同信号模式下咽喉区通过能力对比

对于广州萝岗车辆基地，在列车进路、列调结合、ATC点灯和ATC灭灯模式下，列车的总出发时间和咽喉区通过能力如表7所示。由表7可知，相较于传统车辆基地的列车进路和列调结合模式，ATC车辆基地的发车能力明显更大。此外，ATC车辆基地在ATC灭灯模式下的发车能力远大于ATC点灯模式，能更好地满足正线的发车需求，进而提高早高峰正线的运营水平。

3结论

1)本文针对车辆基地在ATC灭灯模式下的咽喉区通过能力计算问题，基于优化模型比较了不同发车顺序下列车的总发车时间，得到列车最优发车顺序和最小总发车时间，进而计算得到咽喉区通过能力。基于该方法，计算得到广州萝岗车辆基地在ATC灭灯模式下的咽喉区通过能力为28列/h，发车频率为2.1min/列车，验证了本文所提出方法的有效性。

2)以广州萝岗车辆基地为研究对象，得到列车进路模式、列调结合模式、ATC点灯模式、ATC灭灯模式下车辆基地的咽喉区通过能力分别为11、13、17和28列/h。该结果表明ATC灭灯模式相较于其他3种模式，可以更有效地提高车辆基地咽喉区通过能力，满足正线运营需求。

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