城市軌道交通快、慢車仿真研究

吳 剛

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 前言

對于城市軌道交通信號系統設計而言，根據信號系統制式對行車專業提出的配線設置、旅行速度、行車間隔、折返間隔等進行仿真驗算非常重要，不但可以驗證行車專業所提要求是否合理可行，更可以對信號系統的設計等提出可靠的依據。

廣州地鐵14號線工程采取快慢車運營模式，快車?？坎糠周囌?，慢車則為站站停車，在越行車站設置快車越行線和慢車避讓線。本文重點針對以下情況進行驗證分析：（1）信號系統采用移動閉塞制式并實行快、慢車運行模式下，正線是否滿足遠期24列車且快慢1∶3開行比例的行車能力，即本線路是否可滿足行車組織要求的早晚高峰能力要求，遠期18對/小時慢+6對/小時快；（2）信號系統采用固定閉塞制式并實行站站停運行模式下，是否能實現4 min的最小追蹤間隔。

圖1 遠期快慢車運營模式停站方案

1 仿真原理

本次仿真主要是運用廣泛應用于以下軌道交通工程領域的Opentrack軟件對廣州地鐵14號線列車運行的仿真。該軟件能在不同的計算機平臺上運行，且能夠模擬各種場景。

Opentrack仿真模擬采用連續-離散混合求解算法，對列車運動的計算采用連續求解，獲得加速度、速度、位移等；對行車信號與調度采用離散求解，獲得信號機狀態、路徑占用等信息。系統在給定的基礎設施條件下，讓列車依據自身動力性能，按給定的時刻表進行運行[1]。

圖2 Opentrack仿真原理

2 仿真過程

仿真分為模型建立、仿真模擬、數據輸出三個過程。

模型建立包括對線路平縱斷面、限速區段、車站站位等線路基礎資料，還包括車輛性能數據、信號機設置及進路設置等，可為模擬建立一套精確的模型[2]。

仿真模擬的過程是在基礎模型建立后，利用軟件內部牽引計算系統對全線列車運行進行實時動態模擬的過程。模擬過程中，可動態觀察列車運行速度、運行里程、加速度等多項列車指標，并對列車越行、折返等過程做出綜合評價。如圖3所示。

仿真結束后，系統可輸出as＜加速度、里程曲線＞、vs＜速度、里程＞曲線、Fs＜牽引力、里程＞曲線、st1＜區段占用情況、時間＞曲線、st2＜區段占用情況、時間＞曲線、otsimcor＜列車曲線運行圖＞、快慢車列車追蹤間隔等30幾種數據或者圖形結果[1]。

3 仿真結果分析

3.1 快、慢車的行車能力

列車從嘉禾望崗往街口方向運行，選取2組1∶3的比例快慢車。發車間隔時間依次為0min，2.5min， 2min， 3.5min， 2min， 2.5min， 2min，3.5min。從圖4可以清楚看到第一組快車在DP（東平站）、TH（太和站）、ZLT（鐘落潭站）超越了前面發車的三列慢車，第二組快車不但在前面三站超過了第二組發車的三列慢車，還在TP（太平站）超過了第一組發車的第三列慢車快車，實現了快慢車有序超越。而且圖4中并未出現沖突點，快車和慢車預先定義的旅行時間得到了保證，從而也證明了行車設置的越行站合理，信號系統可以根據移動閉塞制式實現這種交錯的快慢車運行。

在移動閉塞列車控制方式的基礎上，實行快慢車追蹤運行，快車和慢車在交匯點處存在沖突點，快、慢車的組織也是圍繞沖突點的管理來組織客運。通過明顯的車次區別和線型區別，調度員可以很清晰地在站場圖界面和時刻表界面上識別出列車快慢車。

在進行快慢車運行圖編制時，往往采取單獨仿真一條快車運行線，一條慢車運行線作為基礎的運行圖數據，在保證快車運行旅行時間不受影響的前提下，按照運行圖事先要求的快慢車比例，先鋪畫快車運行圖，然后根據避免沖突點的原理（在越行站設置一個慢車到達該站時刻與快車越過該站時刻的最小間隔時間T1和快車越過該站與慢車可以出發時刻的最小間隔時間T2，保證快、慢車不在越行站產生沖突)，不改變慢車區間運行的數據，增加慢車在越行站的等待時間，達到快車在越行站超越慢車，實現有序的快慢車追蹤間隔運行。

圖3 Opentrack仿真過程實錄

為了保證列車追蹤安全運行，這種鋪畫方式一般都對T1和T2取相對較大的時間間隔，而且實際每個越行站根據越行站前后車站快車是否停車對T1和T2的選取會略有不同，更沒有動態調整的空間，很大程度上犧牲了慢車在越行站的等待時間，降低了地鐵的服務水平。使用OPENTRACK進行仿真，采用基于行車給出的運行時刻表，可采取多次模擬仿真，實時調整慢車停站時間，或者快、慢車在區間的旅行時間，逐次逼近，在避免快慢車在越行站的沖突的基礎上，選取最優的運行圖為計劃運行圖，達到既保證快慢車的有序運行，又很大程度上提高了運行的效率。

3.2 降級模式下的最小追蹤間隔的實現

降級模式下的列車最小追蹤間隔是衡量系統能力的關鍵指標之一，也是信號系統設計重點。本次仿真以街口往嘉禾望崗下行方向為例，使用固定閉塞進行仿真。

本次采用兩列前后制式完全相同的列車以最初4 min的發車間隔進行仿真，由圖5可以清楚地看到后車的速度明顯因前車的存在而受影響，后車不能以正常速度運行至前車相同位置，而且在TP（太平站）、DC（鄧村站）出現了沖突點，即后車采取了在車站等待前行列車離開安全防護區段后發車的方式來保證與前車的安全距離。經過核 實 ，DC(鄧 村)～SG(神崗)、TP(太 平)～XH （新和）區間距離均大于5 km，根據固定閉塞制式原理與初步設計方案，在長大區間采用加裝信號分割點來保證固定閉塞制式下最小追蹤間隔，通過在模型上對DC(鄧村)～SG(神崗)、TP(太平)～XH （新和）區間增加計軸與信號機后，重新進行了仿真，結果滿足初步設計要求的4 min的最小追蹤間隔。

圖4 1∶3的比例快慢車運行圖

圖5 降級模式下4 min追蹤間隔運行圖

根據仿真驗算后的結果來布置正線軌旁設備，不但保證了信號系統設計的能力，而且提高了運營服務效率。

4 結論

本文通過利用OPENTRACK軟件對廣州地鐵14號線CBTC模式快慢車能力和降級模式下固定閉塞最小追蹤間隔的仿真，能夠得出一系列數據，如列車運行圖、列車時刻表、沖突檢測、避讓線占用率等，這些數據不僅可以形象直觀地驗證行車設計是否能夠實現，避讓線設置是否合理，而且可以驗證信號系統能夠達到的系統性能以及優化行車運行圖，從何保證了設計的合理性。

［1］瑞士蘇黎世聯邦科學研究院北京星竹科技發展有限公司，OPEN TRACK用戶手冊--中文版（1.X版）［Z］.2010.

［2］廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州市軌道交通14號線一期及知識城支線工程行車組織與運營管理初步設計說明書［Z］.2013.