快慢車運營模式下ATS關鍵技術研究

王 恒，景順利

（南京恩瑞特實業有限公司，南京 210006）

隨著城市的發展，城市軌道交通運行線路越來越長，為了減小軌道交通線路延長及列車頻繁停站對客流吸引能力的影響，許多城市在市域軌道交通線路運營過程中采取了快慢車組合運營的方法[1]，提高列車運行效率，滿足不同乘客的快速出行的需求，取得了良好的效果。

快慢車運行模式在國外已經運行多年，是成熟的模式，但在國內與常規地鐵相比還是一種新模式，目前在快慢車設計規劃、運營能力分析等方面國內都沒有進行系統地分析和設計。本論文著重從地鐵控制系統中的列車自動監控（ATS）系統進行快慢車運行分析，通過ATS系統在列車運行時間、停站時間、進路自動辦理等方面進行控制，滿足快慢車運行設計要求。并對運行調整、預測、切換方面進行了相關設計分析，特別是在快慢車切換和恢復方面，結合ATS系統進行了創新地分析和設計，提出了相關設計方法。

1 基本需求

目前采用快慢車組合運行的模式，大體可劃分為 4 類：共線運行、分線運行、跨線運行、接線運行。其中，共線運行又可分為：共線不共軌運行和共線共軌運行[2]。

（1）共線不共軌運行：指快慢車在同一條線路上不共軌道運行；

（2）共線共軌運行：指快慢車在同一條線路上同一軌道運行；

（3）分線運行：指快慢車分別在各自的線路上運行，快車與慢車各行其道，但兩者運營通過換乘設施間接結合；

（4）跨線運行：指快車線和慢車線兩者屬非完全同一的軌道交通制式，但可有條件地跨入另一制式不同的線路上運行；

（5）接線運行：指郊區和市區兩條不同制式的軌道交通線路通過換乘連接，實現乘客市郊間乘行的快慢車運行模式，接線運行模式也可稱接駁運行模式。

在現代軌道交通系統中，地鐵要實現快車和慢車同時運行，可采取修建快、慢車線路的方式，或者在共線條件下設置越行站。本文描述在共線共軌方式下快慢車運行時ATS關鍵技術的研究和分析，其ATS系統具備的基本功能如下：

（1）滿足不同時段快慢車開行比例、列車運行時間要求，能夠編制計劃時刻表；

（2）快車越站時，慢車的停站時間可以自動調整、適當延長；

（3）能夠按照快慢車時刻表進行列車運行控制，例如進路自動辦理、運行時間控制；

（4）能夠進行快慢車運行切換控制，包括：快車到慢車，慢車（之前為快車）恢復成快車；

（5）列車運行過程中列車運行時間預測線，并能根據預測數據用于快慢車運行控制；

（6）快慢車運行控制，在正常運行過程中，快車越站慢車避讓；如果快車越站時間延誤較大，通過對列車運行的預測，在滿足運行要求的情況下，慢車可以先于快車離站；

（7）快慢車顯示需求，快慢車圖標、快慢車車次號、狀態、位置、運行方向、早晚點時間顯示。

2 系統功能分析

在快慢車運行過程中，ATS系統需要滿足“快慢車運行模式”和“全線慢車運行模式”的要求，因此，需要在運行模式管理、快慢車時刻表、快慢車運行顯示、快慢車運行調整、快慢車進站進路自動選擇進路、慢車避讓策略選擇、列車運行時間預測等方面進行設計和實現。

2.1 運營模式管理

系統根據編制的快慢車時刻表，為上線的列車分配快慢車車次號，運營模式管理分為：“快慢車”運營模式和“全慢車”運營模式。

在采用“快慢車”運營模式時，快車在慢車?？空九_采用直股通過，不進行上下客作業，慢車采用側股作為上下客站臺，如圖1所示?？燔囋诳炻囃？空九_采用直股?？考斑M行上下客作業。

在采用“全慢車”運營模式時，線路上運營的列車自動降級為慢車，全線列車的運營采用慢車運營模式。此時列車經過慢車?？空九_時為了提高運營效率，采用直股進行上下客作業，如圖2所示。

圖1 快慢車運營模式

圖2 全線慢車運營模式

2.2 快慢車運行顯示

ATS系統根據快慢車時刻表及列車自動上線順序對快/慢車進行識別，并對快/慢列車使用不同快/慢車車次號。主要在以下過程中為列車分配車次號：

（1）列車自動上線；

（2）人工車次號操作；

（3）系統自動創建車次號。

在實際界面顯示時，快車識別號定義為“K”，慢車識別號定義為“M”，即K+車次號、M+車次號。并在ATS人機界面及大屏上進行顯示。顯示如圖3所示。

圖3 車次號顯示

2.3 快慢車運行調整

對快慢車的運行調整提供人工和自動調整方式，通過調整停站時間、站間運行時間、扣車、越站等方法進行自動和人工調整，必要時可以進行時刻表在線修改[3]。

在ATS提供的人機界面上進行相應操作，適時進行人工調整。人工調整的優先級高于自動調整，人工調整方式包括：

（1）修改列車站停時間及站間運行時間；

（2）通過修改目的地碼改變列車運行徑路；

（3）扣車/越站操作（可以對特定站臺或所有站臺）；

（4）修改列車運行模式，進行快慢車切換。

自動調整的方式包括：

（1）快車按照快車定義的最大、最小時間修改站間運行時間；

（2）慢車按照快車定義的最大、最小時間修改站間運行時間；

（3）快車按照快車定義的最大、最小時間修改站停時間；

（4）慢車按照快車定義的最大、最小時間修改站停時間；

（5）策略調整。

2.4 快慢車控制策略

2.4.1 列車匯聚控制策略

兩個相同屬性的列車運行在Y型支路，將運行到C點匯聚，如圖4所示，列車將按照計劃運行時間到達S2車站。

圖4 列車匯聚策略

（1）列車按照預定的順序通過C點（下一站臺S2的到達時間順序）；

（2）列車T1還沒有通過C點前，ATS系統不能為T2列車辦理進路。

2.4.2 快車優先策略

T2為慢車，T3為快車運行在Y型支路，將運行到C點匯聚，如圖5所示，列車將按照計劃運行時間和快慢車優先策略，控制到達S2車站的順序。

（1）列車按照預定的順序通過C點（下一站臺S2的到達時間順序）。

（2）通過計算獲取列車的到達預估時間ETA；

圖5 快車優先策略

ETA(T2,S2) = 12:08 列車T2現有3 s延誤；

ETA(T3,S2) = 12:10 列車T3準時。

（3）ETA(T2,S2) ＞ ETA(T3,S2)-Δ T，則 ATS不能為列車T2設置進路（其中，Δ T為慢車等待最長時間）。

在快慢車混合運營模式下，需要優先保證快車的運營，慢車進行避讓，避讓時間根據具體線路進行設置。

2.5 快慢車時刻表

采用城市軌道交通運行圖編制軟件進行快慢車時刻表編制和運行仿真，該軟件在windows操作系統中運行，使用Microsoft Visual Studio 2008開發環境采用C++語言進行開發。根據各區間快慢車運行時間、各時間段行車量需求、快慢車停站需求、列車追蹤間隔、越行站設置等要求編制快慢車計劃時刻表文件,以滿足不同時段不同比例的快、慢車運營要求[4]。

其中，快慢車時刻表編制過程中的關鍵為如何確定越行時間，地鐵采用共線共軌運行模式時，因慢車避讓快車越行，都增加了慢車的停車時間[5]。例如上海地鐵16號線、北京地鐵6號線、東京地鐵。圖6快慢車越行時間示意圖（紅色為快車、黑色為慢車）中，描述了慢車等待快車考慮的時間因素。

圖6 快慢車越行時間示意

（1）根據圖6所示，地鐵快慢車越行時間由式（1）確定：

式（1）中：τ到達—列車到達間隔時間；τ出發—列車出發間隔時間；t快車停站—快車停站時間。

2.6 列車運行時間預測

列車運行過程中，ATS時刻表系統根據列車位置、站間運行時間、列車運行間隔、列車運行能力進行列車運行時間預測，并生成預測線[6]。同時根據預測運行時間信息，進行列車運行自動控制和人工調度，預測線如圖7所示。

圖7 計劃線和預測線

3 快慢車切換設計

全線系統中將設置兩種列車運行模式：快慢車運行模式和全線慢車運行模式。兩種模式下，將采用兩種不同的運行時刻表。其中，快慢車運行模式采用編制的時刻表，全線慢車運行模式將采用默認時刻表運行。

3.1 快車切換為慢車

在快慢車運行模式過程中，當運行出現故障（如：車載、聯鎖設備出現故障）時，為了保證列車正常運行，需要將快慢車運行模式切換成全線慢車運行模式，該切換指令采用人工操作的方式，切換后立即生效，快車將在每個車站?？?。

同時也可通過人機操作界面，嘗試將該列車修改為慢車（其它快車仍然按照快車運行），如果時刻表在線修改功能，驗證可以修改，則該列車將可以按照慢車運行，全線列車將采用修改后的時刻表運營。

3.1.1 快車切換為慢車處理

（1）全線列車切換為全線慢車運行模式，通過ATS系統中的人機接口（HMI）進行人工設置，并將該信息發送邏輯處理模塊，完成列車運行模式設定；

（2）ATS系統加載列車默認時間，按照默認時刻信息進行列車運行控制。列車調整功能判斷下一個停站站臺，并按照該模式進行列車運行時間處理；

（3）ATS系統進路自動辦理功能將根據列車快慢車屬性、目的地碼信息，按照提前設置的觸發策略[7]自動辦理直道進路（全慢車運行模式時通過的站臺，一般為直向站臺停車），慢車進入站臺直道進行到站、停車、離站控制，同時控制辦理出站進路的時機。

3.1.2 全慢車運行模式時間預報

列車到達站臺后，按照默認時間進行列車運行控制，計算站間運行時間、停站時間、到站時間以及乘客信息系統（PIS）預報。

3.2 慢車恢復為快車

當快車故障排除后，需要將所有快車全部恢復成快車運行模式。只有是快車屬性的列車才能恢復成快車，其他的列車無法恢復為快車，為了避免給旅客帶來不便，慢車恢復為快車將在終點站完成，全線列車恢復為快慢車時刻表運行，需要一段時間。

3.2.1 慢車恢復為快車處理

當故障恢復后，列車運行模式將恢復為快慢車運行模式：

（1）全線列車切換為快慢車運行模式，通過ATS系統中的HMI進行人工設置，并將該信息發送給邏輯處理模塊，完成列車運行模式設定；

（2）ATS系統加載快慢車運行時刻表，但此時所有列車仍需按照慢車運行要求到站；

（3）列車到達終點站后，ATS系統根據快慢車時刻表，進行自動辦理進路、列車越站、到站、離站控制；

（4）全線恢復為快慢車運行模式，需要一定的時間才能保證列車與時刻表運行匹配。

3.2.2 快慢車運行模式時間預報

列車到終點站后（該行程運行結束后進行慢車恢復成快車切換，避免切換成快車后，乘坐慢車的客乘某些站點無法下車），按照快慢車時刻表進行列車運行控制，計算站間運行時間、停站時間、到站時間以及乘客信息系統（PIS）預報。

4 場景分析與驗證

4.1 快車越站場景

快車越小站、停大站以達到縮短運行時間的目的。在圖8場景中，分析慢車停在站臺，快車越站的情況。慢車首先到達側向站臺，根據快慢車時刻表信息，設置停站時間，同時出站進路不能提前辦理，以免影響快車進路的辦理。

當快車越站時，存在如下處理過程，如圖8所示。

圖8 快車越站場景示意圖

（1）慢車到站前觸發進路辦理，根據列車類型、選擇辦理的進路；

（2）慢車到站，駛入側道停車避讓（避讓站臺可采用雙側式車站或雙島四線車站[8]）；

（3）查看列車運行模式，慢車根據快慢車時刻表信息，計算停站時、站間運行時間、PIS預報信息、驅動DTI(發車指示器)進行顯示；且出站進路不能立即辦理；

（4）列車占用越站進路觸發軌道時，查看列車運行模式，如果為“快慢車運行模式”提前辦理快車出站進路；

（5）快車進站，駛入直道，并越站；

（6）慢車在離站時間前辦理出站進路（如果快車越站、慢車不能提前辦理出站進路，以免影響快車越站運行），列車按照DTI指示離站。

4.2 快車切換為慢車場景

在快慢車混合運行過程中，當出現列車故障、運行混亂時，為了保證列車正常運行，需要將快車切換成慢車，該操切換作通過ATS系統中的HMI下達切換指令或者進行在線實時時刻表修改[9]。如圖9所示，將運行中的快車變成慢車需列車到站后才能完成最終模式切換過程。

快車切換成慢車，存在如下處理過程，如圖9所示。

（1）HMI下達列車運行模式切換指令（例如：下達列車全線慢車運行模式）；

圖9 快車切換為慢車場景示意圖

（2）邏輯處理模塊接收HMI下達的切換指令，完成列車運行模式設定；

（3）根據全線慢車運行策略，列車到站前觸發直道進站進路辦理；如果采用在線時刻表修改后的策略，仍然可以按照快慢車運行控制；

（4）快車按照慢車運行模式到達站臺停穩后，ATS系統查看列車運行模式，使用默認時刻表（或在線修改后的時刻表）計算停站時間、站間運行時間、PIS預報信息、驅動數據傳輸接口（DTI）進行顯示。

4.3 時刻表驗證

通過快慢車區間運行時間、平均速度、停站時間、開行比例、避讓策略等需求完成運行圖編制，并使用列車運行圖編制軟件中模擬運行仿真功能驗證運行圖的可行性[10]，通過驗證上述快慢車控制策略可以滿足快慢車運行時間要求，最終生成的運行圖，如圖10所示。

圖10 快慢車運行圖

5 結束語

快慢車運營在城市軌道交通中具有較大的需求，本論文描述了ATS系統在快慢車運行控制中的系統功能控制要求，特別對快慢車運行調整、切換方面進行功能、設計和場景分析，提出了相關設計方法，為后續的具體實現提供了較好的設計思路。