區域軌道交通跨線站配線方案研究

王 瑩，王 宇，盧錦生，劉夢雨，3，吳兆斌

(1.北京交通大學交通運輸學院,北京 100044; 2.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部,廣州 510220;3.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室,北京 100044)

引言

隨著城市交通圈的快速發展和深度融合,由多種制式軌道交通復合而成的軌道交通網絡系統,已經成為現代化都市圈發展的重要力量。推動“四網融合”、實現多種軌道交通間互聯互通是我國區域軌道交通發展的必然趨勢[1-2]。因此,列車跨線運營的實際需求也日益迫切?？缇€運營的前提是線路互通,即通過銜接節點(即跨線站)實現跨線運行[3]。同時,跨線站銜接多條線路,對路網整體影響程度較高,且須滿足列車跨線的多項作業要求[4-5]。因此,跨線站的配線布置對于實現線路互聯互通,提升網絡化運營效率至關重要,是區域軌道交通互聯互通的關鍵。然而,現有研究中,跨線站配線研究主要面向城市軌道交通同信號制式,對不同制式線路跨線站的研究還不多見。同時,對跨線站配線方面的研究多是對配線類型、布置形式及布置原則等方面的闡述及梳理[6-7],關于車站運營組織特點對配線布置的影響和需求方面的研究較少。因此,本文重點立足跨線站運輸組織需求,分別梳理同制式及不同制式線路的跨線站作業過程及特點,研究并提出不同實際運營場景下相適應的配線方案。

1 跨線站作業需求分析

從跨線前后線路信號制式是否發生改變角度,可以將列車跨線分為同信號制式跨線和跨信號制式跨線兩類。相較于同信號制式跨線,跨信號制式跨線作業復雜程度明顯提升,涉及信號制式切換、更換司機端及更換行車方向等多項流程。

1.1 同信號制式跨線作業需求分析

從作業流程上看,同信號制式跨線過程相對簡單,可分為本線運行和跨線運行階段。本線運行階段是指列車跨線前在原線路的走行過程(圖1紅色路徑所示);跨線運行階段是指跨線車經由渡線等配線完成線路跨越,并在新線上繼續運行的走行過程(圖1中藍色路徑所示)。

圖1 同信號制式跨線作業流程示意

由上述流程可知,在車站合適位置設渡線即可實現列車跨線[8]?？紤]到渡線位置不同,所支持的跨線流程不同,可將跨線方式進一步分為接車端和發車端跨線。兩種方式區別在于列車進站清客和跨線作業間的先后順序,也各有利弊:接車端跨線時,列車進站前完成跨線,乘客不易坐錯車;但遇故障會導致站外停車,產生安全隱患;發車端跨線則能有效避免站外停車,但可能會使部分乘客坐錯車[9]?？紤]運營安全性,建議采用發車端跨線,并加強站內乘客安全引導。由于同信號制式跨線站配線需求較為單一,車站規模也相對較小,因此,建議市區所設跨線站以同信號制式跨線站為主,以降低用地拆遷等投資成本。

1.2 跨信號制式跨線作業需求分析

1.2.1 信號制式切換需求分析

跨信號制式下,跨線前后線路信號系統制式不同,故車站配線在功能上須同時滿足兩種系統的作業要求[10]。以由CTCS-2信號制式切換為CBTC信號制式的過程為例,對列車作業流程進行說明(圖2):跨線前后兩條線路的信號系統制式分別是CTCS-2和CBTC。列車上需配備2套車載設備,并在到發線上設置制式切換區域。列車首先駛入具備制式切換條件的線路,并在過渡區域完成車載設備控制切換等操作,待前方線路滿足運行條件后方可駛離[11-12]。

圖2 CTCS和CBTC系統信號切換流程

當前技術條件下信號制式切換作業時間比較長,會增加線路占用時間,影響其他行車作業。當前針對跨信號制式領域的研究普遍認為采用雙車載兼容模式跨線具備一定可行性[13-14]。該模式下,列車上需要安裝兼容型列控系統,同時配備相關的地面設備,以實現不停車完成制式切換效果[15]。以CBTC與CTCS-2間跨線為例,列車首先以規定速度進入過渡區,在一定限速下,通過車載與地面設備的實時通信交互,在規定節點前完成待切換系統的熱備及啟用,并由司機在交互界面確認完成最終切換[16]。實現較短時間內快速切換是該領域主要的研究趨勢和方向,如果在未來快速切換技術能夠實際應用,信號制式切換作業時間有望大幅縮短。

此外,由于不同列控系統設備自動化程度不同,對到發線長度要求也不盡相同。以CTCS-2和CBTC系統為例:CBTC系統下列車具備自動駕駛功能,無須考慮司機停車余量,且列車安全防護距離、設備間距等方面也同CTCS系統有所區別,所需到發線長度通常比CTCS-2要短。表1展示了站臺長度相同的情況下CTCS-2與CBTC系統所需到發線的有效長度[17]。

表1 CTCS-2與CBTC列控系統所需到發線有效長度

通過上述分析可知,信號制式切換作業會消耗一定時間,為避免線路長時間占用對后續接發車造成影響,可考慮增設到發線,為制式切換列車提供作業場所。如果未來兼容切換模式投入實際運營并實現穩定運行,將切換時間控制在較短時長(如1 min內),那么信號制式切換作業所產生影響就會顯著降低,彼時可安排列車直接在站線作業而不再增設配線。

1.2.2 列車換端及換向需求分析

不同信號系統下,列車行車方向可能有所差別,通常情況CBTC系統為右側行車,而CTCS系統為左側行車。故因跨線前后信號制式的變化,可能導致行車方向改變,產生換向及換端需求。

換向作業是指更換行車方向(即左側行車與右側行車間轉換)的作業,這是由信號系統制式發生改變所導致的。根據作業位置,換向可分為區間換向和車站換向。區間換向通過區間線路立交,進而改變列車進站方向來實現,如圖3(a)所示;車站換向則通過列車在站內折返走行完成換向,如圖3(b)所示。這兩種換向形式分別適用不同形式的客流需求,區間換向主要適用于X形和Y形客流,而車站換向適用于V形客流。

圖3 跨信號制式區間換向和車站換向作業流程示意

換端作業是指更換司機端的作業。對于順向跨線,跨線前后運行方向一致,列車無需換端便能實現平滑銜接,如圖3(a)所示;對于非順向跨線,列車運行方向在前后兩條線路上相反,因此須通過換端來實現線路過渡,如圖3(b)所示。根據實際運營經驗,在具備旅客乘降條件的線路,換端作業一般可與旅客乘降同步進行,作業時長一般在1 min內[18-19]。

綜上,當列車跨信號制式跨線且客流以X形或Y形為主時,建議采用區間換向,對線路進行立交疏解使得列車在進站前完成換向。此時,跨線為順向跨線,無須換端以及站內換向(圖3(a))。而列車跨信號制式跨線且客流以V形為主時,建議采用車站換向,列車在站內完成換端及換向(圖3(b))。

基于配線需求分析可知,跨信號制式跨線站增加了信號制式切換、換端換向等作業,為避免影響后續接發車,建議在車站增設配線。同時,考慮到車站區間也可能采用立交疏解,使占地規模及施工要求顯著提升,故建議將跨信號制式跨線站設在郊區,以減輕用地及投資壓力。

1.3 不同客流條件下跨線作業需求分析

由于區域軌道交通沿線經濟發展水平、人口分布以及車站在線網中位置等因素的差異,不同車站承載客流會呈現出不同特點。從客流形式上,可分為X形、Y形及V形客流[20]:Y形客流是指一組線路與另一組線路間旅客單向流動的形式;X形客流是指兩組線路之間旅客雙向交叉流動的形式;V形客流與Y形客流類似,形式上同樣是單向流動,但在跨線后流動方向發生了變更。圖4為3種客流形式簡要示意。

圖4 Y形、X形及V形客流示意

根據跨線站客流形式,運營部門會相應地組織開行X形、Y形及V形等形式的跨線車來滿足客流需求。其中,Y形跨線是指一組線路與另一組線路間鄰線的單向跨線,如圖5(a)所示;X形跨線是指兩組線路之間鄰線的雙向跨線,如圖5(b)所示;V形跨線則是指跨線前后行車方向發生轉換的跨線形式,如圖5(c)所示。

圖5 X形、Y形和V形跨線作業示意

從發生場景上看,同信號制式跨線時,根據客流構成,會相應采用X形、Y形跨線;某方向折角客流量較大時,也可能開行V形跨線車?？缧盘栔剖娇缇€時,由于跨線前后行車方向不一致,需根據客流形式安排列車進行區間或車站換向。區間換向時,列車首先在進站前完成換向并在站內切換信號制式,進行X形或Y形跨線;車站換向時,列車在站內完成換端換向以及制式切換作業,進行V形跨線。結合前文,通常同信號制式跨線以X形、Y形等順向跨線形式為主,跨線流程簡單,因此一般在正線間設渡線供跨線即可;而在跨信號制式跨線時,列車須進行信號制式切換、換端及換向等多項額外作業,且目前以上作業總體時長還難以控制在較低水平,因此,仍建議在跨信號制式跨線站增設到發線,到發線數量及位置須進一步結合客流、施工等因素確定。

1.4 跨線條件下運營可靠性需求分析

跨線運營時可能出現列車晚點,特別在跨信號制式跨線中還易出現信號制式切換失敗等情況。為應對可能的非正常工況,跨線站配線設置應有效支持車站的應急組織工作。

跨信號制式跨線站內列車作業流線復雜,且車站本身銜接方向眾多,故障工況會對車站接發車產生較大影響,也容易誘發線網延誤傳播[21]。因此,車站應具備故障車停留及小交路折返條件,在前方跨線列車晚點進站,或者信號制式切換失敗時,引導前方列車臨時待避,及時為后方進站列車出清徑路,避免后續列車在站外等待。同時利用折返條件及時組織部分到站列車折返,最大限度降低對正常行車組織的干擾。

綜上,為提升跨線站運營可靠性及能力冗余度,減緩非正常工況對運營組織的沖擊,建議在施工條件允許的情況下在車站設停留線,為故障列車提供待避場所;同時,在跨線站兩側預留小交路折返的配線,便于故障條件下及時組織到站列車折返。如上述配線在本站無設置條件,也可以考慮在鄰站布置。

1.5 跨線站配線設置原則建議

結合前文對同信號和跨信號制式兩類跨線站列車作業需求和運營需求的分析,現針對兩種類型的跨線站配線提出如下布置建議。

(1)針對同信號制式跨線站,根據列車跨線需求在車站合適位置布設渡線即可;考慮運營安全因素,建議將渡線設置于發車端。

(2)針對跨信號制式跨線站,考慮到其行車組織復雜性,且在現有技術條件下信號制式切換作業耗時較長,從提升作業效率和安全性角度,建議在車站至少增設一條共用到發線,兼作故障停留線及待避線之用;到發線設置數量及位置可根據車站客流特點、施工條件等因素確定。

(3)當跨線列車數量較多且同折返列車比例較為接近時,跨線站應預留列車折返條件,以提高車站通過能力以及冗余度;因增設折返線導致車站整體規模過大或者在施工條件受限時,也可以考慮在相鄰車站進行設置。

(4)考慮車站規模及投資因素,建議市區跨線站設計為同信號制式跨線,跨信號制式跨線站則宜設在郊區,并根據車站能力需求、運營模式等因素選擇合適的配線方案。

2 跨線車站配線方案研究

結合前文對跨線條件下各需求因素對配線的影響分析,進一步從跨線前后線路信號制式異同角度出發,分別基于同信號及跨信號制式跨線站列車運營組織特點,對兩種跨線站配線設置方案進行研究。

2.1 同信號制式跨線站配線方案

由于承載客流特征不同,不同跨線站在車站構型、線路布設等方面都會呈現出不同特點。從車站構型角度,可以將跨線站分為“中間站-中間站”型跨線站和“終點站-中間站”型跨線站[22]。這兩種跨線站在承載客流特征、跨線作業流程等方面均有所差異,應基于其作業特點相應研究配線方案。

2.1.1 “中間站-中間站”型跨線站配線方案

“中間站-中間站”型跨線站實質是一條線路中間站與另一條線路中間站對接而形成的跨線站,能實現兩個方向與另外兩個方向的貫通運行?；谄潆p向貫通的特點,其承載的客流形式也通常為X形客流,跨線也以雙向X形跨線為主。另外,當某方向V形客流量較大時,也可以組織V形跨線。為接發兩方向跨線車,應在車站兩端各設一組交叉渡線;同時考慮運營安全,將渡線設在發車端,如圖6所示。另外,如果要組織V形跨線,須對內包線路進行立交換向以便跨線。但一般情況下,同信號制式跨線站以X形和Y形客流為主,V形折角客流較少,因此實際中很少會采用立交形式。

圖6 同信號制式“中間站-中間站”型跨線站配線方案

該方案中,列車可經由交叉渡線,在發車端完成雙向X形跨線,如果進一步對內包線路區間立交,也可支持V形跨線,建議在同信號制式條件下的“中間站-中間站”型跨線站優先采用。另外,考慮兩端交叉渡線會延長咽喉長度,增加建設規模,故當施工條件受限,或某些方向跨線需求不強時,可結合實際運營調整渡線數量及位置。

2.1.2 “終點站-中間站”型跨線站配線方案

“終點站-中間站”型跨線站的實質是一條線路終點站與另一條線路中間站對接形成跨線站,能實現一個方向與另外兩個方向貫通運行。車站承載主要客流形式為Y形,跨線形式也以Y形跨線為主,故設單渡線滿足列車跨線條件即可。另外,為提升運營靈活性,并便于線路遠期改造,“終點站-中間站”型跨線站通常會保留支線獨立運營條件,因此內包線應具備小交路折返功能。支線客流較大時折返列車開行頻率會相應提升,此時應選擇更加高效的站后折返,因此宜設站后折返線,如圖7(a)所示(稱“方案一”);支線客流量較小時折返需求較低,考慮鋪設站后折返線施工量較大,此時可不設站后折返線,通過調整配線,利用渡線實現站前折返功能,如圖7(b)所示(稱“方案二”)。

圖7 同信號制式“終點站-中間站”型跨線站配線方案

方案一中,列車可經由發車端的渡線跨線,同時支線來車也可利用站后折返線完成小交路折返。但站后折返線帶來的工程量增加較為可觀,因此適合在支線折返需求高,且工程條件不受限時采用。方案二取消了站后折返線,僅保留一條安全線,工程量顯著降低。雖同樣支持發車端跨線及折返,但由于改為折返效率較低的站前折返,通過能力會有下降。故方案二主要在折返需求較低,或施工條件受限時采用。同時,由于方案二中內包線路僅保留一條,列車經由渡線即可實現由外包線向內包線的V形跨線,因此當車站具備V形跨線需求時也可以采用。

2.2 跨信號制式跨線站配線方案

跨信號制式跨線涉及信號制式切換、換端及換向等一系列作業,其復雜程度顯著高于同信號制式跨線,故在考慮其配線布置時應充分關注作業的復雜性及特殊性。同2.1節,本節仍從車站構型出發,分別對跨信號制式條件下“中間站-中間站”型跨線站和“終點站-中間站”型跨線站進行配線設置分析。

2.2.1 “中間站-中間站”型跨線站配線方案

跨信號制式跨線列車站內作業繁瑣,其中關鍵作業就是信號系統制式切換。一方面,現有技術下信號系統切換作業耗時較長,會大幅占用線路能力;另一方面,由于作業操作流程復雜,且所涉及車載、軌旁及地面設備較多,容易出現故障情況?？紤]上述情況,雖然增設到發線會提升建筑規模,但鑒于運營安全和能力冗余度因素,仍建議在跨信號制式跨線站增設雙向到發線。另外,結合前文,不同信號系統對到發線有效長要求不同,故車站到發線的有效長應同時滿足2種系統作業要求。關于折返線設置,通常情況下跨線站客流量較大,可能具備開行小交路需求。若內包線路具備小交路需求,滿足施工要求情況下,可根據交路方向設置折返線,采用如圖8(a)(稱“方案一”)的方案;無折返需求或者施工受限時,可不設折返線而在鄰站設置,選擇如圖8(b)(稱“方案二”)的方案,也可將兩組線路平行引入,使中間站臺鄰接兩組線路使其具備同臺換乘條件,采用如圖8(c)(稱“方案三”)的方案。

圖8 跨信號制式“中間站-中間站”型跨線站配線方案

如圖8所示的3種方案在不同客流條件下,均可分別支持X形及V形跨線。以方案一為例,采取車站換向時,列車站內不同側運行,為雙側V形跨線;采取區間換向時,列車站內同側(均為右側)運行,為X形跨線,作業徑路分別如圖9(a)、圖9(b)所示。方案一增設了站后折返線,雖然施工量較大,但內包線路具備了折返條件,在施工允許時,建議在跨線客流量較大,且存在折返需求跨線站優先采用。方案二取消了折返線,規模和投資相較方案一大幅節省,但內包線路無法開行小交路列車,遠期再增設也很困難,故適用于跨線客流量大、內包線無折返需求或因施工條件所限無法設置的跨線站。方案三具備同臺換乘條件,跨線客流量較低時,可減少跨線車開行,通過組織部分旅客站臺換乘,間接實現跨線效果。方案三線路立交疏解量較少,工程投資也顯著低于方案一和方案二,適合在跨線客流量低,且無折返需求的跨線站采用。值得注意,上述3種方案均以當前信號制式切換耗時較長實際情況為前提,如果未來信號制式切換用時能夠有效縮短,則可以基本忽略信號制式切換等流程對其他作業的影響,取消到發線,對應采用同信號制式下的配線方案(圖6)。

圖9 方案一車站換向及區間換向下列車路徑示意

2.2.2 “終點站-中間站”型跨線站配線方案

與“中間站-中間站”型跨線站類似,為滿足跨線作業要求及提升運營可靠性,在“終點站-中間站”型跨線站同樣應增設到發線。但與前者不同的是,這類跨線站對于內包線路是終點站,只進行單向接發車,一般利用站后雙折返線其中一條即可實現折返。因此,從降低規模角度,可僅在跨線繁忙方向增設一條到發線供列車進行制式切換等,另一跨線方向利用其中一條折返線作上述用途,另外一條折返線則保留折返及故障停留功能。為進一步控制規模,考慮采用站前折返方式。此外,為避免折返列車和跨線車間出現作業流線交叉,應將渡線設于到發線進路后方并預留一定距離,如圖10(a)所示。

圖10 跨信號制式“終點站-中間站”型跨線站配線方案及列車作業流線示意

該方案在不同客流條件下,可以分別有效支持Y形及V形跨線。同時根據如圖10(b)所示的流線示意,列車跨線與本線折返互為平行作業,不會產生流線沖突,接發車效率較高,故在“終點站-中間站”型跨線站建議采用。同樣地,如果后續技術能實現短時間信號制式切換,則可簡化配線,采用如圖7所示同信號制式配線方案。

3 結語

車站配線設置是列車作業的基礎和先決條件。本文從提升車站行車作業效率角度,研究形成一套針對區域軌道交通跨線站的配線設置原則和設計方案,以助于跨線站高效行車組織,進而提升區域軌道交通整體運營效率。以信號制式為切入點,將跨線站分為同信號制式跨線站和跨信號制式跨線站,并基于客流特征、車站構型及運營組織需求等關鍵要素,對不同運營場景下的跨線站配線方案設置方法深入研究,同時進行了技術經濟分析。主要結論如下。

(1)同信號制式條件下列車跨線流程簡單,以順向跨線為主,因此跨線站主要在發車端設渡線,并結合折返需求情況輔以折返線等必要配線即可。當車站折返能力需求較低或工程投資等方面受限時,可通過合設內包線路、采取利用渡線實現站前折返等方式以降低工程量?？紤]車站規模和投資成本,市區跨線站宜設計為同信號制式跨線站。

(2)跨信號制式條件下跨線作業流程復雜,具備信號制式切換、換端換向等多種需求,相應的配線也須涵蓋更多功能。雖然信號制式快速切換技術是當前重要發展方向,但考慮現有技術條件下信號制式切換作業耗時較長,從提升運營效率和接發車能力角度,仍建議在車站正線之間增設到發線,設置數量及位置根據車站構型、客流構成、行車作業特點等相應確定。同時綜合跨線及折返需求、工程投資等運營組織因素和技術經濟條件,靈活布設渡線、折返線等其他配線。如果遠期能夠實現信號制式快速切換,則可以簡化配線,參照同信號制式進行布設。同樣基于占地規模和投資因素考量,跨信號制式跨線站一般建議設在郊區為宜。