城市轨道交通折返线相关问题研究
摘 要 全面分析了折返线各类布置形式,探讨了各自的适用范围,分析比较了专设折返线折返与采用简单的渡线折返之间的差异。对于行车密度高的轨道交通线,折返线折返应成为首选模式。提出了折返线优化布置方案决策理论模型和模型求解的思路。
关键词 城市轨道交通,折返线,方案优化,决策模型
1 城市轨道交通折返线
1. 1 折返线布置形式
城市轨道交通线路的折返线按其布置形式可分为两大类:尽头式和贯通式。
1. 1. 1 尽头式折返线
(1) 布置特点:尽头式折返线布置如图1 所示, 其折返线一般设于车站列车到达方向的前端。根据折返线相对于正线和站台的位置,有尽头横列(图1d) 和尽头纵列式(图1a 、b、c) 之分;根据折返线数量有单折线(图1c 、d) 和双折返线(图1a 、b) ; 根据折返作业方式又分站后折返(图1a 、b、c) 和站前折返(图1d) 。
(2) 优缺点
优点:车站客运业务与列车折返作业分离进行,列车控制简单,作业安全好;对于双折返线车站,当出现故障列车时,可借用折返线暂时停放列车,迅速恢复行车秩序。
缺点:车站工程数量相对较大;当采用站后折返方式时,折返作业周期比较长,且只适应于一端列车折返作业。
1. 1. 2 贯通式折返线
(1) 布置特点:贯通式折返线布置如图2 所示, 折返列车可经两端的渡线进出。根据折返线的位置不同有以下几种布置形式:横列式(折返线与车站站台平行并列布置);纵列式(折返线与车站站台沿正线列车到达方向纵列布置,根据折返线位置的不同又有外包式和一侧式之分) 。
(2) 优缺点
贯通式折返线优缺点如表2 所示。
图1 尽头式折返线布置
图2 贯通式折返线布置
表2 贯通式折返线优缺点
1. 1. 3 混合式折返线
对于尽头式或贯通式折返线,因受折返作业过程的限制,无论是站前折返还是站后折返,折返站的列车到达或者出发间隔一般都大于线路列车的追踪间隔。对于高峰期短间隔的发车需求,则需要通过增设折返线的方式来实现。混合式折返线布置如图3 所示,其中图3a 为站前与站后尽头式折返线混合布置形式;图3b 则适用于B 支线嵌入A 干线区域折返站的布置。通过混合岛式站台布置, 可实现A 与B 线之间方便换乘。
图3 混合式折返线
1. 2 折返线与折返能力关系
车站折返能力,指配置折返线车站的折返通过能力。它取决于折返线的布置形式、车站作业控制方式和相关的作业时间标准等。
1. 2. 1 折返能力计算原理车站折返能力
n折返= 3600/ I折返式中: n折返为车站折返线在1 小时内能够进行折返作业的最大列车数,列; I折返为折返列车在折返站的最小出发间隔时间,s , 决定于采用的信号系统、折返列车、折返线长度及折返作业方式等。
1. 2. 2 折返作业过程从作业过程分析,折返可分为两大类。
① 离线折返:折返需要通过转线过程来完成(图4a) ,运用于尽头折返线、贯通式中纵列折返线;
② 本线折返:对于贯通式横列折返线,折返与列车接发可同线完成(图4b) ,运用于横列式折返线、混合式折返线。当列车采用ATP/ ATO 运行控制系统、6 节编组列车时,其最小间隔及折返计算能力如表3 所示。
表3 折返能力比较
显然,由于本线折返列车接发几乎同时完成, 相对作业效率高,作业衔接紧凑,缩短了折返间隔时间,从而有利于提高折返能力。另外,对于(中途) 区域折返站,采用贯通横列折返线(俗称综合折返线) 的本线折返方式,在折返作业过程中,对越过本站的后续列车影响小,方便组织大小交路的列车运行组织。但本线折返需要增建站台数目,增加工程投资。因此,两者的取舍应进行成本性能比较后再综合各项因素确定之。
1. 3 折返线折返与渡线折返的比较
满足列车折返运行需要还有一种更为简单的形式,即渡线折返(图5) 。渡线折返又分为站前折返和站后折返。其基本原理是通过渡线沟通上下行正线的运行通道,借助于行车正线实现列车的转线运行。采用渡线折返或折返线折返,各有利弊。两种折返形式的比较如表4 所示。渡线折返一般适用于临时折返量或折返量大的终点折返站;而折返线折返更能满足高密度、大运量、折返量大的区域和终点折返站。
图4 折返出发最小间隔时间示意图
图5 渡线折返示意图
表4 渡线折返与折返线折返比较表
量应大于1 条,通过高峰前列车的预“ 储备”,满足2 折返线布置方案的选择密集发车的需要。
2. 1 布置方案选择的影响因素用上下行正线间的空隙设置尽头式折返线;对于侧式站台,可考虑采用纵列一侧式的贯通折返线
(1) 折返作业量:折返线设置数量取决于早晚合渡线布置,利用正线完成列车折返作业。
(2) 站台布置形式:当站台为岛式布置时,可利用高峰小时的折返作业量。
(3) 线路建筑结构:对于地面线,折返线形式选客运送能力需要的车站发车间隔时,折返线设置数择自由度比较大;而对于高架或地下隧道,折返线布置往往会对工程数量与施工产生较大影响,应综合安全、功能、效益、投资、环境等因素分析研究,在满足功能的条件下尽量采用结构简单的折返形式, 以降低工程造价。
(4) 路网发展:对于尽端站,折返线不可缺少。若该线路分期建设,某车站在远期线路延伸后将转变为中间站,则如一期工程为侧式车站,可在站后先修一段正线作为尽头式折返线使用;如一期工程为岛式车站,只需在站前加设渡线(或交叉渡线), 采用站前折返形式。二期续延工程后,此站自然地转变为中间站。此种模式,二期工程施工对一期工程的正常运营干扰最小。
(5) 成本与效果:从完成折返的效果分析,专设折返线与设置渡线利用正线折返存在一个经济与效果的比较问题。实际上,专用折返线在必要时也可作为故障列车的临时存放线。因此,设置专用折返线,在一定程度上会增加系统的组织灵活性与可靠性,这是一般渡线做不到的。根据国内26 条城市轨道交通线的106 处渡线调查统计,专门用于运营折返使用的渡线仅有4 处,只占所有折返站的3. 8 % 。根据以上分析,可得出以下结论:
对于一次建成的线路尽端站,可根据运营组织要求和工程技术条件等因素决定折返线形式,原则上应设尽头式折返线(含前折返);对于分期建设的临时尽端站,在能力满足要求的条件下可优先采用渡线折返方案;折返作业量大的区域折返站,有采用贯通式条件的,尽量选用贯通式折返线,以增强线路运营的调整能力。
2. 2 布置方案比选模型
由于影响因素的错综复杂,确定某个折返线优化布置方案,实质上是一个多目标问题的决策问题。为此,通过建立一个综合评价指标体系,借助于现代数学工具,有可能得到优化的布置方案。
2. 2. 1 评价指标体系
(1) 列车控制的简繁程度。列车控制简单有利于控制的安全与效率。列车的折返换向作业,对线路信号设计与控制有特殊要求。一般单向行驶线路的控制系统较双向简单。
(2) 运营灵活性。运营的灵活性越大越好。当有多条折返线(大多为尽头式) 时,在实际使用中,
就存在多种使用方案,使其在非常运行情况发生时(如列车出现故障不能继续行驶或主折返线信号故障),能较快地启动其它“预案”,迅速消除意外事件的影响,恢复正常行车秩序。
(3) 折返能力。在同样折返线数量的条件下, 因折返线布置形式的差异,折返最小间隔时间是不一样的,从而可实现的折返能力的大小也各异。折返能力大(或折返间隔时间短) 是折返线布置追求的目标。
(4) 工程数量。折返线有时对车站工程数量有重要影响。如侧式站台车站,增设折返线,会延长车站的站坪,加大工程数量。辐岛式车站,则可利用车站端部的“ 喇叭口”,布置尽头式折返线,工程量较节省。
(5) 工程实现的难易程度。工程越简单施工越容易。对于地面车站,折返线采用何种形式,影响均不大;但对于地下车站和高架车站,折返线布置形式对地下开挖、高架支柱与梁结构有着重要影响。
(6) 客运业务组织条件。对于折返站而言,在客流高峰期,如何使列车折返与旅客乘降有序地进行,是客流组织优化追求的目标。列车折返与旅客乘降分开进行,旅客上下位于不同的站台面,有利于上述目标的实现。
(7) 信号系统布设。车站主要的控制设备均设于站台附近。对于固定闭塞、(准) 移动闭塞等信号制式,控制导线(如信号线) 及其装置的布设原则与要求,对折返线布置形式的选择有一定的影响。如采用与站台平行、横列式布置的折返线,信号系统布设相对更有利。
(8) 作业安全性。表现在两个方面:其一是列车折返发生地点,其二是列车控制出现意外故障时可能造成的损失。对于站前折返的布置形式,列车折返近站台面,当列车出现控制失常时,对近旁候车旅客的人身安全有一定的威胁。
(9) 路网发展配合。城市轨道交通发展具有投资大、运量增长较缓慢、分期建设、由线及网的普遍规律。对于设折返线的车站,还要考虑未来线路延伸或与新干线衔接的方便与可能。
2. 2. 2 比选理论模型
(1) 模型构想设某折返线布置有m 个方案, 方案集用A 表
示, A ={ a1 , a2 , am} ; 方案的评价指标集用C
表示,C={c1 ,c2 , cn} , 其中n =9 。根据方案和指标集及各方案的技术特征,计算评价指标值yij , 可得方案的决策矩阵Y ={ yij}m×n。由于n个评价指标不具有同一的量纲,而且对方案决策的影响程度也因环境条件与决策者的主观偏好而有所差别, 因此可考虑引入多方案灰色优选模型。
具体步骤如下:
① 对每一指标,进行[0 ,1 ]标准化处理,得标准化新决策矩阵Z ={ zij}m×n
m
② 再令eij = zij/ ∑zij( < 1),则可得到归一
i=1
化的决策矩阵E = {eij}m×n
③ 若方案各项指标达到1 时为最优,令bj = 1 (j = 1 ,2 , ?,n) ,则各方案指标相对最优值的灰色关联系数,可用下式度量:
min min | bj-eij|+ p·max min | bj -eij|
kij=ij i j | bj-eij|+ p·max min | bj -eij|
ij
式中p为分辨率,p ∈[0 ,1 ], 一般取p = 0.5 。从而得到多目标灰色关联度判断矩阵K ={kij}m×n。
④ 以各方案指标与最优指标的关联矩阵为基础,计算确定各指标应具有的客观权重
n
μj=(1 -Hj)/ (1
∑
j=1
式中Hj=-(ln m)-1
-Hj) (j = 1 ,2 ,n)
m
kijln kij
∑
i=1
⑤ 以关联系数{kij}m×n为基础,以Hj 为决策权重,计算各方案与最优指标的关联度:
n
ri = ∑Hjkij (i = 1 ,2 ,m)
j=1
综合比选模型的实质是通过各方案与最优指标的关联度的排序来进行方案的取舍。若关联度ri 最大,{kij}与最优指标集{bj}(j =1 ,2 ,n) 最贴近, 也即第i方案优于其它方案,从而得出方案的排序。
(2) 模型应用要点
首先需要根据折返线设置地点的条件,确定出可参与比选的方案;再根据各方案的特征,从评价指标体系所述9 个方面,通过科学的方法(如德尔菲法),取得方案相对于各指标的优劣值,从而构建出方案的决策矩阵Y ={yij}m×n。由于某些指标的绝对值确定难度非常大,如作业安全性、运营灵活性等。因此,可采用相对比较法:以某一种方案为基数(如作业安全性取1.0),其它方案若比它好,可赋予大于1 ;相反,则赋予小于1 ,从而既反映出方案之间的差异,又解决了决策矩阵元素值确定的难题。
上述模型中指标的权重是通过模型计算的,它反映了指标的客观性。但在实际工作中,城市轨道交通车站的布置受建设筹资、周边商住区、用地困难等多种主观因素的影响。因此,为了反映决策主观的偏好,可对各评价指标给予一个主观权重(比如工程数量放在第一位),将客观权重与主观权重相综合(如加权平均法),从而可以得出主、客观结合的最优方案序列,供决策者参考。
3 结束语
本文出自于个人的工作实践和课题研究。折返线方案比选模型中用到的参数较多,需要针对不同的工程背景,对工程设计文件中方案比选意见和概预算指标等进行系统分析、整理、归类和提取,构建一个全面、规范的指标体系集和评价指标体系数据库;然后开发计算机的方案优选程序,即可方便、快捷而全部地对各种折返线布置方案进行比选,找出最优(或较优) 方案,加快设计中方案比选的进程,从而达到节省工程投资,创造良好的列车运营条件目标。这是一项较为繁琐但很有意义的工作,值得深入研究。
参 考 文 献
1 建设部. 地下铁道设计规范. 北京:中国计划出版社,1993
2 易思蓉. 地铁网规划的多目标综合评价. 城市轨道交通研究,2002 ,(2) :31～35
3 毛保华,姜帆,刘迁等. 城市轨道交通. 北京:科学出版社,2001
