虚拟编组技术“大小交路跳停”列车组织策略研究

Organization Strategy of "Train Skip Stops on Long and Short Routings" Based on Virtual Marshalling Technology

摘要

随着城市轨道交通运营里程的增加，客流分布呈现明显的区间聚集和时空分布不均特征。现行技术体系下通过提高列车发车频率、开行大编组、多交路列车等运输组织方式来满足客流集中出行需求，但仍存在列车组织灵活性差、追踪时间间隔较长等问题。虚拟编组技术的应用在缩短列车追踪时间间隔和折返时间的同时，可有效提高列车运输组织灵活性和断面不均衡客流背景下的列车运能。研究利用虚拟编组这一无线通信技术，提出了应对时空分布不均客流的“大小交路跳停”组织策略，通过案例分析，以乘客旅行时间、滞留乘客数等为评价指标，突出虚拟编组技术在打破列车间独立运行状态、增加开行计划编制多样性及实现不均衡客流供需匹配和改善运输效率方面的优势。

Abstract

As the operating mileage of urban rail transit increases, the passenger flow distribution shows obvious characteristics of interval aggregation and uneven spatial and temporal distribution. Under the current technical system, train departure frequency has been increased, and large marshalling groups, trains on multiple routings, and other transportation organization modes have been operated to meet the demand of concentrated passenger flow travel, but there are still problems such as poor flexibility of train organization and long tracking time interval. The application of virtual marshalling technology can effectively improve the flexibility of train transportation organization and the capacity of train transportation under the background of uneven passenger flow while shortening the train tracking time interval and turnaround time. This research proposed an organization strategy of "train skip stops on long and short routings" to cope with the uneven spatial and temporal distribution of passenger flows by using wireless communication technology, namely virtual marshalling technology. Through the case analysis, the passenger travel time and the number of stranded passengers were used as evaluation indicators, and the advantages of virtual marshalling technology in breaking the state of individual train operation, increasing operation planning diversity, matching supply and demand under uneven passenger flows, and improving transportation efficiency were highlighted.

Graphical abstract

关键词

城市轨道交通 / 虚拟编组 / 大小交路跳停 / 运输组织策略 / 列车开行方案

Key words

Urban Rail Transit / Virtual Marshalling / Skip Stop on Long and Short Routing / Transportation Organization Strategy / Train Operation Plan

0　引言

高峰时期客流量大、时空分布不均成为影响城市轨道交通服务水平和运行效率的主要因素，灵活调整运力满足不同区段乘客出行需求、减少车站乘客滞留数成为研究重点。虚拟编组技术打破了列车间独立运行的状态，将虚拟重联后的列车看作一个“编队”，编队内部列车保持相同的运行状态且追踪间隔极小，独立列车和“编队”列车运行示意图如图1所示。开行虚拟编组技术下“大小交路跳停”列车可在保证供需均衡的基础上尽可能缩短乘客旅行时间，提高列车服务效率。

欧洲学者较早开展了针对虚拟编组的研究。虚拟编组列车的雏形来自于Bock等^[1]提出的“virtually coupled train formations (虚拟重联列车编队)”的设想。Goikoetxea^[2]介绍了虚拟编组的基本概念，指出了虚拟编组技术因其前所未有的灵活性和承载能力，将彻底改变铁路现有的运营模式。在通信技术和列车运行控制方面，郝明钊^[3]对车车通信下列车多编队的控制方法和应用进行论述，分析了不同场景下列车的重联/解编过程。Pan等^[4]以高速铁路列控和信号技术为着眼点，强调信号控制和设备布局对虚拟编组效果的重要影响。Quaglietta等^[5]对影响安全裕量的各项铁路运营风险因素进行分析，通过构造动态安全系数保障紧急情况下列车的安全运行。潮汐客流具有时空分布不均、波动较大的特征，为满足这种不均衡的客流需求，需要制定多方案混合的列车开行计划。高毅^[6]对市域背景下，大小交路跳停列车的适应性进行分析，建立了越行约束下符合潮汐客流特征的非线性列车运行计划优化模型。汤莲花等^[7]建立了市域线多交路跳停列车的双层规划模型，将列车拥挤费用纳入乘客出行费用中，但未考虑早晚高峰的双向客流和乘客的多站台换乘情况。曾翠峰等^[8]从乘客角度出发，重点对因快车跳停而造成的乘客额外等待时间进行研究，但在考虑乘客换乘行为和折返站选取方面存在不足。段凌林等^[9]同时考虑早晚高峰双向客流，提出了列车运能足够大的情况下，非固定停站时间列车运行计划优化模型，但并未考虑折返站和跳停站作为决策变量的列车运行计划优化；张红健^[10]基于非均衡发车模式，侧重对“大小交路跳停”模式下乘客的路径选择、换乘行为和滞留情况进行详细分析。冉昕晨等^[11]将“大小交路+列车放空”作为应对潮汐客流的列车开行方案，考虑动态客流下的列车开行方案与车底的综合运用。当前对虚拟编组列车的运行组织策略研究较少，且相关列车运行参数未能形成统一的计算标准和体系。因此，通过计算虚拟编组技术下列车车站追踪间隔和折返时间，制定列车“大小交路跳停”组织策略并绘制其列车运行图，对比各方案下乘客旅行时间和车站滞留数等，突出虚拟编组技术在优化现有列车运行模式、提高城市轨道交通运营水平以及改善乘客出行质量等方面的积极作用。

1　虚拟编组技术下“大小交路跳停”列车组织策略

“大小交路跳停”模式是一种适应于长距离、客流时空分布不均线路的列车运行组织策略，虚拟编组列车“多交路跳停”运行示意图如图2所示。线路({\mathit{n}}_{\mathrm{0}}，{\mathit{n}}_{\mathrm{2}})为小交路区段，({\mathit{n}}_{\mathrm{0}}，{\mathit{n}}_{\mathit{N}})为大交路区段，大编组重联列车在({\mathit{n}}_{\mathrm{0}}，{\mathit{n}}_{\mathrm{1}})进行区间动态解编，为保证上下行列车在{\mathit{n}}_{\mathrm{2}}顺利连挂，解编后的前车在{\mathit{n}}_{\mathrm{1}}不停站，快速通过车站与下行列车在小交路折返站{\mathit{n}}_{\mathrm{2}}进行虚拟重联。与传统模式相比，虚拟编组技术可支持列车在区间动态解编/重联和在站重联，加大了列车单向区间运力，在保证大小交路非重合区段乘客服务水平的同时，快速疏解聚集客流。

1.1　“大小交路跳停”列车虚拟重联

多交路跳停列车在站虚拟重联示意图如图3所示。

虚拟重联具体过程如下。

（1）小交路列车1到达折返站停站后，进行站后折返。

（2）大交路列车2进站与已折返的小交路列车1进行虚拟连挂，多编组列车以重联状态共同离站服务大客流区段。

1.2　“大小交路跳停”列车虚拟解编

多交路跳停列车区间虚拟解编示意图如图4所示。

区间解编具体过程如下。

（1）大小交路列车以重联状态从车站出发。

（2）前方快车加速行驶与后方大交路慢车通过速度差实现区间解编。

2　虚拟编组列车追踪时间和折返时间计算

2.1　虚拟编组技术下列车追踪时间间隔计算

虚拟编组技术下前后列车通过“车车通信”实现车辆在站重联，与传统物理连挂相比，虚拟编组技术优势体现在2方面：①列车信号定位更加准确，前后列车的防护距离大大缩短；②具有较小间距的虚拟“编队”列车可同时进站。

考虑2列车虚拟重联，连挂列车总长为\mathrm{2}{L}_T，前后重联列车安全间隔为L_{\mathrm{间}}，列车防护距离为L_{s\text{'}}，列车制动减速度为b，其余参数取值保持不变。

传统模式下列车车站追踪示意图如图5所示。

虚拟编组技术下重联列车车站追踪示意图如图6所示。

采用虚拟编组技术后，“编队”内部列车的安全距离L_{\mathrm{间}}缩短，重联列车无须解编直接进站。此时，“编队”列车车长及驶出安全距离发生变化。其车站追踪时间间隔计算如公式⑴所示。

⑴

式中：T_{FD}为列车车站追踪时间间隔，s；a为前车启车加速度，m/s²；b为后车制动减速度，m/s²；L_T为单列车长，m；L_{\mathrm{间}}为虚拟重联列车安全间距，m；L_{S^{\mathrm{\text{'}}}}为虚拟编组下列车防护距离，m；T_{\mathrm{反}}为反应时间，s；T_w为列车停站时长，s；v为列车区间运行速度，km/h。

2.2　列车折返时间间隔计算

潮汐客流具有时空分布不均的特征，站前折返会使站台秩序受到严重影响^[12-13]。站后折返接发车平行作业，不存在进路交叉，前车对后车的影响小，因而在有高密度行车需求的情况下，列车单线站后折返^[14]示意图如图7所示。

虚拟编组技术下，列车站后折返时间计算方法与传统列车类似，如公式⑵所示，取接车作业时间I_{\mathrm{接}}、进出折返线时间I_{\mathrm{进出}}和发车作业时间I_{\mathrm{发}}最大值^[15-16]。

I_{\mathrm{折返}}=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left\{I_{\mathrm{接}}，I_{\mathrm{进出}}，I_{\mathrm{发}}\right\}⑵

2.3　参数计算结果

列车运行参数取值如表1所示。

研究以B型车为标准，考虑站台长度限制，最多可同时支持8编组列车在站作业。以列车区间运行速度80 km/h为研究场景，传统模式下列车车站绝对追踪间隔为74.20 s，虚拟编组技术下列车平均车站追踪间隔为69.01 s，与传统模式相比节约了6.99%。由此可见，虚拟编组技术可缩短列车追踪间隔，增加单位时间内车站列车通过数。

列车折返参数取值如表2所示。

为匹配乘客上车需求，更好地体现虚拟编组技术对疏散滞留乘客的积极作用，列车停站时长取30 s，折返站考虑清客和列车作业，停站时长取50 s。列车编组数固定的情况下，虚拟编组的技术优势体现在列车办理进路时间、设备响应延迟时间和安全防护距离的缩短。以列车运行速度80 km/h为研究场景，传统模式下列车站后折返时间为120.00 s，虚拟编组技术下列车站后折返时间为95.98 s，节约了20.02%，可见虚拟编组技术可缩短列车折返时间，加快列车周转运用。

3　“大小交路跳停”运行组织策略算例分析

以单向不均匀客流为研究对象，通过绘制多交路跳停列车运行图，对比传统CBTC与虚拟编组技术下列车运行组织策略，以乘客旅行时间和车站滞留数为评价指标，分析虚拟编组技术应对长距离、时空分布不均客流的优势。

3.1　算例条件

以高峰小时为研究时段，市郊线M共12座车站，其中具备折返条件的车站为第1站(A站)、第8站(H站)和末站(L站)。线路均开行B型列车，可根据客流需求进行区间重联/解编或车站重联，列车区间运行时间为列车区间纯运行时间与起停附加时分之和，起停附加时分与列车区间运行速度有关(当速度为80 km/h时，取0.2 min)。线路及车站信息如表3所示。早高峰单向OD客流需求如表4所示。

3.2　列车开行方案

为便于研究，做如下假设：①列车单元为B型4编组列车；②列车区间运行速度为80 km/h，最大区间运行速度为110 km/h；③站台足够长可支持重联列车同时进站；④不考虑乘客换乘行为，乘客最多滞留1次。

传统单一交路站站停列车适合客流分布均匀的线路，对于时空分布不均且波动较大的客流，若开行大编组/高频率列车，导致低客流区段运能浪费；若开行小编组/低频率列车，运能不足导致大客流区段乘客滞留。因此，开行多交路列车可匹配不同客流区段乘客出行需求。传统模式下列车多交路跳停运行图如图8所示，(A，L)开行大交路列车，(H，L)客流聚集区段开行小交路列车，且大交路：小交路=1∶1，为快速疏解下行大客流，上行小交路列车不停站，运行至折返站H后，以规定折返间隔进行折返。

与传统模式相比，虚拟编组技术可支持列车在区间动态解编和车站虚拟重联，这种实时的重联或解编不仅缩短了列车追踪间隔和折返间隔，提高了线路通过能力，也带来新的运输组织模式。虚拟编组列车“大小交路跳停”运行图如图9所示，(A，L)开行大交路列车，(H，L)区段开行小交路列车，且大交路：小交路=2∶1。上行大小交路列车在L站重联驶出车站，(L，K)区间前行列车加速与后车解编，小交路列车跳停快速到达折返站H后折返，与下行大交路列车在车站重联为“4+4”大编组列车共同服务大客流区段。

3.3　结果分析

假设研究时段内乘客均匀到达，不同交路和技术条件下列车区间运行情况如表5所示，高峰小时乘客出行时间如表6所示。从列车运行和乘客出行2个角度，对比传统和虚拟编组技术下列车运输组织策略异同，并对其评价指标进行分析。

分析表5、表6可得，虚拟编组列车可利用速度差实现区间动态解编，在保证小客流方向列车服务水平的同时，通过前车加速跳停折返与大交路列车重联，加快了列车周转效率，更好地实现客流需求与运力匹配。为保证虚拟重联列车作业时间满足最小追踪间隔和折返时间约束，重联列车在小交路折返站H消耗了部分作业时间，导致大交路重联列车的区间运行时间增加，但总体上虚拟编组大小交路跳停列车总旅行时间比传统模式有所节约。

表6将出行乘客分为大客流OD和一般客流OD，乘坐大交路重联列车且在折返站H不下车的乘客，受列车作业时间影响，乘客在途时间增加。总体上，虚拟编组这种实时动态的编组模式不仅能够缩短列车追踪间隔和折返间隔，提高线路通过能力，还能为更加灵活的运输组织模式和依据客流状态实时匹配、调整运力提供技术支持。针对客流量较大且乘客出行OD主要集中在(H，L)的双向分布不均客流，开行的非重联列车均为4编组列车，列车容量有限，传统条件下开行大小交路列车无法一次性满足车站乘客出行需求，特别是大客流车站，从而产生车站乘客滞留，且传统条件下列车发车间隔较大，造成车站乘客数量进一步累积，下一列车的运能无法同时满足车站滞留乘客与发车间隔到达乘客的上车需求，导致滞留延续。采用虚拟编组技术后，上下行列车在小交路折返站进行重联形成8编组大容量列车，列车可一次性满足车站候车乘客的出行需求，不会产生车站滞留，且虚拟编组技术下列车发车时间间隔进一步缩短，可使乘客平均旅行时间减少8.02%，车站乘客滞留数量减少98.66%，大大提高了乘客出行满意度。虚拟编组技术下列车可共用线路资源，凭借更加准确的信号定位，使列车防护距离和追踪间隔进一步缩短，缓解了传统条件下列车运输组织灵活性差、大小交路非重合区段乘客等待时间过长、列车运行安全性低等问题。

4　结束语

虚拟编组技术打破了列车间独立运行的状态，通过列车在站和区间的动态重联/解编，为城市轨道交通行车控制技术发展提供了新思路，也为大小交路、快慢车和多编组列车提供了更加灵活的运输组织模式。研究阐述了虚拟编组技术下“大小交路跳停”列车的运输组织策略，通过铺画列车运行图和评价指标对比分析，虚拟编组技术在应对时空分布不均的复杂客流时能高效合理地根据客流特征调整运力，在出行需求与运能供给的匹配上具有一定优势。

虚拟编组列车运输组织策略研究尚处起步阶段，在列车追踪间隔的计算和评价指标体系建立方面存在不足。未来以进一步完善技术参数、精细虚拟编组技术下的列车追踪时间间隔计算方法、建立更加突出虚拟编组技术优势的评价指标体系为研究重点。

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基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2022JBMC058)

北京市自然科学基金项目(L201013)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2021X028)

同济大学道路与交通工程教育部重点实验室开放基金项目(K201904)