城市軌道交通折返線相關(guān)問題研究

摘　要　全面分析了折返線各類布置形式,探討了各自的適用范圍,分析比較了專設(shè)折返線折返與采用簡單的渡線折返之間的差異。對于行車密度高的軌道交通線,折返線折返應(yīng)成為首選模式。提出了折返線優(yōu)化布置方案決策理論模型和模型求解的思路。
關(guān)鍵詞　城市軌道交通,折返線,方案優(yōu)化,決策模型
1 　城市軌道交通折返線
1. 1 　折返線布置形式
城市軌道交通線路的折返線按其布置形式可分為兩大類:盡頭式和貫通式。
1. 1. 1 　盡頭式折返線
(1) 布置特點(diǎn):盡頭式折返線布置如圖1 所示, 其折返線一般設(shè)于車站列車到達(dá)方向的前端。根據(jù)折返線相對于正線和站臺的位置,有盡頭橫列(圖1d) 和盡頭縱列式(圖1a 、b、c) 之分;根據(jù)折返線數(shù)量有單折線(圖1c 、d) 和雙折返線(圖1a 、b) ; 根據(jù)折返作業(yè)方式又分站后折返(圖1a 、b、c) 和站前折返(圖1d) 。
(2) 優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):車站客運(yùn)業(yè)務(wù)與列車折返作業(yè)分離進(jìn)行,列車控制簡單,作業(yè)安全好;對于雙折返線車站,當(dāng)出現(xiàn)故障列車時,可借用折返線暫時停放列車,迅速恢復(fù)行車秩序。
缺點(diǎn):車站工程數(shù)量相對較大;當(dāng)采用站后折返方式時,折返作業(yè)周期比較長,且只適應(yīng)于一端列車折返作業(yè)。
1. 1. 2 　貫通式折返線
(1) 布置特點(diǎn):貫通式折返線布置如圖2 所示, 折返列車可經(jīng)兩端的渡線進(jìn)出。根據(jù)折返線的位置不同有以下幾種布置形式:橫列式(折返線與車站站臺平行并列布置);縱列式(折返線與車站站臺沿正線列車到達(dá)方向縱列布置,根據(jù)折返線位置的不同又有外包式和一側(cè)式之分) 。
(2) 優(yōu)缺點(diǎn)
貫通式折返線優(yōu)缺點(diǎn)如表2 所示。

圖1 　盡頭式折返線布置

圖2 　貫通式折返線布置

表2 　貫通式折返線優(yōu)缺點(diǎn)

1. 1. 3 　混合式折返線
對于盡頭式或貫通式折返線,因受折返作業(yè)過程的限制,無論是站前折返還是站后折返,折返站的列車到達(dá)或者出發(fā)間隔一般都大于線路列車的追蹤間隔。對于高峰期短間隔的發(fā)車需求,則需要通過增設(shè)折返線的方式來實(shí)現(xiàn)。混合式折返線布置如圖3 所示,其中圖3a 為站前與站后盡頭式折返線混合布置形式;圖3b 則適用于B 支線嵌入A 干線區(qū)域折返站的布置。通過混合島式站臺布置, 可實(shí)現(xiàn)A 與B 線之間方便換乘。

圖3 　混合式折返線
1. 2 　折返線與折返能力關(guān)系
車站折返能力,指配置折返線車站的折返通過能力。它取決于折返線的布置形式、車站作業(yè)控制方式和相關(guān)的作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)等。
1. 2. 1 　折返能力計算原理車站折返能力
n折返= 3600/ I折返式中: n折返為車站折返線在1 小時內(nèi)能夠進(jìn)行折返作業(yè)的最大列車數(shù),列; I折返為折返列車在折返站的最小出發(fā)間隔時間,s , 決定于采用的信號系統(tǒng)、折返列車、折返線長度及折返作業(yè)方式等。
1. 2. 2 　折返作業(yè)過程從作業(yè)過程分析,折返可分為兩大類。
① 離線折返:折返需要通過轉(zhuǎn)線過程來完成(圖4a) ,運(yùn)用于盡頭折返線、貫通式中縱列折返線;
② 本線折返:對于貫通式橫列折返線,折返與列車接發(fā)可同線完成(圖4b) ,運(yùn)用于橫列式折返線、混合式折返線。當(dāng)列車采用ATP/ ATO 運(yùn)行控制系統(tǒng)、6 節(jié)編組列車時,其最小間隔及折返計算能力如表3 所示。
表3 　折返能力比較

顯然,由于本線折返列車接發(fā)幾乎同時完成, 相對作業(yè)效率高,作業(yè)銜接緊湊,縮短了折返間隔時間,從而有利于提高折返能力。另外,對于(中途) 區(qū)域折返站,采用貫通橫列折返線(俗稱綜合折返線) 的本線折返方式,在折返作業(yè)過程中,對越過本站的后續(xù)列車影響小,方便組織大小交路的列車運(yùn)行組織。但本線折返需要增建站臺數(shù)目,增加工程投資。因此,兩者的取舍應(yīng)進(jìn)行成本性能比較后再綜合各項因素確定之。
1. 3 　折返線折返與渡線折返的比較
滿足列車折返運(yùn)行需要還有一種更為簡單的形式,即渡線折返(圖5) 。渡線折返又分為站前折返和站后折返。其基本原理是通過渡線溝通上下行正線的運(yùn)行通道,借助于行車正線實(shí)現(xiàn)列車的轉(zhuǎn)線運(yùn)行。采用渡線折返或折返線折返,各有利弊。兩種折返形式的比較如表4 所示。渡線折返一般適用于臨時折返量或折返量大的終點(diǎn)折返站;而折返線折返更能滿足高密度、大運(yùn)量、折返量大的區(qū)域和終點(diǎn)折返站。

圖4 　折返出發(fā)最小間隔時間示意圖

圖5 　渡線折返示意圖

表4 　渡線折返與折返線折返比較表

量應(yīng)大于1 條,通過高峰前列車的預(yù)“ 儲備”,滿足2 　折返線布置方案的選擇密集發(fā)車的需要。
2. 1 　布置方案選擇的影響因素用上下行正線間的空隙設(shè)置盡頭式折返線;對于側(cè)式站臺,可考慮采用縱列一側(cè)式的貫通折返線
(1) 折返作業(yè)量:折返線設(shè)置數(shù)量取決于早晚合渡線布置,利用正線完成列車折返作業(yè)。
(2) 站臺布置形式:當(dāng)站臺為島式布置時,可利用高峰小時的折返作業(yè)量。
(3) 線路建筑結(jié)構(gòu):對于地面線,折返線形式選客運(yùn)送能力需要的車站發(fā)車間隔時,折返線設(shè)置數(shù)擇自由度比較大;而對于高架或地下隧道,折返線布置往往會對工程數(shù)量與施工產(chǎn)生較大影響,應(yīng)綜合安全、功能、效益、投資、環(huán)境等因素分析研究,在滿足功能的條件下盡量采用結(jié)構(gòu)簡單的折返形式, 以降低工程造價。
(4) 路網(wǎng)發(fā)展:對于盡端站,折返線不可缺少。若該線路分期建設(shè),某車站在遠(yuǎn)期線路延伸后將轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g站,則如一期工程為側(cè)式車站,可在站后先修一段正線作為盡頭式折返線使用;如一期工程為島式車站,只需在站前加設(shè)渡線(或交叉渡線), 采用站前折返形式。二期續(xù)延工程后,此站自然地轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g站。此種模式,二期工程施工對一期工程的正常運(yùn)營干擾最小。
(5) 成本與效果:從完成折返的效果分析,專設(shè)折返線與設(shè)置渡線利用正線折返存在一個經(jīng)濟(jì)與效果的比較問題。實(shí)際上,專用折返線在必要時也可作為故障列車的臨時存放線。因此,設(shè)置專用折返線,在一定程度上會增加系統(tǒng)的組織靈活性與可靠性,這是一般渡線做不到的。根據(jù)國內(nèi)26 條城市軌道交通線的106 處渡線調(diào)查統(tǒng)計,專門用于運(yùn)營折返使用的渡線僅有4 處,只占所有折返站的3. 8 % 。根據(jù)以上分析,可得出以下結(jié)論:
對于一次建成的線路盡端站,可根據(jù)運(yùn)營組織要求和工程技術(shù)條件等因素決定折返線形式,原則上應(yīng)設(shè)盡頭式折返線(含前折返);對于分期建設(shè)的臨時盡端站,在能力滿足要求的條件下可優(yōu)先采用渡線折返方案;折返作業(yè)量大的區(qū)域折返站,有采用貫通式條件的,盡量選用貫通式折返線,以增強(qiáng)線路運(yùn)營的調(diào)整能力。

2. 2 　布置方案比選模型
由于影響因素的錯綜復(fù)雜,確定某個折返線優(yōu)化布置方案,實(shí)質(zhì)上是一個多目標(biāo)問題的決策問題。為此,通過建立一個綜合評價指標(biāo)體系,借助于現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具,有可能得到優(yōu)化的布置方案。
2. 2. 1 　評價指標(biāo)體系
(1) 列車控制的簡繁程度。列車控制簡單有利于控制的安全與效率。列車的折返換向作業(yè),對線路信號設(shè)計與控制有特殊要求。一般單向行駛線路的控制系統(tǒng)較雙向簡單。
(2) 運(yùn)營靈活性。運(yùn)營的靈活性越大越好。當(dāng)有多條折返線(大多為盡頭式) 時,在實(shí)際使用中,
就存在多種使用方案,使其在非常運(yùn)行情況發(fā)生時(如列車出現(xiàn)故障不能繼續(xù)行駛或主折返線信號故障),能較快地啟動其它“預(yù)案”,迅速消除意外事件的影響,恢復(fù)正常行車秩序。
(3) 折返能力。在同樣折返線數(shù)量的條件下, 因折返線布置形式的差異,折返最小間隔時間是不一樣的,從而可實(shí)現(xiàn)的折返能力的大小也各異。折返能力大(或折返間隔時間短) 是折返線布置追求的目標(biāo)。
(4) 工程數(shù)量。折返線有時對車站工程數(shù)量有重要影響。如側(cè)式站臺車站,增設(shè)折返線,會延長車站的站坪,加大工程數(shù)量。輻島式車站,則可利用車站端部的“ 喇叭口”,布置盡頭式折返線,工程量較節(jié)省。
(5) 工程實(shí)現(xiàn)的難易程度。工程越簡單施工越容易。對于地面車站,折返線采用何種形式,影響均不大;但對于地下車站和高架車站,折返線布置形式對地下開挖、高架支柱與梁結(jié)構(gòu)有著重要影響。
(6) 客運(yùn)業(yè)務(wù)組織條件。對于折返站而言,在客流高峰期,如何使列車折返與旅客乘降有序地進(jìn)行,是客流組織優(yōu)化追求的目標(biāo)。列車折返與旅客乘降分開進(jìn)行,旅客上下位于不同的站臺面,有利于上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
(7) 信號系統(tǒng)布設(shè)。車站主要的控制設(shè)備均設(shè)于站臺附近。對于固定閉塞、(準(zhǔn)) 移動閉塞等信號制式,控制導(dǎo)線(如信號線) 及其裝置的布設(shè)原則與要求,對折返線布置形式的選擇有一定的影響。如采用與站臺平行、橫列式布置的折返線,信號系統(tǒng)布設(shè)相對更有利。
(8) 作業(yè)安全性。表現(xiàn)在兩個方面:其一是列車折返發(fā)生地點(diǎn),其二是列車控制出現(xiàn)意外故障時可能造成的損失。對于站前折返的布置形式,列車折返近站臺面,當(dāng)列車出現(xiàn)控制失常時,對近旁候車旅客的人身安全有一定的威脅。
(9) 路網(wǎng)發(fā)展配合。城市軌道交通發(fā)展具有投資大、運(yùn)量增長較緩慢、分期建設(shè)、由線及網(wǎng)的普遍規(guī)律。對于設(shè)折返線的車站,還要考慮未來線路延伸或與新干線銜接的方便與可能。

2. 2. 2 　比選理論模型
(1) 模型構(gòu)想設(shè)某折返線布置有m 個方案, 方案集用A 表
示, A ={ a1 , a2 , am} ; 方案的評價指標(biāo)集用C
表示,C={c1 ,c2 , cn} , 其中n =9 。根據(jù)方案和指標(biāo)集及各方案的技術(shù)特征,計算評價指標(biāo)值yij , 可得方案的決策矩陣Y ={ yij}m×n。由于n個評價指標(biāo)不具有同一的量綱,而且對方案決策的影響程度也因環(huán)境條件與決策者的主觀偏好而有所差別, 因此可考慮引入多方案灰色優(yōu)選模型。
具體步驟如下:
① 對每一指標(biāo),進(jìn)行[0 ,1 ]標(biāo)準(zhǔn)化處理,得標(biāo)準(zhǔn)化新決策矩陣Z ={ zij}m×n
m
② 再令eij = zij/ ∑zij( < 1),則可得到歸一
i=1
化的決策矩陣E = {eij}m×n
③ 若方案各項指標(biāo)達(dá)到1 時為最優(yōu),令bj = 1 (j = 1 ,2 , ?,n) ,則各方案指標(biāo)相對最優(yōu)值的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù),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為分辨率,p ∈[0 ,1 ], 一般取p = 0.5 。從而得到多目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度判斷矩陣K ={kij}m×n。
④ 以各方案指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣為基礎(chǔ),計算確定各指標(biāo)應(yīng)具有的客觀權(quán)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 以關(guān)聯(lián)系數(shù){kij}m×n為基礎(chǔ),以Hj 為決策權(quán)重,計算各方案與最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度:
n
ri = ∑Hjkij 　(i = 1 ,2 ,m)
j=1
綜合比選模型的實(shí)質(zhì)是通過各方案與最優(yōu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度的排序來進(jìn)行方案的取舍。若關(guān)聯(lián)度ri 最大,{kij}與最優(yōu)指標(biāo)集{bj}(j =1 ,2 ,n) 最貼近, 也即第i方案優(yōu)于其它方案,從而得出方案的排序。
(2) 模型應(yīng)用要點(diǎn)
首先需要根據(jù)折返線設(shè)置地點(diǎn)的條件,確定出可參與比選的方案;再根據(jù)各方案的特征,從評價指標(biāo)體系所述9 個方面,通過科學(xué)的方法(如德爾菲法),取得方案相對于各指標(biāo)的優(yōu)劣值,從而構(gòu)建出方案的決策矩陣Y ={yij}m×n。由于某些指標(biāo)的絕對值確定難度非常大,如作業(yè)安全性、運(yùn)營靈活性等。因此,可采用相對比較法:以某一種方案為基數(shù)(如作業(yè)安全性取1.0),其它方案若比它好,可賦予大于1 ;相反,則賦予小于1 ,從而既反映出方案之間的差異,又解決了決策矩陣元素值確定的難題。
上述模型中指標(biāo)的權(quán)重是通過模型計算的,它反映了指標(biāo)的客觀性。但在實(shí)際工作中,城市軌道交通車站的布置受建設(shè)籌資、周邊商住區(qū)、用地困難等多種主觀因素的影響。因此,為了反映決策主觀的偏好,可對各評價指標(biāo)給予一個主觀權(quán)重(比如工程數(shù)量放在第一位),將客觀權(quán)重與主觀權(quán)重相綜合(如加權(quán)平均法),從而可以得出主、客觀結(jié)合的最優(yōu)方案序列,供決策者參考。
3 　結(jié)束語
本文出自于個人的工作實(shí)踐和課題研究。折返線方案比選模型中用到的參數(shù)較多,需要針對不同的工程背景,對工程設(shè)計文件中方案比選意見和概預(yù)算指標(biāo)等進(jìn)行系統(tǒng)分析、整理、歸類和提取,構(gòu)建一個全面、規(guī)范的指標(biāo)體系集和評價指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫;然后開發(fā)計算機(jī)的方案優(yōu)選程序,即可方便、快捷而全部地對各種折返線布置方案進(jìn)行比選,找出最優(yōu)(或較優(yōu)) 方案,加快設(shè)計中方案比選的進(jìn)程,從而達(dá)到節(jié)省工程投資,創(chuàng)造良好的列車運(yùn)營條件目標(biāo)。這是一項較為繁瑣但很有意義的工作,值得深入研究。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　建設(shè)部. 地下鐵道設(shè)計規(guī)范. 北京:中國計劃出版社,1993
2 　易思蓉. 地鐵網(wǎng)規(guī)劃的多目標(biāo)綜合評價. 城市軌道交通研究,2002 ,(2) :31～35
3 　毛保華,姜帆,劉遷等. 城市軌道交通. 北京:科學(xué)出版社,2001