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2023年12月17日发(作者:计治安)

运营管理基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究赵兴东1,张 蕾1,谢莎婷2,梅 杰2,豆 飞2,周 旭1(1. 交控科技股份有限公司,北京 100070;2. 北京市地铁运营有限公司,北京 100044)摘 要:城市轨道交通虚拟编组技术的应用试验为列车开行方案制定提出新的挑战,首先概述虚拟编组技术对列车开行方案的影响,并从客流分布特征、乘客出行需求、运力资源和行车条件4 个方面分析列车开行方案的影响因素;然后对首都机场线客流情况进行分析,并提出 3 种虚拟编组技术下的列车开行方案;进一步从乘客角度和企业角度确定列车开行方案的评价指标,对每种方案进行评价和对比,分析基于虚拟编组技术的列车开行方案对提高服务水平、降低运营成本的有效性。最后,对虚拟编组技术对首都机场线列车开行方案的影响进行总结和展望。关键词:城市轨道交通;虚拟编组;列车开行方案;首都机场线中图分类号:U121;U292.32 研究概述2.1 研究背景自2014年4月欧盟“Shift2Rail”研究计划提出以来,虚拟编组列车一直是欧洲轨道交通的重要研究方向。英国铁路安全与标准委员会(Rail Safety and Standards

Board,RSSB)在Closer Running研究报告中也将虚拟编组技术作为技术路线的一个关键组成。此外,德国宇航中心交通事业部等机构也对虚拟编组的机制、场景和仿真分析进行了研究。随着虚拟编组技术研究的逐步深入,基于虚拟编组技术的行车方案研究也应运而生。

2.2 研究价值虚拟编组技术在提高线路的通过能力和供需匹配能力方面有一定价值。刘岭[1]提出了一种基于多智能体系统(MAS)的虚拟编组列车的协调控制模型,该模型实现了实时的动态调整,提高了列车的运行效率。Quaglietta[2]等人详细介绍了虚拟编组概念,进行了线路通过能力分析,并提出了一种可以捕获列车运行状态的列车跟踪模型,证明虚拟编组能提高线路通过能力。Liu[3]等人基于虚拟编组技术,考虑实时客流,提出了一种以动态编组为主的时空调度模型,该模型能有效地根据客流时空分布不均匀特征配置运输能力。曹源[4]等人提出重大疫情下基于虚拟编组的列车动态编组与调度方案,以提高城市轨道交通的运输效率。总的来说,虚拟编组技术突破了改变编组对特定场地和作业时间的限制,使对列车开行方案的优化和设置更加灵活。1 引言城市轨道交通是我国大城市居民市内出行的主要交通方式,其科学、合理的运输组织模式是提高服务水平、节约运营成本的重要手段。虚拟编组技术可以缩短列车追踪间隔、列车折返作业时间,提高线路通过能力,增加运能。同时,该技术也带来了运输组织模式的革新,可以使运能与客流的时空分布规律相匹配,以实现运输效益和服务质量的双赢。因此,虚拟编组技术是未来城市轨道交通领域研究的重要方向,对基于虚拟编组技术的列车开行方案进行研究是非常必要的。基金项目:国家重点研发计划资助(2020YFB1600705)作者简介:赵兴东(1981—),男,高级工程师

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运营管理(1)虚拟编组技术通过实时在线联挂和解编,可拓展大小交路、跨线运行、快慢车运行等既有组织模式的实现方式,形成新的列车运行组织模式。(2)虚拟编组技术可提升列车实时进入、退出与改变运用状态的效率,针对运营中断与运营扰动,将形成新型的调度调整策略。(3)虚拟编组技术将更新列车追踪运行、车站到发、越行、折返、出入段等作业过程与时间标准,可以缩短列车的追踪间隔[5-6]和折返时间[7-8],从而提高线路的通过能力。3 虚拟编组下行车方案分析列车开行方案是城市轨道交通日常运营组织的基础,对合理配置列车运力资源,均衡交通供给和需求之间的关系具有重要意义。因此,在编制列车开行方案之前,首先需要明确影响列车开行方案的主要因素。目前针对列车开行方案的影响因素已有一定研究。韦子文[9]从乘客出行需求和客流分布特征、运力资源、行车条件3方面分析列车开行方案的影响因素。刘猛[10]对客流分布特征、乘客出行需求、企业提供的运力资源、设施设备条件等方面进行研究。许得杰[11]、王慧[12]、刘泽原

[13]重点从客流需求、运力资源、行车条件3方面分析其对列车开行方案的影响。本文将影响列车开行方案的主要因素归纳为以下4个方面。(1)客流分布特征。主要包括客流时间分布特征和空间分布特征。时间分布特征是指研究时段内不同时间的客流强度的差异性。空间分布特征是指在线路的不同方向和不同位置客流强度的差异性。(2)乘客出行需求。科学合理的开行方案要最大程度地满足乘客出行需求,保持对乘客的足够吸引力,以保证良好的社会和经济效益。因此,城市轨道交通系统应从安全性、直通性、快捷性、舒适性等几个方面来满足乘客出行需求。(3)运力资源。城市轨道交通线路运营企业所能提供的运力资源也是编制列车开行方案的重要影响因素,列车运用数量、企业运营成本、运输组织复杂性和车站客运组织水平对列车开行方案的编制产生重要的影响。(4)行车条件。城市轨道交通系统中车站和线路上的设备、设施条件是列车开行方案编制与实施的基础,主要考虑线路通过能力、折返站折返能力等因素。虚拟编组60MODERN URBAN TRANSIT 4 / 2022

现代城市轨道交通基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究技术能够缩小列车追踪间隔,提高线路通过能力;同时该技术能增强列控系统的实时性,提高折返站折返能力。4 首都机场线开行方案设计基于虚拟编组技术下列车可实时解编或重联的特性,以首都机场线为研究对象,提出3种列车开行方案。4.1 线路概况首都国际机场轨道交通线(以下简称“首都机场线”)是一条现代化的城市轨道交通线,于2008年7月19日开通,全长27.3 km,共设4座车站,其中地下站3座、高架站1座,采用4节编组L型列车,定员218人,最高速度可达110 km/h

[14]。首都机场线连接北京市区与北京首都国际机场,采用Y形回路运行,沿东直门站、三元桥站、3号航站楼站、2号航站楼站、三元桥站、东直门站的顺序行驶。该线路在东直门站与地铁2号线、13号线换乘,在三元桥站与地铁10号线平行换乘,与奥林匹克中心区域相连。另外,在机场的2个航站楼之间还设置了联络线,方便机场旅客换乘,基本实现城市中心区和北京首都国际机场之间的点对点运营。首都机场线的开通缩短了北京首都国际机场与中心城区的通行时间,改善了首都机场的交通状况,加强了其国际航空港的地位。4.2 客流分析以首都机场线2019年4月19日(周五)全天分时段客流数据为研究对象,客流情况如图1所示,可以看出17

: 00~18

: 00的客流量最大,主要对该时段客流量进行分析。1 8001 600次1 400人1 200/

量1 000流800客63333333

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:679123~~~1~2000~~~~~~~~~~~~~000000

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:0

668

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:12222时段图1 机场线2019年4月19日全日客流情况机场线高峰小时客流如表1所示,T2航站楼和T3航站楼的客流量如表2所示。可以看出T2航站楼和T3

基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究运营管理车的第1编组单独返回。4.3.2 虚拟编组方案 2列车正向运行,在13号道岔附近进行解编,1列运行至T2航站楼(通过支线运行至T3航站楼汇合),1 列运行至T3航站楼,然后返回在T3航站楼虚拟重联运行,如图4所示。该方案能方便至T2航站楼的乘客出行,但是该方案新增1组道岔,设备系统改造预计较多,且可能存在土建条件不具备的情况。该方案各区间运行时间与方案1大致相同,列车运行图基本一致,如图5所示。第n列车的第2编组和第n

-

1列车的第1编组在T3航站楼虚拟重联运行。第1列车的第2编组单独返回,最后1列车的第1编组单独返回。4.3.3 虚拟编组方案 3列车正向运行,在13号道岔附近进行解编,1列运行至T2航站楼(反向原路折回)1列运行至T3航站楼,,然后返回至14号道岔处虚拟重联运行,如图6所示。该方案新增1组道岔,设备系统改造预计较多,且可能存在土建条件不具备的情况。另外,该方案中至T2航站楼列车拉抽屉运行,当发车间隔为12 min时,必须将从13号道岔至T2航站楼的运行时间控制在4.5 min6 min航站楼的客流量相近,因此,可以采取在某一位置将列车解编分别驶向T2航站楼和T3航站楼的方案,以提高服务水平并降低企业运营成本。表1 机场线高峰小时客流数据

人次运行方向O点T2航站楼T2航站楼上行三元桥T3航站楼T3航站楼东直门东直门下行东直门三元桥三元桥D点三元桥东直门东直门三元桥东直门三元桥T2航站楼T3航站楼T2航站楼T3航站楼客流量36437653394430表2 T2、T3航站楼客流数据

人次航站楼T2T3进站客流量740632出站客流量81410374.3 开行方案4.3.1 虚拟编组方案 1列车反向运行,在11号道岔附近进行解编,1列运行至T2航站楼(通过支线运行至T3航站楼汇合),1 列运行至T3航站楼,然后返回在T3航站楼虚拟重联运行,如图2所示。实际运行过程中,会结合运行时长进行编组,部分列车单节运行,不采用虚拟编组形式。该方案可以方便至T2航站楼的乘客出行,节约大约11 min时间,但采用反向运行方式,信号等系统预计需要一定的改造。该方案的列车运行图示意图如图3所示,绿线表示2编组列车虚拟重联运行;蓝线表示虚拟解编后驶向T2航站楼的列车;红线表示虚拟解编后驶向T3航站楼的列车。为便于描述,假设列车只有2编组,第1编组开往T2航站楼,第2编组开往T3航站楼。第n列车的第2编组和第n

-

1列车的第1编组在T3航站楼虚拟重联运行。第1列车的第2编组单独返回,最后1列11 号道岔T211 号道岔T3东直门东直门东直门221T2停站2 min11 min18 min675108922 min解编处82019三元桥1T3停站3 min图2 虚拟重联方案1图3 方案1列车运行图示意图

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运营管理6 min21T2基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究编组技术下的列车开行方案进行对比分析。5.1 指标选取及计算本文规定:T2、T3航站楼至东直门站为上行方向,东直门至T2、T3航站楼为下行方向,其中,T2至T3也为下行方向。5.1.1 乘客候车时间乘客候车时间:(1)(2)式(1)、式(2)中,qij表示ij间的客流;I表示发车间隔;tw表示乘客总候车时间。停站2 min11 min东直门2三元桥1东直门18 min675108922 min1413解编处82019T3停站3 min图4 虚拟重联方案2东直门13/14号道岔T213/14号道岔T35.1.2 乘客在途时间上行方向乘客在途时间:图5 方案2列车运行图示意图6 min21T2停站2 min11 min东直门2三元桥1东直门18 min675108922 min1413解编处11141316(3)下行方向乘客在途时间:17182019T3

停站3 min图6 虚拟重联方案3(目前在6 min左右,可能不具备压缩区间运行时间的条件),才能保证列车正常运行,后续也无法再压缩间隔。列车运行图示意图如图7所示。每列车在13号道岔处解编,分别驶向T2和T3航站楼;完成停站后2列车返回,在14号道岔处重联,驶向东直门。东直门(4)5 首都机场线开行方案评价从乘客角度和企业角度出发,选取乘客候车时间和在途时间、列车走行公里和平均列车满载率作为评价指标,以12 min为发车间隔,对首都机场线现行方案和3种虚拟13/14号道岔T213/14号道岔T3图7 方案3列车运行图示意图62MODERN URBAN TRANSIT 4 / 2022

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基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究运营管理-+式(3)、式(4)中,tz表示上行方向乘客在途时间,tzγx为区间x下行方向的满载率;γaver为所有区间的平均断面满载率;f1为交路1发车频率,f2为交路2发车频率;n1为交路1列车编组数,n2为交路2列车编组数;C定员 为列车定员。-表示下行方向乘客在途时间;qij表示ij间的客流;tym

表示列车在区间m的运行时间;ttn表示乘客在n站的停站时间。第一站为起始站(东直门站),第a站为共线区段最后一站(三元桥站),第N1为交路1最后一站(T2站)。,第N2站为交路2最后一站(T3站)5.1.3 列车走行公里列车走行公里:

上行列车走行公里:(6)

(5)5.2 方案评价及对比5.2.1 参数取值各方案区间运行时间及停站时间如表3所示,各方案区间的运行里程如表4所示,各方案客流数据如表5表3 区间运行时间及停站时间 min运行方向上行区间T2航站楼

— 三元桥三元桥

— 东直门东直门

— 三元桥下行三元桥

— T3航站楼T3航站楼

— T2航站楼区间运行时间644181616.5164416.516停站时间132220(最后1列车停站2 min)22223222223下行列车走行公里:(7)式(6)、式(7)中,k = 1为开往T2航站楼的交路,k=2为开往T3航站楼的交路;Lk表示k交路的长度;L23表示下行方向列车从T2航站楼到T3航站楼的长度;fk表示k交路的发车频率;nk表示k交路的编组辆数;Lf表示两车虚拟重联后下行方向的长度。5.1.4 平均列车满载率区间x上行方向的满载率:+现行方案T2航站楼

— T3航站楼上行虚拟编组方案1、方案2下行T3航站楼

— 三元桥三元桥

— 东直门东直门

— 三元桥三元桥

— T2航站楼三元桥

— T3航站楼T2航站楼

— 三元桥上行虚拟编组方案3T3航站楼

— 三元桥三元桥

— 东直门东直门

— 三元桥下行三元桥

— T2航站楼三元桥

— T3航站楼(8)表4 区间运行里程 km运行方向区间T2航站楼

— 三元桥

— 东直门东直门

— 三元桥

— T3航站楼

T2航站楼T3航站楼

— 三元桥

— 东直门T2航站楼

— T3航站楼东直门

— 三元桥

— T2航站楼东直门

— 三元桥

— T3航站楼T2航站楼

— 三元桥

— 东直门T3航站楼

— 三元桥

— 东直门东直门

— 三元桥

— T2航站楼东直门

— 三元桥

— T3航站楼里程23.7628.58721.3447.24323.7621.34423.7621.34423.7621.344区间x下行方向的满载率:+上行现行方案下行上行虚拟编组方案1、方案2下行(9)所有区间的平均断面满载率:(10)

γaver

式(8)~式(10)中,γx+为区间x上行方向的满载率,虚拟编组方案3上行下行

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运营管理表5 各站点客流数据 人次运行方向O点T2航站楼T2航站楼上行三元桥T3航站楼现行方案T3航站楼东直门东直门下行东直门三元桥三元桥T2航站楼T2航站楼上行虚拟编组方案1、方案2下行T3航站楼T3航站楼三元桥东直门东直门东直门三元桥三元桥T2航站楼T2航站楼上行T3航站楼T3航站楼虚拟编组方案3三元桥东直门东直门下行东直门三元桥三元桥D点三元桥东直门东直门三元桥东直门三元桥T2航站楼T3航站楼T2航站楼T3航站楼三元桥东直门三元桥东直门东直门三元桥T2航站楼T3航站楼T2航站楼T3航站楼三元桥东直门三元桥东直门东直门三元桥T2航站楼T3航站楼T2航站楼T3航站楼客流量3643765339443394430基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究所示。各方案的列车定员为每节定员218人,全列定员872人。5.2.2 指标对比根据指标计算的方法及参数,对各指标进行计算,计算结果如表6所示。从4个指标来看,由于4种方案发车间隔一样,每站点客流量相同,因此,乘客候车时间一致。方案1、方案2的乘客在途时间比现行方案减少14.1%;方案1、方案2的列车走行公里比现行方案减少9.2%;方案1、方案2的平均列车满载率提高33.9%,更加充分利用了列车运能。方案1和方案2的各项指标大致相同,但方案2需要增加1组道岔,可能存在不可行问题。方案3的乘客在途时间比现行方案减少24.9%;方案3的列车走行公里比现行方案减少13.8%;方案3的平均列车满载率提高31.7%,更加充分利用了列车运能。虽然方案3在各项指标上较好,但是该方案需要提高列车在13号道岔和T2航站楼之间的运行速度,将运行时间缩短至4.5 min,预计很难实现,可行性较小。且方案 3必须保持较大的发车间隔,不利于远期的发车间隔调整。从方案指标计算情况来说,虚拟编组技术下的3种列车运行方案与现行方案相比,在乘客角度和企业角度都具有一定优势。方案1、方案2与现行方案相比,在乘客在途时间、列车走行公里和平均列车满载率3个指标上都具有一定优势;方案3在乘客在途时间和列车走行公里2个指标上具有较大优势。从方案实施条件来说,方案1采用整体反向运行的模式,需要对信号系统进行改造;方案2和方案3需要增加1组道岔,可能存在土建条件不具备的情况;另外,方案3采用拉抽屉运行方式,需要较大的行车间隔才可表6 各方案指标值评价指标乘客角度企业角度候车时间/min在途时间/min列车走行公里/车公里平均列车满载率/%备注现行方案19 38083 5472 093.8822.1方案119 38071 7681 900.729.6 T2航站楼节约11 min时间;整体反向运行,信号系统需改造方案219 38071 7681 900.729.6 增加1组道岔,土建可能不具备条件方案319 38062 7771 804.1629.1 增加1组道岔,土建可能不具备条件;拉抽屉运行限制行车间隔64MODERN URBAN TRANSIT 4 / 2022

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基于虚拟编组技术的首都机场线列车开行方案研究实现,限制远期的行车间隔调整。因此,方案1的可行性较高。综上所述,综合考虑指标优化和方案可行性2方面因素,建议选择方案1,在提高服务效率的同时降低运营成本。6 结语针对首都机场线实际情况,提出了3种基于虚拟编组技术的列车开行方案,该方案可以实现列车在某一位置解编成2列车分别驶向T2航站楼和T3航站楼,折返后在某一位置重联成1列车驶向东直门。以首都机场线某日的高峰小时客流量为例,验证了3种列车开行方案能有效提高乘客出行效率、降低企业运营成本。但新型列车开行方案可能存在不可行情况,因此,在选取列车开行方案时应综合考虑指标优化和方案可行性2方面因素。参考文献[1] 刘岭.基于虚拟耦合的列车群体智能控制技术研究及展望[J].铁路通信信号工程技术,2020,17(2):1-9.[2] E Quaglietta,M Wang,RMP Goverde. A multi-state train-following model for the analysis of virtual

coupling railway operations[J/OL]. Journal of Rail

Transport Planning & Management,2020,15:100195[2022-02-01]. /science/article/pii/S2218.[3] Ling Liu, Ping Wang, Bo Zhang, et al. Coordinated

control method of virtually coupled train formation

based on multi agent system[G/OL]. Springer,2019,129:225-233[2022-02-01]. /chapter/10.1007/978-3-030-04582-1_27.

[4] 曹源,温佳坤,马连川.重大疫情下的列车动态编组与调度[J].交通运输工程学报,2020,20(3):120-128.[5] 陈启香.基于列车间直接通信的列车编队追踪间隔控制策略研究[J].电子设计工程,2016,24(9):97-100.[6] 荀径,陈明亮,宁滨,等.虚拟重联条件下地铁列车追踪运行性能衡量[J].北京交通大学学报,2019,43(1):96-103.运营管理[7] 郭玉珊,成正波,陈绍文.基于车车通信系统的折返能力研究[J].铁路通信信号工程技术,2021,18(7):77-80.[8] 刘循.城市轨道交通折返能力的匹配性设计研究[J].现代城市轨道交通,2012(5):64-68.[9] 韦子文.城市轨道交通Y型交路列车开行方案优化研究[D].甘肃兰州:兰州交通大学,2019.[10] 刘猛.城市轨道交通Y型线路列车交路方案研究[D].北京:北京交通大学,2017.[11] 许得杰.城市轨道交通大小交路列车开行方案优化研究[D].北京:北京交通大学,2016.[12] 王慧.城市轨道交通大小交路开行方案优化研究[D].北京:北京交通大学,2020.[13] 柳泽原.基于大小交路模式的城市轨道交通列车开行方案优化模型研究[D].北京:北京交通大学,2019.[14] 北京地铁机场线[J].现代物业(上旬刊), 2013,12(4):120.收稿日期 2022-02-22责任编辑 冒一平Research on train operation plan of Capital Airport

Express based on virtual coupling technologyZhao Xingdong, Zhang Lei, Xie Shating, et ct:

technology poses a new challenge to the study of train

The application test of urban rail virtual coupling

operation plan. This paper fivirtual coupling technology on train operation scheme, and

rstly summarizes the infl uence of

analyzes the inflfour aspects of passenger flow distribution characteristics,

uencing factors of train operation plan from

passenger travel demand, transport capacity resources

and driving conditions. Secondly, this paper analyzes the

passenger floperation plans based on virtual coupling technology. Then,

ow of the airport line and puts forward three train

this paper determines the evaluation index of train operation

plan from the perspective of passengers and enterprises,

and evaluates and compares each scheme. And this paper

analyzes the effectiveness of train operation scheme based

on virtual coupling technology to improve service level and

reduce operating cost. Finally, this paper summarizes and

prospects the infltrain operation plan of Capital Airport Express. uence of virtual coupling technology on the

Keywords:

operation plan, Capital Airport Expressurban transit, virtual coupling technology, train

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