城市軌道交通折返線相關問題研究

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,折返線折返應成為首選模式。提出了折返線優化布置方案決策理論模型和模型求解的思路。
關鍵詞　城市軌道交通,折返線,方案優化,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:盡頭式折返線布置如圖1 所示, 其折返線一般設于車站列車到達方向的前端。根據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;根據折返線數量有單折線(圖1c 、d) 和雙折返線(圖1a 、b) ; 根據折返作業方式又分站后折返(圖1a 、b、c) 和站前折返(圖1d) 。
(2) 優缺點
優點:車站客運業務與列車折返作業分離進行,列車控制簡單,作業安全好;對于雙折返線車站,當出現故障列車時,可借用折返線暫時停放列車,迅速恢復行車秩序。
缺點:車站工程數量相對較大;當采用站后折返方式時,折返作業周期比較長,且只適應于一端列車折返作業。
1. 1. 2 　貫通式折返線
(1) 布置特點:貫通式折返線布置如圖2 所示, 折返列車可經兩端的渡線進出。根據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方向縱列布置,根據折返線位置的不同又有外包式和一側式之分) 。
(2) 優缺點
貫通式折返線優缺點如表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 　貫通式折返線優缺點

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,折返站的列車到達或者出發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車需求,則需要通過增設折返線的方式來實現。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 干線區域折返站的布置。通過混合島式站臺布置, 可實現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、車站作業控制方式和相關的作業時間標準等。
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 小時內能夠進行折返作業的最大列車數,列; I折返為折返列車在折返站的最小出發間隔時間,s , 決定于采用的信號系統、折返列車、折返線長度及折返作業方式等。
1. 2. 2 　折返作業過程從作業過程分析,折返可分為兩大類。
① 離線折返:折返需要通過轉線過程來完成(圖4a) ,運用于盡頭折返線、貫通式中縱列折返線;
② 本線折返:對于貫通式橫列折返線,折返與列車接發可同線完成(圖4b) ,運用于橫列式折返線、混合式折返線。當列車采用ATP/ ATO 運行控制系統、6 節編組列車時,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幾乎同時完成, 相對作業效率高,作業銜接緊湊,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,在折返作業過程中,對越過本站的后續列車影響小,方便組織大小交路的列車運行組織。但本線折返需要增建站臺數目,增加工程投資。因此,兩者的取舍應進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行通道,借助于行車正線實現列車的轉線運行。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折返站;而折返線折返更能滿足高密度、大運量、折返量大的區域和終點折返站。

圖4 　折返出發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

量應大于1 條,通過高峰前列車的預“ 儲備”,滿足2 　折返線布置方案的選擇密集發車的需要。
2. 1 　布置方案選擇的影響因素用上下行正線間的空隙設置盡頭式折返線;對于側式站臺,可考慮采用縱列一側式的貫通折返線
(1) 折返作業量:折返線設置數量取決于早晚合渡線布置,利用正線完成列車折返作業。
(2) 站臺布置形式:當站臺為島式布置時,可利用高峰小時的折返作業量。
(3) 線路建筑結構:對于地面線,折返線形式選客運送能力需要的車站發車間隔時,折返線設置數擇自由度比較大;而對于高架或地下隧道,折返線布置往往會對工程數量與施工產生較大影響,應綜合安全、功能、效益、投資、環境等因素分析研究,在滿足功能的條件下盡量采用結構簡單的折返形式, 以降低工程造價。
(4) 路網發展:對于盡端站,折返線不可缺少。若該線路分期建設,某車站在遠期線路延伸后將轉變為中間站,則如一期工程為側式車站,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,只需在站前加設渡線(或交叉渡線), 采用站前折返形式。二期續延工程后,此站自然地轉變為中間站。此種模式,二期工程施工對一期工程的正常運營干擾最小。
(5) 成本與效果:從完成折返的效果分析,專設折返線與設置渡線利用正線折返存在一個經濟與效果的比較問題。實際上,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,設置專用折返線,在一定程度上會增加系統的組織靈活性與可靠性,這是一般渡線做不到的。根據國內26 條城市軌道交通線的106 處渡線調查統計,專門用于運營折返使用的渡線僅有4 處,只占所有折返站的3. 8 % 。根據以上分析,可得出以下結論:
對于一次建成的線路盡端站,可根據運營組織要求和工程技術條件等因素決定折返線形式,原則上應設盡頭式折返線(含前折返);對于分期建設的臨時盡端站,在能力滿足要求的條件下可優先采用渡線折返方案;折返作業量大的區域折返站,有采用貫通式條件的,盡量選用貫通式折返線,以增強線路運營的調整能力。

2. 2 　布置方案比選模型
由于影響因素的錯綜復雜,確定某個折返線優化布置方案,實質上是一個多目標問題的決策問題。為此,通過建立一個綜合評價指標體系,借助于現代數學工具,有可能得到優化的布置方案。
2. 2. 1 　評價指標體系
(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,對線路信號設計與控制有特殊要求。一般單向行駛線路的控制系統較雙向簡單。
(2) 運營靈活性。運營的靈活性越大越好。當有多條折返線(大多為盡頭式) 時,在實際使用中,
就存在多種使用方案,使其在非常運行情況發生時(如列車出現故障不能繼續行駛或主折返線信號故障),能較快地啟動其它“預案”,迅速消除意外事件的影響,恢復正常行車秩序。
(3) 折返能力。在同樣折返線數量的條件下, 因折返線布置形式的差異,折返最小間隔時間是不一樣的,從而可實現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。
(4) 工程數量。折返線有時對車站工程數量有重要影響。如側式站臺車站,增設折返線,會延長車站的站坪,加大工程數量。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,工程量較節省。
(5) 工程實現的難易程度。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、高架支柱與梁結構有著重要影響。
(6) 客運業務組織條件。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行,是客流組織優化追求的目標。列車折返與旅客乘降分開進行,旅客上下位于不同的站臺面,有利于上述目標的實現。
(7) 信號系統布設。車站主要的控制設備均設于站臺附近。對于固定閉塞、(準) 移動閉塞等信號制式,控制導線(如信號線) 及其裝置的布設原則與要求,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,信號系統布設相對更有利。
(8) 作業安全性。表現在兩個方面:其一是列車折返發生地點,其二是列車控制出現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,當列車出現控制失常時,對近旁候車旅客的人身安全有一定的威脅。
(9) 路網發展配合。城市軌道交通發展具有投資大、運量增長較緩慢、分期建設、由線及網的普遍規律。對于設折返線的車站,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) 模型構想設某折返線布置有m 個方案, 方案集用A 表
示, A ={ a1 , a2 , am} ; 方案的評價指標集用C
表示,C={c1 ,c2 , cn} , 其中n =9 。根據方案和指標集及各方案的技術特征,計算評價指標值yij , 可得方案的決策矩陣Y ={ yij}m×n。由于n個評價指標不具有同一的量綱,而且對方案決策的影響程度也因環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選模型。
具體步驟如下:
① 對每一指標,進行[0 ,1 ]標準化處理,得標準化新決策矩陣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 若方案各項指標達到1 時為最優,令bj = 1 (j = 1 ,2 , ?,n) ,則各方案指標相對最優值的灰色關聯系數,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 。從而得到多目標灰色關聯度判斷矩陣K ={kij}m×n。
④ 以各方案指標與最優指標的關聯矩陣為基礎,計算確定各指標應具有的客觀權重
n
μj=(1 -Hj)/ (1

∑
j=1
式中Hj=-(ln m)-1
-Hj) 　(j = 1 ,2 ,n)
m
kijln kij

∑
i=1
⑤ 以關聯系數{kij}m×n為基礎,以Hj 為決策權重,計算各方案與最優指標的關聯度:
n
ri = ∑Hjkij 　(i = 1 ,2 ,m)
j=1
綜合比選模型的實質是通過各方案與最優指標的關聯度的排序來進行方案的取舍。若關聯度ri 最大,{kij}與最優指標集{bj}(j =1 ,2 ,n) 最貼近, 也即第i方案優于其它方案,從而得出方案的排序。
(2) 模型應用要點
首先需要根據折返線設置地點的條件,確定出可參與比選的方案;再根據各方案的特征,從評價指標體系所述9 個方面,通過科學的方法(如德爾菲法),取得方案相對于各指標的優劣值,從而構建出方案的決策矩陣Y ={yij}m×n。由于某些指標的絕對值確定難度非常大,如作業安全性、運營靈活性等。因此,可采用相對比較法:以某一種方案為基數(如作業安全性取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。
上述模型中指標的權重是通過模型計算的,它反映了指標的客觀性。但在實際工作中,城市軌道交通車站的布置受建設籌資、周邊商住區、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,可對各評價指標給予一個主觀權重(比如工程數量放在第一位),將客觀權重與主觀權重相綜合(如加權平均法),從而可以得出主、客觀結合的最優方案序列,供決策者參考。
3 　結束語
本文出自于個人的工作實踐和課題研究。折返線方案比選模型中用到的參數較多,需要針對不同的工程背景,對工程設計文件中方案比選意見和概預算指標等進行系統分析、整理、歸類和提取,構建一個全面、規范的指標體系集和評價指標體系數據庫;然后開發計算機的方案優選程序,即可方便、快捷而全部地對各種折返線布置方案進行比選,找出最優(或較優) 方案,加快設計中方案比選的進程,從而達到節省工程投資,創造良好的列車運營條件目標。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
1 　建設部. 地下鐵道設計規范. 北京:中國計劃出版社,1993
2 　易思蓉. 地鐵網規劃的多目標綜合評價. 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:科學出版社,2001