基于CBTC的轨道交通线路运输能力评估方法

摘要

本发明公开了一种基于CBTC的轨道交通线路运输能力评估方法，涉及轨道交通技术领域，包括步骤：A、获取运输能力评估的相关参数；B、建立移动闭塞能力消耗模型；C、计算最小运行间隔时间并确定瓶颈区段；D、评估轨道交通线路运输能力。根据本发明，通过计算移动闭塞能力消耗模型的消耗值，可以直观的发现影响运输效率的关键区段，评估列车运行过程对线路基础设施的利用率，结果可以直接指导工程建设和运营维护；相比传统的运输能力评估验证指标，能力消耗值更客观的反映了线路基础设施的利用率，确定了线路运输能力的瓶颈因素，并体现了线路能力进一步挖掘的潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种基于CBTC的轨道 交通线路运输能力评估方法。

背景技术

近年来，我国各大城市轨道交通发展迅速。列车运行控制方法也 由传统的司机根据地面信号显示行车升级为CBTC系统控制。所谓 CBTC系统，是指基于通信的列车运行控制系统(Communication  Based Train Control)。现有地铁线路逐步达到运输能力的极限，如何 评估轨道交通系统的运输能力是一个复杂的问题，这是因为影响轨道 交通系统运输能力的因素有很多，比如不同的列车类型，种类繁多的 基础设施及其布置，不同的信号系统制式，不同设备配置，以及根据 客流和经济方面考虑的时刻表安排等等。

目前，我国铁路和城市轨道交通现行运输能力的评估方法主要包括：

1、图解法，即在运行图上铺化列车，所能最大限度铺化的列车 总数，即为该区段的运输能力，图解法虽然在理想条件下比较精确， 但实用性不强，应用起来非常繁琐，对于实际运营过程中出现的各种 干扰因素，无法处理，一旦出现晚点，设备故障等情况时，该方法的 分析结果会出现较大偏差。

2、分析法，即根据列车的扣除系数，近似地估计运输能力。所 谓扣除系数，是指因铺化快速列车需要从平行运行图上扣除的慢速列 车的对数。具体分析方法参见1990年铁道部颁布的《轨道交通区间 通过能力计算方法》，这里不再赘述，分析法，即扣除系数法局限性 很大，不能体现追踪间隔小于6分钟、列车采用不同追踪间隔、列车 区间运行时分不等、列车对数超过60对、不同列车速度等级与数量 比例、以及列车连发比例等因素对通过能力计算结果的影响。

综上所述，现有的轨道交通线路运输能力评估方法都不能够精确 地定位整条线路的能力制约瓶颈区段，都是在传统的列车运行指挥模 式下的运输能力评估方法，都不能很好地适应CBTC系统条件下的移 动闭塞列车运行控制模式。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，针对上述缺陷，如何提供一种高精 度的基于CBTC的轨道交通线路运输能力评估方法，能够精确地定位 整条线路的能力制约瓶颈区段，并准确地评估线路的运输能力。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于CBTC的轨道交通线路运输能力评估方 法，包括步骤：

A、获取运输能力评估的相关参数；

B、建立移动闭塞能力消耗模型；

C、计算最小运行间隔时间并确定瓶颈区段；

D、评估轨道交通线路运输能力。

其中，步骤A中的相关参数包括：线路坡度及曲率、列车长度、 重量、牵引特性、制动特性、转动惯量系数、停站时间、折返方式、 交路设置和客流量中的一种或多种。

其中，步骤B具体包括：通过下述公式根据常规制动曲线得到防 护曲线：

             V_bec＝V_est+V_sci+A_est1·T_traction+A_est2·T_berem

$D_{\mathrm{bec}}=(V_{\mathrm{est}}+V_{\mathrm{sci}}+\frac{A_{\mathrm{est}1}·T_{\mathrm{traction}}}{2})·T_{\mathrm{traction}}+(V_{\mathrm{est}}+V_{\mathrm{sci}}+A_{\mathrm{est}1}·T_{\mathrm{traction}}+\frac{A_{\mathrm{est}2}·T_{\mathrm{berem}}}{2})·T_{\mathrm{berem}}$

                    d_SBI(V_est)＝d_SBD(V_bec)-D_bec

其中，S＝d_SBI(V)是防护曲线；S＝d_SBD(V)是已知的常规制动曲线； D_bec是列车从检测到超速到实施制动之间的实际运行距离；V_est是列车 的测速值；V_sci是列车测速值的置信区间；T_traction是系统响应时间，在 此期间的加速度为A_est1；T_berem是动力失效后的滑行时间，在此期间的 加速度为A_est2；V_bec是常规制动曲线处的速度值。

其中，所述移动闭塞能力消耗模型包括：在预告点和逻辑区段起 点之间运行所需的接近时间、列车车头从进入逻辑区段到驶出逻辑区 段的运行时间和列车车尾出清逻辑区段的出清时间。

其中，所述步骤C具体包括：

步骤C1、获取相邻两车的移动闭塞能力消耗模型序列；

步骤C2、针对每一个逻辑区段，用前车车尾出清该逻辑区段的出 清时间减去后车车头抵达该逻辑区段的预告点的预告点时间得到每 一个逻辑区段中相邻两车的移动闭塞能力消耗模型在该逻辑区段的 间隔时间；

步骤C3、找出相邻两车的移动闭塞能力消耗模型在所有逻辑区段 中的间隔时间的最小值，用两车的发车间隔时间减去所述间隔时间的 最小值得到两车的最小运行间隔时间，所述间隔时间的最小值对应的 逻辑区段为线路的瓶颈区段。

其中，所述步骤D具体包括：

通过下述公式来评估轨道交通线路运输能力：

                        A＝n*h

                    k＝A+B+C+D

                      K＝k*100/U

其中：n是时间窗口内的行车数量；h是最小运行间隔时间的平均 值；A为基础设施占用时间；B为瓶颈区段的移动闭塞能力消耗模型 间加入的缓冲时间；C为车站会让和越行对线路能力的影响时间；D 为线路维护时间；k为被消耗的总时间；U为分析选取的时间窗口；K 为能力消耗值。

其中，所述基础设施占用时间为最小运行间隔时间与发车车次数 的乘积。

其中，所述瓶颈区段的移动闭塞能力消耗模型间加入的缓冲时间 的取值范围为40秒-100秒。

其中，所述车站会让和越行对线路能力的影响时间的取值范围为 0-120秒。

其中，所述线路维护时间的取值范围20秒-120秒。

(三)有益效果

本发明提出了一种基于CBTC的轨道交通线路运输能力评估方 法，所述方法具有下述优点：

1、本发明针对CBTC系统控制下线路的运输能力分析，提出了一 种实用性强、目的明确、实施方便的验证和评估方法。

2、本发明采用移动闭塞能力消耗模型对运输能力建模，该模型 全面反映了基础设施、车辆参数、信号系统及运营组织等因素对运输 能力的影响，从列车安全运行的基本原理-闭塞分区的角度阐述了列 车运行所能达到的最小间隔，在参数正确获取的前提下，分析结果准 确可靠。

3、通过计算移动闭塞能力消耗模型的消耗值，可以直观的发现 影响运输效率的关键区段，评估列车运行过程对线路基础设施的利用 率，结果可以直接指导工程建设和运营维护。

4、相比传统的运输能力评估验证指标，能力消耗值更客观的反 映了线路基础设施的利用率，确定了线路运输能力的瓶颈因素，并体 现了线路能力进一步挖掘的潜力。

附图说明

图1本发明实施例所述的基于CBTC的轨道交通线路运输能力 评估方法的流程图；

图2是本发明实施例所述的移动闭塞能力消耗模型的示意图；

图3是本发明实施例所述的相邻两车的移动闭塞能力消耗模型 序列的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的基于CBTC的轨道交通线路运输能力评 估方法包括步骤：

A、获取运输能力评估的相关参数；

影响运输能力的相关参数包括基础设施、车辆因素、列车运行控 制模式及运营方式等四大类参数，具体包括线路坡度及曲率、列车长 度、重量、牵引特性、制动特性、转动惯量系数、停站时间、折返方 式、交路设置、客流量等参数。这些参数可以从目前轨道交通建设相 关标准和工程数据中获得。

B、建立移动闭塞能力消耗模型；

由于在CBTC系统控制下的列车运行，没有固定的闭塞分区划分， 因此有必要在步骤A获取的运输能力评估的相关参数基础上，按照列 车运行控制的速度防护曲线建立基于CBTC的移动闭塞能力消耗模 型。

在本步骤中，可以通过下述公式1-3根据常规制动曲线得到防护 曲线：

        V_bec＝V_est+V_sci+A_est1·T_traction+A_est2·T_berem    (1)

$D_{\mathrm{bec}}=(V_{\mathrm{est}}+V_{\mathrm{sci}}+\frac{A_{\mathrm{est}1}·T_{\mathrm{traction}}}{2})·T_{\mathrm{traction}}+(V_{\mathrm{est}}+V_{\mathrm{sci}}+A_{\mathrm{est}1}·T_{\mathrm{traction}}+\frac{A_{\mathrm{est}2}·T_{\mathrm{berem}}}{2})·T_{\mathrm{berem}}---\left(2\right)$

             d_SBI(V_est)＝d_SBD(V_bec)-D_bec                  (3)

其中，S＝d_SBI(V)是防护曲线；S＝d_SBD(V)是已知的常规制动曲线； D_bec是列车从检测到超速到实施制动之间的实际运行距离；V_est是列车 的测速值；V_sci是列车测速值的置信区间；T_traction是系统响应时间，在 此期间的加速度为A_est1；T_berem是动力失效后的滑行时间，在此期间的 加速度为A_est2；V_bec是常规制动曲线处的速度值。

建立如图2所示的移动闭塞能力消耗模型，其揭示了移动的列车 运行防护控制过程中，列车走行一段距离所消耗的时间。如图2所示， 逻辑区段是CBTC控制模式下的列车追踪运行最小线路间隔单元。

所述移动闭塞能力消耗模型包含如下几个部分：

在预告点和逻辑区段起点之间运行所需的接近时间；

列车车头从进入逻辑区段到驶出逻辑区段的运行时间；

列车车尾出清逻辑区段的出清时间，取决于列车长度；

则多个列车在线路上的运行实际上就是多个移动闭塞能力消耗 模型构成的序列，如图3所示为两个列车的移动闭塞能力消耗模型序 列。

C、计算最小运行间隔时间并确定瓶颈区段；

本步骤具体包括：

步骤C1、获取相邻两车的移动闭塞能力消耗模型序列；

步骤C2、针对每一个逻辑区段，用前车车尾出清该逻辑区段的出 清时间减去后车车头抵达该逻辑区段的预告点的预告点时间得到每 一个逻辑区段中相邻两车的移动闭塞能力消耗模型在该逻辑区段的 间隔时间T_n，下标n表示该逻辑区段序号；

步骤C3、找出相邻两车的移动闭塞能力消耗模型在所有逻辑区段 中的间隔时间T_n的最小值T_min，用两车的发车间隔时间减去所述间隔 时间的最小值T_min得到两车的最小运行间隔时间，所述间隔时间的最 小值T_min对应的逻辑区段为线路的瓶颈区段。

D、评估轨道交通线路运输能力。

本发明给出的轨道交通线路运输能力是从列车对轨道交通线路 基础设施能力消耗的角度给出的。能力消耗分析是指在一段线路上和 一定时间内，通过对一个给定的闭塞能力消耗模型序列，分析线路上 消耗的运输能力，计算出能力消耗的比率的方法。

可以通过下述公式4-6来评估轨道交通线路运输能力

                      A＝n*h        (4)

                   k＝A+B+C+D       (5)

                    K＝k*100/U      (6)

其中：n是时间窗口内的行车数量；h是最小运行间隔时间的平均 值；A为基础设施占用时间，等于最小运行间隔时间与发车车次数的 乘积；B为瓶颈区段的移动闭塞能力消耗模型间加入的缓冲时间，其 目的是为了确保运行计划的稳定性。在相邻列车路径中加入的间隔时 间，保证运营过程中小的扰动和误差不会被传播和放大。根据CBTC 行车指挥方式的特点，在调研了线路情况、车型数据以及客流高峰和 分布情况，通过实际验证，相邻两列列车缓冲时间的取值范围为40 秒-100秒；C为车站会让和越行对线路能力的影响时间，根据实际情 况和城市轨道交通车站作业规范，结合CBTC行车指挥方式的特点， 在调研了线路情况、车型数据以及客流高峰和分布情况，通过实际验 证，取值范围为0至120秒；D为线路维护时间，本方法规定的取值 范围20至120秒；k为被消耗的总时间；U为分析选取的时间窗口，根 据线路运营特点取值，单位是秒；K为能力消耗值；

根据上述公式4-6，即可求出线路的运输能力。该运输能力反应 了给定的运行图对基础设施的利用率。

下面以北京地铁亦庄线的实际线路情况和信号系统布置以及车 辆和运营参数为基础，举例说明本发明的技术方案。

选取从宋家庄站到小红门站三站两区间作为运输能力分析区段。 北京地铁亦庄线的信号系统为CBTC系统。

选取从6:00到6:15的900s(秒)作为时间窗口。

根据上述步骤C可以得到最小发车间隔时间为94s。其所在的逻辑 区段27是瓶颈区段。

则最小发车间隔h＝94s；A＝94*3＝282s；B＝60*3＝180s(这 里，相邻列车的缓冲时间取值为60s)；C＝30*3＝90s(取经验值30s)； D＝30*3＝90s(取经验值30s)；k＝A+B+C+D＝642；K＝100*k/ U＝71％。

综上所述，本发明的优点在于：

1、本发明针对CBTC系统控制下线路的运输能力分析，提出了一 种实用性强、目的明确、实施方便的验证和评估方法。

2、本发明采用移动闭塞能力消耗模型对运输能力建模，该模型 全面反映了基础设施、车辆参数、信号系统及运营组织等因素对运输 能力的影响，从列车安全运行的基本原理-闭塞分区的角度阐述了列 车运行所能达到的最小间隔，在参数正确获取的前提下，分析结果准 确可靠。

3、通过计算移动闭塞能力消耗模型的消耗值，可以直观的发现 影响运输效率的关键区段，评估列车运行过程对线路基础设施的利用 率，结果可以直接指导工程建设和运营维护。

4、相比传统的运输能力评估验证指标，能力消耗值更客观的反 映了线路基础设施的利用率，确定了线路运输能力的瓶颈因素，并体 现了线路能力进一步挖掘的潜力。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。