基于牽引計算模擬的城市軌道交通速度目標值評價探討

摘 要：速度目標值的選擇是城市軌道交通設計原則中的重要指標，它直接影響軌道交通工程的土建規(guī)模及設備系統(tǒng)的選型。文章在分析城市軌道交通速度目標值影響因素及評價指標的基礎上，提出了基于牽引計算模擬的速度目標值評價方法，為城市軌道交通速度目標值的評價研究提供了一定的參考。

關鍵詞：城市軌道交通；速度目標值；牽引計算；評價方法

隨著京津冀一體化的不斷深入以及國內(nèi)許多城市圈的不斷形成，城市軌道交通線路規(guī)劃和建設的里程越來越長，市域軌道交通、快速軌道交通線路規(guī)劃和建設也越來越多。因此，通常對于市區(qū)內(nèi)軌道交通最高速度80km/h、旅行速度35km/h的經(jīng)驗已不能再簡單地應用于城市軌道交通規(guī)劃設計中，對于線路較長的快速地鐵系統(tǒng)應當采用大于80km/h的速度目標值。為了更好地驗證采用的速度目標值是否合理，應對速度目標值進行比選和評價。

城市軌道交通線路選擇合理的最高運行速度，可以快速輸送乘客，縮短乘客出行時間，提高軌道交通的整體服務水平，城市軌道交通線路的速度目標值的選擇要考慮與線路功能定位、客流出行特征、車站分布等相適應。此外還要考慮運營的經(jīng)濟性以及不同速度目標值對環(huán)境的影響。

1 城市軌道交通速度目標值及其影響因素

1.1 城市軌道交通速度目標值

城市軌道交通建設應根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，依據(jù)建設線路的客流特征、運量等級和速度目標等進行功能定位，確定工程規(guī)模、運營規(guī)模和效益規(guī)模。其項目構成應滿足城市軌道交通系統(tǒng)運營模式和客運需求。

城市軌道交通速度目標值也即列車的設計最高運行速度。例如：設計最高運行速度80km/h的含義，是指在正常運行狀態(tài)下，車輛技術條件可以滿足列車在區(qū)間連續(xù)使用80km/h的速度運行，并在實際運行過程中可以使用80km/h作為正常運行速度的系統(tǒng)。

根據(jù)國內(nèi)幾個城市地鐵設計和運營的經(jīng)驗，主要服務于城市區(qū)域的地鐵線路一般平均站間距均在1km-1.3km左右，市中心區(qū)車站密度較高，市區(qū)外圍車站密度相對減小。最小曲線半徑一般大于等于300m，最大縱斷面坡度一般不大于30‰，地鐵列車的最高運行速度為80km/h，參考國內(nèi)北京、上海和廣州地鐵的運營經(jīng)驗和國外地鐵運營經(jīng)驗，并考慮到地鐵運營管理系統(tǒng)和設備技術水平的不斷發(fā)展，以及由于實際操作過程中各種因素的影響，確定地鐵系統(tǒng)的設計旅行速度一般不低于35km/h。對于在郊區(qū)運行，站間距較大，列車運行速度高于80km/h的快速地鐵系統(tǒng)，列車運行的旅行速度應該有所提高。

國內(nèi)部分城市軌道交通線路的速度目標值如表1所示。

1.2 速度目標值的影響因素

1.2.1 線路功能定位

對一個城市而言，不同的線路所承擔的任務、在線網(wǎng)中的定位是不同的，城市軌道交通線路依照所承擔的功能及線路技術標準的不同，可分為3個層次：城市快速組團、城市干線、城市局域線。

進行速度目標比選時，首先應根據(jù)其功能定位，并充分考慮同一客流走廊內(nèi)小汽車、公交汽車等交通方式的出行時間，合理確定旅客出行的時間目標值，進而框定軌道交通合理的旅行速度。

1.2.2 客流出行特征

進行速度目標選擇時，要考慮各級運距的乘客量及客流出行距離等客流出行特征。城市干線一般線路采用80km/h的最高運行速度，旅行速度達到35km/h，能夠滿足大部分乘客的出行需求，服務水平亦較高，速度目標值的選取與客流需求相適應，是合理的。對于較長的線路，也應考慮滿足特定乘距范圍的客流出行需要，這個特定乘距范圍客流所占的客流比例應該是最大的。

1.2.3 車站分布

對于全封閉的城市軌道交通線路，旅行速度與車輛的最高速度有關，也與車站的間距有關。車輛的最高速度目標定為80km/h時，站間距大部分在1.2km-1.5km，可以滿足旅行速度35km/h。站間距大部分在2.0-2.5km，可以滿足旅行速度40-45km。

列車的旅行速度與站間距關系密切，速度目標選擇時應考慮與車站分布相匹配，不能盲目追求列車的最高運行速度。

2 基于牽引計算模擬的城市軌道交通速度目標值評價方法

2.1 城市軌道交通速度目標值的評價指標

根據(jù)線路功能定位、客流出行特征、車站分布確定線路推薦采用的速度目標值，為了驗證此速度目標值是否合理，需要對推薦的速度目標值進行評價。文章采用基于牽引計算模擬的評價方法，通過牽引計算軟件得到線路的區(qū)間運行時間及最高運行速度，進而得出評價指標，利用評價指標來評價推薦的速度目標值是否匹配線路的設計以及在這一速度目標值下線路的旅行速度是否合理。

文章采用的城市軌道交通速度目標值評價指標為：達到最高速度區(qū)間比例和旅行速度。選擇這兩個評價指標的原因如下：（1）達到最高速度區(qū)間比例。列車在某一區(qū)間運行經(jīng)過了加速到達最高速度，然后再勻速運行，減速進站，說明此區(qū)間的線路條件較好，列車最高速度的設置與區(qū)間線路條件是匹配的。達到最高速度區(qū)間長度的比例越大，說明列車最高速度的設置與整條線路是越匹配的。與此類似，我們還可以統(tǒng)計最高速度時分的比例、最高速度運行長度的比例。當這些比例都比較大時，可以推出所設置的速度目標值是合理的。（2）旅行速度。線路的旅行速度是指線路的單向運行里程與旅行時間的比值，旅行時間包括區(qū)間運行時間與停站時間，是行車組織中衡量旅客服務水平的一項重要指標。通過旅行速度來評價速度目標值的評價依據(jù)為：設計最高運行速度為80km/h的系統(tǒng)，旅行速度不宜低于35km/h；設計最高運行速度大于80km/h的系統(tǒng)，列車旅行速度應相應提高。

2.2 評價方法流程設計

使用牽引計算軟件，輸入線路數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)，進行模擬牽引計算，得到區(qū)間的運行時間及最高運行速度，由此可計算出速度目標值評價指標，評價指標計算出來以后，我們就可以對推薦采用的速度目標值做出一個科學合理的評價。

因此，文章所采用的基于牽引計算模擬的城市軌道交通速度目標值評價方法可以用以下流程圖（圖1）來表示。

3 實例分析

根據(jù)上文提出的基于牽引計算模擬的城市軌道交通速度目標值評價方法，文章以天津市軌道交通市域線Z4線為例進行分析。

3.1 研究范圍及目的

天津市軌道交通市域線Z4工程遠期規(guī)劃為南延一站～北延四站，線路全長約100km，線路經(jīng)過南港、中部新城、于家堡、天堿地區(qū)、開發(fā)區(qū)、北塘、生態(tài)城、旅游區(qū)、中心漁港、漢沽、寧河等區(qū)域。

線路一期范圍為新城一站～漢沽老城站；遠期線路向北延伸至北延四站，向南延伸至南延一站。本次研究范圍為新城一站-漢沽老城站，共設車站22座，正線全長46.4km，平均站間距2.2km。

根據(jù)線路的功能地位、客流特征、站間距情況，Z4線的速度目標值推薦采用120km/h，為了評價120km/h速度目標值對全線旅速的提升效果、線路設計是否匹配此速度目標值，我們根據(jù)線路平縱斷面數(shù)據(jù)進行了模擬牽引計算。

3.2 牽引計算結(jié)果

3.2.1 區(qū)間最高速度及走行時間統(tǒng)計

從表2可以看出：Z4線一期工程新城一站～漢沽老城站的區(qū)間運行時間為38min24s；最大站間距為航母站-工業(yè)園站，站間距為4.014km，區(qū)間運行時間為162s；最小站間距為南大街站-堡東路站，站間距為0.74km，區(qū)間運行時間為55s。

根據(jù)牽引計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出達到最高速度區(qū)間數(shù)占總區(qū)間數(shù)的比例為52.4%；達到最高速度時分占總運行時分的比例為63.7%；達到最高速度區(qū)間總長占線路全長的比例為89.1%。

3.2.2 旅行速度計算

根據(jù)牽引計算結(jié)果以及停站時間，Z4線的旅行速度計算結(jié)果詳見表3。

從表3可以看出：一期工程全線的旅行速度為53.88km/h，一期地下段（津沽南站-第九大街站）的旅行速度為36.87km/h，一期高架段（新城一站-新城二站、第十三大街站-漢沽老城站）的旅行速度為64.28km/h。

3.3 結(jié)果分析及建議

（1）Z4線為軌道交通市域線，為了滿足市域新城與中心城區(qū)之間居民的長距離快速出行的需求，Z4線的速度目標值推薦采用120km/h。從模擬牽引計算結(jié)果來看，線路兩端的高架站基本能達到這個速度目標值（模擬牽引計算中，一般會按最高速度減去5來設置限速，所以最高速度為120km/h時，在模擬牽引計算時設置的限速為115km/h）。線路中間的地下段，由于線間距較短、線路曲線限速的原因，最高速度基本為80km/h，因此在設計列車運行交路、道岔型號等方面時可以此為參考進行合理設計。（2）一期工程全線的旅行速度比地下段的旅行速度提高了17km/h，說明采用120km/h的速度目標值能有效提高全線的旅行速度，降低乘客出行時間。下一步可根據(jù)實際線路情況，研究限制區(qū)間線路條件的優(yōu)化，以進一步提高旅行速度。（3）達到最高速度區(qū)間數(shù)占總區(qū)間數(shù)的比例為52.4%；達到最高速度時分占總運行時分的比例為63.7%；達到最高速度區(qū)間總長占線路全長的比例為89.1%，說明推薦采用120km/h的速度目標值與線路設計是比較匹配的。

4 結(jié)束語

城市軌道交通速度目標值的選擇，一方面應結(jié)合全線功能定位、客流出行特征及車站分布情況比較采用不同速度目標值的效果，另一方面應采用模擬牽引計算對推薦的速度目標值進行評價。合理選擇速度目標值，可以有效縮短乘客出行時間，降低工程投資，從而實現(xiàn)軌道交通高效、合理、科學的建設目標。

一條軌道交通線路在不同地段的最高速度相差較大時，應進一步研究在推薦速度目標值下采用開行快慢車、直達車、大小交路等運營方案。

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