市域軌道交通市區(qū)段線路及車站規(guī)劃方法

向 蕾，葉霞飛

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.成都市規(guī)劃設計研究院，四川成都61041)

0 引言

中國的超大、特大城市往往采用多中心、組團式的城市空間結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生了郊區(qū)組團與市區(qū)之間大規(guī)模、長距離的通勤、通學出行需求。因此，建設以快速聯(lián)系市區(qū)和郊區(qū)為目的的市域線十分必要。市域軌道交通線路(以下簡稱“市域線”)有快速運送市郊居民和兼顧沿線客流兩個主要功能，當市域線伸入市區(qū)后，由于市區(qū)段的客流集散點一般較密，如果仍然按照市區(qū)線的特點進行車站設置，且采用傳統(tǒng)的站站停模式，則必然會導致市域線的旅行速度降低。如何使市域線在市區(qū)段既能服務于沿線客流又能保證快速直達功能是一個很重要的問題。理論上四線并行模式和雙線越站模式均能滿足上述功能。

四線并行模式，即在市區(qū)段修建兩條線路，一條市區(qū)線和一條市域線，市區(qū)線按小站間距進行車站設置，可照顧到沿線所有客流集散點，市域線按照大站間距進行車站設置，可保證較高的旅行速度[1-2]。雙線越站模式，即在市區(qū)段只修建一條線路，在該段線路上采用快慢車運營的模式，快車只停大站，可保證市域線的旅行速度；慢車為站站停，可充分照顧到沿線客流。如何對這兩種模式進行選擇，目前還沒有一個明確的方法。在四線并行模式下，如何設置市域線在市區(qū)段的車站對于實現(xiàn)市域線和市區(qū)線的整體最優(yōu)十分重要，但也少有學者對這個方面進行研究和探討?；谏鲜霰尘?，研究市域軌道交通市區(qū)段的線路和車站規(guī)劃方法十分必要。本文將對四線并行模式下市域線市區(qū)段的車站設置方法進行詳細研究，并建立雙線越站模式和四線并行模式適用性的定量評價方法。

1 四線并行模式下市域線市區(qū)段的車站設置方法

四線并行模式包括兩種情況：1)通道內(nèi)市區(qū)線已建且運能飽和的條件下，需要再修建一條市域線與之并行，以滿足通道內(nèi)的客流需求；2)通道內(nèi)尚未修建任何軌道交通線路，但由于交通需求量很大，因此在規(guī)劃階段即選擇四線并行模式，其中一條為市域線。

第一種情況下市區(qū)線的車站設置方案已知，假設第二種情況下市區(qū)線的車站設置方案也已確定，則市域線市區(qū)段的車站應結(jié)合已知的市區(qū)線車站分布情況進行設置。由于市區(qū)線在進行車站設置時已經(jīng)照顧到沿線所有客流集散點，并且考慮到市域線與市區(qū)線的銜接，因此市域線市區(qū)段的車站位置應從并行段市區(qū)線的車站集合中進行選取。

市域線主要有以下兩個功能：1)服務于郊區(qū)客流，使郊區(qū)客流能夠快速直達市區(qū)，因此市域線市區(qū)段的車站應為郊區(qū)客流在市區(qū)的主要乘降站；2)市域線市區(qū)段承擔快線功能，與市區(qū)線共同服務于市區(qū)段的客流，緩解市區(qū)線的客流壓力[3]，因此市域線市區(qū)段的車站設置應能降低市區(qū)線高峰小時單向最大斷面的客流值，緩解高斷面的擁擠程度?；谝陨戏治觯木€并行模式下市域線市區(qū)段的車站設置可以分為以下幾個階段進行。

1.1 車站方案生成

1.1.1 考慮郊區(qū)客流直達市區(qū)

市域線的功能之一是使郊區(qū)客流可以快速直達市區(qū)，因此市域線市區(qū)段的車站應為郊區(qū)客流在市區(qū)乘降量較大的車站。市域線在市區(qū)段設站與否會對郊區(qū)車站到該站客流的出行時間帶來影響。以圖1為例，M為市區(qū)線車站，RJ為市域線郊區(qū)段車站，RS為市域線市區(qū)段車站。若在Mi站處設RSj站，則郊區(qū)客流可乘市域線直達RSj站；若在Mi站處不設市域線車站，則從郊區(qū)去往Mi站的客流需先乘市域線至RSj-1站，在該站換乘市區(qū)線至Mi站。兩種情況相比，設RSj站可節(jié)省該部分客流在RSj-1站的換乘時間，以及乘坐市域線RSj-1站—RSj站區(qū)段相對于乘坐市區(qū)線Mk站—Mi站區(qū)段節(jié)約的在車時間。為了節(jié)約更多的出行時間，應優(yōu)先選擇郊區(qū)至市區(qū)全日客流量大的市區(qū)線車站設市域站，從而盡可能多地節(jié)省郊區(qū)至市區(qū)客流的總換乘時間。

圖1 中斷面①的客流即為郊區(qū)段至市區(qū)段的客流，這部分客流去往市區(qū)線的各個車站。對郊區(qū)段至市區(qū)線各個車站的全日客流進行排序(并行段的起點RS1除外)，按照全日客流量的大小對市區(qū)線車站編號為RS(1)，RS(2)，…，RS(n-1)。從郊區(qū)客流直達市區(qū)的角度可生成市域線市區(qū)段的(n-1)個車站初步方案：

1.1.2 考慮市域線分擔市區(qū)線客流壓力

市域線的市區(qū)段承擔快線功能，與市區(qū)線共同服務市區(qū)段的客流，緩解市區(qū)線客流壓力，因此市域線市區(qū)段的車站設置應能降低市區(qū)線高斷面的客流量，緩解高斷面的擁擠程度。以圖2為例，斷面圖為市區(qū)線高峰時段斷面客流情況，A站—B站區(qū)段的運量大于運能(即擁擠度＞10%)，市域線市區(qū)段的車站設置應能分擔這部分客流，緩解這個區(qū)段的擁擠程度。

對上一節(jié)中得到的(n -1)個市域線市區(qū)段車站初步方案進行客流預測，在某些車站分布方案下，市區(qū)線的高峰時段最大斷面客流量仍然大于運能，說明該車站分布方案不能有效地分擔市區(qū)線的客流壓力，故剔除該類方案；在某些車站分布方案下，市區(qū)線高峰時段最大斷面客流量小于運能，則對該類方案予以保留。

圖1 郊區(qū)至市區(qū)客流示意Fig.1 Passenger flow from suburban to urban area

值得注意的是，由于在第二種情況下，會根據(jù)線路的運量來確定相應的列車車型及編組，確保線路運能大于運量，不會出現(xiàn)運能小于運量的情況。故在第二種情況下只需考慮郊區(qū)客流直達市區(qū)這個因素，生成市域線市區(qū)段的車站方案。

1.2 基于社會總成本最小的車站方案評價方法

本文選取建設成本、運營成本、車輛購置成本、乘客時間成本為指標[4-5]，提出基于社會總成本最小的車站方案評價方法，成本指標體系見圖3。

社會總成本是按社會折現(xiàn)率將計算期內(nèi)各年的成本折現(xiàn)到運營期初年的現(xiàn)值之和，即

式中：TC為社會總成本/萬元；Ct為第t年總成本/萬元； p為社會折現(xiàn)率，取8%；a為建設期；b為運營期。

圖2 市域線分擔市區(qū)線客流壓力Fig.2 The metropolitan rail transit line shares the passenger pressure of the urban rail transit line

圖3 成本指標體系Fig.3 Cost index system

2 雙線越站模式與四線并行模式的評價方法

2.1 適用性分析

2.1.1 工程條件

大城市的市區(qū)往往已經(jīng)開發(fā)得比較成熟，街道縱橫交錯，道路下方管線復雜，建筑物樁基密布，土地資源十分有限。市域線在市區(qū)段采用哪種設計模式還需要根據(jù)具體的工程條件來判斷。

若市域線采用雙線越站模式，則在市區(qū)段只需修建一條線路，對道路紅線寬度的要求較低。若市域線采用四線并行模式，則在市區(qū)段需修建兩條線路。若兩條線路為橫向并行(同一水平面)，則對道路紅線寬度的要求很高。若兩條線路為豎向并行(疊式)，則存在兩種情況：一種是兩條線路位于地下但不同標高，這種情況對地質(zhì)條件的要求較高；一種是一條線路地下敷設，而另一條線路高架敷設，這種情況需要在市區(qū)段通道內(nèi)具備高架敷設的工程條件，例如道路具有較寬的中央綠化帶或道路一側(cè)具備用地條件。

2.1.2 客流條件

當市域線市區(qū)段的客流量特別大，一條線路的運能無法滿足客流需求時，應采用四線并行模式。當市域線市區(qū)段的客流量較大，兩種模式都能滿足其客流需求時，此時應采用合理的評價方法來判斷應該選擇何種設計模式。

2.2 模式選擇關(guān)鍵因素的影響分析

2.2.1 運輸能力

軌道交通線路的運輸能力與線路通過能力、車輛定員及列車編組數(shù)有關(guān)。在四線并行模式中，市區(qū)段的兩條線路相互獨立，互不干擾，一般情況下線路的通過能力可達30對·h-1。在雙線越站模式下，線路最大通過能力主要由列車最小追蹤間隔時間和最大停站時間決定，此外還受越行線設置、快慢車開行比例、區(qū)間運行時間的影響，通過能力相應降低。

2.2.2 線路長度

四線并行模式下的線路長度等于市區(qū)線和市域線兩條線路的長度之和。在雙線越站模式下，線路長度除了包含正線的線路長度外，還包括在越行站處設置越行線的線路長度。越行站越行線的長度與設置方案有關(guān)，按越行線路數(shù)可將越行站分為三線越行站和四線越行站。三線越行站又分為單側(cè)式、一島一側(cè)式、雙島式和雙側(cè)式4種(見圖4)；四線越行站又分為單島式、雙側(cè)式、內(nèi)側(cè)雙島式和外側(cè)雙島式4種(見圖5)。在實際工程中，應根據(jù)具體的客流條件和工程條件選取越行線的布置形式。

2.2.3 車輛選型及編組

車輛選型及編組主要由高峰小時單向最大斷面客流量Q決定。在Q給定的條件下，若選用雙線越站模式，假設快車的編組為mkc，一節(jié)車廂的定員為Ckc，一小時通過能力為Nkc；慢車的編組為mmc，一節(jié)車廂的定員為Cmc，一小時通過能力為Nmc，則需

由于快慢車在大站共用站臺，為了不造成運能浪費，快車和慢車采用相同的車型和編組，即mkc=mmc，Ckc=Cmc。假設快慢車比例為1:1，采用小站越行模式，追蹤間隔時間取90 s，列車停站時間取30 s，則快車和慢車的通過能力均為13對·h-1。假設高峰小時單向最大斷面客流量Q為6萬人次·h-1，則在雙線越站模式下采用8A的車型及編組可滿足客流需求。

若選用四線并行模式，假設市區(qū)線列車的編組數(shù)為msqx，一節(jié)車廂的定員為Csqx，通過能力為Nsqx；市域線列車的編組數(shù)為msys，一節(jié)車廂的定員為Csyx，通過能力為Nsyx。由于兩條線路互不干擾，因此通過能力均可達到30對·h-1。則需滿足條件

假設市區(qū)線高峰小時單向最大斷面客流量為4萬人次·h-1，市域線高峰小時單向最大斷面客流量為2萬人次·h-1，則市區(qū)線采用5A、市域線采用3A的車型及編組即可滿足客流需求。

2.2.4 車站規(guī)模

車站規(guī)模由車站長度和車站寬度構(gòu)成。車站長度與有效站臺長度、設備用房長度以及車站配線情況有關(guān)。列車的編組越長，有效站臺長度和車站長度就越大。對于地下站來說，設配線的車站比不設配線的車站長度更大；對于地面站和高架站來說，由于車站的建筑頂棚僅覆蓋有效站臺范圍，因此車站長度與是否設配線無關(guān)。車站寬度與站臺寬度以及越行線的布置形式有關(guān)。站臺寬度與遠期列車高峰小時單側(cè)的上下車客流量有關(guān)，單側(cè)上下車客流量越大，站臺寬度就越大。對于越行站來說，采用不同的越行線布置形式，對應的車站寬度也有很大區(qū)別。

雙線越站模式在大站的上下車客流量較多，因此車站規(guī)模較大；越行站由于越行線的設置也會使得車站規(guī)模變大；其余車站的規(guī)模相對較小。四線并行模式由于有市區(qū)線和市域線兩條線路分擔客流，其市區(qū)線和市域線的列車編組比雙線越站模式的列車編組小，有效站臺長度較短，因此單個車站的規(guī)模比雙線越站模式小。

2.2.5 配屬車輛數(shù)

軌道交通配屬車輛數(shù)由運用車輛數(shù)、備用車輛數(shù)和檢修車輛數(shù)組成，運用車輛數(shù)與高峰小時開行列車對數(shù)、列車周轉(zhuǎn)時間及列車編組數(shù)有關(guān)。具體的計算方法為

式中：Ny為運用車輛數(shù)/輛；ngf為高峰小時開行列車對數(shù)/對；θlie為列車周轉(zhuǎn)時間/s，等于區(qū)間運行時間、停站時間與兩端折返時間之和；m為列車編組輛數(shù)/輛。

對四線并行模式和雙線越站模式下的配屬車輛數(shù)進行定性分析(見表1)。從編組來看，四線并行模式下列車的編組數(shù)小，雙線越站模式下列車編組數(shù)大。從高峰小時發(fā)車對數(shù)來看，四線并行模式下兩條線路互不干擾，通過能力大，發(fā)車對數(shù)多，雙線越站模式下線路的通過能力降低，發(fā)車對數(shù)較少。從周轉(zhuǎn)時間來看，四線并行模式下的市域線列車與雙線越站模式下的快車停站方式相同，周轉(zhuǎn)時間幾乎相等；四線并行模式下的市區(qū)線列車只在市區(qū)段站站停，雙線越站模式下的慢車在整條線上站站停，且在越行站還需要避讓快車，因此周轉(zhuǎn)時間比四線并行模式下市區(qū)線列車的周轉(zhuǎn)時間更長。兩種模式下具體的配屬車輛數(shù)應結(jié)合各自的編組數(shù)、高峰小時發(fā)車對數(shù)、周轉(zhuǎn)時間進行計算。

圖4 三線越行站越行線布置形式Fig.4 Layout of three-line overtaking station mode

圖5 四線越行站越行線布置形式Fig.5 Layout of four-line overtaking station mode

2.2.6 乘客出行時間

軌道交通的乘客出行時間由接駁時間、候車時間、在車時間和換乘時間4個部分構(gòu)成。假設兩種模式下采用軌道交通出行的總客流量不變，則兩種模式下的總接駁時間相同。乘客出行時間中主要隨模式變化的是候車時間、在車時間和換乘時間。

1）候車時間。

對于四線并行模式來說，市區(qū)站進站客流的平均候車時間為市區(qū)線發(fā)車間隔的一半，市域站進站客流的平均候車時間為市域線發(fā)車間隔的一半。對于雙線越站模式來說，乘坐快車的客流的平均候車時間為快車發(fā)車間隔的一半，乘坐慢車的客流的平均候車時間為慢車發(fā)車間隔的一半。由于四線并行模式下市區(qū)線和市域線獨立運行、互不干擾，因此兩條線路的通過能力均能達到30對·h-1，發(fā)車間隔短，市區(qū)線乘客和市域線乘客的總候車時間較短。而在雙線越站模式下，線路的通過能力降低，在快慢車開行比例為1:1的條件下，快車和慢車的發(fā)車對數(shù)均只能達到13對·h-1，發(fā)車間隔長，乘客的總候車時間較長。

表1 兩種模式比較Tab.1 Comparison of two modes

圖6 四線并行模式的換乘時間Fig.6 Transfer time of the four-line parallel station mode

圖7 雙線越站模式的換乘時間Fig.7 Transfer time of the double-line overtaking station mode

2）在車時間。

軌道交通乘客的在車時間包括列車在區(qū)間的走行時間和在車站的停站時間兩個部分。雙線越站模式下的快車與四線并行模式下的市域線列車在兩個大站之間的區(qū)間走行時間幾乎相等，雙線越站模式下的慢車與四線并行模式下市區(qū)線列車在兩個小站之間的區(qū)間走行時間幾乎相等。對于列車在車站的停站時間來說，雙線越站模式下的快車和四線并行模式下的市域線列車在大站的停站時間相等，雙線越站模式下的慢車和四線并行模式下的市區(qū)線列車在非越行小站的停站時間相等，在越行小站由于慢車要避讓快車，因此其停站時間要比并行模式下市區(qū)線列車的停站時間更長?？偟某丝驮谲嚂r間應結(jié)合兩種模式下的客流情況進行計算。

3）換乘時間。

四線并行模式下的換乘可分為兩類：郊區(qū)至市區(qū)的換乘，市區(qū)至市區(qū)的換乘。郊區(qū)至市區(qū)的換乘即乘客的出行起點位于郊區(qū)，出行終點位于市區(qū)段的市區(qū)站(非市域站)，即圖6中斷面1至B站這種類型的客流，乘客必須在B站前一個市域站換乘市區(qū)線才能到達目的地。這類換乘為必要性換乘，即必須通過一次換乘才能到達目的地。市區(qū)至市區(qū)的換乘即乘客的出行起點和終點均為市區(qū)，且起點和終點之間至少間隔兩個市域站，例如圖6中C站至E站的客流，這部分乘客既可以選擇市區(qū)線直達目的地，也可以選擇在CD段乘坐市域線然后在D站換乘市區(qū)線至E站的方式。這類換乘為選擇性換乘，即乘客可以根據(jù)自己的喜好和實際情況選擇是否換乘。

雙線越站模式下的換乘均為選擇性換乘，如圖7所示。郊區(qū)至市區(qū)小站的乘客可以乘坐慢車直達目的地，也可以乘坐快車至目的地前一個大站下車，然后換乘慢車至目的地。市區(qū)至市區(qū)的客流，若其起終點之間至少間隔兩個大站，例如圖中C站至E站的客流，乘客可以選擇慢車直達目的地，或者先乘坐快車至D站，然后在D站換慢車至E站。

雙線越站模式下的換乘均為同站臺換乘，乘客只需在站臺等候所要換乘的列車，因此換乘時間為乘客在站臺的等候時間，該時間與所等列車的發(fā)車間隔有關(guān)；四線并行模式下的換乘時間除了換乘等候時間外，還包括從市域站(或市區(qū)站)至市區(qū)站(或市域站)的換乘走行時間。雙線越站模式下的換乘均為選擇性換乘，換乘客流量較??；四線并行模式下郊區(qū)至市區(qū)的換乘為必要性換乘，換乘客流量較大。兩種模式下總的換乘時間需結(jié)合各自的換乘客流量以及換乘時間進行計算得到。

2.2.7 運營可靠性

雙線越站模式是在一條線路上開行快慢車，因此任何一列快車或慢車出現(xiàn)了延誤或者事故，都將對整條線路的運營帶來影響；而四線并行模式是兩條線路(市區(qū)線和市域線)獨立運營，互不干擾，如果一條線路出現(xiàn)了延誤或者事故，另一條線路仍然可以正常運營，繼續(xù)為沿線客流服務。相比之下，四線并行模式的運營可靠性更優(yōu)。

2.3 兩種模式的適用性評價方法

當市域線市區(qū)段的客流量較大，四線并行模式和雙線越站模式都能滿足其客流需求時，可對兩種設計模式的社會總成本進行比較，從而得到在一定客流條件下市域線市區(qū)段的最優(yōu)設計模式。具體的成本評價指標體系和計算方法參見1.2節(jié)。

3 案例研究

某市計劃在市區(qū)的西北方向建立一個新城，并規(guī)劃一條市域軌道交通A線連接西北新城和市區(qū)，以解決市區(qū)與西北新城之間大規(guī)模、長距離的通勤、通學需求。A線市區(qū)通道內(nèi)的預測需求較大，遠期高峰小時單向最大斷面客流量為53 479人次·h-1，四線并行模式和雙線越站模式均能滿足A線的客流需求，同時兼顧服務沿線客流和保持較高旅行速度的特點。因此，A線選擇四線并行模式和雙線越站模式作為其備選設計模式。

3.1 四線并行模式下車站方案與社會總成本計算

A線郊區(qū)段至市區(qū)車站的全日客流量如表2所示。優(yōu)先選擇郊區(qū)至市區(qū)全日客流量大的市區(qū)線車站設市域站，生成市域線市區(qū)段的車站備選方案(見表3)，從而盡可能多地節(jié)省郊區(qū)至市區(qū)客流的換乘時間。

13個備選方案的社會總成本現(xiàn)值如表4所示。計算結(jié)果顯示，方案4為社會總成本最小的方案，即在M1，M8，M10，M1，M12處設市域線車站時最優(yōu)(見圖8)。

3.2 雙線越站模式下車站方案與社會總成本計算

參考上文比選結(jié)果，雙線越站模式下快車在市區(qū)段的停站也定為M1，M8，M10，M1，M12(見圖9)。取快慢車的開行比例為1:2，對快慢車進行運行圖鋪畫，相鄰兩趟列車的發(fā)車間隔為3 min，快車發(fā)車間隔為9 min，慢車發(fā)車間隔為3 min或6 min。通過計算得到雙線越站模式下的社會總成本現(xiàn)值為36億元。

表2 A線郊區(qū)段至市區(qū)車站的全日客流量Tab.2 Daily passenger volume from the suburban section to urban stations on lineA

表3 備選方案Tab.3 Alternative plans

3.3 兩種模式評價

四線并行模式下的社會總成本為248億元，雙線越站模式下的社會總成本為36億元。因此，本案例選擇四線并行模式作為A線的設計模式，并行區(qū)段的車站為M1，M8，M10，M1，M12。

表4 四線并行模式下不同車站方案的社會總成本Tab.4 Total social cost of different station schemes with the four-line parallel station mode

圖8 A線布局及方案4設站情況Fig.8 Layout of lineAand station setting scheme of plan 4

圖9 雙線越站模式下快車、慢車停站示意Fig.9 Stop schedule plan of express and local trains in the double-line overtaking station mode

4 結(jié)語

本文采用定性和定量相結(jié)合的方法對四線并行模式和雙線越站模式進行研究。首先，研究了四線并行模式下市域線市區(qū)段的車站設置方法。從市域線的主要功能出發(fā)，考慮郊區(qū)客流直達市區(qū)和市域線分擔市區(qū)線客流壓力兩個因素對市域線市區(qū)段的車站進行選取，并進一步生成車站方案；選取建設成本、運營成本、車輛購置成本、乘客時間成本為指標，提出基于社會總成本最小的車站方案評價方法。其次，研究了四線并行模式與雙線越站模式的適用性評價方法。從工程條件和客流條件對兩種設計模式的適用性進行說明，并詳細分析不同模式對運輸能力、線路長度、車輛選型及編組、車站規(guī)模、配屬車輛數(shù)、乘客出行時間、運營可靠性等關(guān)鍵因素的影響情況。在此基礎上，以成本效益分析法為基礎構(gòu)建市域線市區(qū)段設計模式的評價模型。