基于功能定位和速度效率的市域快線速度目標(biāo)確定

高國(guó)飛，付義龍，沈景炎

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基于功能定位和速度效率的市域快線速度目標(biāo)確定

高國(guó)飛1, 2，付義龍2，沈景炎2

（1. 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044；2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 城市軌道交通綠色與安全建造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037）

為指導(dǎo)市域快線的規(guī)劃設(shè)計(jì)以引導(dǎo)市域快線健康有序發(fā)展，分析軌道交通的分層體系以及各分層的相互關(guān)系和所處的位置，并對(duì)容易混淆的地鐵、市域快線、市郊鐵路、城際鐵路等制式進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的詳細(xì)對(duì)比分析。明確市域快線的屬性及適用范圍，特別是市域快線位于市區(qū)的線路和市區(qū)外圍的線路應(yīng)具有不同的功能定位及技術(shù)特征。確定市域快線速度目標(biāo)值選擇應(yīng)考慮的因素和步驟，首次提出速度效率的概念，且市域快線應(yīng)根據(jù)速度效率和站間距、旅行速度的關(guān)系來(lái)選擇速度目標(biāo)值，并明確了市域快線最高運(yùn)行速度與站間距、速度效率、旅行速度之間的制約關(guān)系，市域快線要提高旅行速度應(yīng)提高速度效率，而不僅僅是最高速度。

城市軌道交通；市域快線；速度效率；功能定位；速度目標(biāo)

目前，大城市逐漸向外拓展，外圍組團(tuán)、新城或新交通樞紐的建立導(dǎo)致城市軌道交通線路由市區(qū)逐漸向外圍拓展和延伸，線路越來(lái)越長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)超長(zhǎng)線路，所以市域快線規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。城市群的發(fā)展，都市圈的形成，也促使城際鐵路與市域快線的大量建設(shè)，而市域快線以其特有的快速、舒適的優(yōu)勢(shì)成為城市軌道交通線網(wǎng)中長(zhǎng)距離的主要交通方式。目前中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)發(fā)布了《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)發(fā)布了《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》，住建部標(biāo)準(zhǔn)定額所即將發(fā)布《市域快軌規(guī)劃與設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、《地鐵快線設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。面對(duì)目前城市軌道交通延伸范圍越來(lái)越大，而鐵路建設(shè)逐漸縮小到關(guān)注城市級(jí)的范圍，市域快線在軌道線網(wǎng)中如何擔(dān)當(dāng)，功能和層次如何定位，速度目標(biāo)值如何確定，站間距與速度如何選擇等已成為亟待解決和思考的問(wèn)題，需要專心研究和正確引導(dǎo)。目前，部分設(shè)計(jì)人員對(duì)市郊鐵路和市域快線以及城際鐵路等制式的區(qū)別模糊不清，在制式選擇上容易混亂，且對(duì)市域快線的功能定位不清晰、不明確，造成了速度選擇的誤區(qū)[1-3]。本文首次提出速度效率的概念，全面闡述了不同制式下不同速度效率及市域快線速度效率的范圍及選擇依據(jù)，以此作為確定市域快線的速度目標(biāo)值的依據(jù)。

1 軌道交通分層體系及對(duì)比分析

1.1 軌道交通網(wǎng)的分層體系

軌道交通網(wǎng)分為鐵路網(wǎng)和城市軌道交通網(wǎng)。鐵路網(wǎng)包括國(guó)家干線鐵路網(wǎng)、區(qū)域鐵路網(wǎng)、城市鐵路網(wǎng)；城市軌道交通網(wǎng)則包括市域快線網(wǎng)和市區(qū)軌道交通網(wǎng)。高速鐵路以省市級(jí)大城市為主體，為跨越省市之間、彼此通達(dá)的國(guó)家級(jí)干線客運(yùn)鐵路，采用250 km/h、300 km/h、350 km/h的最高設(shè)計(jì)速度，旅行時(shí)間以3～5 h為宜，旅行速度約為最高速度的85%；城際鐵路以相鄰省市級(jí)城市為中心主體，是地區(qū)或都市圈范圍城市之間通達(dá)的區(qū)域性鐵路，最高速度為120 km/h、160 km/h、200 km/h，乘行時(shí)間以2～3 h為宜，旅行速度約為最高速度的70%；市域快線是在市域或都市圈行政管轄范圍內(nèi)，連接市區(qū)與外圍組團(tuán)，串聯(lián)沿線主要城鎮(zhèn)、樞紐點(diǎn)或新城開(kāi)發(fā)區(qū)的城市軌道交通系統(tǒng)，可分段限定時(shí)間目標(biāo)，但全程運(yùn)行時(shí)間不宜大于1 h，最高運(yùn)行速度為100 km/h、120 km/h、140 km/h、160 km/h，旅行速度達(dá)最高速度的50%～60%，必要時(shí)可達(dá)70%，如表1所示。

表1 軌道交通網(wǎng)分層體系

我國(guó)長(zhǎng)三角客運(yùn)網(wǎng)分成4個(gè)層次，分別為高速鐵路、城際鐵路、市域快線和城市軌道交通。其中高速鐵路層是以滬寧杭為主體的國(guó)家級(jí)高速鐵路的骨干線，城際鐵路層是以南京、常州、無(wú)錫、蘇州、嘉興、杭州為輻射點(diǎn)的城際鐵路線網(wǎng)，市域快線和城市軌道層為南京、蘇州、杭州都市圈范圍的城市和市域快線軌道線網(wǎng)。

1.2 分層體系下交通方式的對(duì)比分析

市域快線在旅行速度、站間距、適應(yīng)性等多方面具有優(yōu)勢(shì)，逐漸成為聯(lián)系城市中心區(qū)、邊緣集團(tuán)和衛(wèi)星城，解決市域范圍交通出行的重要方式。面對(duì)目前城市軌道交通延伸范圍越來(lái)越大，而鐵路建設(shè)逐漸縮小到關(guān)注城市級(jí)的范圍，導(dǎo)致很多技術(shù)人員對(duì)區(qū)域和城市級(jí)范圍內(nèi)技術(shù)特征非常相似的地鐵、市域快線、城際鐵路、市郊鐵路4種制式把握不準(zhǔn)。本文從功能定位、服務(wù)范圍、線路長(zhǎng)度、速度目標(biāo)、合理站距、發(fā)車間隔、車輛選型與供電制式等方面對(duì)分層體系下的地鐵、市域快線、市郊鐵路、城際鐵路4種制式進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析[4]，見(jiàn)表2。旨在理順市域快線、軌道交通與城際鐵路的共性和差異性，指導(dǎo)技術(shù)人員判斷各系統(tǒng)的兼容性，以便正確選擇合理的制式，使軌道交通系統(tǒng)既能發(fā)揮各自系統(tǒng)的獨(dú)立效益，又能整合網(wǎng)絡(luò)相互支持的關(guān)系，尤其是良好的換乘聯(lián)系，從而發(fā)揮運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合效益。

表2 幾種軌道交通方式的對(duì)比分析

2 市域快線的適用范圍及功能定位

2.1 屬性及適用范圍

市域快線是在市域行政管轄與規(guī)劃區(qū)或都市圈范圍內(nèi)連接市區(qū)、外圍組團(tuán)之間，串聯(lián)沿線主要城鎮(zhèn)、樞紐點(diǎn)或新城開(kāi)發(fā)區(qū)的快速客運(yùn)方式，是城市軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分，是城市軌道交通線網(wǎng)由市區(qū)向外圍城鎮(zhèn)的拓展。因此市域快線是服務(wù)于城市綜合交通體系的組成部分，雖有服務(wù)地區(qū)和距離等的差異，但城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)一體化發(fā)展是必然趨勢(shì)，以一個(gè)城市為主體進(jìn)行管轄，有利于統(tǒng)一立項(xiàng)、有序建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。因此市域快線是城市軌道線網(wǎng)總體規(guī)劃的重要組成部分，當(dāng)前城市軌道線網(wǎng)規(guī)劃編制或修編均應(yīng)包含市域范圍的市域快線或預(yù)留快速走廊。

2.2 功能定位

市域快線是中心城、外圍城鎮(zhèn)、組團(tuán)、機(jī)場(chǎng)、樞紐等之間中長(zhǎng)距離客流服務(wù)的快速聯(lián)系通道。市域線進(jìn)入市區(qū)應(yīng)體現(xiàn)換乘、收納與疏解功能；而處于外圍地段時(shí)應(yīng)體現(xiàn)快速送達(dá)與輻射功能[5]。即根據(jù)市域快線與市區(qū)的位置，存在不同的功能地位。

1）市域快線進(jìn)入市區(qū)范圍。市域快線進(jìn)入市區(qū)軌道網(wǎng)覆蓋范圍，應(yīng)體現(xiàn)與市區(qū)軌道線網(wǎng)之間的多線多點(diǎn)換乘，以及客流的收納與疏解功能，應(yīng)體現(xiàn)一次換乘的線網(wǎng)覆蓋率水平。市域快線伸入市區(qū)線路一般會(huì)沿城市主要交通走廊敷設(shè)，這種情況下市域線不僅要有收集和吸納客流的功能，還需有市區(qū)線的交通功能，且應(yīng)以交通功能為主。因此市域線伸入市區(qū)的線路需設(shè)站多，站間距小。此時(shí)，可將市域快線深入市區(qū)線段當(dāng)作市區(qū)線來(lái)處理。

2）市域快線位于市區(qū)外圍。當(dāng)市域快線敷設(shè)于中心城邊緣及外圍地區(qū)時(shí)，應(yīng)定位為與外圍城鎮(zhèn)或機(jī)場(chǎng)、樞紐之間客流的輻射和互動(dòng)聯(lián)系的快速通道。一般該通道所處的交通走廊客流強(qiáng)度較低，這種情況下應(yīng)體現(xiàn)快速送達(dá)與輻射能力，即設(shè)站少，站間距大，并符合區(qū)段的時(shí)間目標(biāo)和速度指標(biāo)，從而保證市域快線的旅行速度以及服務(wù)水平。

總之，市域快線在市區(qū)和外圍的服務(wù)目的和功能是有區(qū)別的，既要具有較好的客流吸納和運(yùn)輸能力，又要保證一定的時(shí)間和速度，應(yīng)體現(xiàn)市區(qū)內(nèi)“換乘吸納”，市區(qū)外“快速送達(dá)”的功能。

3 市域快線速度目標(biāo)的確定

市域快線的速度目標(biāo)值應(yīng)首先確定功能層次定位，然后確定時(shí)間目標(biāo)，再根據(jù)時(shí)間目標(biāo)和速度效率、站間距的相互制約，結(jié)合線路長(zhǎng)度、曲直形態(tài)和出行時(shí)間等因素進(jìn)行綜合確定。

3.1 時(shí)間目標(biāo)的確定

市域快線一般線路較長(zhǎng)，可能會(huì)連接幾個(gè)大型樞紐或組團(tuán)，對(duì)于不同區(qū)段可能會(huì)有不同的時(shí)間和速度目標(biāo)，這種情況應(yīng)考慮不同的運(yùn)輸組織方式，但全程運(yùn)行時(shí)間不宜大于1 h，并由此來(lái)確定旅行速度。從居民通勤時(shí)間感受及城市交通出行目標(biāo)要求方面考慮，市域快線車輛與市區(qū)軌道交通車輛均不設(shè)置廁所，同時(shí)在快速運(yùn)行的工作環(huán)境下，為保護(hù)駕駛員眼睛和避免過(guò)度疲勞，保障運(yùn)營(yíng)安全，運(yùn)行時(shí)間宜在1 h之內(nèi)。而對(duì)于特殊線路如機(jī)場(chǎng)專線，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，商務(wù)出行乘客對(duì)出行時(shí)間和服務(wù)水平要求越來(lái)越高，機(jī)場(chǎng)線與其他交通方式具有競(jìng)爭(zhēng)性，對(duì)目標(biāo)距離內(nèi)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間目標(biāo)要求更高。如北京新機(jī)場(chǎng)線從市區(qū)主客源地至新機(jī)場(chǎng)時(shí)間目標(biāo)為半小時(shí)，成都地鐵18號(hào)線從成都南站到成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)的時(shí)間目標(biāo)為半小時(shí)。同時(shí)有些市域快線會(huì)根據(jù)線路終端的地區(qū)地位和時(shí)空距離提出特殊要求，指定幾個(gè)重要目標(biāo)站點(diǎn)距離的時(shí)間要求，如30 min或45 min等要求，也可能是某特殊交路的時(shí)間目標(biāo)。因此，合理發(fā)揮不同地段的速度和運(yùn)營(yíng)效益需進(jìn)行專題研究，但仍宜控制1 h的全程目標(biāo)。如南京市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃提出，實(shí)現(xiàn)市中心與都市圈緊密圈層（50 km半徑）1 h聯(lián)系，都市區(qū)（40 km半徑）內(nèi)新城45 min到達(dá)市中心，中心城（20 km半徑）內(nèi)副城30 min直達(dá)市中心[6-7]。

3.2 速度效率的選擇

衡量軌道交通快慢的指標(biāo)是旅行速度，旅行速度指列車從始發(fā)站發(fā)出到達(dá)折返站時(shí)的平均運(yùn)行速度，該速度值與線路條件、站點(diǎn)設(shè)置、列車停站時(shí)間等因素直接相關(guān)。不同的地鐵線路因上述指標(biāo)參數(shù)不一，故單純用旅行速度來(lái)衡量地鐵快慢是不科學(xué)的。

速度效率是體現(xiàn)車輛運(yùn)行最高速度發(fā)揮效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最高運(yùn)行速度越大，速度效率越高，但是速度效率的發(fā)揮主要取決于站間距，高速鐵路的速度效率一般可達(dá)到85%，城際鐵路的速度效率一般可達(dá)到70%。全國(guó)已開(kāi)通城市軌道交通城市的地鐵平均旅行速度基本在30～40 km/h，最高運(yùn)行速度為100 km/h的地鐵，速度效率最大可達(dá)到40%，平均旅行速度一般為最高速度的30%～35%，即速度效率為30%～35%。城市軌道交通速度效率與旅行速度的關(guān)系如表3所示。

表3 城市軌道交通速度效率

市域快線是中心城與外圍城鎮(zhèn)和樞紐的重要聯(lián)絡(luò)通道，以縮短乘客出行的時(shí)空距離，提高旅行速度為首要目標(biāo)。一般可按1 h的全程時(shí)間目標(biāo)確定旅行速度，也可按規(guī)定距離內(nèi)的時(shí)間目標(biāo)選擇旅行速度，從而確定線路的最高速度和適宜的站間距。提高旅行速度需要提高車輛最高速度或速度效率，但同等條件下速度越高能耗越大[8]。因此提高旅行速度，盡量不采用提高車輛最高速度，而宜采用拉大站距方式以充分發(fā)揮速度效率，同時(shí)也符合節(jié)能要求。經(jīng)牽引計(jì)算得出表4，該表反應(yīng)了車輛最高速度、站間距、旅行速度、速度效率的關(guān)系，供技術(shù)人員參考。

表4 市域快線最高運(yùn)行速度與站間距的關(guān)系

注：按DC1500V受電，A/B型車輛參數(shù)計(jì)算

從表里可看出站間距越大，速度效率越高，旅行速度越高。如采用3 km的平均站間距，采用100 km/h或120 km/h的車輛均可達(dá)到旅行速度60 km/h，而對(duì)應(yīng)的速度效率分別為60%和50%，但從節(jié)能角度考慮應(yīng)采用100 km/h的最高速度。在車輛最高速度不同但加減速度基本接近的情況下，如站間距足夠長(zhǎng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在相同的距離內(nèi)采用不同最高速度而達(dá)到相同的旅行速度，從而提高速度效率和節(jié)省能耗。根據(jù)牽引計(jì)算，恒速運(yùn)行時(shí)間達(dá)到40～80 s，旅行速度可達(dá)到最高速度的50%～60%，速度效率增長(zhǎng)曲線基本呈直線遞增，此時(shí)能發(fā)揮最佳速度效率狀態(tài)。因此，市域快線應(yīng)將速度效率為50%～60%作為選擇站間距和最高速度的基準(zhǔn)。

3.3 最高速度的選擇

市域快線的車輛速度一般應(yīng)劃分為100 km/h、120 km/h、140 km/h、160 km/h 4個(gè)等級(jí)。其中100 km/h、120 km/h、140 km/h是屬于接近地鐵車輛的動(dòng)力配置，其加減速度、能耗、車門密閉性等性能是按標(biāo)準(zhǔn)的臨界線來(lái)考慮的，技術(shù)成熟性較高，所以在國(guó)內(nèi)普遍采用。在供電制式上（含授電弓型式）100 km/h、120 km/h速度等級(jí)可采用DC1 500 V供電制式，接近地鐵車輛制式；對(duì)于140 km/h速度等級(jí)，雖車輛結(jié)構(gòu)與地鐵車輛性能接近，但車輛密閉性和車隧阻塞比要求較高，需結(jié)合站間距和列車運(yùn)行密度采用DC1 500 V或AC 25 kV供電制式作進(jìn)一步論證。對(duì)于特殊超長(zhǎng)線路上或特大站間距的線路，也可選用160 km/h，AC 25 kV供電制式，由于車輛車門密閉性等性能和標(biāo)準(zhǔn)要求較高，加減速度等動(dòng)力性能基本與城際鐵路CRH車輛相同。

4 結(jié)論

軌道交通制式的選擇直接決定了項(xiàng)目建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)模和投資成本，是工程建設(shè)首先要解決的問(wèn)題。本文首先對(duì)軌道交通網(wǎng)的分層體系做了界定和區(qū)分，市域快線是城市軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分，應(yīng)歸屬于城市軌道交通范疇而不應(yīng)歸屬于鐵路范疇。同時(shí)對(duì)易混淆的幾種制式進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較，并對(duì)市域快線的定義和功能定位進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和區(qū)分，當(dāng)市域快線進(jìn)入市區(qū)線網(wǎng)覆蓋范圍，應(yīng)體現(xiàn)其與市區(qū)線網(wǎng)之間的換乘、收納與疏解功能；當(dāng)市域快線處于外圍地段時(shí)，應(yīng)體現(xiàn)市域快線的快速送達(dá)與輻射功能。首次提出了以速度效率為主要因素來(lái)選擇速度目標(biāo)值的理念，應(yīng)通過(guò)綜合考慮已經(jīng)確定的時(shí)間目標(biāo)值及速度效率與站間距、最高速度和旅行速度相互的關(guān)系來(lái)選擇市域快線的最高運(yùn)行速度。

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（編輯：郝京紅）

Urban Rail Rapid Transit Speed Target SelectionBased on Function Positioning and Speed Efficiency

GAO Guofei1, 2, FU Yilong2, SHEN Jingyan2

(1. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. National Engineering Laboratory for Green & Safe Construction Technology in Urban rail transit, Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

To guide the planning and design of urban rail rapid transit and to lead in the healthy and orderly development of urban rail rapid transit, the hierarchical system of rail transportation and the relationships between and locations of the hierarchical groups are analyzed. The technical parameters pertaining to subway, urban rail rapid transit, commuter rail, and intercity rail, which are easy to confuse, are analyzed and compared. The properties and scope of application of urban rail rapid transit are defined, especially routes of urban rail rapid transit in city centers and outside cities, which should have different function orientations and technical characteristics. The factors considered and the steps used in the speed selection of urban rail rapid transit are established, and the concept of speed efficiency for urban rail rapid transit is proposed for the first time. The highest operating speed of urban rail rapid transit should be chosen according to the relationship between the speed efficiency, average station spacing, and travel speed. Furthermore, the relationships between the maximum speed of urban rail rapid transit and the average station spacing, speed efficiency, and travel speed are defined. Thus, optimizing urban rail rapid transit should increase speed efficiency, not merely achieve the highest speed.

urban rail traffic; urban rail rapid transit; speed efficiency; function orientation; speed target

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.007

U231.1

A

1672-6073(2018)05-0035-05

2018-06-24

2018-07-09

高國(guó)飛，男，博士研究生，高級(jí)工程師，從事軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)理論與方法研究，gaoguofei_2007@sina.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB1201104）