城際鐵路八輛兼顧四輛靈活編組列車的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性研究

霍亮

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司線站院 高級(jí)工程師，湖北 武漢 410075）

0 引言

受新冠疫情及宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響，全國(guó)部分城際鐵路客運(yùn)量出現(xiàn)較大波動(dòng)，上座率有所下降。既有八輛、十六輛及以上編組列車定員充足，已難以完全適應(yīng)高平峰及疫情特殊時(shí)期客運(yùn)需求的靈活多變特性。目前，我國(guó)開通運(yùn)營(yíng)的城際鐵路總里程已逾4 000 km，城際客運(yùn)市場(chǎng)初具規(guī)模。其中，京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等區(qū)域城際鐵路建設(shè)較早，如京津、滬寧、廣珠城際等線路，總體發(fā)展形勢(shì)較好。其余大多數(shù)城際鐵路開通后面對(duì)靈活多變的客運(yùn)市場(chǎng)，出現(xiàn)上座率走低、運(yùn)營(yíng)虧損擴(kuò)大等問(wèn)題。已運(yùn)營(yíng)城際鐵路列車編組主要以八輛為主，部分兼顧少量長(zhǎng)編組的跨線列車。在2020年以來(lái)疫情沖擊下，八輛及以上編組列車上座率低、運(yùn)能虛糜的現(xiàn)象已到了不容忽視的程度，存在采用八輛兼顧四輛編組列車、降低列車運(yùn)維成本的潛在需求。為適應(yīng)城際客運(yùn)市場(chǎng)需求變化，建立更加靈活的列車編組方式[1]，在技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性方面開展相關(guān)研究，將帶來(lái)潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

1 四輛編組列車的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用概況

1.1 主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

國(guó)內(nèi)用于城際鐵路的車型基本囊括了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6等各型號(hào)，但日趨成為城際鐵路主流車型，且有相應(yīng)四輛編組列車生產(chǎn)的主要為CRH6型車。該型列車200 km/h和160 km/h速度等級(jí)對(duì)應(yīng)的八輛、四輛編組列車的主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 CRH6型動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

可見，160 km/h等級(jí)車型的加速性能優(yōu)于200 km/h，四輛編組列車的定員略低于八輛編組的一半。城際鐵路最小追蹤間隔設(shè)計(jì)為3 min時(shí)，高峰小時(shí)最大開行20對(duì)列車，則八輛、四輛編組列車的輸送能力分別可達(dá)3.0萬(wàn)人/h、1.4萬(wàn)人/h。

1.2 四輛編組列車技術(shù)優(yōu)勢(shì)

四輛編組城際列車的主要優(yōu)勢(shì)在于定員小，客流量相同時(shí)較八輛編組開行的列車對(duì)數(shù)多，開行間隔短，服務(wù)頻率更高，有利于實(shí)現(xiàn)城際鐵路的公交化運(yùn)營(yíng)，方便旅客乘車，提高城際鐵路對(duì)客流的吸引力[2]?？土髁枯^小時(shí)既可保證一定的服務(wù)品質(zhì)，也能有效提高列車上座率，降低運(yùn)營(yíng)成本[3]。

長(zhǎng)株潭城際是八輛改四輛編組列車運(yùn)營(yíng)較為成功的案例。在開通之初，主要采用八輛編組CRH6F型車運(yùn)營(yíng)。其中，長(zhǎng)沙至暮云作為最繁忙區(qū)段，初期采用8組八輛編組列車運(yùn)營(yíng)，全日開行30對(duì)列車，平均行車間隔0.5 h。改用21組四輛編組列車運(yùn)營(yíng)以來(lái)，全日開行列車提高至101對(duì)，平均行車間隔縮短至10 min左右。列車開行對(duì)數(shù)提高237%，平均行車間隔降低66.7%。列車運(yùn)行時(shí)段大幅優(yōu)化，基本覆蓋平高峰時(shí)段，服務(wù)頻率大幅提升[4]，客流量也有較大幅度增長(zhǎng)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 四輛編組列車的應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)四輛編組城際列車的應(yīng)用已有6條線路，見表2所示。此外，珠三角城際線路開展了四輛編組列車的應(yīng)用研究，計(jì)劃在部分客流量較小線路采用四輛編組，并已制訂采購(gòu)計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)城際鐵路公交化運(yùn)營(yíng)。

表2 CRH6A-A、CRH6F-A型城際動(dòng)車應(yīng)用情況

2 八輛兼顧四輛編組列車運(yùn)行的技術(shù)可行性

2.1 信號(hào)與站臺(tái)門控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)僅運(yùn)行八輛編組CRH6型動(dòng)車的城際鐵路，一般采用CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)，該系統(tǒng)與站臺(tái)門控制系統(tǒng)進(jìn)行列車車型、列車停準(zhǔn)停穩(wěn)狀態(tài)、站臺(tái)門狀態(tài)等信息交互，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門控制功能；其中列車車型信息一般為一種或兩種，用于列控系統(tǒng)區(qū)分八輛編組的兩對(duì)門、三對(duì)門列車。若考慮兼顧運(yùn)行兩對(duì)門及三對(duì)門的四輛編組列車，技術(shù)上是可行的，但為保證安全，列車到站時(shí)，應(yīng)僅打開對(duì)應(yīng)列車車門的部分站臺(tái)門[5]。為實(shí)現(xiàn)這一功能，已運(yùn)營(yíng)線路需進(jìn)行相應(yīng)改造：一是列控及站臺(tái)門系統(tǒng)軟件修改，新增四輛編組兩對(duì)門及三對(duì)門的列車車型信息，并對(duì)CCS服務(wù)器、主控站列控中心及各站站臺(tái)門系統(tǒng)進(jìn)行改造；二是接口電路修改，對(duì)TCC驅(qū)動(dòng)電路、與站臺(tái)門設(shè)備聯(lián)系電路進(jìn)行改造，相應(yīng)增設(shè)繼電器、與站臺(tái)門設(shè)備間信號(hào)電纜等；三是無(wú)配線車站與主控站間增設(shè)控制電纜，無(wú)配線車站站臺(tái)門控制由相鄰主控站列控系統(tǒng)完成，由于接口電路修改需補(bǔ)充傳輸條件，既有站聯(lián)電纜一般無(wú)足夠剩余芯線，需在站間增加敷設(shè)控制電纜用于傳輸新增信息。

已運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)行上述改造，需在天窗點(diǎn)進(jìn)行，對(duì)日常運(yùn)營(yíng)會(huì)造成一定干擾；軟件修改、相應(yīng)改造費(fèi)用及線纜增設(shè)的材料費(fèi)、人工費(fèi)等需根據(jù)具體項(xiàng)目的長(zhǎng)度、車站數(shù)量核算工程量后確定。尚未開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試的在建城際鐵路及規(guī)劃項(xiàng)目，可通過(guò)變更設(shè)計(jì)較容易實(shí)現(xiàn)兼容運(yùn)行四輛編組列車。此外，為實(shí)現(xiàn)精確停車和車-門聯(lián)動(dòng)等ATO功能，四輛需與八輛編組列車一致，運(yùn)行至站臺(tái)端部停穩(wěn)停準(zhǔn)，并通過(guò)信息顯示系統(tǒng)、人員疏導(dǎo)等加強(qiáng)客流引導(dǎo)，避免旅客在站臺(tái)末端等候上車。

2.2 接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)

動(dòng)車組通過(guò)接觸網(wǎng)電分相，當(dāng)升雙弓取電時(shí)，為避免三相交流電的相間短路，要求必須滿足“中性區(qū)長(zhǎng)度小于雙弓間距或無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度大于雙弓間距”的條件，如圖1、圖2所示。

圖1 中性區(qū)長(zhǎng)度小于雙弓間距

圖2 無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度大于雙弓間距

八輛、四輛編組的CRH6型車分別為四動(dòng)四拖、兩動(dòng)兩拖，受電弓分別位于4、6車、2、3車；城際鐵路接觸網(wǎng)電分相一般按運(yùn)行八輛編組單弓和16輛編組雙弓設(shè)計(jì)，一般為六跨錨段關(guān)節(jié)式電分相，中性區(qū)長(zhǎng)度不大于200 m，無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度22 m。兼顧運(yùn)行四輛編組列車，單弓運(yùn)行不存在任何問(wèn)題；但若兩列四編列車重聯(lián)運(yùn)行，則雙弓間距為50~109 m，不滿足“中性區(qū)長(zhǎng)度小于雙弓間距或無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度大于雙弓間距”的條件，會(huì)發(fā)生相間短路。

為使四輛編組重聯(lián)列車與電分相匹配，可采用三個(gè)方案：一是將短分相改造為長(zhǎng)分相，缺點(diǎn)是無(wú)電區(qū)距離加長(zhǎng)，可能對(duì)區(qū)間通過(guò)信號(hào)機(jī)布置有影響，列車在分相區(qū)無(wú)電惰行距離變長(zhǎng)，運(yùn)行速度降低，且改造分相對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路的運(yùn)營(yíng)干擾很大，會(huì)產(chǎn)生工程投資；二是重聯(lián)列車單弓運(yùn)行，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改造電分相，但重聯(lián)列車單弓運(yùn)行相當(dāng)于兩動(dòng)六拖，列車的牽引加速性能會(huì)下降；三是禁止兩列四編列車重聯(lián)運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)中隨著客流量的增加四編列車不滿足要求時(shí)，可直接采用八輛編組的列車。綜合考慮三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，由于兩列四編列車重聯(lián)運(yùn)行的必要性不強(qiáng)，故在運(yùn)營(yíng)初期禁止兩列四編列車重聯(lián)運(yùn)行最為切實(shí)可行。

2.3 站臺(tái)門

列控、站臺(tái)門系統(tǒng)軟件及相應(yīng)改造完成后，按八輛編組設(shè)計(jì)的站臺(tái)門可實(shí)現(xiàn)八節(jié)全開或僅開端部四節(jié)，可實(shí)現(xiàn)八輛兼容四輛編組列車運(yùn)行。此外，還需解決不同車型車門與站臺(tái)門是否對(duì)齊的問(wèn)題。對(duì)于已運(yùn)營(yíng)、在建及規(guī)劃設(shè)計(jì)的城際線，若八輛編組的站臺(tái)門與四輛編組列車的車門不對(duì)齊時(shí)，還需對(duì)既有站臺(tái)門進(jìn)行改造，產(chǎn)生改造費(fèi)用。

2.4 動(dòng)車組養(yǎng)護(hù)維修

八輛編組城際列車的維修養(yǎng)護(hù)設(shè)施基本兼容四輛編組的城際列車，動(dòng)車運(yùn)用所內(nèi)無(wú)大的改造，只需增購(gòu)一些小的設(shè)備設(shè)施。有影響的是存車線的存車能力，由于兩列車存放時(shí)需預(yù)留一定的安全距離，導(dǎo)致存放2列八輛編組列車的存車線只能存放3列四輛編組的車。八輛改四輛后，動(dòng)車組數(shù)會(huì)有增加，需檢算動(dòng)車所的檢修、存車能力以及存車場(chǎng)的存車能力是否滿足需求。

3 八輛與四輛編組列車經(jīng)濟(jì)成本模型

3.1 模型參數(shù)定義

模型參數(shù)定義如表3所示。

表3 模型參數(shù)定義

3.2 模型構(gòu)建

城際鐵路的營(yíng)業(yè)收入和成本隨列車編組輛數(shù)發(fā)生相關(guān)變化，構(gòu)建列車成本經(jīng)濟(jì)模型[6]。

票款收入是營(yíng)業(yè)收入的主體部分。采用四輛編組時(shí)，列車運(yùn)行間隔縮短，服務(wù)頻率提高，城際鐵路對(duì)客流的吸引力增強(qiáng)，客流量一般會(huì)有5%~10%的增加，運(yùn)輸收入也會(huì)相應(yīng)增加。

在成本構(gòu)成中，主要變化的有動(dòng)車組費(fèi)用、牽引用電費(fèi)用和乘務(wù)人員工資支出等三項(xiàng)，其中動(dòng)車組費(fèi)用包含動(dòng)車組日常維修、高級(jí)修及資金成本三部分。

因此八輛與四輛編組列車經(jīng)濟(jì)成本模型如下：

進(jìn)行八輛與四輛編組經(jīng)濟(jì)性對(duì)比時(shí)，需依據(jù)上式對(duì)兩種編組分別計(jì)算。其中，式（1）表示列車經(jīng)濟(jì)成本，為動(dòng)車組費(fèi)用、牽引用電費(fèi)用和乘務(wù)人員工資支出三項(xiàng)之和；式（2）表示動(dòng)車組費(fèi)用，包含動(dòng)車組日常維修、高級(jí)修及資金成本三部分；式（3）表示牽引用電費(fèi)用，由牽引用電指標(biāo)與年走行萬(wàn)組公里的乘積表示；式（4）表示配屬乘務(wù)員的工資福利支出，首先依據(jù)高峰斷面客流與列車定員計(jì)算出高峰列車對(duì)數(shù)，結(jié)合周轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)算得出運(yùn)用及配屬車數(shù)，每列運(yùn)用車按2班制配屬乘務(wù)人員；式（5）為列車年走行萬(wàn)組公里數(shù)的計(jì)算方法。

4 八輛與四輛編組列車運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性測(cè)算主要參數(shù)

本次對(duì)四輛和八輛編組列車運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比，主要參數(shù)參照廣珠城際鐵路近年來(lái)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行取值。見表4、表5。

表4 四輛和八輛編組列車定員

表5 八輛編組動(dòng)車的實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)

四輛編組列車單列購(gòu)置費(fèi)約0.7億元，約為八輛編組列車的0.6倍，因此，四輛編組列車的維修及資金成本均暫按八輛編組列車的0.6倍測(cè)算。

八輛動(dòng)車組的牽引用電指標(biāo)約為11.8元/列車公里，四輛動(dòng)車組的牽引用電能耗約為八輛的0.62倍，按7.32元/列車公里測(cè)算。

八輛編組列車乘務(wù)班組定員為7人，其中列車長(zhǎng)、列車員、司機(jī)、機(jī)械師、安全員各1人，保潔2人；四輛編組列車乘務(wù)班組可減少1名保潔人員，每個(gè)班組配6人。乘務(wù)班組平均年工資、工資附加及福利按珠三角15.54萬(wàn)元水平考慮。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.2.1 列車開行對(duì)數(shù)相同條件下運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

當(dāng)城際項(xiàng)目客流量較小時(shí)，為保證一定的服務(wù)頻率，需開行一定數(shù)量的列車對(duì)數(shù)維持運(yùn)營(yíng)，國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的客流量小的城際線一般不會(huì)低于10對(duì)/日[7]。當(dāng)開行的列車對(duì)數(shù)相同時(shí)，八輛編組與四輛編組的主要運(yùn)營(yíng)指標(biāo)對(duì)比見表6。

表6 全日開行10對(duì)車時(shí)八輛與四輛編組的運(yùn)營(yíng)成本差別

由表6可見，當(dāng)全日開行列車對(duì)數(shù)相同時(shí)，列車運(yùn)行交路越長(zhǎng)，四輛編組運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省幅度越大。以佛山至肇慶城際為例，運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)約80 km，全日開行17對(duì)八輛編組的城際列車，上座率較低。若改為同樣列車對(duì)數(shù)的四輛編組列車，則每年可節(jié)省動(dòng)車組費(fèi)用、牽引電費(fèi)合計(jì)約2 500萬(wàn)元，四輛編組列車的運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省效果顯著[8]。

4.2.2 客流量變化條件下運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

廣珠城際鐵路不受疫情影響時(shí)的日均客運(yùn)量約11萬(wàn)人，高峰小時(shí)最大斷面客流約5 000人，珠三角城際在建或后續(xù)實(shí)施的項(xiàng)目預(yù)計(jì)難以達(dá)到廣珠城際的運(yùn)量水平；為維持運(yùn)營(yíng)，保證一定的服務(wù)頻率，城際列車的開行間隔不宜大于1 h。仍以佛肇城際為例，當(dāng)其高峰小時(shí)斷面客流量分別為1 000人、2 000人、3 000人時(shí)，采用八輛、四輛編組的運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比見表7。

表7 佛肇城際采用八輛或四輛編組的運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

由表7可見，當(dāng)客流量較小時(shí)，四輛編組運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省的幅度較大，與八輛編組相比具有較大優(yōu)勢(shì)；隨著運(yùn)量的持續(xù)增加，四輛編組由于定員小，導(dǎo)致列車開行對(duì)數(shù)過(guò)多，引起列車走行公里數(shù)、配屬的乘務(wù)班組定員過(guò)多，使得四輛編組的運(yùn)營(yíng)成本反而高于八輛編組[9]。

綜上所述，當(dāng)新開通的城際項(xiàng)目運(yùn)量很小而為保證一定的服務(wù)頻率必須開行一定的列車對(duì)數(shù)時(shí)，采用四輛編組列車的優(yōu)勢(shì)較大；隨著運(yùn)量的逐漸增加，四輛編組列車的優(yōu)勢(shì)逐漸縮小，當(dāng)運(yùn)量達(dá)到一定水平時(shí)其運(yùn)營(yíng)成本反而比八輛編組高。每條城際線均存在一個(gè)運(yùn)量值，在該運(yùn)量水平八輛與四輛編組的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性基本相同[10]。以佛肇城際為例，當(dāng)其客流達(dá)到高峰小時(shí)斷面約2 400人次時(shí)，采用八輛與四輛編組的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性基本相當(dāng)。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)多個(gè)城市群規(guī)劃中城際鐵路網(wǎng)建成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的城際線路面臨著復(fù)雜多變的客運(yùn)需求變化，亟需相關(guān)列車運(yùn)營(yíng)決策依據(jù)。本文提出采用更加靈活的八輛兼顧四輛列車編組方式，是一種節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本、實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營(yíng)的有效途徑。設(shè)計(jì)為八輛編組的線路，改用四輛編組列車，在技術(shù)上是可行的。已開通線路需要在信號(hào)系統(tǒng)、接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)、站臺(tái)門及維修養(yǎng)護(hù)方面進(jìn)行小規(guī)模改造。四輛編組列車的運(yùn)營(yíng)效果已在長(zhǎng)株潭城際鐵路得到有效驗(yàn)證。從運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性方面看，當(dāng)城際項(xiàng)目的客流量較小時(shí)，采用四輛編組列車的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于八輛編組。在以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體，國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局下，開展服務(wù)于城際鐵路發(fā)展的列車編組方式優(yōu)化的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性研究，可為相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供決策支持。