都市圈軌道交通制式選擇影響因素分析

張 麗，高金港

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014）

1 引言

都市圈是以超大、特大城市或輻射帶動(dòng)功能強(qiáng)的大城市為中心、以1 h通勤圈為基本范圍的城鎮(zhèn)化空間形態(tài)，建設(shè)現(xiàn)代化都市圈是目前我國推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要手段，都市圈軌道交通是構(gòu)建同城化發(fā)展的現(xiàn)代化都市圈、實(shí)現(xiàn)都市圈可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，為更好地適應(yīng)都市圈和城市群發(fā)展新要求，國家鼓勵(lì)發(fā)展多層次、多模式、多制式的軌道交通系統(tǒng)，這為都市圈軌道交通的制式選擇提供了更大的選擇空間，因此，如何合理選擇都市圈軌道交通制式，以什么樣的視角去選擇都市圈軌道交通制式是目前都市圈軌道交通發(fā)展面臨的重大問題。

2 都市圈軌道交通制式

制式通常是指通過某種規(guī)格來定義某一種產(chǎn)品的樣式，例如電視制式、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)制式等。都市圈軌道交通是集多專業(yè)、多工種于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其系統(tǒng)制式也包括多方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要指采用的牽引供電方式、車輛選型、通信信號(hào)系統(tǒng)、授電方式、隧道斷面、軌道型式等配套設(shè)備制式的統(tǒng)一，而主要影響軌道交通制式的是供電方式、車輛選型及通信信號(hào)3種制式的選擇，這3種制式的選擇對(duì)授電方式、軌道結(jié)構(gòu)等方面的選擇起到至關(guān)重要的作用。因此本文主要從供電、車輛、信號(hào)等3個(gè)方面研究都市圈軌道交通制式。

3 各制式與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相互關(guān)系

供電方式、車輛選型及信號(hào)制式選擇對(duì)速度目標(biāo)值、站間距、運(yùn)能等有不同的適應(yīng)性，即制式的選擇影響著相關(guān)線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇，同樣相關(guān)線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇決定了制式的選擇范圍，兩者相互影響。

3.1 供電制式與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相互關(guān)系

供電制式的選擇影響著速度目標(biāo)值、供電、土建工程投資等，如圖1所示。在速度方面，AC25kV對(duì)速度適應(yīng)范圍更廣，可達(dá)速度目標(biāo)值更高；在供電設(shè)施投資方面，交流供電設(shè)施小于直流供電；在隧道等工程投資方面，交流供電設(shè)施的隧道、橋梁等工程投資大于直流供電，一般約是直流的2～3倍。

3.2 車輛制式與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相互關(guān)系

車輛制式的選擇決定了載客能力、加減速性能、站間距、乘車便捷性等，如圖1所示。在速度方面，CRH6A/6F/6S車型大于市域A/B/D車型，市域A/B/D車型速度大于地鐵A/B車型；在加減速性能方面，地鐵A/B型車優(yōu)于市域A/B/D型車，市域A/B/D型車優(yōu)于CRH6A/6F/6S；在站間距方面，CRH車型站間距要大于市域A/B/D車型，市域A/B/D車型站間距要大于地鐵A/B車型車；在載客量及座次安排方面，地鐵A/B型車大于市域A/B/D型車，市域A/B/D車型大于CRH6A/6F/6S車型；在車門設(shè)置及服務(wù)便捷性方面，地鐵A/B型車優(yōu)于市域A/B/D型車，市域A/B/D型車優(yōu)于CRH6A/6F/6S，且市域車型比CRH車型上下車更加便捷。

3.3 信號(hào)制式與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相互關(guān)系

信號(hào)制式的選擇決定了運(yùn)輸組織能力及發(fā)車間隔、互聯(lián)互通需求、服務(wù)便捷性等，如圖1所示。在列車追蹤間隔長短方面，中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)-2 +列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（CTCS-2 +ATO）的列車追蹤間隔要大于點(diǎn)式列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）列車，點(diǎn)式ATC列車追蹤間隔一般要大于基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）列車，CTCS-2 +ATO要求列車追蹤間隔最長；在行車組織能力方面，CBTC要優(yōu)于點(diǎn)式ATC，點(diǎn)式ATC要優(yōu)于CTCS-2 +ATO；在對(duì)最高速度適應(yīng)方面，CTCS-2 +ATO對(duì)最高速度的適用性要優(yōu)于點(diǎn)式ATC 及CBTC；在自動(dòng)化程度及服務(wù)便捷性方面，CBTC要優(yōu)于點(diǎn)式ATC，點(diǎn)式ATC要優(yōu)于CTCS-2+ATO；在互聯(lián)互通方面，CBTC、點(diǎn)式ATC適用于直、交流供電，與城市軌道交通互聯(lián)互通， CTCS-2+ATO適用于交流供電，與國鐵互聯(lián)互通。

圖1 供電、車輛、信號(hào)系統(tǒng)等制式選擇與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相互影響關(guān)系

4 制式選擇主要影響因素

綜合前文分析，都市圈軌道交通制式選擇與線路速度目標(biāo)值、站間距等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相互影響，因此制式選擇取決于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇，而相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇又與線路所在區(qū)域發(fā)展定位、線路功能、城鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)分布等息息相關(guān)，因此影響制式選擇的因素可以分為直接影響因素和間接影響因素，直接影響因素包括速度目標(biāo)值、站間距等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，間接影響因素包含線路功能定位、時(shí)間目標(biāo)值、城鎮(zhèn)空間尺度等對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇起到重要作用的相關(guān)因素，直接和間接影響因素之間不是相互獨(dú)立的，而是相互耦合、相互影響。

4.1 城市定位及線路功能

城市的發(fā)展定位及發(fā)展能級(jí)影響線路的功能定位，從而影響時(shí)間目標(biāo)值、線路速度目標(biāo)值、站間距的選擇，進(jìn)而影響著制式的選擇，因此城市定位及線路功能定位相互耦合，是影響制式選擇的重要因素。

（1）當(dāng)線路主要服務(wù)于近郊區(qū)與都市圈中心城的通勤出行時(shí)，受通勤圈空間尺度影響，一般空間尺度比較小，速度目標(biāo)值、站間距設(shè)置也比較小，速度標(biāo)準(zhǔn)一般在100～120 km/h，線路一般采用直流供電制式，更能發(fā)揮設(shè)站密集、加減速快等特點(diǎn)；車輛選型可選擇與城市軌道交通制式相適應(yīng)的A/B型車或可接受直流供電的市域A/B型車；為實(shí)現(xiàn)都市圈軌道交通與地鐵信號(hào)控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通，信號(hào)制式盡可能選擇與地鐵相適應(yīng)的ATC系統(tǒng)，具體是采用基于計(jì)軸和可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器的點(diǎn)式ATC還是采用基于軌道電路的ATC，以及基于通信的ATC可根據(jù)未來客流需求、行車追蹤間隔要求及投資等因素具體分析。

（2）當(dāng)線路需滿足多元化需求，如在滿足都市圈范圍出行需求的同時(shí)，需要兼顧國鐵通道功能、區(qū)域城際功能的時(shí)候，一般需要開行國鐵線路的跨線列車，速度目標(biāo)值要求比較高，一般在160～250 km/h，供電制式一般使用AC25kV；車輛選型也盡量與互聯(lián)互通國鐵干線車輛選型一致，選擇CRH系列車型；信號(hào)制式也盡量選擇便于與國鐵互聯(lián)互通的CTCS。

4.2 時(shí)間目標(biāo)值與速度目標(biāo)值、線路里程

直流供電制式速度標(biāo)準(zhǔn)在供電壓限值、運(yùn)營期維修經(jīng)濟(jì)性、當(dāng)前技術(shù)水平等方面考慮，一般只能達(dá)到120 km/h（國內(nèi)）；而交流供電制式在供電電壓方面有明顯的優(yōu)勢，電壓的提升可有效提升供電功率及車速，因此速度目標(biāo)值在120 km/h以上的線路一般采用交流供電制式。而速度目標(biāo)值的確定又與線路里程（都市圈空間尺度）、運(yùn)營時(shí)間目標(biāo)值息息相關(guān)。因此運(yùn)營時(shí)間目標(biāo)值、速度目標(biāo)值及線路里程（都市圈輻射空間尺度）之間相互影響、相互耦合對(duì)都市圈軌道交通制式的選擇產(chǎn)生了重要影響。

不同速度目標(biāo)值對(duì)應(yīng)輻射范圍分析如表1所示，在時(shí)間目標(biāo)值確定的情況下，不同速度列車輻射范圍各不相同。都市圈的空間尺度直接決定了都市圈軌道交通所需要輻射的范圍及其線路里程，并直接影響著速度目標(biāo)值及制式的選擇，空間尺度越大，所要求速度目標(biāo)值速度標(biāo)準(zhǔn)越高，當(dāng)超過54 km（考慮站間距較小、旅行速度較低的最不利情況）時(shí)，在1 h通勤時(shí)間目標(biāo)值約束下，速度應(yīng)大于120 km/h，對(duì)于制式的選擇也應(yīng)該選擇能提速較快的交流供電制式，反之則選擇直流供電制式。

表1 1 h時(shí)間目標(biāo)值下不同速度目標(biāo)值對(duì)應(yīng)輻射范圍

4.3 城鎮(zhèn)間空間尺度與站間距

根據(jù)2017年國家頒布的《關(guān)于促進(jìn)市域（郊）鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》，要求線路要串聯(lián)5萬人及以上的城鎮(zhèn)組團(tuán)并設(shè)站，因此線路站間距與沿線城鎮(zhèn)分布密切相關(guān)。而站間距的設(shè)置要滿足所選速度目標(biāo)值加減速距離，不同速度目標(biāo)值動(dòng)車加減速周期的走行距離如圖2所示，速度目標(biāo)值越高的動(dòng)車，所對(duì)應(yīng)加減速周期走行距離越長，要求的站間距也就越大。因此，城鎮(zhèn)間空間尺度、站間距的設(shè)置與速度目標(biāo)值的選擇又息息相關(guān)，從而影響著供電、車輛信號(hào)等制式的選擇。

圖2 不同速度目標(biāo)值時(shí)動(dòng)車組一個(gè)加減速周期的走行距離

根據(jù)不同站間距、不同速度列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分可以得出，在固定站間距下，并非速度越高列車運(yùn)行時(shí)分越短。而當(dāng)站間距較短時(shí)，速度等級(jí)較高的動(dòng)車組由于加減速性能的限制，在較短的站間距區(qū)間內(nèi)，基本上僅處于起動(dòng)加速、制動(dòng)減速階段，難以發(fā)揮高速度動(dòng)車組優(yōu)越性，而區(qū)間運(yùn)行時(shí)分有可能比較低速度列車運(yùn)行時(shí)分還要長。不同站間距、不同速度等級(jí)動(dòng)車組的運(yùn)行時(shí)分分析如表2所示。

表2 不同站間距動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)分對(duì)照表 s

由表2 分析可得，平均站間距4 km的情況下，120 km/h標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)。平均站間距6～8 km的情況下，140 km/h較優(yōu)，160 km/h次優(yōu)。平均站間距10～14 km的情況下，160 km/h與200 km/h優(yōu)勢較大。

綜上分析，當(dāng)平均站間距小于4 km，選擇120 km/h最優(yōu)，該速度下直流列車在啟動(dòng)和制動(dòng)環(huán)節(jié)加減速度優(yōu)勢明顯，優(yōu)選直流供電制式。當(dāng)站間距在6～8 km甚至更大時(shí)，則優(yōu)選交流供電制式

4.4 與城市銜接關(guān)系及與線路互聯(lián)互通關(guān)系

都市圈軌道交通是連接都市圈范圍（中心城與郊區(qū)）出行，承擔(dān)都市圈內(nèi)城市間、城鎮(zhèn)間以及城市與城鎮(zhèn)間的中短途客流運(yùn)輸。因此都市圈軌道交通往往需要與城市軌道交通、區(qū)域鐵路充分聯(lián)系，與城市銜接關(guān)系，以及選擇與城市軌道交通銜接還是鐵路銜接，對(duì)于制式的選擇影響很大。

（1）如果都市圈軌道交通與城市銜接關(guān)系是止于城市外圍，一般會(huì)選擇止于城市外圍的鐵路環(huán)線上的鐵路樞紐站，該線路一般兼顧了國鐵干線聯(lián)絡(luò)線的功能，其制式標(biāo)準(zhǔn)也一般選擇與國鐵干線相一致的制式標(biāo)準(zhǔn)，如武漢都市圈城際鐵路。

（2）如果都市圈軌道交通選擇與城市銜接關(guān)系是深入市中心，一般會(huì)利用與城市軌道交通互聯(lián)互通深入市中心，其制式標(biāo)準(zhǔn)的選擇與城市軌道交通一致，如日本外圍郊區(qū)線路都是止于城市中心區(qū)的地鐵山手環(huán)線，供電制式也是選擇與山手環(huán)線相一致的直流供電。

（3）如果都市圈軌道既要滿足與外圍國鐵干線互聯(lián)互通，又要與城市中心區(qū)的城市軌道交通互聯(lián)互通，則一般采用雙流制的車型，雙流制車型在外圍國鐵干線上接受交流受電，在市區(qū)地鐵線上接受直流受電。

4.5 工程投資及工程經(jīng)濟(jì)性

工程投資作為都市圈軌道交通建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，由于不同制式下車輛選型、牽引供電、信號(hào)系統(tǒng)等均有所不同，所需要的投資也各不相同。為充分發(fā)揮投資效益，嚴(yán)控財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，工程投資與工程經(jīng)濟(jì)性也是制式選擇的約束條件之一。在供電工程方面，交流供電投資遠(yuǎn)小于直流供電投資。以速度目標(biāo)值140 km/h的都市圈軌道交通為例，每正線公里的投資（包括外電源，不包括動(dòng)力照明配電），直流制式供電工程是交流制式供電工程的2～10倍，同時(shí)，直流牽引網(wǎng)供電的運(yùn)營管理費(fèi)用也高于交流牽引網(wǎng)供電；在隧道、橋梁等工程方面，由于交流供電會(huì)增大隧道的斷面，車輛軸重更大，會(huì)使隧道、橋梁、軌道等方面投資增加；在牽引變電所的設(shè)置方面，交流制式變電所供電范圍為30～80 km，一般就市域鐵路而言，長度大多不會(huì)超過100 km，2座變電所就可以滿足要求；直流制式變電所供電范圍為2.0～4.5 km，需要設(shè)置主變電所數(shù)座，直供牽引變電所數(shù)十座，因此牽引變電所等建筑投資會(huì)有所增加。

從隧道工程、供電工程、牽引變電所設(shè)置等投資來分析，總結(jié)可得以下結(jié)論：

（1）如果線路中隧道工程所占比例比較高，從減小隧道工程投資角度考慮盡量采用直流供電制式；

（2）如果線路里程比較長，超過30～80 km（交流供電范圍為30～80 km），對(duì)于采用直流制式的線路其牽引變電所、主變電所的規(guī)模均比較大，從減小供電投資角度考慮盡量采用交流供電制式。

5 主要研究結(jié)論

都市圈軌道交通制式的選擇并不是由單一因素所決定的，而是需要綜合考慮多方面影響因素，以及各因素之間存在的相互耦合、相互影響關(guān)系。如圖3所示，區(qū)域發(fā)展與線路功能定位相互耦合相互影響、城市空間尺度與站間距相互影響、時(shí)間目標(biāo)值與速度目標(biāo)值相互影響，和城市銜接關(guān)系與區(qū)域路網(wǎng)銜接關(guān)系相互影響、運(yùn)輸能力與客流需求相互影響。由此可見，最終制式的選擇是對(duì)多方因素及相互關(guān)系進(jìn)行綜合分析的結(jié)果。因此，在針對(duì)某條都市圈軌道交通進(jìn)行制式選擇時(shí)，應(yīng)從功能定位、站間距設(shè)置、速度目標(biāo)值等定性定量多個(gè)角度分析，并且需要充分考慮各影響因素之間相互耦合、相互影響的關(guān)系，及各種制式對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性。

圖3 都市圈軌道交通制式影響因素相互關(guān)系分析圖