智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸能力研究

雷 強(qiáng) 謝麗平

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢；2. 武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 430030， 武漢∥第一作者， 工程師)

智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“智軌系統(tǒng)”)是采用虛擬軌跡跟隨、全電力驅(qū)動(dòng)及智能綜合管理系統(tǒng)技術(shù)的新型膠輪運(yùn)載工具[1]，為最新型的交通制式。智軌系統(tǒng)的列車(chē)(以下簡(jiǎn)為“智軌列車(chē)”)采用膠輪替代傳統(tǒng)的鋼軌鋼輪，通過(guò)軌跡跟隨控制技術(shù)對(duì)列車(chē)實(shí)行電子控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車(chē)在路面虛擬軌道上的運(yùn)行,并采用多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)以確保每節(jié)車(chē)廂能按預(yù)設(shè)軌跡行駛。智軌系統(tǒng)兼具了有軌電車(chē)快速、環(huán)保、大運(yùn)量的特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)公共汽車(chē)運(yùn)行靈活的特點(diǎn)。智軌系統(tǒng)的運(yùn)輸能力是界定其運(yùn)量等級(jí)及判定適用范圍的基礎(chǔ)，對(duì)智軌系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 運(yùn)輸能力及其構(gòu)成

1.1 運(yùn)輸能力的概念

運(yùn)輸能力是軌道交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施及固定設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所能運(yùn)輸?shù)某丝腿藬?shù)，是評(píng)判系統(tǒng)技術(shù)水平和服務(wù)水平的重要指標(biāo)。

目前常見(jiàn)的公共交通系統(tǒng)中，地鐵列車(chē)采用獨(dú)立全封閉形式，運(yùn)輸能力可以達(dá)到4.0萬(wàn)～5.0萬(wàn)人/h，有軌電車(chē)一般采用半獨(dú)立路權(quán)，運(yùn)輸能力可以達(dá)到0.6萬(wàn)～1.0萬(wàn)人/h，采用混合路權(quán)的BRT(快速公交系統(tǒng))和公交車(chē)運(yùn)輸能力為0.2萬(wàn)～0.4萬(wàn)人/h。常見(jiàn)不同公共交通方式的運(yùn)輸能力統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 常見(jiàn)公共交通運(yùn)輸能力表

1.2 運(yùn)輸能力的構(gòu)成

智軌系統(tǒng)運(yùn)輸能力是單位小時(shí)內(nèi)智軌系統(tǒng)能夠運(yùn)輸?shù)某丝腿藬?shù)，不但與列車(chē)載客量有關(guān)，還與智軌系統(tǒng)的通過(guò)能力有關(guān)。運(yùn)輸能力等于通過(guò)能力與列車(chē)載客量的乘積。

1.2.1 通過(guò)能力

影響智軌系統(tǒng)整體通過(guò)能力N通過(guò)的主要因素有線(xiàn)路通過(guò)能力、設(shè)備服務(wù)能力和車(chē)站折返能力，即：

N通過(guò)=min (N設(shè)備，N折返，N線(xiàn)路)

(1)

式中：

N設(shè)備——信號(hào)、供電等設(shè)備的服務(wù)能力；

N線(xiàn)路——線(xiàn)路通過(guò)能力；

N折返——車(chē)站折返能力。

1.2.2 列車(chē)載客量

智軌系統(tǒng)的列車(chē)額定載客量計(jì)算應(yīng)包括坐席和站席。根據(jù)智軌列車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，3模塊和5模塊的列車(chē)額定載客量分別為240人/列和360人/列。

1.2.3 運(yùn)輸能力

在確定通過(guò)能力和列車(chē)載客量的條件下，系統(tǒng)運(yùn)輸能力為：

P=N通過(guò)MC車(chē)

(2)

式中：

P——單位小時(shí)內(nèi)單向最大運(yùn)輸能力；

M——列車(chē)編組數(shù)量；

C車(chē)——列車(chē)載客量。

2 智軌系統(tǒng)通過(guò)能力計(jì)算

2.1 智軌列車(chē)主要參數(shù)

智軌列車(chē)編組形式較為靈活，目前主要的編組形式有3模塊和5模塊兩種。本研究以3模塊智軌列車(chē)為例，其主要參數(shù)如表2所示[1]。

表2 3模塊智軌列車(chē)主要參數(shù)表

2.2 設(shè)備服務(wù)能力

與地鐵相比，智軌系統(tǒng)的設(shè)備較為簡(jiǎn)單，主要為通信、信號(hào)及供電等專(zhuān)業(yè)的設(shè)備。智軌列車(chē)的通信及信號(hào)設(shè)備只對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視而不控制，列車(chē)根據(jù)路面虛擬軌跡導(dǎo)向行駛，由司機(jī)控制列車(chē)運(yùn)行速度?？梢?jiàn)，智軌列車(chē)通過(guò)能力不受通信及信號(hào)設(shè)備的服務(wù)能力限制。

智軌列車(chē)運(yùn)行動(dòng)力由車(chē)載蓄電池提供。列車(chē)一般在線(xiàn)路首末端為蓄電池集中充電，且完成1次充電需要10 min(含準(zhǔn)備時(shí)間)，即單個(gè)充電位的服務(wù)能力為6列/h。智軌線(xiàn)路的末端車(chē)站一般坐落于城市外圍區(qū)域，有充裕的土地資源用于設(shè)置充電位。充電位通常采用橫列式或縱列式布置，如圖1所示。不同充電位數(shù)對(duì)應(yīng)的充電服務(wù)能力見(jiàn)表3。

a) 橫列式

b) 縱列式圖1 充電位布置示意圖Fig.1 Charging position layout

表3 不同充電位數(shù)的服務(wù)能力表Tab.3 Service capability of different charging bits

由表3可見(jiàn)，設(shè)置多個(gè)充電位可縮短發(fā)車(chē)間隔，提升充電站的服務(wù)能力。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2]，一般設(shè)置4個(gè)充電位時(shí)，占地規(guī)模小，對(duì)周邊道路等影響小，相應(yīng)的工程投資比較經(jīng)濟(jì)，并能滿(mǎn)足一般項(xiàng)目的充電需求。因此，項(xiàng)目多按4個(gè)充電位設(shè)計(jì)，相應(yīng)充電服務(wù)能力為24列/h。

2.3 線(xiàn)路通過(guò)能力

智軌列車(chē)采用半獨(dú)立路權(quán)，在道路平交路口與社會(huì)車(chē)輛混行。其運(yùn)行方式類(lèi)似于專(zhuān)用道的有軌電車(chē)或BRT，線(xiàn)路通過(guò)能力受限于平交路口的通過(guò)能力，可采用道路信號(hào)控制平交路口1條直行車(chē)道通過(guò)能力的計(jì)算方法[3]，即：

(3)

式中：

t1——統(tǒng)計(jì)時(shí)間，本文取1 h；

T——信號(hào)周期；

tg——智軌列車(chē)綠燈信號(hào)相位時(shí)間；

t0——綠燈亮后第1輛智軌列車(chē)起動(dòng)通過(guò)停車(chē)線(xiàn)的時(shí)間；

h——智軌列車(chē)通過(guò)停車(chē)線(xiàn)的平均時(shí)間；

a——折減系數(shù)。

常見(jiàn)的平交路口信號(hào)控制策略有定時(shí)信號(hào)控制策略、信號(hào)相對(duì)優(yōu)先策略和信號(hào)絕對(duì)優(yōu)先策略[4]。為提高平交路口處通過(guò)能力，智軌列車(chē)借鑒有軌電車(chē)或BRT的經(jīng)驗(yàn)，采用信號(hào)相對(duì)優(yōu)先策略，即延長(zhǎng)綠燈相位時(shí)間或縮短紅燈相位來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)相對(duì)優(yōu)先[5]。本研究中，平交路口綠信比(1個(gè)信號(hào)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)與周期時(shí)長(zhǎng)之比)取0.25～0.30，智軌列車(chē)過(guò)路口的運(yùn)行速度為30 km/h，智軌列車(chē)通過(guò)路口清空時(shí)間為10 s，反應(yīng)時(shí)間為5 s。經(jīng)計(jì)算，最小發(fā)車(chē)間隔及通過(guò)能力如表4所示。

表4 智軌列車(chē)最小發(fā)車(chē)間隔及通過(guò)能力表

通過(guò)理論計(jì)算可得，智軌列車(chē)通過(guò)交叉口的最小發(fā)車(chē)間隔為2.6～2.9 min，通過(guò)能力為23.1～20.7列/h。綜合考慮實(shí)際道路寬度、運(yùn)營(yíng)中司機(jī)操作等不確定因素，并考慮一定的設(shè)計(jì)余量，智軌列車(chē)線(xiàn)路最大通過(guò)能力按20對(duì)/h考慮。

2.4 折返能力

根據(jù)車(chē)站折返線(xiàn)的布置形式，通常有站前折返和站后折返兩種方式[5]。列車(chē)的站后折返不影響對(duì)向運(yùn)行線(xiàn)路，且站后折返能力較站前折返能力大。結(jié)合智軌列車(chē)運(yùn)營(yíng)靈活的特點(diǎn)，本研究重點(diǎn)對(duì)智軌列車(chē)通常采用的站前折返能力進(jìn)行計(jì)算。站前折返示意圖及作業(yè)流程如圖2及圖3所示。

圖2 列車(chē)站前折返示意圖Fig.2 Turn-back before the station

序號(hào)作業(yè)項(xiàng)目作業(yè)程序1列車(chē)側(cè)向進(jìn)站到達(dá)站臺(tái)2列車(chē)停站上下客3列車(chē)換端4折返列車(chē)確認(rèn)發(fā)車(chē)5列車(chē)直向出站6折返間隔

根據(jù)列車(chē)折返作業(yè)流程和智軌列車(chē)基本性能參數(shù)，智軌列車(chē)進(jìn)站耗時(shí)為38 s，出站耗時(shí)為20 s，司機(jī)換端走行時(shí)間為50 s，確認(rèn)時(shí)間為10 s，停站時(shí)間按40 s計(jì)，折返間隔時(shí)間為118 s，折返能力為30列/h。

2.5 運(yùn)輸能力

將設(shè)備服務(wù)能力、線(xiàn)路通過(guò)能力、折返能力分析計(jì)算結(jié)果代入式(1)計(jì)算，則智軌列車(chē)通過(guò)能力為不同影響因素能力的最小值，即線(xiàn)路通過(guò)能力決定了智軌系統(tǒng)的最大通過(guò)能力。采用半獨(dú)立路權(quán)的智軌系統(tǒng)在平交路口的通過(guò)能力取決于路口信號(hào)控制方式。按常見(jiàn)的信號(hào)相對(duì)優(yōu)先策略，智軌列車(chē)最小發(fā)車(chē)間隔基本可滿(mǎn)足3.0 min要求，最大通過(guò)能力達(dá)20列/h。

根據(jù)上述計(jì)算分析，綜合考慮現(xiàn)代城市道路交通組織方式和運(yùn)營(yíng)安全等因素，3模塊智軌系統(tǒng)運(yùn)輸能力為0.5萬(wàn)人/h，5模塊智軌系統(tǒng)運(yùn)輸能力為0.7萬(wàn)人/h。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)智軌快運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)輸能力進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)影響運(yùn)輸能力因素的計(jì)算分析，確定智軌系統(tǒng)運(yùn)輸能力受限于線(xiàn)路通過(guò)能力?？紤]實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的復(fù)雜性，確定智軌系統(tǒng)最大通過(guò)能力為20對(duì)/h，運(yùn)輸能力為0.5萬(wàn)～0.7萬(wàn)人/h，屬于低運(yùn)能軌道交通系統(tǒng)。研究結(jié)果明確了智軌系統(tǒng)運(yùn)輸能力，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)和推廣系統(tǒng)應(yīng)用具有重要意義。