首條成環(huán)的無人駕駛智慧環(huán)線運營組織研究
——以西安地鐵8號線為例

武 靜

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著城市化進(jìn)程加快，國內(nèi)越來越多的特大型城市在構(gòu)建城市軌道交通線網(wǎng)過程中，通過規(guī)劃建設(shè)環(huán)形線路以打造線網(wǎng)的核心骨架[1]。

據(jù)統(tǒng)計，全世界共建有40多條地鐵環(huán)線。國內(nèi)目前已運營的環(huán)線共包括8條線路，分別為北京地鐵2、10號線、上海地鐵4號線、哈爾濱地鐵3號線、成都地鐵7、9號線、重慶地鐵環(huán)線、鄭州地鐵9號線。其中，重慶地鐵環(huán)線為互聯(lián)互通模式，其他線路均為獨立運營模式。另外，有9座特大城市規(guī)劃了10條獨立環(huán)線，7座城市規(guī)劃了7條組合環(huán)線[2]。

通過對國內(nèi)外主要城市的環(huán)線進(jìn)行分析，大多數(shù)環(huán)線串聯(lián)城市二環(huán)、三環(huán)快速路。但城市快速路服務(wù)的對象為對外客流，不應(yīng)和公交走廊重合，兩者功能應(yīng)區(qū)分開來[3]。西安地鐵8號線作為線網(wǎng)唯一環(huán)線，路由選線尤為重要。二環(huán)路地下為排洪渠，施工條件差，同時三環(huán)周邊發(fā)展規(guī)模有限，客流強(qiáng)度不大。因此，8號線路由選線避開了二、三環(huán)路，充當(dāng)了地下2.5環(huán)的重要角色，串聯(lián)最多主城區(qū)域，并與線網(wǎng)中多條線路換乘，其運營組織方案是前期研究的重點和難點。因此，針對速度目標(biāo)值、站立標(biāo)準(zhǔn)、車輛選型及編組、運輸組織模式、行車組織方案、運營管理等方面進(jìn)行了分析研究。

1 環(huán)線功能及特征

環(huán)線的功能主要分為串聯(lián)沿線客流和外圍分流截流兩方面。實現(xiàn)周向聯(lián)系，承擔(dān)城市周圍的客流集散；截流功能，為市郊與中心區(qū)的客流提供更多的換乘路徑，減輕中心區(qū)換乘壓力[4]。

環(huán)線全線客流量往往高于放射形線路，可包容線網(wǎng)中心區(qū)的所有換乘點。一般選在城市中心區(qū)邊緣，串聯(lián)了較多的大型商場、交通樞紐等大型客流集散點，形成了基本客流源和支撐點，并形成環(huán)線自身的客流走廊。

國內(nèi)外環(huán)線運營模式可分為5種，如圖1所示[2]。分別為獨立環(huán)線運營、勺形環(huán)線運營、共線環(huán)線運營、組合環(huán)線運營、大小環(huán)線運營。其中，獨立環(huán)線運營占已運營環(huán)線總數(shù)的一半以上[3]。

圖1 環(huán)線常用運營模式

2 西安環(huán)線概況

西安地鐵8號線是都市區(qū)軌道交通線網(wǎng)中的骨干線，線網(wǎng)中唯一環(huán)線，重要的換乘線路。貫穿雁塔區(qū)、新城區(qū)、灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、蓮湖區(qū)等5個行政區(qū)以及高新區(qū)、曲江新區(qū)、浐灞生態(tài)園區(qū)、經(jīng)開區(qū)等4個開發(fā)新區(qū)[5]。形成主城區(qū)內(nèi)二環(huán)至三環(huán)之間的一條最主要的客運交通走廊，充當(dāng)?shù)叵?.5環(huán)的重要角色，在整個線網(wǎng)中起到主骨架作用。

全線長約49.9 km，均為地下線，設(shè)站37座，平均站間距1.35 km。全線設(shè)1段1場。新建1座主變電所。在車輛段內(nèi)設(shè)控制中心1座。地鐵8號線線路走向示意見圖2。

圖2 西安地鐵8號線線路走向示意

3 功能定位及客流特征

地鐵8號線途經(jīng)丈八東路、萬壽路、鳳城二路、朱宏路等道路，周邊分布密集居住用地，途經(jīng)的西二環(huán)道路兩側(cè)主要為金融商貿(mào)及居住用地，唐延路為西高新中心區(qū)，分布金融商貿(mào)、酒店會所、寫字樓等，線路沿線客流需求大。建設(shè)8號線，緩解沿線交通壓力，將城市市區(qū)各個片區(qū)緊密地連在一起，為各片區(qū)提供便捷、快速的地鐵。

地鐵8號線的建設(shè)能夠很好地服務(wù)于環(huán)線兩側(cè)大型客流點集散及交通換乘，同時為市域線路進(jìn)入主城區(qū)創(chuàng)造良好的接駁條件，可實現(xiàn)各交通走廊之間的快速轉(zhuǎn)換，分散中心區(qū)換乘站的負(fù)荷壓力，優(yōu)化主城區(qū)與外圍區(qū)域聯(lián)系[6]。

8號線共有換乘站18座，換乘站全日客流占全線客流的73.62%；初、近、遠(yuǎn)期最大斷面均出現(xiàn)在早高峰時段，分別為2.54，3.23，3.90萬人次/h。初、近、遠(yuǎn)期早高峰斷面流量見圖3。

圖3 初、近、遠(yuǎn)期早高峰斷面流量

8號線高峰斷面客流量呈現(xiàn)出以下特點。

(1)同區(qū)間上下行方向斷面客流量不均衡性較小，基本呈對稱分布：為城市提供沿環(huán)周切向客流快速通道的同時，也滿足各條徑向線路之間的換乘需求，兼具客流集散和換乘功能[7-11]。由于其環(huán)線特征，上、下行客流斷面基本呈對稱分布，沒有明顯的錯峰現(xiàn)象。

(2)分區(qū)段客流斷面呈現(xiàn)出明顯的不均衡性：8號線位于西安市二、三環(huán)之間，沿線區(qū)域用地開發(fā)較成熟，但環(huán)線四周用地各有分工，西南部主要為高新產(chǎn)業(yè)和居住區(qū)，東北部主要為居住區(qū)，客流的集散量均很大，東南角與西北角由于受三環(huán)阻隔和文物保護(hù)影響，客流的集散量較小。早高峰時段主要以通勤客流為主，受到沿線用地性質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)換乘關(guān)系的影響，環(huán)線客流斷面呈現(xiàn)出明顯的不均衡性，局部高斷面客流量是低斷面客流量的3倍多。

4 運營組織方案

4.1 速度目標(biāo)值

地鐵8號線全長49.9 km，共設(shè)37座車站，由于該線為環(huán)線，乘客可視車廂內(nèi)乘客的擁擠度和自己的急切程度任意選取乘坐的方向，均可到達(dá)目的地。當(dāng)較為急切時，可選取較近的方向乘坐，對于乘客來講，本線長度僅相當(dāng)于整個環(huán)線長度的一半，約為25 km，并不屬于超長線路。

全線范圍內(nèi)站間距小于1.5 km的區(qū)間共28個，占總區(qū)間數(shù)的75.7%。單從站間距與速度的適應(yīng)性方面看，80 km/h速度目標(biāo)值能夠較好地適應(yīng)本線站間距離的特點。地鐵8號線與線網(wǎng)中大部分線路均有1～2次換乘，換乘功能突出，發(fā)揮著調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中各線客流的作用，主要解決外圍區(qū)域快速進(jìn)入中心區(qū)的客流需求，客流以通勤客流為主，乘客出行平均運距較小，僅為6.9 km，對旅行速度目標(biāo)值要求不高，因此，采用80 km/h。

4.2 車輛選型及編組方案

地鐵8號線發(fā)揮著調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中各線客流的作用，換乘功能突出，與線網(wǎng)中大部分線路均有1～2次換乘，1、2、4號線連接了西安市老火車站、北客站、城東客運站等主要的鐵路、公路對外交通樞紐，對外客流將占較大比重，不乏攜帶大件行李的乘客會通過本線換乘，應(yīng)考慮較為寬松的站立標(biāo)準(zhǔn)。8號線遠(yuǎn)期高峰小時客流為3.90萬人/h，全日客流高達(dá)176.39萬人，全日客流高。因此，建議車輛選型時采用較為良好的擁擠度，采用5人/m2站立標(biāo)準(zhǔn)。

在《關(guān)中城市群都市區(qū)城市軌道交通西安網(wǎng)規(guī)劃》中，1～8、11號線為都市區(qū)骨干線，均考慮采用普通輪軌系統(tǒng)。從建設(shè)規(guī)劃的實施情況來看，目前已建、在建線路及同步實施地鐵8號線部分換乘節(jié)點也在按照普通輪軌系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、施工[5]。8號線應(yīng)采用普通輪軌系統(tǒng)。

我國城市化進(jìn)程還在不斷加快之中，8號沿線尚有部分未開發(fā)的建設(shè)用地，城市規(guī)劃的不確定性是客觀存在的，很難對客流進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測；同時，遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)形成后，換乘客流增大也會刺激全線客流的增長。保留充裕的運能余量對于以換乘客流為主的環(huán)線非常有必要。同時，地鐵8號線均為地下線路，地下空間受地面構(gòu)筑物、地下管線、地質(zhì)構(gòu)造影響較大，要進(jìn)行建筑物拆遷、到路改移、管線遷改、樁基托換、不良地質(zhì)處理，建設(shè)難度巨大，且具有不可逆性，一次建成后不具備改擴(kuò)建的條件，因此，在車輛選型時也應(yīng)考慮此因素，為未來留有足夠的空間。因此，采用A型車6輛編組。

4.3 采用全自動無人駕駛獨立運營模式

對國內(nèi)外的環(huán)線運輸組織模式進(jìn)行分析，應(yīng)重點考慮以下幾方面：①要有足夠的線網(wǎng)規(guī)模；②在主要市中心區(qū)促進(jìn)形成互聯(lián)發(fā)展的節(jié)點環(huán)；③把主要的軌道樞紐和走廊連接起來；④增強(qiáng)環(huán)線和放射線方向乘客的軌道通達(dá)性；⑤降低市中心放射線之間換乘壓力。國內(nèi)已運營環(huán)線中，僅重慶環(huán)線為互聯(lián)互通模式，其他線路均為獨立運營模式[12]。

結(jié)合地鐵8號線線路走向、功能定位、客流特征分析，適宜的運輸組織模式為獨立運營。同時，無人駕駛技術(shù)能使列車實現(xiàn)全自動控制，避免人為操作導(dǎo)致的運營故障，因此，8號線也緊跟趨勢。地鐵8號線運營后將成為全國首條無人駕駛環(huán)線，也將為西安后續(xù)無人駕駛地鐵線路起到指導(dǎo)作用。

4.4 行車方案

4.4.1 交路

地鐵8號線全線共有18座換乘站，占全線車站總量的48.6%，高峰小時客流上下行基本均衡；換乘站數(shù)量多且客流集散量及換乘客流量大；高低段面交錯分布，低段面區(qū)段高峰客流并不低，且低段面區(qū)段存在多處乘降量較大的換乘站，很難選出合適的小交路折返點。因此，采用一個大交路。結(jié)合高峰小時斷面客流，同時考慮到網(wǎng)絡(luò)化運營需求，內(nèi)、外環(huán)均開行一個大交路，初、近、遠(yuǎn)期高峰開行對數(shù)分別為22，24，28對/h。交路見圖4。

圖4 交路

針對8號線的客流斷面呈現(xiàn)明顯不均衡性特征，可考慮利用場段出入線和停車線，組織單方向加車，對高斷面區(qū)段實行削峰作業(yè)。

4.4.2 配線

地鐵8號線為環(huán)線，有雙向收發(fā)車需求，同時車輛基地停車列位較多，對收發(fā)車能力要求較高，場段接軌均采用收發(fā)車能力最大的方案1，即“八”字線接軌[13-19]。場段接軌方案見圖5。

圖5 場段接軌方案

東儀路站位于線路的西南角，丈八東路與東儀路交叉口，車站兩側(cè)均具備設(shè)置配線條件。東儀路為8號線與11號線的換乘站，同時與11號線共享大架修基地。本段配線從工程投資、實施條件及功能上綜合研究分析，采用方案2。方案比選見圖6。

圖6 電子城—東儀路站配線型式方案(單位：km)

全自動無人駕駛模式故障狀態(tài)救援時，需采用人工駕駛救援，人工駕駛模式需考慮司機(jī)上車時間，即到達(dá)故障現(xiàn)場后連掛、推進(jìn)時被救援列車司機(jī)到達(dá)被救援車輛前端(牽引時救援列車司機(jī)到達(dá)救援列車的前端)的時間，停車線距離應(yīng)適當(dāng)縮短，才可滿足救援需求。目前，國內(nèi)尚無針對全自動運行的規(guī)范，故障停車線間距還沒有明確規(guī)定，還需要進(jìn)一步探討明確。另外，國內(nèi)正在研制無司機(jī)情況下兩列車自動連掛功能，隨著科技的發(fā)展，此功能如能應(yīng)用，無需考慮司機(jī)登車時間。

地鐵8號線運營初期，采用有人值守的自動駕駛DTO，處理故障車下線時，無需考慮司機(jī)登車時間。待近遠(yuǎn)期時期成熟后采用無人值守的全自動駕駛UTO，處理故障車下線時，需額外考慮司機(jī)登車時間[20]。

全線配線圖見圖7。本線停車線間距超過9 km的僅有1處：東儀路站—新植物園站長9.4 km，新植物園站為場段接軌站，東儀路站設(shè)置單線雙列位停車線，均無需進(jìn)行救援列車摘鉤和救援列車退出停車線至車站的作業(yè)，可節(jié)省部分時間，抵消掉司機(jī)登車耗費的時間?？砂芽偩仍畷r間控制在30 min之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

圖7 西安地鐵8號線全線配線(單位：km)

4.4.3 備用交路

為應(yīng)對不同的客流預(yù)測，結(jié)合全線配線方案，在實際運營中可根據(jù)客流實際情況及運營需要靈活調(diào)整開行比例、組織不同交路運行。備用交路見圖8。

圖8 備用交路

4.4.4 配線能力核算

以長鳴路車輛段出入線為例進(jìn)行核算。采用八字線型式，分別接軌于新植物園站和東月路站，均為地下島式車站，遠(yuǎn)期停站時間均為30 s。

(1)新植物園站

新植物園站出、入段作業(yè)過程及時間見圖9、圖10。

圖9 新植物園站出段作業(yè)過程及時間

圖10 新植物園站入段作業(yè)過程及時間

(2)東月路站

東月路站出、入段作業(yè)過程及時間見圖11、圖12。

圖11 東月路站出段作業(yè)過程及時間

圖12 東月路站入段作業(yè)過程及時間

由圖9～圖12可知，新植物園站、東月路站出入段最大間隔均為112 s，可滿足120 s系統(tǒng)能力要求。

4.4.5 全自動無人駕駛的運營管理

全自動無人駕駛系統(tǒng)正常情況下運行模式是一種將列車駕駛員執(zhí)行的工作，完全由自動化的、高度集中的控制系統(tǒng)和調(diào)度人員所替代的列車運行模式[21]。

控制中心為確保線路正常運營而計劃并執(zhí)行每日運營操作，下達(dá)運營指令。在正常運營情況下，由中心調(diào)度員在該日運營開始時激活運營程序，系統(tǒng)根據(jù)具體運營日的時刻表要求安排列車進(jìn)入運營模式。運營從出庫開始至入庫結(jié)束，中心調(diào)度員通過列車表號識別每一列列車及其交路，以監(jiān)控列車運行。到晚間運營結(jié)束，系統(tǒng)按照時刻表讓列車退出運營。列車將根據(jù)運行圖和存車表的指示，返回車場。

全自動無人駕駛系統(tǒng)與有人駕駛的本質(zhì)區(qū)別在于是否有司機(jī)參與控制日常狀態(tài)下的列車運行。正常情況下，由調(diào)度人員在控制中心代替司機(jī)完成相關(guān)行車控制、乘客服務(wù)及車輛設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，因此，全自動無人駕駛線路運營管理模式仍可沿用兩級管理、三級控制的模式，只是在各級管理機(jī)構(gòu)組織與實現(xiàn)手段上存在一定調(diào)整。

5 結(jié)語

地鐵8號線是西安都市區(qū)軌道交通線網(wǎng)的骨干線，是線網(wǎng)中的唯一環(huán)線，重要的換乘線路。作為國內(nèi)第三長度環(huán)線，充當(dāng)西安地下2.5環(huán)的重要角色，串聯(lián)西安最多主城區(qū)域、未來可能最大客流量的地鐵線路，首次采用更大運量的A型車，建成后將成為國內(nèi)首條成環(huán)運營的無人駕駛智慧環(huán)線。

經(jīng)分析研究，西安地鐵8號線為最高速度80 km/h、A型車6輛編組、全自動無人駕駛、獨立運營的城區(qū)骨干線。前期研究過程中，在明確全線功能定位、客流特征的前提下，提出速度目標(biāo)值、車輛選型及編組、運輸組織模式、行車組織方案、運營管理等進(jìn)行了研究，為類似地鐵環(huán)線的運營組織方案提供了借鑒。建議后續(xù)城市應(yīng)結(jié)合自身城市空間結(jié)構(gòu)、線網(wǎng)規(guī)模、線網(wǎng)形態(tài)、客流預(yù)測、用地條件、道路路由等方面因素，予以綜合研究確定地鐵環(huán)線的運營組織方案。