廣州市域快速軌道交通18號(hào)線和22號(hào)線快慢車及共線運(yùn)營下的線路通過能力分析

蔡涵哲 馬 鵬 江志彬 鄒曉磊

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 510010， 廣州； 2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804， 上海； 3.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 201804， 上海∥第一作者, 高級(jí)工程師)

市域快速軌道交通(以下簡稱“市域快軌”)是一種主要服務(wù)于城市郊區(qū)和周邊新城、城鎮(zhèn)與中心城區(qū)聯(lián)系，并具有通勤客運(yùn)服務(wù)功能的中、長距離的大運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng)。市域快軌服務(wù)以城市客流為主，滿足通勤、通商、通學(xué)、旅游休閑等客流需求。通勤客流作為市域快軌的主要客流，期望提高郊區(qū)到市中心之間的旅行速度，因而市域快軌通常具備開行快慢車的線路條件和客流需求[1]。

快慢車運(yùn)營組織是根據(jù)線路的長、短途客流特點(diǎn)和通過能力利用狀況，在開行站站停慢車的基礎(chǔ)上，同時(shí)開行跨站快車，從而使運(yùn)輸組織適應(yīng)客流特征的一種網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營組織技術(shù)[2]。針對(duì)市域快軌線路的客流特征和服務(wù)需求，最常用的運(yùn)營組織方式有快慢車運(yùn)營和多交路運(yùn)營兩種[3]。但市域快軌線路配線復(fù)雜，尤其是在多線互聯(lián)互通的條件下，開行交路與停站方案較多，且存在多個(gè)限定條件的越行站。多線路、多交路快慢車組合開行方案下的線路通過能力受不同共線交路的開行比例、快慢車開行比例、越行地點(diǎn)等因素的綜合影響[4-5]。傳統(tǒng)的解析法能力評(píng)估在精確性上有一定的局限性，計(jì)算機(jī)仿真方法可以有效精確評(píng)估不同開行方案條件下的能力。本文以廣州市域快軌18號(hào)線和22號(hào)線為例，以同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的城市軌道交通列車運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)編制系統(tǒng)(TPM)為工具[6]，研究限定越行站條件下不同越行地點(diǎn)、不同快慢車開行比例及不同共線交路開行比例對(duì)線路通過能力的影響規(guī)律和不同運(yùn)營方案條件下的線路最大通過能力。

1 廣州市域快軌18號(hào)線和22號(hào)線開行方案

1.1 線路概況

廣州市域快軌18號(hào)線(以下簡稱“18號(hào)線”)與22號(hào)線(見圖1)串聯(lián)南沙副中心、花都、白云及廣州中心區(qū)，實(shí)現(xiàn)廣州中心區(qū)與南沙副中心、白云城市中心、花都城區(qū)及白云機(jī)場的快速軌道交通聯(lián)系。兩線打通廣州南北走廊，快速連接萬頃沙站、廣州南站、廣州東站、白鵝潭站、白云站、白云機(jī)場站等主要交通樞紐，實(shí)現(xiàn)南沙新區(qū)至廣州東站及廣州南站30 min，以及南沙新區(qū)至白云機(jī)場45 min通達(dá)的時(shí)空目標(biāo)。

兩線設(shè)計(jì)速度均為160 km/h，車輛選型為8輛編組市域D型車，采用快慢車運(yùn)營模式。此外，兩線為互聯(lián)互通設(shè)計(jì)，在線路南段有3個(gè)共線車站：萬頃沙站、橫瀝站、番禺廣場站。白云區(qū)段的白云城市中心站和空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站亦具備跨線運(yùn)營條件。

1.2 開行方案概況

基于線路的功能定位和客流交互需求，18號(hào)線和22號(hào)線考慮兩種運(yùn)營模式：獨(dú)立運(yùn)營和共線運(yùn)營。本文重點(diǎn)研究不同運(yùn)營模式下不同列車開行數(shù)量以及快慢車開行比例對(duì)通過能力的影響。

獨(dú)立運(yùn)營模式為：18號(hào)線開行萬頃沙站—廣州東站—天貴站的獨(dú)立交路，22號(hào)線開行番禺廣場站—廣州南站—白云機(jī)場站的獨(dú)立交路(見圖2)。共線運(yùn)營模式為：開行萬頃沙站—廣州東站—天貴站和萬頃沙站—廣州南站—白云機(jī)場站兩個(gè)交路(Y型交路)，在萬頃沙站—番禺廣場站區(qū)段共線運(yùn)營(見圖2)。

2 線路通過能力計(jì)算仿真方案

2.1 線路通過能力的分析方法

根據(jù)列車的運(yùn)行方式，將列車運(yùn)行圖分為平行運(yùn)行圖和非平行運(yùn)行圖。對(duì)于站站停列車的平行運(yùn)行圖，其通過能力的計(jì)算公式為：

n=3 600/T周

(1)

式中：

n——線路小時(shí)通過能力,列/h;

T周——運(yùn)行圖周期，s。

對(duì)于非平行運(yùn)行圖，由于列車的停站方式不同導(dǎo)致區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分不同，它的通過能力需要根據(jù)列車的越行方案和快慢車開行比例單獨(dú)確定。相應(yīng)地，其運(yùn)行圖周期需要單獨(dú)確定,見圖3。

非平行運(yùn)行圖線路通過能力的計(jì)算方法：先確定單位時(shí)間內(nèi)可以鋪畫運(yùn)行周期的數(shù)量，然后乘以該類型運(yùn)行周期內(nèi)所包含的列車數(shù)。其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：

n周——1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)所包含的列車數(shù)，列。

非平行運(yùn)行圖線路通過能力的分析方法有扣除系數(shù)法、試驗(yàn)繪圖法及計(jì)算機(jī)仿真方法等。計(jì)算機(jī)仿真方法是通過模擬鋪畫給定開行方案條件下線路的最大通過能力運(yùn)行圖，可得到線路的最大通過能力。該方法具有精度高、運(yùn)算快等優(yōu)點(diǎn)。本方案采用TPM系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真方案的設(shè)計(jì)原則

結(jié)合18號(hào)線和22號(hào)線的開行方案和配線條件，通過計(jì)算以及考慮一定冗余，同向發(fā)車間隔時(shí)間I發(fā)發(fā)不小于140 s，同向到站與通過間隔時(shí)間I到通不小于90 s，同向通過與發(fā)車間隔時(shí)間I通發(fā)不小于35 s。快車僅在限定的車站越行慢車，18號(hào)線的限定車站為南村萬博站、沙溪站、石榴崗站、琶州西區(qū)站和白云城市中心站，22號(hào)線的限定車站為祈福站、陳頭崗站和白云城市中心站。

仿真分析的目的為：①分析不同越行地點(diǎn)對(duì)線路通過能力的影響；②分析不同越行次數(shù)對(duì)線路通過能力的影響；③分析不同快慢車開行比例和共線交路開行比例對(duì)線路通過能力的影響。

仿真方案的設(shè)計(jì)原則如下：①快慢車呈組合周期化開行；②快車優(yōu)先且盡量保證慢車的旅行速度最大；③慢車被越行的次數(shù)盡量少(單程不超過2次)。

2.3 仿真方案設(shè)計(jì)

本次研究主要仿真3種運(yùn)營模式，共16個(gè)方案，見表1。

3 線路通過能力仿真結(jié)果分析

基于TPM系統(tǒng)，對(duì)上述方案中的最大線路通過能力進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果見表2。方案3-2的線路通過能力仿真運(yùn)行圖見圖4。

表1 18號(hào)線與22號(hào)線運(yùn)營方案表

表2 18號(hào)線與22號(hào)線運(yùn)營方案線路通過能力匯總

3.1 18號(hào)線獨(dú)立運(yùn)營時(shí)的線路通過能力分析

在單列慢車被越行1次的情況下，快慢車開行比例為1∶1、1∶2對(duì)應(yīng)的線路最大通過能力分別為11.43列/h、15.10列/h；單列慢車被越行2次的情況下，快慢車開行比例為1∶1時(shí)的線路通過能力為12.41列/h。不難發(fā)現(xiàn)，在單列慢車被越行1次時(shí)，快慢車開行比例越大，線路通過能力越大。而在快慢車開行比例均為1∶1時(shí)，單列慢車被越行2次的通過能力(12.41列/h)大于被越行1次的通過能力(11.43列/h)。

3.2 22號(hào)線獨(dú)立運(yùn)營時(shí)的線路通過能力分析

在單列慢車被越行1次時(shí)，快慢車開行比例為1∶1、1∶2對(duì)應(yīng)的線路最大通過能力分別為15.00列/h、17.85列/h；單列慢車被越行2次時(shí)，快慢車開行比例為2∶1時(shí)的線路通過能力為15.88列/h。不難發(fā)現(xiàn)，在單列慢車被越行1次時(shí)，快慢車開行比例越大，線路通過能力越大。

3.3 兩線共線運(yùn)營時(shí)的線路通過能力分析

列車在共線區(qū)段時(shí)，快慢車停站方式均相同，18號(hào)線和22號(hào)線的列車到達(dá)番禺廣場站的間隔越均勻，相應(yīng)的線路通過能力越大。兩交路開行比例不同時(shí)，越行的地點(diǎn)會(huì)有所變化，且非共線段的均衡性亦有較大差異。當(dāng)18號(hào)線快慢車開行比例為1∶1(琶洲西區(qū)站為越行站)、22號(hào)線快慢車開行比例為1∶2(白云城市中心站、祈福站為越行站)時(shí)，共線段線路通過能力最大，為24.83列/h。

3.4 綜合分析

基于上述不同方案，可以得出以下結(jié)論：

1) 單列慢車被快車越行相同次數(shù)(本案例中為1次)時(shí)，同一周期內(nèi)快車與慢車之間的開行數(shù)量相差越大，線路通過能力越大。由于快慢車混合開行，線路通過能力會(huì)有所下降；但同等級(jí)列車追蹤鋪畫得越多，線路上列車運(yùn)行速度差有所降低，線路通過能力損失得亦越少。

2) 快慢車開行比例相同時(shí)，隨著單列慢車被越行次數(shù)增加，線路通過能力亦隨之增加。例如，方案1-8與1-4、1-5相比，同樣是快慢車1∶1開行，但方案1-8中單列慢車被越行2次，且越行地點(diǎn)與方案1-4、1-5相同，但線路通過能力明顯增加。因此，可以考慮在快慢車運(yùn)行的線路上通過增加慢車被越行次數(shù)來增加線路通過能力。但慢車被越行的次數(shù)不能過多，否則慢車旅行速度會(huì)明顯降低，從而降低了乘客服務(wù)水平，同時(shí)其線路通過能力的增長亦較為有限。

3) 獨(dú)立運(yùn)營時(shí)，受快慢車運(yùn)行速度差的影響，18號(hào)線列車進(jìn)入共線段(番禺廣場站—萬頃沙站)的間隔時(shí)間被延長，導(dǎo)致共線段能力利用率較低。共線運(yùn)營時(shí)，由于共線段的列車由18號(hào)線和22號(hào)線兩條線匯入(出)，可以充分利用獨(dú)立運(yùn)營時(shí)的富裕能力，使得共線段的能力利用率得到提高(見圖4)。

4) 兩線共線運(yùn)營時(shí)，非共線段的能力利用率較低，平均服務(wù)間隔較大。可根據(jù)實(shí)際客流需求和非共線段的能力利用情況，考慮在非共線段增加小交路，以提升非共線段的服務(wù)水平。但小交路開行需要重點(diǎn)考慮快慢車的越行地點(diǎn)選擇和折返站能力的適應(yīng)性等問題。

上述計(jì)算結(jié)果為不考慮列車延誤情況下所得到的線路通過能力理論值。為了提高運(yùn)營的安全可靠性，應(yīng)對(duì)客流需求動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)考慮到列車延誤等特殊情況，實(shí)際運(yùn)營需要留有一定的能力冗余。

4 結(jié)語

市域快軌是我國未來交通發(fā)展的重點(diǎn)。針對(duì)多線共線運(yùn)營、快慢車組合開行方案的理論仍有待進(jìn)一步完善。本文探討了越行地點(diǎn)和越行次數(shù)、快慢車開行比例、共線交路的開行比例等因素對(duì)于線路通過能力的影響。并基于計(jì)算機(jī)仿真方法，以廣州市域快軌18號(hào)線和22號(hào)線為例，得到了不同運(yùn)營方案條件下的線路最大通過能力。相對(duì)于傳統(tǒng)站站停模式，快慢車開行對(duì)于線路最大通過能力有一定的損失。因此，如何基于客流需求特征，在滿足線路通過能力要求的條件下，選擇合理的開行方案是運(yùn)營實(shí)踐中需要考慮的關(guān)鍵問題。列車開行方案的組合眾多，本文主要提出了一種分析的方法與思路，可為軌道交通線路的開行方案優(yōu)化與能力評(píng)估提供參考。