城市軌道交通延伸線路列車編組方案研究
——以青島地鐵6號線二期為例

鄒 毓

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,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; 3.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

列車編組是軌道交通主要技術標準之一,影響建設成本及運營成本。列車編組以線路遠期高峰小時單向最大斷面客流量為依據(jù)確定。目前,國內以初、近、遠期均采用相同編組輛數(shù)為主,依據(jù)客流量存在4輛、6輛、8輛編組方案,其中6輛編組應用最多[1-3]。城市軌道交通線路根據(jù)功能定位可劃分為城區(qū)骨干線、加密線、市域快線等,其中城區(qū)骨干線為城市早期發(fā)展中先期建設的貫穿城市核心區(qū)域線路,適宜采用運營管理簡單、檢修方便、場段規(guī)模易控制的固定編組列車。但是,隨著各地軌道交通線網(wǎng)的逐漸完善,一線城市已完成三、四輪建設規(guī)劃,大多數(shù)二線城市也已經(jīng)完成兩輪建設規(guī)劃,由于大多新線延伸至城市邊緣地區(qū),城區(qū)加密線路與市域快線建設比例逐漸提高,兩者在客流特征上具有一定的相似性,大多面臨著兩個問題,一是客流時空分布不均衡,主要表現(xiàn)在早、晚高峰客流大,其余時段客流較小;二是實際客流與預測值差異較大,主要表現(xiàn)在換乘線路建設時序的影響,網(wǎng)絡效益發(fā)揮不足,客流存在較長時間的培育期,初期實際客流存在風險。在此種客流形式下,若繼續(xù)采用固定編組形式,難以實現(xiàn)服務水平與運營效益的最優(yōu),因此對城市軌道交通列車編組的研究必要且緊急。

城市軌道新建線路根據(jù)線路規(guī)劃可分為兩類,一類為純新建線路,一類為延伸線路[4-5],延伸線在編組研究中,需統(tǒng)籌考慮對既有線路施工或運營的影響,因此更為復雜。以青島軌道交通6號線二期為例,系統(tǒng)分析線路編組方案以及編組對6號線一期線路的影響,為青島軌道交通的發(fā)展提供借鑒。

1 城市軌道交通編組形式分析

1.1 編組形式分析

1.1.1 固定編組

初、近、遠期均采用相同的編組輛數(shù),依據(jù)客流量存在4輛、6輛、8輛編組方案,其中6輛編組應用最多。

方案優(yōu)點:采用固定編組列車時運營管理簡單、檢修方便,場段規(guī)模易控制。適應于各城市先期建設的中心城區(qū)骨干線路。

方案缺點:一般情況下,平峰小時客流占比僅為全日客流的5%～10%,采用固定編組形式存在運能浪費的現(xiàn)象,滿載率較低。

1.1.2 混跑編組

初期使用小編組列車,近、遠期采用小編組、大編組混跑方案,主要有4、6混跑,6、8混跑。

方案優(yōu)點:可有效提高線路服務水平,提升滿載率,減少初期購車費,降低運營成本。

方案缺點:①場段規(guī)模可能會增大;②站臺門、信號系統(tǒng)需特殊設計;③線路長期處于混跑狀態(tài),對運營組織要求高。

1.1.3 靈活編組

可細分為“3+3”、“4+4”解編連掛,初、近、遠期可作為一列獨立編組列車運營或聯(lián)掛列車在線運營,根據(jù)車輛廠家提供數(shù)據(jù),“3+3”聯(lián)掛列車較固定6編組列車增長1.2 m[6-9]。

方案優(yōu)點:可有效提高線路服務水平,提升滿載率,更好地適應客流特征,同時有效降低運營成本。

方案缺點:①站臺門、信號系統(tǒng)進行特殊設計;②全自動場景下解編連掛技術成熟性不足。

1.2 國內外城市軌道交通編組應用情況

固定編組是國內城市軌道交通最常見的編組,例如蘭州地鐵1號線,西安地鐵1～6號線,青島地鐵2、3、11、13號線等,不再展開說明。

近年來,各城市面對初期客流量級不高或高峰平峰客流差距較大的問題,已開始重視初期采用小編組或混合編組的方案,通過編組模式的改變能明顯節(jié)約列車牽引能耗,從而節(jié)約運營成本,為軌道交通的可持續(xù)發(fā)展提供保障[10-11],下面分別總結出混跑編組、靈活編組的應用情況,見表1、表2。

表1 混跑編組應用案例Table 1 Application cases of mixed running marshalling

表2 靈活編組應用案例Table 2 Application cases of flexible marshalling

國內對于列車編組的應用以固定編組為主,混跑編組、靈活編組的應用可以劃分為兩種情況,一是隨著中心城區(qū)線路飽和,地鐵線路由中心城區(qū)向郊區(qū)拓展,混跑編組、靈活編組開始有所應用[12-14];二是國內最開始修建的一批地鐵線路,例如重慶地鐵2號線,在設計時采用小編組列車,開通后由于客流量的激增,為滿足客運需求開始采用混跑方式運營[15-16]。

2 青島6號線二期編組方案研究

2.1 線路概況

2.1.1 線路整體情況

青島地鐵6號線為西海岸新區(qū)內部的大運量等級的骨干線,是一條呈反“C”形的線路,共分為三期建設,一期工程起點為辛屯路站,終點為生態(tài)園站,線路全長30.8 km,共設21座車站,平均站間距1.5 km,設抓馬山車輛基地1處,主變電站1處,于2019年底開工建設,計劃2024年底建成通車;二期工程線路全長13.9 km,均為地下線,設10座車站,其中青西站及前后部分區(qū)間土建工程已隨青西高鐵站同步實施完成,平均站間距1.4 km;三期工程共分兩段,北段起點為生態(tài)園站,終點為王臺站,線路全長8.7 km,設站5座,設王臺停車場1處。南段起點為鐵山站,終點為青西站(不含),線路全長3.8 km,均為地下線,設車站2座,設鐵山停車場1處,青島地鐵6號線線路平面走向見圖1。

圖1 青島地鐵6號線線路平面走向Fig.1 Plane Direction of Qingdao Metro Line 6

2.1.2 青島地鐵6號線一期工程建設情況

青島地鐵6號線一期工程采用固定6編組B型車,于2019年底開工建設,2022年5月,3列6編組TACS試驗B型車車已下線,其余車輛也已完成招標,2022年8月將完成設備安裝、9月實現(xiàn)全線洞通,在2024年底一期工程開通運營,二期工程將于2027年中旬運營,兩期線路運營時間相差2.5年。

2.2 客流特征分析

2.2.1 客流預測總體指標

青島地鐵6號線各特征年的主要客流指標如表3所示。

表3 青島地鐵6號線各特征年主要客流指標Table 3 Main passenger flow indicators for each characteristic year of Qingdao Metro Line 6

初期高峰小時客流最大斷面出現(xiàn)在峨眉山路站—富春江路站,最大斷面量為1.6萬人次/h;近、遠期高峰小時最大斷面位于朝陽山CBD站—華山一路站區(qū)間,最大斷面量分別為2.41,2.92萬人次/h。

2.2.2 全日客流分時段比例

青島地鐵6號線遠期全日客流早高峰出現(xiàn)在7:30—8:30,高峰系數(shù)17.8%;晚高峰出現(xiàn)在17:30—18:30,高峰系數(shù)16.4%,具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

青島地鐵6號線晚高峰略小于早高峰。早高峰小時客流相對更集中,高峰與平峰客流數(shù)據(jù)相差較明顯。

2.3 編組方案提出

由客流分析可知,青島地鐵6號線整體客流量級較大,遠期高峰小時客流斷面達2.92萬人次/h,適合6編組B型車。目前6號線一期已完成6編組列車招標工作,3列TACS試驗車已下線,同時峨眉山路站已隨1號線同期實施,且1號線部分目前已投入運營。6號線站臺一側站臺門(段門梁、柱)已按照6輛編組方案進行預留,在此背景下6號線若采用3+3靈活編組,需對3列TACS試驗車及峨眉山站改造,并且需重新進行車輛招標工作,程序復雜、周期長,易造成工期延誤,無法按期開通運營。

基于對一期工程影響最小,一期工程按原計劃購入29列固定6編組列車。比選方案一:二期繼續(xù)購入6編組列車(固定6編組)。方案二:二期工程購入4編組列車(4輛、6輛混跑編組)兩種,選出最適宜的編組形式。

2.4 基于運營分析編組方案

2.4.1 方案一:固定6編組開行方案

初、近、遠期均采用2∶1大小交路運行,初期大交路為青西站—生態(tài)園站,小交路為靈山灣路站—生態(tài)園站;近遠期大交路為鐵山站—王臺站,小交路為靈山灣路站—中韓園區(qū)站,初、近、遠期交路示意見圖3。

圖3 青島地鐵6號線固定6編組初、近、遠期交路Fig.3 Fixed 6formation initial, short-term, and long-term routing of Qingdao Metro Line 6

推薦的列車運行交路小交路覆蓋了6號線與其他軌道交通線路的換乘結點,同時在全線配線設計時考慮了應對不同交路方案的靈活性需求,在全線多處設置有具有折返功能的配線,在實際運營中可根據(jù)客流情況及運營需要靈活調整開行比例、組織不同交路運行。

2.4.2 方案二:4輛、6輛混跑編組開行方案

4輛、6輛混跑模式下,初、近、遠期均采用1∶1大小交路運行,初、近、遠期交路位置與固定6編組一致,交路示意見圖4。

圖4 青島地鐵6號線4輛、6輛混跑列車交路方案Fig.4 Routing plan for 4 and 6 mixed trains on Qingdao Metro Line 6

由圖4可見,在4輛、6輛混跑模式下,由于近、遠期客流增大,列車在高峰期出現(xiàn)4輛、6輛編組列車混跑情況,運輸組織難度較方案一大。

2.4.3 運營指標分析

選取全日、高峰滿載率、全日牽引能耗、配車數(shù)、車輛購置費等運營指標,系統(tǒng)分析兩編組方案的指標變化,指標比選見表4。

表4 青島地鐵6號線編組方案運營指標分析Table 4 Analysis of operation indicators for the formation scheme of Qingdao Metro Line 6

從表4分析可知,青島地鐵6號線采用4輛、6輛混跑后,初、近、遠期高峰行車對數(shù)均提高3對/h,客流服務水平提高,同時初、近、遠全日及高峰滿載率均有所提高,減少了運能浪費;全日牽引能耗方面,初、近、遠期分別降低23.83%、21.76%、16.75%,更加符合國家雙碳減排的政策;綜合三期車輛購置費,采用4輛、6輛混跑可節(jié)約11 160萬元。

2.5 基于改造成本分析編組方案

2.5.1 車輛系統(tǒng)

對車輛系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在應急救援,需滿足小編組列車對大編組列車的救援[17],4編組列車常用的動拖形式分為3動1拖(3M1T)與2動2拖(2M2T),表5針對兩種不同的動拖形式對應急救援進行分析。

表5 青島地鐵6號線4輛、6輛混跑下的應急救援分析Table 5 Emergency rescue analysis of Qingdao Metro Line 6 with mixed 4 and 6 formation Running

經(jīng)理論核算,3M1T空車救援6編組時啟動加速度為0.109 m/s2,大于最小起動加速度0.083 m/s2,可以正常起動,但2M2T空車救援6編組時,計算啟動加速度小于最小起動加速度0.083 m/s2,說明無法正常啟動,無法實現(xiàn)空車救援,為滿足列車應急救援,4編組列車應采用3M1T。

2.5.2 站臺門系統(tǒng)

6編組列車長度約為118.3 m,4編組列車長度約為79.3 m,車廂與車廂的聯(lián)結規(guī)格有兩種,規(guī)格一為帶司機室車廂與普通車廂的連接,長度為4 880 mm;規(guī)格二為普通車廂之間的連接,長度為5 780 mm。

青島地鐵6號線一期站臺門是按照固定6編組列車設計的,由于車廂聯(lián)結規(guī)格不同,4編組列車的第4節(jié)車廂車門將會與站臺門出現(xiàn)900 mm的錯位,易造成安全事故[18-19],車門與站臺門的對應關系如圖5所示。

圖5 4、6輛編組列車與站臺門的對應關系(單位:mm)Fig.5 Correspondence between 4-car and 6-car trains and platform doors (unit: mm)

為解決站臺門與車廂門錯位問題,可從兩個方面進行改造,分別為改造車輛方案、改造站臺門方案,下面分別進行說明。

(1)方案一:改造車輛方案(圖6)

圖6 改造車輛方案示意(單位:mm)Fig.6 Schematic diagram of vehicle renovation plan (unit: mm)

根據(jù)停車位置的不同,可分為站端?？俊⒄局型？績煞N改造方案。

針對站端?？?僅需加長第三、四節(jié)車廂連接長度,節(jié)省投資,但是不利于客流組織,易出現(xiàn)乘車混亂;針對站中?？啃杓娱L一、二節(jié),三、四節(jié)兩處車廂長度,投資更大但乘客組織簡單。

(2)方案二:改造站臺門方案(圖7)

圖7 站臺門改造方案示意(單位:mm)Fig.7 Schematic diagram of platform door renovation plan (unit: mm)

站臺門的開度可在500 mm范圍內調整,考慮增大站臺門開度450 mm,同時針對4編組列車停車位置較6編組列車偏移450 mm。

此方案通過站臺門改造,可解決站臺門與車廂門錯位問題,但是車門與滑動門同步性差,運營具有安全風險。

(3)綜合比選

對3種調整方式進行綜合比選,如表6所示。

表6 青島地鐵6號線車輛、站臺門系統(tǒng)方案綜合比選Table 6 Comprehensive comparison and selection of vehicle and platform door system schemes for Qingdao Metro Line 6

綜合3種方式優(yōu)缺點,方案一站中?？肯萝囕v改造方案站臺門無需調整;運營安全、便捷;中部?？勘阌诔丝统塑?推薦此方案。

2.5.3 通信系統(tǒng)

6號線一期工程站臺層PIS屏播控器方案采用一個播控器控制一側PIS屏,考慮引導乘客乘車,避免在沒有車廂的站臺門前等候,可增設1臺播控器,播放其他內容引導乘客前往正確停車位乘車。同時原6編組車到站無需提供車輛編組信息,在信號專業(yè)與PIS系統(tǒng)接口中的車次號信息中包含車輛編組信息,但PIS系統(tǒng)無法進一步解析車次號信息從而獲得車輛編組信息,需要修改軟件增加與車輛、信號系統(tǒng)接口。兩者改造費用約為700萬元。

2.5.4 信號系統(tǒng)

6號一期信號系統(tǒng)采用TACS系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛,目前已完成設備系統(tǒng)招標,正處于進行設計聯(lián)絡階段,要實現(xiàn)4輛、6輛混跑編組,6號線一期工程需修改方案,主要涉及硬件增加和軟件修改,相關費用如下。

(1)軌旁應答器、計軸增加費用(設備費和安裝費)約980萬元。

(2)軟件費約250萬元。

2.5.5 場段規(guī)模影響

4輛、6輛混跑情況下需要對線路場段規(guī)模進行核算,以確定土建規(guī)模的變化,青島地鐵6號線場段規(guī)模分配見表7。

表7 青島地鐵6號線場段規(guī)模分配Table 7 Scale allocation of Qingdao Metro Line 6 depot

經(jīng)過核算,停車列檢遠期總規(guī)模不變(均為90列位),近期由于運用車數(shù)增加6列位,近期鐵山停車場停車列檢庫增加面積約5 940 m2(約5 700萬元投資)。

2.6 編組方案結論

綜合運營經(jīng)濟性、改造成本對6號線采用固定編組及4輛、6輛混跑方案進行綜合比較,分析如表8所示。

表8 青島地鐵6號線編組方案綜合分析比選Table 8 Comprehensive analysis and comparison of formation schemes for Qingdao Metro Line 6

綜合運營指標及改造成本分析,4輛、6輛混跑方案可有效提高線路服務水平,提升滿載率,減少初期購車費,降低運營成本,且對于6號線一期工程影響較小,對于綜合費用來看,采用4輛、6輛混跑方案后,較6號線二期初步設計概算費用可減少近5.95億元,研究推薦6號線采用4輛、6輛混跑方案。

3 結語

列車編組方案是線路建設、運營的關鍵技術指標,隨著各地線網(wǎng)的不斷完善,線路逐漸向城市邊緣地區(qū)延伸,客流出現(xiàn)中心城區(qū)客流大,邊緣地區(qū)客流小,初、近期客流小,遠期客流大等時空不均衡特征,在既有線路或運營或在建的情況下,延伸線路的編組形式可否更改值得進一步探討。在分析國內目前常用的編組形式基礎上,以青島地鐵6號線二期為實際案例,首先分析線路概況、客流特征,并針對固定6編組及4輛、6輛混跑方案進行分析,從運營、改造成本進行研究,結果表明,6號線采用4輛、6輛混跑方案之后在提高運營指標的同時,運營成本可降低5.95億元,且改造切實可行,應予以推薦。

傳統(tǒng)二期線路編組方案會直接與一期工程保持一致,而忽略二期線路開通之后的客流特征變化對編組產(chǎn)生的影響,對相似延伸線路的編組研究具有借鑒意義,但是在實際工程中,無論延伸線還是規(guī)劃新線存在邊界條件的不同,不同的編組方案根據(jù)實際情況仍需分析研究確定。