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1、采用小编组、高密度列车运行方案 是降低工程造价及运营费用的有效途径1我国城市有轨交通工程建设及运营存在的主要问题解决城市交通问题的措施之一是建设城市有轨交通路网，由地下、地面、高架的地铁、轻轨或其他形式构成，并结合其他交通设施以满足市民的出行需求。我国大部分面临严重交通问题的城市都是首次或在未形成城市有轨交通路网的情况下建设城市有轨交通工程的，线路走向大都经过城市主要街道，工程建设涉及到旧城改造、购地、拆迁、地下管道搬移等问题，又基本上按远期客量需要进行规划、设计，在运营设备方面采用了大量技术先进的进口的车辆、机电设备和控制系统，再加上附加工程项目如物业开发项目等，以致建设规模巨大，工程造价居
2、高不下，工程建设筹资困难，财力难以应付，在投入行后，造成运营费用过高，票务收入与运营、财务开支严重不平衡，尤其在初、近期客运量还未达到设计要求时矛盾更为突出，只能以大量财政补贴维持城市有轨交通运作，成为政府财政包袱，形成有轨交通项目上得越多，将来政府财政包袱越重的后果。若提高票价又增加市民负担，减少了城市有轨交通的吸引力，作为市民出行的主要交通工具的应有作用不能充分发挥，票务收入也达不到预期目标，这些情况都已成为发展城市有轨交通的巨大障碍。因而在满足运营要求前提下控制建设规模，大幅度降低工程造价，降低运营费用成为当前最迫切需要解决的问题，许多有效的措施可缓解目前面临的严重局面，如：合理规划城市
3、有轨交通网，与其他交通形式有机结合，按城市交通规划及运量要求分期建设及投资、采用合理高效的运营管理模式、有针对性地采用一些自动化装备、提高劳动生产率、提高车辆及机电设备国产化程度等。这些措施都已取得很好效果，但工程造价居高不下、运营费用过高的问题目前仍然在较大程度上存在，制约了城市有轨交通的发展。本文讨论采用小编组、高密度运营方案作为设计、建设和管理城市有轨交通的出发点，以达到控制工程规模、降低工程投资、节省运营费用、提高服务水平的目的可能性。2城市有轨交通客流量的特点（参考成都地铁1号线客流预测资料）(1) 初、近、远期高峰小时最大断面客流量有很大不同，分别为13 716人次/h、26 51
4、8人次/h及39 253人次/h。因初、近期高峰小时最大断面客流量只有远期高峰小时最大断面客流量的1/3及2/3，因而在初、近期的15年内只能以较长的列车运行间隔及较低的载客率运行，降低了服务水准，运行成本较高。(2) 线路不同断面高峰小时客流量有很大不同，为提高载客率、减少车辆配置、达到降低运营成本及投资的目的，一般采用大、小交路套跑的方式组织列车运行，需要设置用于小交路列车折返运行的中间折返站及折返线，解决小交路列车在中间折返站折返时的清客问题。(3) 天不同时段客流量有很大不同（见表21）。表21时段占全天比例(%)时段占全天比例(%)早超低峰5:306:300.5平峰14:3015:3
5、05早低峰6:307:30315:3016:305早高峰7:308:301416:3017:307早次高峰8:309:3010晚次高峰17:3018:30109:3010:3010平峰18:3019:306平峰10:3011:30619:3020:30411:3012:305晚低峰20:3021:30312:3013:305晚超低峰21:3022:30113:3014:30522:3023:300.5分析可见：1）超低峰、低峰、平峰、次高峰、高峰各时段每小时客流量的比大约为1（0.5）：3：5：10：14，相差很大；2）高峰时段只有1h，但担负了全天客流总量的14，即1/7，必须保证此时段乘客
6、乘车需要；3）平峰时段最长，为9h，但小时客流量只有高峰时段的1/3，既要采用比较短的列车运行间隔，保证一定的服务水准，还要保证较高的载客率，达到降低运营成本的目的；4）低峰、超低峰时段乘客稀少，可采用比较长的列车运行间隔，保持较高的载客率，有条件时可采用特小列车编组，以减小列车运行间隔；5）为使远期平峰及高峰时段车辆的载客率达到设计要求，降低运营成本，有以下不同列车间隔时分运营方案（见表22）。表22方案列车间隔时分/每小时列对数高峰平峰1120s/30对360s/10对2100s/36对300s/12对390s/40对270s/13.3对480s/45对240s/15对其中方案3及方案4比
7、较合理，在平峰时段列车运行间隔为270s（4.5min）及240s（4min），保持一定的服务水准，但高峰段的列车运行间隔必须达到90s（1.5min）及80s（1.3min），即每小时列车对数为40对及45对。3最小列车运行间隔及车辆类型、列车编组的确定每一条城市有轨交通线路建设都以初、近、远期客流量作为确定土建建设规模、车辆类型和列车编组、建筑设备和运行监控管理系统能力的重要基础资料之一，各个专业还根据初、近、远期客运量不同，结合本专业特点，对工程分期投资的合理性，改扩建实施的难易程度、改扩建对运行干扰影响等因素进行分析，以确定初期工程建设规模。初、近、远期客运量对行车、车辆专业的设计及随
8、之对其他专业设计的影响大致如下。(1) 综合考虑各种因素后确定远期高峰小时断面客流量，根据地铁系统远期可能达到的每小时开行最大列车对数，决定远期高峰小时每列车载客量，目前我国已建或在建地铁和轻轨线路远期高峰小时断面客流量都比较大，约为4万-7万人次/h，以此为基础依据地下铁道设计规范（GB50157-92）第1.0.8条“地下铁道线路远期的最大通过能力每小时不应少于30对列车”的规定计算每列车的载客量。根据国内及部分国外地铁的建设和运营经验，需在线路两端进行折返作业的地铁线路，其远期最大通过能力30对列车/h似乎已达到极限，因而在地下铁道设计规范执行后，我国地铁建设都以此作为设计的重要依据，在
9、地下铁道设计规范公布前对此还略留有余地，如上海地铁1号线是按远期每小时最大开行列车24对作为设计依据。按远期每小时最大开行列车30对计算，我国地铁远期高峰小时每列车载客量约为1 3002 300人不等。(2) 据远期高峰小时每列车载客量确定车辆类型及列车编组。目前我国使用的地铁车辆有A型车和B型车，最大载客量正常状况下分别为310人/辆及240人/辆，超员状况下分别为410人/辆及290人/辆，根据每列车远期最大载客量确定远期列车编组，因在初、近期高峰小时断面客流量较小，可按较小编组的列车运行。因车辆类型选择涉及许多因素，如限界、车站长度、牵引供电制式等，这些因素在建成后无法改建，所以车辆类型
10、一般都以远期高峰小时断面客流量为依据，结合列车编组进行选择。上海、广州、深圳、成都地铁车辆类型及列车编组如表31。表31线路项目上海地铁1号线上海地铁2号线广州地铁1号线广州地铁2号线深圳地铁一期工程成都地铁一期工程最小列车运行间隔150s150s120s120s120s120s远期高峰小时断面客流量7万人次/h7万人次/h6万人次/h6万人次/h5万人次/h4万人次/h初期列车编组6辆6辆6辆6辆6辆4辆远期列车编组8辆8辆6辆6辆6辆6辆车辆类型AAAAAB列车长度140m(6辆)186m(8辆)140m(6辆)186m(8辆)140m140m140m114m4列车编组和车辆类型对地铁系统
11、各专业设计的主要影响(1) 选定列车编组和车辆类型的基础上并考虑其他因素确定土建规模，因为土建工程尤其是地下通道和车站建筑主体部分一次建成后无法改建，所以都按远期工程要求一次建成，如上海地铁1号线及广州地铁1号线分别按8辆及6辆A型车辆编组的列车确定站台有郊长度及限界。(2) 电系统及高、中、低压供配电设备建成后改建困难，并会引起设备废弃及干扰正常运营，一般都以远期工程要求设计并一次建成。也有分期投资建设，初期预留设备用房。(3) 他建筑设备也基本上按土建规模作为依据进行设计，如环控、照明、电梯、给排水及消防等，并按此确定设备用房要求。(4) 种运营监控系统如通信、信号、防灾报警、建筑设备监控
12、、自动售检票系统在不同程度上都以土建规模作为依据进行设计。(5) 修、检修定员配置根据各专业的设计确定。5我国地铁建设和运营管理现况从以上分析可见车站建筑、隧道建筑、建筑设备、牵引供电、运营监控系统等建设项目的设计、工程规模和投资都与车辆类型和列车编组的选择也就是和远期高峰小时客流量和行车密度有密切关系，远期的建设年限很久远，一般在运营开始25年，远期预测高峰小时客流量一般都很大，因而形成我国已建及在建地铁的如下状况：(1) 建规模庞大，尤其是车站规模，长度一般在250-400m，车站总长几乎是线路总长的1/4以上，并因考虑乘客集散及装设自动售检票系统，车站几乎都设计为双层或多层车站，形成车站
13、规模失控，建设投资巨大。(2) 筑设备规模随之增在，尤其是环控、照明、中低压供电、电梯等，不但建设投资大，运营费用包括维修开支也达到不堪重负的地步。(3) 、近期列车编组虽可考虑减小，但实施上有一定困难，一般都按远期列车编组运行，为保证必要的服务水准，车次密度不能太低，形成在初、近期及每天低峰 、平峰时段列车载客率很低，运营成本较高。(4) 修管理人员随之增加，定员无法减少。总之，就目前我国地铁建设状况而言，已陷入建设规模巨大、投资高昂、运营开支不堪重负、票价被迫上涨、客流吸引力下降、客运收入不理想的境地。从以上简略分析可知，控制土建规模、降低运营成本是新建地铁当前迫切要解决的问题。本文讨论在
14、满足运营要求的前提下如何从提高行车密度、减小列车编组出发，达到减小土建规模及工程投资、节省运营费用的目的。6最小列车运行间隔及最大行车密度如何提高地铁系统最大行车密度是急需解决的技术问题。最大行车密度与列车追踪运行时前后二列车的最小间隔时分及列车在折返站折返换向作业时最小折返间隔时分有关，分别叙述如下。6.1最小列车追踪间隔时分有轨交通系统中，列车在折返站间的线路上高速度、高密度地运行，前后二列车之间必须具有一定的距离间隔以保证列车运行安全，并确保后行列车的正常运行不受前行列车影响，不产生非正常的制动和减速。此间隔距离可换算为间隔时间，称为列车追踪时分，考虑到各种因素影响后能达到的最小值称之为
15、最小列车追踪间隔时分，其控制值发生在前行列车停站作业过程中。当前行列车进行停站作业时，产生制动减速、停站、起动加速的运行过程，此时后续列车与前行列车间必须有足够的追踪间隔时分，以避免后行列车产生非正常的制动减速和停车。此作业过程中要求的列车追踪间隔时分最大，以此来计算地铁系统可能达到的最小列车追踪间隔时分。最小列车追踪间隔时分与信号编制、列车长度及牵引、制动性能、进站制动前速度、停站时分等因素有关，表61列出当某些因素确定时，不同列车编组及以不同速度制动进站时的最小列车追踪间隔时分。表61信号系统制式 速度-距离曲线模式列车自动保护进站制动方式 一次常用制动停车列车起动加速度 1m/s2常用制
16、动减速度 0.88m/s2停站时分 30s保护区段长度 70m车辆类型 A型 带司机室车辆长度24.39m不带司机室车辆长度22.80m最小列车追踪间隔时分列车编组4辆(94m)6辆(140m)8辆(187m)进站制动前列车速度(km/h)6076s78s80s7078s80s82s8082s84s86s注：1.在采用移动闭塞式信号系统时，最小列车追踪间隔时分可减小5s左右；2.若列车进入站台端部时限速为40km/h，其最小列车追踪间隔时分与列车进站制动时限速为60km/h的最小列车追踪间隔时分相比可减小6s左右。从上表可知：(1) 地铁系统可达到的最小列车追踪间隔时分在80s左右，比用于计算
17、远期高峰小时列车对数的列车间隔时分120s小得多，其作用未能得到充分利用。(2) 最小列车追踪间隔时分受采用的信号系统制式、列车性能、进站停车制动方式、停站时分、停站制动前速度、站台限速、列车长度等因素影响，各种因素影响程度不同，其中停站时分直接加入到最小列车追踪间隔中，影响较大，需采取措施尽量缩短，列车编组大小即列车长度及进站制动前列车速度对最小列车追踪间隔有一定的影响，信号系统制式对最小列车追踪间隔有重大影响。6.2最小列车折返间隔时分列车运行至线路终端站时需进行折返换向作业，根据折返作业中各项作业时分，可计算出在折返站各个不同位置上前后二列车间必须具有的最小间隔时分，其中一个最大的最小间
18、隔时分值起控制作用，称之为最小列车折返间隔时分。因车站线路布置不同折返作业形式分为站前折返和站后折返，对应的最小折返间隔时分分别叙述如下：6.2.1 最小站前折返间隔时分站前折返的基本站形如图61所示。图 6-1 站前折返基本站行站前折返列车接、发顺序为： 道接车道接车道接车道接车 道接车道接车道接车站前折返作业过程中股道接车作业和股道发车作业互相交叉干扰，形成一个最长的站前折返间隔时分，成为最小站前折返间隔时分的控制值，最小站前折返间隔时分计算结果如表6-2。表 62最小站前折返间隔时分列车编组4辆(94m)6辆(140m)8辆(187m)进站制动前列车速度(km/h)60108s120s1
19、31s70109s121s132s80112s124s135s最小站前折返间隔时分值一般都比较大，在采用站前折返时需采取特殊措施如提高列车通过道岔向速度、缩短站前咽喉区长度等办法来缩小站前折返最小间隔时分。6.2.2最小站后折返间隔时分站后折返的基本站形如图62所示。图 62 站后折返基本站形最小站后折间隔时分为前后二列车分别从到达站台起进行站后折返作业的最小间隔时分，列车在站后折返站作业时还影响列车接车间隔时分及发车间隔时分，经分别计算后其中最大的一个列车最小运行间隔时分起控制作用，作为最小站后折返间隔时分，其计算结果如表63、表64、表65。表63 站后折返站最小接车间隔时分（列车在到达站
20、台停站时分为30s）站后折返最小接车间隔时分列车编组4辆(94m)6辆(140m)8辆(187m)进站制动前列车速度(km/h)6086s92s97s7088s94s99s8090s96s101s表 64站后折返站最小接车间隔时分列车编组4辆(94m)6辆(140m)8辆(187m)72s81s89s表 65站后折返站最小接车间隔时分(列车以最高30km/h速度由折返线进入出发站台)列车编组4辆(94m)6辆(140m)8辆(187m)90s99s107s最小列车站后折返间隔时分应取以上各值中的最大值作为控制值，计算结果表明，站后折返站最小发车间隔时分为控制值，以此作为最小站后折返间隔时分。7
21、缩短最小列车间隔时分、提高列车运行密度7.1最小列车间隔时分控制因素据以上分析，不同列车编组的最小追踪间隔时分和最小折返间隔时分如表71。表71列车编组4辆6辆8辆最小列车追踪间隔时分进站制动前列车速度70km/h78s80s82s最小站前折返间隔时分进站制动前列车速度70km/h109s121s132s最小站后折返间隔时分90s99s107s从以上粗略分析表明 ，典型单纯的使用传统的站前或站后折返，其列车最小折返间隔时分都比列车最小追踪间隔时分大很多，二者不相适应，成为控制地铁系统列车运行密度的关键，而且以上所示站前或站后折返的典型站形是最为简单的站形，其折返间隔时分计算值为理论，既没有考虑
22、配置一些必要的配线，又没考虑列车运行时产生的偏差，以此为基础计算的列车最小折间隔时分将更长。分析构成列车最小折返间隔时分的组成可知其值较大的主要原因为：(1) 站前折返形式时，进站及出站进路形成交叉，不能平行作业。(2) 站后折返形式时，列车停站时分为折返作业时分构成中的一个主要因素，使折返站的最小接车及发车间隔时分很长。(3) 因受道岔侧向限速影响，列车通过含有道岔侧向的进路时运行时分较长。(4) 排列进路时分较长，其原因是没有适用于地铁折返作业要求的快速转辙装置。7.2降低最小列车折返间隔时分措施针对以上影响最小列车折返间隔时分原因，要降低最小列车折返间隔时分首先应优化折返站线路布置，消除
23、接发车进路交叉及停站时分带来的影响。本文建议采用站前/站后混合折返的站形布置及折返站与前方站间增加第三线的方法以消除接发车进路交叉及停站时分对最小列车折返间隔是分的影响，大幅度降低折返站的最小折返间隔时分。7.2.1站前/站后混合折返A.站前/站后混合折返的折返站线路布置（见图7-1）图 7-1 混合折返线路布置B.前提条件a.设一个岛式站台、一个侧式站台，与典型站后折返车站相比，宽度扩大8m左右，站台长度可缩短，按小编组列车长度确定，股道末尾必须铺设保护区段，站后折返径路适当加长；b.信号系统采用数字报文式轨道电路及速度-距离模式曲线（distance-to-go）ATP自动列车保护系统（如
24、采用移动闭塞效果更好）；c.以一次制动方式进站停车计算折返间隔时分；d.股道站台停车时分为30s；股道站台停车时分为40s；股道站台停车时分为30s以上；e.在要求停站时间为40s、在列车运行间隔时分大于或等于130s时，可只使用股道进行站前折返，小于130s时采用、股道；进行站前/站后混合折返。C.在车站折返区域可编制出6辆A车编组、70s间隔运行图及4辆A车编组、60s间隔运行图。7.2.2折返站与前方站间增加第三线A.折返站与前方站间增加第三线线路布置（见图7-2）图 7-2 折返站与前方站间增加第三线线路布置折返站与前方站间增设第三线时站前折返列车接、发顺序为：道发车 道接车 道接车道
25、接车 道发车道接车 道发车B.前提条件a.折返站与前方站间增设第三线，并在区间与原有线路立体交叉；b.信号系统采用数字报文式轨道电路及速度-距离模式曲线（distance-to-go）ATP自动列车保护系统；c.以一次制动方式进站停车计算折返间隔时分（如采用移动闭塞效果更好）；d.道站台及道站台停车时分为40s；e.在列车运行间隔时分大于或等于130s时，可只使用道或道站台进行站前折返，小于130s时采用道及道站台进行站前折返。C.折返站与前方站间增加第三线时，折返站最小站前折返间隔时分受控于股道或股道的最小接车间隔时分，其值如表7-2。表72道或道最小接车间隔时分列车编组4辆(94m)6辆(
26、140m)8辆(187m)进站制动前列车速度(km/h)60121s130s137s70121s130s137s80123s131s138s因折返站与前方站间增加第三线时，折返站股道和股道分别交替接车，故对折返站而言可能达到的最小接车间隔时分也就是折返站最小站前折返间隔时分为60-70s。由以上分析研究可得出结论，即只要改进折返站的线路布置设计或在折返站与前方站间增设第三线，并采取先进的信号系统可大幅度缩短最小折返间隔时分，提高通过能力，实现小编组、高密度列车运行方案。综合考虑列车最小追踪间隔时分及列车最小折返间隔，列车最小运行间隔至少可缩短至90s，甚至80s以下，即最大通过能力可达到40对
27、/h，甚至45对/h。以此为基础，根据远期高峰小时最大断面客流量，车辆类型及列车编组可作如下选择，见表7-3。表7-3列车编组/辆正常状况最大载客量(人/列)远期高峰小时最大断面客流量(人次/h)40对/h45对/hB型车3辆70528 20031 7254辆95038 00042 7505辆1 19548 00053 7756辆1 44058 60064 800A型车3辆93037 20041 8504辆1 24049 60055 8005辆1 55062 00069 7506辆1 86074 40083 7008减小地铁建设规模，降低工程造价及运营费用的主要措施采用小编组、高密度列车运行设
28、计方案，并考虑其他因素，有关专业设计可作以下改进以减小地铁建设规模，降低工程造价及运营费用。8.1车站设计(1) 缩短有效站台长度。(2) 因有效站台长度缩短，乘客在月台上走行距离不长，通过站台两端通道集散比较合理，没有必要为考虑乘客集散而设计双层车站，可优化车站设计，原则上只采用单层车站（只设站台层，不设站厅层），或将站厅层作为设备用房层。(3) 因列车密度增大，乘客候车时间减小，下车客流在时间分布上较为均衡，可适当减小通道、出人口和站台规模。(4) 因车站建筑设备数量减少，设备用房面积可大量减少。(5) 因车站建设规模缩小，设站成本降低，比较容易、合理地确定车站位置及数量，有利用提高设计质
29、量及服务水准。8.2车站建筑设备(1) 环控设备设计规模可随车站规模同步缩小，并因乘客候车时间减少，对车站环控要求可适当降低，除南方特殊炎热区域外，应只对有特定环境要求的设备用房及管理用房设空调系统，车站站厅、站台层及隧道内可只设通风系统，车辆内可设空调或通风系统。(2) 不设或少设电梯及自动扶梯。(3) 中低压供电设备规模可因环控、电梯、照明用电减少而相应缩小。8.3行车组织运行高峰期可增大列车密度、满足客流要求，减少乘客候车时间，提高服务质量。运营初、近期及平峰、低峰期间因列车小编组运行，可在保证服务质量，开行必要密度的列车前提下提高载客率，降低运营费用。8.4有关控制系统规模可因车站建筑
30、及设备规模最小而相应减少8.5信号系统信号系统即行车指挥、控制系统要具有适应高密度行车要求的功能，采用有利于缩短列车运行间隔的列车自动保护系统，具有相应的自动化水平，保证高密度列车运行的安全、可靠、有序、调度指挥控制的高效及灵活。8.6自动售检票系统因乘客到站在时间分布上较为均衡，随通道规模缩小可适当减少出闸机数量。8.7车辆及乘务组（1）因列车编组缩小及线路通过能力增强，更有可能采用不同列车密度的方法满足运营初、近、远期及高峰、平峰、低峰期间不同客运量要求，提高服务质量，降低运营成本，与采用不同列车编组方法相比，避免了给车辆生产及运营带来不必要的痳烦。（2）增加列车密度可充分发挥再生制动作用
31、，减少牵引能耗及制动时产生的热量，降低了对空调及通风系统的要求。国内新建地铁工程配置的列车及牵引供电系统都具有满足再生制动要求的功能，但几乎没有利用，需要加强这方面的研究分析。（3）因列车密度增高，列车数也随之增加，增加了带司机室车辆及车载信号系统，乘务组数量也相应增加。9结论本文探讨了列车运行间隔计算方法，缩短列车最小运行间隔的措施及实施小编组、高密度运行方案的可行性，为在保证地铁系统功能前提下大幅度减少地铁工程投资及降低运营开支提供一种途径，只有在地铁建设各专业充分利用小编组、高密度运行方案的有利条件，相互间密切配合的前提下才能有效改善目前地铁建设投资巨大、运营开支过高的不利局面，使新建地铁成为简单、实用、工程规模适应功能要求的系统，成为政府建造得起、城市居民使用的起的地铁，只有这样才能加快地铁建设，满足城市居民出行要求，加快实现城市交通现代化步伐。
