城市轨道交通旅行速度影响因素分析及提升实践

张知青

快轨论坛

城市轨道交通旅行速度影响因素分析及提升实践

张知青

（上海申通地铁集团有限公司技术中心，上海 201103）

从不同地铁运营线路之间的旅行速度存在差异入手，分析影响旅行速度的主要因素及程度，包括平均站间距及最高运行速度、区间限速、列车运行等级、开关门效率、乘客乘降时间等，其中拟合了最高运行速度为80 km/h的运营线路旅行速度与平均站间距之间的函数关系，为评价各线旅行速度的实际表现提供工具。最后结合运营线路旅行速度提升需求，从区间限速、列车运行等级、开关门效率、乘客乘降时间4个方面提出了对策思路，并给出了上海地铁的应用案例。

轨道交通；旅行速度；停站时间；平均站间距；列车运行等级

根据中国城市轨道交通协会发布的《2018年度统计分析报告》[1]，截至2018年底，中国共有35个城市开通城市轨道交通，运营线路共计185条，平均旅行速度35.3 km/h，其中地铁平均旅行速度37.3 km/h。而上海地铁只有5号线、9号线、11号线、16号线、17号线的旅行速度超过行业平均水平，其他地铁线路均在35 km/h以下[2]。不同地铁运营线路之间的旅行速度差异，一方面主要受平均站间距和最高运行速度等客观因素的制约，另一方面还受区间限速[3]、列车运行等级、开关门作业效率、乘客乘降效率等不同条件的影响。

本文主要围绕旅行速度的以上影响因素进行分析，并提出运营线路旅行速度提升的对策思路，为运营企业提高运营效率提供参考。

1 旅行速度影响因素分析

1.1 平均站间距及最高运行速度

平均站间距及最高运行速度共同对旅行速度产生影响，且与旅行速度呈正相关。平均站间距及最高运行速度越高，旅行速度相对较高。但当站间距一定的情况下，最高运行速度增加到一定值以后，由于站间距较小，其速度效益无法完全发挥，此时，再增加最高速度值对旅行速度的提升效果将不再明显。可见，最高运行速度的充分发挥需要一个合理的站间距与之相匹配[4]。

城市轨道交通工程项目建设标准[5]对最高运行速度及旅行速度的关系已有相关描述，如最高运行速度定为80 km/h时，站间距大部分在1.2～1.5 km时，可以满足旅行速度35 km/h；最高运行速度定为100 km/h时，站间距大部分在2.5～3 km时，可以满足旅行速度45～55 km/h。

据统计，最高运行速度均为80 km/h的86条运营线路中，旅行速度在35 km/h的线路有26条，仅占30%，其中19条线路的平均站间距在1.5 km以上。为精确分析平均站间距与旅行速度的关系，本文对旅行速度的计算公式进行了推导，并结合实际数据进行拟合，具体过程如下。

1.1.1 旅行速度的理论计算公式

列车在区间运行的过程可以简化为出站起动匀加速、最高速度持续运行、匀减速制动停站3个环节。站间距的大小将决定列车在区间运行过程中是否能达到最高速度，以及最高速度持续运行的时间。此外停站时间也是旅行时间的组成部分，因此旅行速度可以用以下公式进行表示：

式中：旅指旅行速度，km/h；指平均站间距，km；为最高运行速度，km/h；加为起动匀加速度，km/h2；减为制动匀减速度，km/h2；为中间站平均停站时间，h。

1.1.2 实际运营数据拟合

将最高运行速度80 km/h代入公式(2)，并结合2018年最高运行速度均为80 km/h的86条运营线路平均站间距和旅行速度的实际数据，通过拟合计算(过程中去除8个偏差较大的噪点数据)，最终得到常量=1.85。图1展示了平均站间距与旅行速度之间的关系以及拟合的曲线和公式。

图1　平均站间距与实际旅行速度的散点图

Figure 1 Scatter diagram of average station spacing and the actual traveling speed

从拟合后的公式来看，旅行速度与平均站间距呈正相关。旅行速度30 km/h相对应的平均站间距为1.11 km；旅行速度40 km/h相对应的平均站间距为1.85 km。可见，平均站间距提升66.6%，旅行速度理论上可提升33.3%(30 km/h提升至40 km/h)。此外，旅行速度35 km/h相对应的平均站间距为1.44 km，说明站间距在1.44 km以上的线路其旅行速度达到35 km/h的可能性非常大。

1.1.3 理论与实际对比分析

以上海地铁最高运行速度均为80 km/h的线路为例，结合平均站间距和旅行速度的拟合函数，计算各线理论上可以达到的旅行速度。由表1的计算结果可知：大部分线路旅行速度在35 km/h以下，主要是这些线路的平均站间距均在1.44 km以下；7条线路旅行速度的实际值与计算值偏差在1 km/h以内，说明这些线路的旅行速度在可接受范围之内；10号线表现较好，而2号线和5号线的实际旅行速度偏低。

中高职衔接涉及两个办学主体，二者在办学层次、办学历史、院校文化与特色、专业资源与条件等方面存在着很大的差异，为了促进中职、高职、企业之间的沟通与联系，保证人才培养的连贯性和适切性，高职院校应联合中职、企业的资源，牵头搭建起开放性的平台。这种平台既包括实体平台，如产学研平台、经验交流平台，也包括虚拟的网络教育平台，如办公自动化系统、网络教研平台、精品课程资源库等。通过开放平台，中高职与企业之间有效地实现信息的共享、发布与交换，提高三方合作的效率。同时实现师资和专业优势互补，优化配置职业教育资源，掌握市场发展趋势和企业用工信息。

表1　上海地铁2018年最高运行速度为80km/h的运营线路旅行速度对比

1.2 区间限速

区间限速是指列车在区间运行过程中受过岔、平纵曲线等客观因素影响，为保证安全而不能以理论上的速度运行，此外还有满足振动噪声控制需求等临时限速因素。按限速发生的位置不同，区间限速可以分为出站限速、中部限速、进站限速。不同位置的限速对旅行速度的影响程度不尽相同，列车在中部匀速运行时要求达到最高速度，其限速对旅行速度影响最大，而进站列车本身需要制动，因此影响最小。

本文以平均站间距为1.5 km的运营线路(全长39 km、27座车站、停站时间30 s)为例，定量分析区间中部限速对旅行速度的影响程度。假设区间中部的限速区段长度为，限速值为限，列车长度为140 m，最高运行速度为80 km/h，平均加速度加取0.4 m/s2[6]，平均减速度减取0.6 m/s2。

列车限速前后的单个区间运行时间差计算公式为：

将相关参数代入上述公式，并统一单位，计算得到不同限速区段长度、不同限速值的单个区间运行时间差。表2列出了不同限速值下单个区间限速前后时间差的理论计算结果以及相应的旅行速度(假设所有区间都限速)。

表2 不同限速值下ΔT的理论计算结果

从表2数据可知，限速值大小和限速区段长度均对旅行速度产生影响，限速值越低、限速区段越长，旅行速度受到的影响越大。限速值在55 km/h及以上时，旅行速度基本能达到35 km/h，此时限速区间长度对旅行速度影响不大；限速值在35 km/h及以下时，旅行速度开始低于30 km/h，此时限速区间长度对旅行速度影响较大，每100 m区间的旅行速度相差1 km/h。在实际运营中，如果区间中部不可避免设置区间限速时，建议尽量将限速值控制在55 km/h以上。

1.3 列车运行等级

列车运行等级主要由信号ATS系统设定，不同的信号供应商设有不同的列车运行等级曲线[6]，一般情况下均支持5条速度曲线，从快到慢分别为加速曲线、正常速度曲线、中间速度曲线1、中间速度曲线2、节能速度曲线，相邻等级之间的运行时间相差一般在3%～5%。同样以平均站间距为1.5 km的运营线路(全长39 km、27座车站、停站时间30 s)为例进行定量分析，根据图2所示的不同运行等级下的距离—速度曲线，可计算得到如表3所示的不同运行等级相对应的旅行速度。可见，与加速曲线相比，正常速度曲线下的旅行速度下降幅度不大，而节能速度曲线的旅行速度下降幅度近19%。

图2 站间距为1.5 km下的不同列车运行等级曲线示意

Figure 2 Schematic of different running level curves for 1.5 km station spacing

表3 不同运行等级下的理论计算结果

加速曲线是旅行速度最高的速度曲线，一般用于晚点时的列车赶点，能耗最高；正常速度曲线是用得最多的列车速度曲线，既保证列车运行速度又加快了车辆的周转；中间速度曲线1和中间速度曲线2介于正常速度曲线和节能速度曲线之间；节能速度曲线是旅行速度最低的速度曲线，在运行过程尽可能减少使用牵引及制动来达到节能的效果，一般在非高峰客流时段使用。

在实际运营过程中，运营商一般采用正常速度曲线来制定列车运行计划，列车运行过程中如果有小幅偏离运行计划时，ATS可自动调整下一个区间的运行等级，使列车尽量按计划准点运行。可见，通过调整列车运行等级能够使旅行速度得到一定的提升。

1.4 开关门效率

列车在车站的开关门效率将影响列车的停站时间，从而影响全程的旅行速度。列车停站的开关门效率，既受到设备自身性能因素的影响，如自动开关门、双门联动，也受到管理因素，如司机开关门作业效率的影响。

目前我国城市轨道交通车站一般都安装站台门，列车停站的开关门作业包括站台门和列车门的操作，根据列车门自动开关的功能不同以及是否与站台门联动，可将双门动作类型分为5种。分别统计完成列车开门动作和关门动作所需要的时间，表4列出了上海地铁不同类型站台门的开关门动作时间。可见，双门全自动开关且联动，与双门全手动开关相比，两者相差10 s，相当于由于双门的设备类型不同导致每座车站的停站时间相差10 s；对于原停站时间30 s、平均站间距为1.5 km的运营线路来说，如果采用全手动开关的列车门和站台门，旅行速度将从36.7 km/h下降至34.5 km/h，下降幅度达6%。

表4 不同自动化类型的开关门动作时间

司机开关门作业效率，主要表现在列车门不具备自动关闭功能的车站，也就是需要司机手动按压关门按钮，在按压前司机要确认双门无夹人夹物，即使有双门间隙的探测装置仍需要人工目测一下以确保安全。司机操作设备及目测清障确认安全的时间，导致了停站时间的延长，从而影响了旅行速度，此外还受不同司机在开关门作业效率的差异性影响。

1.5 乘客乘降时间

乘客乘降时间主要受客流量、行车密度、载客量、车门尺寸及数量、乘客主观行为等因素影响。客流量越大，乘客完成乘降所需的时间自然越多；然而列车满载率越高，站台越拥挤，相同数量的乘客完成乘降作业的难度越大，效率越低，很容易导致拽门，从而延长了停站时间，继而影响旅行速度。同样以1.2节的例子进行说明，如果每座车站受乘客影响导致停站时间增加5 s，那么全程的旅行速度下降约3%。

此外还有停站时间利用率较低的因素。目前停站时间一般是提前设定好的，无法根据实时客流情况实现及时调整。高峰时段内同一座车站一般只有一个停站时间，而乘客的不均衡到达导致了列车到站时的站台人数差异，部分车站个别时段呈现人多拥挤现象，列车停留等候期间乘客已无法上车；而部分车站客流较小，列车停留等候期间乘客已上下车完毕，造成计划停站时间中给予乘客乘降时间的利用率均较低。未来可根据客流特点，在高峰与平峰、上下行不同方向设置不同的停站时间，并进一步优化站点运营组织，缓解大客流压力对乘降时间的影响，提升列车运行效率。

2 运营线路的旅行速度提升对策

与列车正点率、行车间隔、列车服务可靠度等面向乘客的服务指标不同，旅行速度属于技术指标范畴，与生产管理相关。当运用车不足时或开行密度达到一定程度时(如20对/h以上)，该指标才逐渐被重视，运营商希望通过提升旅行速度来提高列车运转效率、解决运用车暂时不足的问题。

通过分析可知，平均站间距及最高运行速度与旅行速度正相关，在影响因素中起到主要作用。但对于已运营的线路来说，站间距及最高运行速度在通车后已稳定，对旅行速度来说是一个常量，因此运营线路的旅行速度提升通常可以从控制区间限速、提高运行等级、提升开关门效率、优化乘客乘降时间4个方面改进，具体的对策思路如下。

2.1 控制区间限速

城市轨道交通列车通过小半径曲线或侧向通过道岔时，一般都要根据规定的限速值进行常态限速，此外还有为满足沿线居民区振动噪声控制需求而增加的临时限速。对于常态限速，建议尽量贴着限速值通过限速区段，以提高运行效率；对于临时限速，建议采用减振降噪措施降低噪声，高峰时段可尽量提高限速值以提高旅行速度、加快列车周转，如限速值尽量控制在55 km/h以上，平峰及夜间时段限速值可适当放低。

2.2 提升列车运行等级

针对目前列车运行等级普遍采用“正常速度曲线”的现象，为提升旅行速度，可考虑高峰与平峰采用不同运行等级编制计划运行图。高峰时段采用“加速曲线”，旅行速度可比“正常速度曲线”提升约4%，但不建议考核高峰时段的准点率；平峰开行密度相对较低，对运用车的需求数量低于高峰，可采用“正常速度曲线”或“节能曲线”的运行等级。

2.3 提高开关门效率

提高开关门效率，首先应提高设备自动化程度，即列车到站后应具备自动开关列车门的功能，站台门具备与列车门联动的功能。此外，还应安装能够探测列车门与站台门间隙安全的设备，与列车速度码相关联，同时消除探测装置的探测盲区，使司机具备不下车监护乘降作业的条件，以节省列车在车站的开关门时间以及关门后的安全确认时间。这些措施的实施应用，也是上海地铁10号线实际旅行速度高出理论旅行速度1.2 km/h的重要原因之一。

2.4 优化乘客乘降时间

优化乘客乘降时间，主要是通过精细化统计各车站的乘客乘降时间，以优化不同时段、不同方向、不同车站的乘降时间标准，实现部分车站停站时间的适当缩短，进而提高运行图中的计划旅行速度。而计划旅行速度的实现，需要依靠强有力的客运组织工作，具体措施包括：大客流车站可适当采取限流措施，减小乘客吊门现象，避免列车延误；高峰时段可增加站台力量，及时制止乘客吊门，引导乘客有序乘车；可利用信息化技术显示乘客排队长度及车厢满载率，让乘客自行均衡各车门排队长度。

3 旅行速度提升的应用案例

上海轨道交通12号线全长39.9 km、设有32座车站，于2015年底实现全线贯通，开通后的旅行速度为30.99 km/h。相比上海其他市区地铁线而言，其旅行速度属于偏低水平，因此选取12号线作为试点线路进行旅行速度提升，具体从列车运行等级、开关门效率、乘客乘降时间3个方面开展。

3.1 高峰时段列车运行等级提升至最高级

12号线的区间运行等级共分5个等级，原使用的是“正常速度曲线”，高峰时段通过信号系统设置将运行等级提高至“加速曲线”后，总区间运行时间从3 339 s缩短至3167 s，节省了172 s，加上原总停站时间1 296 s，旅行速度可从30.99 km/h提升至32.18 km/h，提升幅度达3.8%。

3.2 优化司机作业标准以提升开关门效率

12号线的列车门与站台门联动，具备自动开门功能，但需手动关门。司机在站台上手动关门后，需要确认双门关闭、无夹人夹物，确保具备动车条件，司机的实际作业时间普遍达到28 s左右，较大地影响了列车在每个车站的停留时间，进而影响了12号线的旅行速度。因此，通过优化司机确认发车条件流程并形成作业标准，将司机确认发车条件控制在15 s之内，并确保其严格按照作业要求执行，以保证计划旅行速度的实现。

3.3 个性化设置时间以提升乘客乘降效率

乘客上下车时间原是按照车站类别进行设置的。以早高峰为例，个别客流小站计划停站时间为25 s，普通车站为30～35 s，客流较大的换乘车站为40～45 s，大型换乘站为50～55 s，而此类时间设置方式不能精准地匹配每个车站的客流特征。因此，12号线根据每个车站客流情况个性化设置乘客上下车时间，更加精准匹配客流需求，尽可能地提升乘客乘降效率。通过优化司机作业标准和个性化设置上下车时间这两项措施，12号线的总停站时间约减少102 s，旅行速度可从30.99 km/h提升至31.69 km/h，提升幅度达2.26%。

3.4 应用实施效果

上海地铁12号线于2016年12月28日开始在工作日早高峰进行旅行速度优化试跑，旅行速度从原来的30.99 km/h提升到32.94 km/h，增幅6%左右；在行车间隔不变的情况下，可以节省2列车的投用，节省约1.08亿的购车费用。后期又结合实际提升效果，对部分车站的停站时间进行了微调，最终12号线的旅行速度稳定在32.31 km/h左右。

4 结语

随着城市轨道交通网络化运营管理经验的不断丰富以及对精细化管理要求的不断提升，旅行速度技术指标将随着车辆紧张、提高效率、降低成本等诉求而被逐渐重视。除了12号线之外，上海地铁近几年还先后在13号线、6号线、16号线、7号线等多条运营线路上推广应用，运行效果良好。

实践证明，提升列车运行等级、提高开关门效率、优化乘客乘降时间等措施都能提升旅行速度，但效果有限。而平均站间距在所有影响因素中起着决定性作用，如果12号线采用A/B列车间隔跳站运行，列车在中间10座车站通过不停车(不考虑进站限速)，相当于A列车或B列车在全程运行中的平均站间距将从原来的1.29 km提高至1.9 km，按照旅行速度的拟合公式，跳站运行后的理论旅行速度将达到40 km/h。可见，A/B列车间隔跳站运行能大幅提升旅行速度，在市域轨道交通线路上具有较大的应用价值。

[1] 中国城市轨道交通协会. 城市轨道交通2018年度统计和分析报告[R]. 北京: 中国城市轨道交通协会, 2018.

[2] 中国城市轨道交通协会. 城市轨道交通运营企业运营数据报告(2018年年度)[R]. 北京: 中国城市轨道交通协会, 2019.

[3] 兰星. 旅行速度影响因素浅析[J]. 铁路通信信号, 2017(6): 83-85.

[4] 徐德新. 城市轨道交通车辆最高运行速度的选择[J]. 铁路工程学报, 2008(2): 97-99. XU Dexin. Choice of maximum running speed of vehicles for urban mass transit[J]. Journal of railway engineering Society, 2008(2): 97-99

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 城市轨道交通工程项目建设标准: 建标104-2008[S]. 北京: 中国计划出版社, 2008.

[6] 上海申通地铁集团有限公司技术中心. 上海地铁旅行速度影响因素及提升方案研究[R]. 上海: 2017.

Influencing Factors and Improvement Practice of Traveling Speed of Urban Rail Transit

ZHANG Zhiqing

(Technology Center of Shanghai Shentong Metro Group Co., Ltd., Shanghai 201103)

Beginning from the difference in traveling speeds between different metro lines, this study analyzed the main influencing factors and degree of traveling speed, including the average station spacing and maximum operation speed, speed limit, train running level, efficiency of door opening and closing, and frequency of passenger riding and landing. The functional relationship was fitted between the traveling speed and average station spacing in operation lines with a maximum operation speed of 80 km/h, which can facilitate evaluation of the actual traveling speed. Finally, along with expressing the demand for improving the traveling speed of the operation lines, the paper puts forward countermeasures from the last four influencing factors and provides an application practice for the Shanghai Metro.

urban rail transit; traveling speed; dwell time in station; average station spacing; train running level

U231

A

1672-6073(2021)02-0048-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.008

2019-07-30

2020-05-20

张知青，男，高级工程师，从事城市轨道交通指标分析及运营管理研究，zhiqing1123@163.com

张知青. 城市轨道交通旅行速度影响因素分析及提升实践[J]. 都市快轨交通，2021，34(2)：48-53.

ZHANG Zhiqing. Influencing factors and improvement practice of traveling speed of urban rail transit[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 48-53.

（编辑：郝京红）