城市轨道交通不同编组列车行车组织方案编制方法研究——以北京大兴机场线为例

鲁玉桐，李 鹏，金艳萍，刘晓庆

（北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100068）

1 引言

近年来，我国城市轨道交通发展势头迅猛，新开通线路客流高速增长，线路运能挖潜能力有限，运能与客流不匹配的矛盾日益凸显。因此，为满足各运营时段的客流需求，提高线路的整体服务水平，有必要研究客流在空间和时间上的分布特征、制定合理的行车组织方案，从而达到各运营时段客流与运能相匹配的目的。本文对不同编组列车行车组织方案编制方法展开研究，并以北京大兴国际机场线（以下简称“大兴机场线”）为例，提出与大兴机场线客流特征相匹配的4/8辆不同编组列车行车组织方案，并对方案效果做出评价。

2 不同编组列车行车组织方案编制方法

截至2020年12月31日，我国内地共有45个城市开通城市轨道交通运营线路 244 条，其中采用混合编组的运营线路较为典型的有：①重庆市轻轨2号线，为适应线路不同运营期的客流差异，先后采用4辆单一编组、4/6辆混合编组的运营模式；②上海市轨道交通2 号线，在开通初期由于客流空间不均衡程度较高，采用4/8辆混合编组运营，后随着工作日早高峰时段客流与运能不匹配程度加深，于2019年10月23日起启用新的列车运行图，2号线东延伸段原有部分4节编组列车改为全运营时段运行8辆编组列车；③上海市轨道交通8号、16号线，由于客流在空间、时间上的不均衡性，分别采用了4/8辆混合编组、3/6辆混合编组的运营模式。为有效利用不同编组列车运能，需在运能与客流的时间分布规律匹配度较高的基础上，不断提高乘客出行满意率和舒适性（包括缩短行车间隔、控制满载率等），优化行车组织方案。

不同编组列车行车组织方案编制研究的主要内容包括全日行车计划、列车开行方案、列车交路计划、车辆配备计划等。线路客流变化规律是编制线路列车开行方案的基础，通过分析总结线路客流的一周分布特征、一日内小时进出站客流分布特征、分时最大断面客流特征等，以此为基础进行不同编组列车行车组织方案设计，使其能更好的与线路实时客流变化相匹配，从而满足线路不断变化的客流需求，达到提高运能利用率、降低运营成本的目的，具体编制流程如图1所示。

图1 不同编组列车行车组织方案编制流程

城市轨道交通列车运营时间段内的行车间隔标准为：在高峰运营时段，当最大运力无法满足运量需求时，在车辆、设备能力范围内，实现最小行车间隔；当最大运力能满足运量需求时，列车满载率应该控制在100%以下，在其他非高峰运营时段最好不超过10 min，计算公式如下：

式（1）中，T间，i为i小时的列车行车间隔；Ni为i小时内应开行的列车数，Ni的确定受制于分小时最大断面客流量、列车额定载荷、分小时满载率，具体计算公式为：

式（2）中，Ni为i小时内应开行的列车数；pmax，i为i小时最大断面客流量；p列为1 列车的额定载客数；β为小时列车平均满载率。

列车开行交路是指按照列车运行图的规定在区间运行、在指定的车站折返的列车运行方案，一般根据客流特征确定，但在一定程度上受线路运营条件制约。

3 大兴机场线案例分析

3.1 案例概况

大兴机场线一期工程南起大兴机场站，北至草桥站，共设有草桥站、大兴新城站、大兴机场站3个车站，线路全长41.4 km。线路开通初期配属车辆为10组8编列车（7辆载客列车+ 1辆行李车），高峰时段行车间隔为12 min，行车密度为5 对/ h。

为缩短行车间隔，提升运能效率及服务品质，同时降低运营车辆在非高峰时间段内的能力冗余，大兴机场线由运营初期8辆单一编组运营变为4 / 8辆混合编组运营，下文在客流分析的基础上对大兴机场线4 / 8辆不同编组列车行车组织方案进行研究。

3.2 大兴机场线客流特征

3.2.1 客运量

大兴机场线自开通以来客运量呈稳步上升趋势，日均客运量变化趋势如图2所示。2020年，大兴机场线日均客运量为1.6万人次/天，最高日客运量为3.95万人次/天，发生在2020年11月6日。随着2020年11月全国疫情好转，大兴机场线客运量增幅明显，日均客运量增长至3.4万人次/天，较1月份客运量翻了一倍。

图2 大兴机场线月度日均客运量变化趋势

3.2.2 一周客流特征

大兴机场线2020年11月1日至2020年11月30日期间，周一至周五日均客运量为33 936人次/天，周六至周日日均客运量为35 157人次/天，周末与工作日日均客运量基本持平，具体如图3所示。因此，大兴机场线在行车组织方面可考虑工作日与周末采用统一的行车组织方案。

图3 大兴机场线一周客流特征

3.2.3 一日内小时进出站客流分布

由于大兴机场线的客流是动态变化的，其分布在不同时间段具有不同的特征，为了直观地衡量大兴机场线分时客流的不均衡程度，选取大兴机场线2020年11月份的客流数据，分析一日内大兴机场站、草桥站小时进站客流量，从而总结出其一日内小时客流分布形态，如图4所示。由图可看出，大兴机场站、草桥站一日内小时进站客流分布不均衡程度较高。草桥站小时进站客流最大为1 774人次/h，发生在18 : 00—19 : 00时段；20 : 00以后，草桥站进站客流呈大幅度下降趋势。大兴机场站一日内小时进站客流呈先增加后减小趋势，10 : 00后大兴机场站小时进站客流量逐渐上升，最大为1 581人次/h，发生在16 : 00—17 : 00时段，其一日内进站客流主要集中在11 : 00—19 : 00时段。

图4 2020年11月大兴机场站、草桥站一日内小时进出站客流分布

3.2.4 分时最大断面客流

大兴机场线各个车站在不同时间段乘坐人数不同，线路断面客流量存在较大差异。大兴机场线11月份最大断面客流出现在11月14日草桥至大兴新城区间，其上下行小时最大断面客流量变化如图5所示。

由图5可以看出：①06 : 00—09 : 00最大断面客流量发生在下行，草桥至大兴新城区间、大兴新城至大兴机场区间最大断面客流量基本持平；②10 : 00—19 : 00 上下行最大断面客流量基本持平，上下行客流不均衡程度较低；③19 : 00—23 : 00最大断面客流量发生在上行，大兴机场至大兴新城区间、大兴新城至草桥区间最大断面客流量基本持平；④全天最大高峰小时断面客流量发生在06 : 00—07 : 00草桥至大兴新城区间，为2 165人次/h；⑤与常规通勤线路相比，大兴机场线高峰小时客流特征不显著。

图5 2020年11月14日大兴机场线上下行小时最大断面客流量（单位：人次/h）

3.3 大兴机场线 4 / 8 辆编组行车组织方案

大兴机场线采用市域D型列车，目前配备有8辆编组列车8列，4辆编组列车4列。8 辆编组列车座席载客量为357人/列，整列车2 人/m2载客量为727人/列；4编列车座席载客量为187人/列，整列车2人/m2载客量为398人/列。

大兴机场线客运量受大兴机场航班数量的影响较大， 2020年11月份大兴机场线客运量与大兴机场旅客吞吐量变化趋势如图6所示。由图可看出，2020年11月份大兴机场线日均客运量保持在3.4万人次/天，占大兴机场旅客吞吐量的34%左右。根据大兴机场航班调整计划，大兴机场2021年后续日均航班将达到881架次，机场日均旅客量将达到14.3万人次/天，预计届时大兴机场线日均客流将增加到4.9万人次/天。

图6 2020年11月份大兴机场线客运量与大兴机场旅客吞吐量变化趋势图

根据大兴机场2021年航班计划，结合大兴机场线2020年11月实际运营情况，预测大兴机场线2021年下半年分时最大断面客流如图7所示，大兴机场线2021年下半年最大高峰小时断面客流量为2 767人次/h，发生在17 : 00—18 : 00下行草桥至大兴新城区间。

图7 预测大兴机场线2021年下半年分时最大断面客流

2020年11月大兴机场线各站日均进站乘客的走向分布如图8所示，草桥站与大兴机场站间的起讫点（OD）客流占大兴机场线全线客流量的88%。由此可见，大兴机场线主要服务主城区到大兴机场、大兴机场到主城区的乘客，即大兴机场线客流以大兴机场航班客流为主，因此，大兴机场线宜采用草桥站至大兴机场站单一交路。

图8 大兴机场线OD客流分布情况示意图（单位：人次）

为保证大兴机场线运营服务水平不低于北京已运营机场线的服务水平，在配属车辆允许的情况下，大兴机场线4/8辆编组行车组织方案的制定原则为：①尽量控制列车满载率，使得运力与运量达到一个较好的匹配状态，保证列车既不过分拥挤又不浪费运力；②考虑当发生故障时列车的救援能力，大兴机场线8编组列车可以对8编组列车及4编组列车实施救援，但4编组列车不能对8编组列车进行救援，因此，在确定4/8辆编组行车组织方案时上线的8编组列车与4编组列车的比例应该大于等于2 : 1；③为保证大兴机场线的服务标准，为航空旅客提供更加优质的服务，应适当加密大兴机场线的行车间隔。基于以上原则，确定大兴机场线4/8辆不同编组的行车组织方案如表1所示。

表1 大兴机场线4/8辆不同编组列车行车组织后方案

该方案采用6 min 30 s、8 min 30 s、10 min 3种行车间隔，4编组列车最大上线车数3组、最小上线车数2 组，8编车最大上线车数6组、最小上线车数4组，检修车与备车数为8编组列车2组、4编组列车1组。06 : 00—08 : 00和13 : 00—20 : 00为高峰运营时段，为避免运能浪费，采用6 min 30 s和8 min 30 s 2种行车间隔，其余时段行车间隔为10 min。

3.4 方案效果分析

（1）运能利用率方面。大兴机场线主要是为大兴机场航空旅客提供便捷、快速、经济和舒适的运输服务，客流量与常规通勤线路相比较小。该方案中列车满载率分布较为均衡，2人/m2列车满载率最大为52.34%，最小为40.28%，乘客服务水平较高；对于客流低谷时段，通过适当延长发车间隔，平衡乘客等待时间和发车间隔，在一定程度上提高了低客流时段的运能利用率，改善了满载率较低的情况。

（2）舒适度方面。该行车组织方案中座席满载率最大为107.93%，最小为83.08%；座席满载率保持在95%～105%的运营时间段占全天运营时间段的59%；坐席满载率低于90%的运营时间段占全天运营时间段的35%；在尽可能匹配运能与客流的同时又保证了乘客出行体验过程中对舒适度的要求。

（3）运营成本方面。该行车组织方案中全日开行4辆编组列车45对、开行8辆编组列车74对，日均列车运营公里数较全日只开行8辆编组列车减少了18.9%，日均牵引电能较只开行8辆编组列车可节省约2.6万kW · h，在保证运能满足最大断面客流量的基础上可节约运营成本。

4 结论

目前，我国城市轨道交通高速发展，而城市轨道交通开行方案中的编组计划在规划以及运营时期都是企业需要重点考虑的因素，这对建设投资、运营成本以及服务水平都具有重要意义。本文以大兴机场线为例，通过分析大兴机场线客流特征，制定了各时段客流与运能相匹配的4/8辆不同编组列车行车组织方案，既达到合理均衡客流低峰时段的列车满载率、提高运能利用率、降低大兴机场线的运营成本的目的，又能保证较高的乘客服务水平。