都市圈轨道交通制式选择影响因素分析

张 丽，高金港

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

1 引言

都市圈是以超大、特大城市或辐射带动功能强的大城市为中心、以1 h通勤圈为基本范围的城镇化空间形态，建设现代化都市圈是目前我国推进新型城镇化建设的重要手段，都市圈轨道交通是构建同城化发展的现代化都市圈、实现都市圈可持续发展的重要支撑，为更好地适应都市圈和城市群发展新要求，国家鼓励发展多层次、多模式、多制式的轨道交通系统，这为都市圈轨道交通的制式选择提供了更大的选择空间，因此，如何合理选择都市圈轨道交通制式，以什么样的视角去选择都市圈轨道交通制式是目前都市圈轨道交通发展面临的重大问题。

2 都市圈轨道交通制式

制式通常是指通过某种规格来定义某一种产品的样式，例如电视制式、手机网络制式等。都市圈轨道交通是集多专业、多工种于一体的复杂系统，其系统制式也包括多方面的统一标准，主要指采用的牵引供电方式、车辆选型、通信信号系统、授电方式、隧道断面、轨道型式等配套设备制式的统一，而主要影响轨道交通制式的是供电方式、车辆选型及通信信号3种制式的选择，这3种制式的选择对授电方式、轨道结构等方面的选择起到至关重要的作用。因此本文主要从供电、车辆、信号等3个方面研究都市圈轨道交通制式。

3 各制式与技术标准的相互关系

供电方式、车辆选型及信号制式选择对速度目标值、站间距、运能等有不同的适应性，即制式的选择影响着相关线路技术标准的选择，同样相关线路技术标准的选择决定了制式的选择范围，两者相互影响。

3.1 供电制式与技术标准的相互关系

供电制式的选择影响着速度目标值、供电、土建工程投资等，如图1所示。在速度方面，AC25kV对速度适应范围更广，可达速度目标值更高；在供电设施投资方面，交流供电设施小于直流供电；在隧道等工程投资方面，交流供电设施的隧道、桥梁等工程投资大于直流供电，一般约是直流的2～3倍。

3.2 车辆制式与技术标准的相互关系

车辆制式的选择决定了载客能力、加减速性能、站间距、乘车便捷性等，如图1所示。在速度方面，CRH6A/6F/6S车型大于市域A/B/D车型，市域A/B/D车型速度大于地铁A/B车型；在加减速性能方面，地铁A/B型车优于市域A/B/D型车，市域A/B/D型车优于CRH6A/6F/6S；在站间距方面，CRH车型站间距要大于市域A/B/D车型，市域A/B/D车型站间距要大于地铁A/B车型车；在载客量及座次安排方面，地铁A/B型车大于市域A/B/D型车，市域A/B/D车型大于CRH6A/6F/6S车型；在车门设置及服务便捷性方面，地铁A/B型车优于市域A/B/D型车，市域A/B/D型车优于CRH6A/6F/6S，且市域车型比CRH车型上下车更加便捷。

3.3 信号制式与技术标准的相互关系

信号制式的选择决定了运输组织能力及发车间隔、互联互通需求、服务便捷性等，如图1所示。在列车追踪间隔长短方面，中国列车运行控制系统-2 +列车自动运行系统（CTCS-2 +ATO）的列车追踪间隔要大于点式列车自动控制系统（ATC）列车，点式ATC列车追踪间隔一般要大于基于通信的列车控制系统（CBTC）列车，CTCS-2 +ATO要求列车追踪间隔最长；在行车组织能力方面，CBTC要优于点式ATC，点式ATC要优于CTCS-2 +ATO；在对最高速度适应方面，CTCS-2 +ATO对最高速度的适用性要优于点式ATC 及CBTC；在自动化程度及服务便捷性方面，CBTC要优于点式ATC，点式ATC要优于CTCS-2+ATO；在互联互通方面，CBTC、点式ATC适用于直、交流供电，与城市轨道交通互联互通， CTCS-2+ATO适用于交流供电，与国铁互联互通。

图1 供电、车辆、信号系统等制式选择与相关技术标准相互影响关系

4 制式选择主要影响因素

综合前文分析，都市圈轨道交通制式选择与线路速度目标值、站间距等相关技术标准相互影响，因此制式选择取决于相关技术标准选择，而相关技术标准的选择又与线路所在区域发展定位、线路功能、城镇节点分布等息息相关，因此影响制式选择的因素可以分为直接影响因素和间接影响因素，直接影响因素包括速度目标值、站间距等相关技术标准，间接影响因素包含线路功能定位、时间目标值、城镇空间尺度等对技术标准选择起到重要作用的相关因素，直接和间接影响因素之间不是相互独立的，而是相互耦合、相互影响。

4.1 城市定位及线路功能

城市的发展定位及发展能级影响线路的功能定位，从而影响时间目标值、线路速度目标值、站间距的选择，进而影响着制式的选择，因此城市定位及线路功能定位相互耦合，是影响制式选择的重要因素。

（1）当线路主要服务于近郊区与都市圈中心城的通勤出行时，受通勤圈空间尺度影响，一般空间尺度比较小，速度目标值、站间距设置也比较小，速度标准一般在100～120 km/h，线路一般采用直流供电制式，更能发挥设站密集、加减速快等特点；车辆选型可选择与城市轨道交通制式相适应的A/B型车或可接受直流供电的市域A/B型车；为实现都市圈轨道交通与地铁信号控制系统的互联互通，信号制式尽可能选择与地铁相适应的ATC系统，具体是采用基于计轴和可变数据应答器的点式ATC还是采用基于轨道电路的ATC，以及基于通信的ATC可根据未来客流需求、行车追踪间隔要求及投资等因素具体分析。

（2）当线路需满足多元化需求，如在满足都市圈范围出行需求的同时，需要兼顾国铁通道功能、区域城际功能的时候，一般需要开行国铁线路的跨线列车，速度目标值要求比较高，一般在160～250 km/h，供电制式一般使用AC25kV；车辆选型也尽量与互联互通国铁干线车辆选型一致，选择CRH系列车型；信号制式也尽量选择便于与国铁互联互通的CTCS。

4.2 时间目标值与速度目标值、线路里程

直流供电制式速度标准在供电压限值、运营期维修经济性、当前技术水平等方面考虑，一般只能达到120 km/h（国内）；而交流供电制式在供电电压方面有明显的优势，电压的提升可有效提升供电功率及车速，因此速度目标值在120 km/h以上的线路一般采用交流供电制式。而速度目标值的确定又与线路里程（都市圈空间尺度）、运营时间目标值息息相关。因此运营时间目标值、速度目标值及线路里程（都市圈辐射空间尺度）之间相互影响、相互耦合对都市圈轨道交通制式的选择产生了重要影响。

不同速度目标值对应辐射范围分析如表1所示，在时间目标值确定的情况下，不同速度列车辐射范围各不相同。都市圈的空间尺度直接决定了都市圈轨道交通所需要辐射的范围及其线路里程，并直接影响着速度目标值及制式的选择，空间尺度越大，所要求速度目标值速度标准越高，当超过54 km（考虑站间距较小、旅行速度较低的最不利情况）时，在1 h通勤时间目标值约束下，速度应大于120 km/h，对于制式的选择也应该选择能提速较快的交流供电制式，反之则选择直流供电制式。

表1 1 h时间目标值下不同速度目标值对应辐射范围

4.3 城镇间空间尺度与站间距

根据2017年国家颁布的《关于促进市域（郊）铁路发展的指导意见》，要求线路要串联5万人及以上的城镇组团并设站，因此线路站间距与沿线城镇分布密切相关。而站间距的设置要满足所选速度目标值加减速距离，不同速度目标值动车加减速周期的走行距离如图2所示，速度目标值越高的动车，所对应加减速周期走行距离越长，要求的站间距也就越大。因此，城镇间空间尺度、站间距的设置与速度目标值的选择又息息相关，从而影响着供电、车辆信号等制式的选择。

图2 不同速度目标值时动车组一个加减速周期的走行距离

根据不同站间距、不同速度列车在区间的运行时分可以得出，在固定站间距下，并非速度越高列车运行时分越短。而当站间距较短时，速度等级较高的动车组由于加减速性能的限制，在较短的站间距区间内，基本上仅处于起动加速、制动减速阶段，难以发挥高速度动车组优越性，而区间运行时分有可能比较低速度列车运行时分还要长。不同站间距、不同速度等级动车组的运行时分分析如表2所示。

表2 不同站间距动车组运行时分对照表 s

由表2 分析可得，平均站间距4 km的情况下，120 km/h标准最优。平均站间距6～8 km的情况下，140 km/h较优，160 km/h次优。平均站间距10～14 km的情况下，160 km/h与200 km/h优势较大。

综上分析，当平均站间距小于4 km，选择120 km/h最优，该速度下直流列车在启动和制动环节加减速度优势明显，优选直流供电制式。当站间距在6～8 km甚至更大时，则优选交流供电制式

4.4 与城市衔接关系及与线路互联互通关系

都市圈轨道交通是连接都市圈范围（中心城与郊区）出行，承担都市圈内城市间、城镇间以及城市与城镇间的中短途客流运输。因此都市圈轨道交通往往需要与城市轨道交通、区域铁路充分联系，与城市衔接关系，以及选择与城市轨道交通衔接还是铁路衔接，对于制式的选择影响很大。

（1）如果都市圈轨道交通与城市衔接关系是止于城市外围，一般会选择止于城市外围的铁路环线上的铁路枢纽站，该线路一般兼顾了国铁干线联络线的功能，其制式标准也一般选择与国铁干线相一致的制式标准，如武汉都市圈城际铁路。

（2）如果都市圈轨道交通选择与城市衔接关系是深入市中心，一般会利用与城市轨道交通互联互通深入市中心，其制式标准的选择与城市轨道交通一致，如日本外围郊区线路都是止于城市中心区的地铁山手环线，供电制式也是选择与山手环线相一致的直流供电。

（3）如果都市圈轨道既要满足与外围国铁干线互联互通，又要与城市中心区的城市轨道交通互联互通，则一般采用双流制的车型，双流制车型在外围国铁干线上接受交流受电，在市区地铁线上接受直流受电。

4.5 工程投资及工程经济性

工程投资作为都市圈轨道交通建设的重要环节，由于不同制式下车辆选型、牵引供电、信号系统等均有所不同，所需要的投资也各不相同。为充分发挥投资效益，严控财务风险，工程投资与工程经济性也是制式选择的约束条件之一。在供电工程方面，交流供电投资远小于直流供电投资。以速度目标值140 km/h的都市圈轨道交通为例，每正线公里的投资（包括外电源，不包括动力照明配电），直流制式供电工程是交流制式供电工程的2～10倍，同时，直流牵引网供电的运营管理费用也高于交流牵引网供电；在隧道、桥梁等工程方面，由于交流供电会增大隧道的断面，车辆轴重更大，会使隧道、桥梁、轨道等方面投资增加；在牵引变电所的设置方面，交流制式变电所供电范围为30～80 km，一般就市域铁路而言，长度大多不会超过100 km，2座变电所就可以满足要求；直流制式变电所供电范围为2.0～4.5 km，需要设置主变电所数座，直供牵引变电所数十座，因此牵引变电所等建筑投资会有所增加。

从隧道工程、供电工程、牵引变电所设置等投资来分析，总结可得以下结论：

（1）如果线路中隧道工程所占比例比较高，从减小隧道工程投资角度考虑尽量采用直流供电制式；

（2）如果线路里程比较长，超过30～80 km（交流供电范围为30～80 km），对于采用直流制式的线路其牵引变电所、主变电所的规模均比较大，从减小供电投资角度考虑尽量采用交流供电制式。

5 主要研究结论

都市圈轨道交通制式的选择并不是由单一因素所决定的，而是需要综合考虑多方面影响因素，以及各因素之间存在的相互耦合、相互影响关系。如图3所示，区域发展与线路功能定位相互耦合相互影响、城市空间尺度与站间距相互影响、时间目标值与速度目标值相互影响，和城市衔接关系与区域路网衔接关系相互影响、运输能力与客流需求相互影响。由此可见，最终制式的选择是对多方因素及相互关系进行综合分析的结果。因此，在针对某条都市圈轨道交通进行制式选择时，应从功能定位、站间距设置、速度目标值等定性定量多个角度分析，并且需要充分考虑各影响因素之间相互耦合、相互影响的关系，及各种制式对技术标准的适应性。

图3 都市圈轨道交通制式影响因素相互关系分析图