城市轨道交通延伸线路列车编组方案研究——以青岛地铁6号线二期为例

邹 毓

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043; 3.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

列车编组是轨道交通主要技术标准之一,影响建设成本及运营成本。列车编组以线路远期高峰小时单向最大断面客流量为依据确定。目前,国内以初、近、远期均采用相同编组辆数为主,依据客流量存在4辆、6辆、8辆编组方案,其中6辆编组应用最多[1-3]。城市轨道交通线路根据功能定位可划分为城区骨干线、加密线、市域快线等,其中城区骨干线为城市早期发展中先期建设的贯穿城市核心区域线路,适宜采用运营管理简单、检修方便、场段规模易控制的固定编组列车。但是,随着各地轨道交通线网的逐渐完善,一线城市已完成三、四轮建设规划,大多数二线城市也已经完成两轮建设规划,由于大多新线延伸至城市边缘地区,城区加密线路与市域快线建设比例逐渐提高,两者在客流特征上具有一定的相似性,大多面临着两个问题,一是客流时空分布不均衡,主要表现在早、晚高峰客流大,其余时段客流较小;二是实际客流与预测值差异较大,主要表现在换乘线路建设时序的影响,网络效益发挥不足,客流存在较长时间的培育期,初期实际客流存在风险。在此种客流形式下,若继续采用固定编组形式,难以实现服务水平与运营效益的最优,因此对城市轨道交通列车编组的研究必要且紧急。

城市轨道新建线路根据线路规划可分为两类,一类为纯新建线路,一类为延伸线路[4-5],延伸线在编组研究中,需统筹考虑对既有线路施工或运营的影响,因此更为复杂。以青岛轨道交通6号线二期为例,系统分析线路编组方案以及编组对6号线一期线路的影响,为青岛轨道交通的发展提供借鉴。

1 城市轨道交通编组形式分析

1.1 编组形式分析

1.1.1 固定编组

初、近、远期均采用相同的编组辆数,依据客流量存在4辆、6辆、8辆编组方案,其中6辆编组应用最多。

方案优点:采用固定编组列车时运营管理简单、检修方便,场段规模易控制。适应于各城市先期建设的中心城区骨干线路。

方案缺点:一般情况下,平峰小时客流占比仅为全日客流的5%～10%,采用固定编组形式存在运能浪费的现象,满载率较低。

1.1.2 混跑编组

初期使用小编组列车,近、远期采用小编组、大编组混跑方案,主要有4、6混跑,6、8混跑。

方案优点:可有效提高线路服务水平,提升满载率,减少初期购车费,降低运营成本。

方案缺点:①场段规模可能会增大;②站台门、信号系统需特殊设计;③线路长期处于混跑状态,对运营组织要求高。

1.1.3 灵活编组

可细分为“3+3”、“4+4”解编连挂,初、近、远期可作为一列独立编组列车运营或联挂列车在线运营,根据车辆厂家提供数据,“3+3”联挂列车较固定6编组列车增长1.2 m[6-9]。

方案优点:可有效提高线路服务水平,提升满载率,更好地适应客流特征,同时有效降低运营成本。

方案缺点:①站台门、信号系统进行特殊设计;②全自动场景下解编连挂技术成熟性不足。

1.2 国内外城市轨道交通编组应用情况

固定编组是国内城市轨道交通最常见的编组,例如兰州地铁1号线,西安地铁1～6号线,青岛地铁2、3、11、13号线等,不再展开说明。

近年来,各城市面对初期客流量级不高或高峰平峰客流差距较大的问题,已开始重视初期采用小编组或混合编组的方案,通过编组模式的改变能明显节约列车牵引能耗,从而节约运营成本,为轨道交通的可持续发展提供保障[10-11],下面分别总结出混跑编组、灵活编组的应用情况,见表1、表2。

表1 混跑编组应用案例Table 1 Application cases of mixed running marshalling

表2 灵活编组应用案例Table 2 Application cases of flexible marshalling

国内对于列车编组的应用以固定编组为主,混跑编组、灵活编组的应用可以划分为两种情况,一是随着中心城区线路饱和,地铁线路由中心城区向郊区拓展,混跑编组、灵活编组开始有所应用[12-14];二是国内最开始修建的一批地铁线路,例如重庆地铁2号线,在设计时采用小编组列车,开通后由于客流量的激增,为满足客运需求开始采用混跑方式运营[15-16]。

2 青岛6号线二期编组方案研究

2.1 线路概况

2.1.1 线路整体情况

青岛地铁6号线为西海岸新区内部的大运量等级的骨干线,是一条呈反“C”形的线路,共分为三期建设,一期工程起点为辛屯路站,终点为生态园站,线路全长30.8 km,共设21座车站,平均站间距1.5 km,设抓马山车辆基地1处,主变电站1处,于2019年底开工建设,计划2024年底建成通车;二期工程线路全长13.9 km,均为地下线,设10座车站,其中青西站及前后部分区间土建工程已随青西高铁站同步实施完成,平均站间距1.4 km;三期工程共分两段,北段起点为生态园站,终点为王台站,线路全长8.7 km,设站5座,设王台停车场1处。南段起点为铁山站,终点为青西站(不含),线路全长3.8 km,均为地下线,设车站2座,设铁山停车场1处,青岛地铁6号线线路平面走向见图1。

图1 青岛地铁6号线线路平面走向Fig.1 Plane Direction of Qingdao Metro Line 6

2.1.2 青岛地铁6号线一期工程建设情况

青岛地铁6号线一期工程采用固定6编组B型车,于2019年底开工建设,2022年5月,3列6编组TACS试验B型车车已下线,其余车辆也已完成招标,2022年8月将完成设备安装、9月实现全线洞通,在2024年底一期工程开通运营,二期工程将于2027年中旬运营,两期线路运营时间相差2.5年。

2.2 客流特征分析

2.2.1 客流预测总体指标

青岛地铁6号线各特征年的主要客流指标如表3所示。

表3 青岛地铁6号线各特征年主要客流指标Table 3 Main passenger flow indicators for each characteristic year of Qingdao Metro Line 6

初期高峰小时客流最大断面出现在峨眉山路站—富春江路站,最大断面量为1.6万人次/h;近、远期高峰小时最大断面位于朝阳山CBD站—华山一路站区间,最大断面量分别为2.41,2.92万人次/h。

2.2.2 全日客流分时段比例

青岛地铁6号线远期全日客流早高峰出现在7:30—8:30,高峰系数17.8%;晚高峰出现在17:30—18:30,高峰系数16.4%,具体数据如图2所示。

青岛地铁6号线晚高峰略小于早高峰。早高峰小时客流相对更集中,高峰与平峰客流数据相差较明显。

2.3 编组方案提出

由客流分析可知,青岛地铁6号线整体客流量级较大,远期高峰小时客流断面达2.92万人次/h,适合6编组B型车。目前6号线一期已完成6编组列车招标工作,3列TACS试验车已下线,同时峨眉山路站已随1号线同期实施,且1号线部分目前已投入运营。6号线站台一侧站台门(段门梁、柱)已按照6辆编组方案进行预留,在此背景下6号线若采用3+3灵活编组,需对3列TACS试验车及峨眉山站改造,并且需重新进行车辆招标工作,程序复杂、周期长,易造成工期延误,无法按期开通运营。

基于对一期工程影响最小,一期工程按原计划购入29列固定6编组列车。比选方案一:二期继续购入6编组列车(固定6编组)。方案二:二期工程购入4编组列车(4辆、6辆混跑编组)两种,选出最适宜的编组形式。

2.4 基于运营分析编组方案

2.4.1 方案一:固定6编组开行方案

初、近、远期均采用2∶1大小交路运行,初期大交路为青西站—生态园站,小交路为灵山湾路站—生态园站;近远期大交路为铁山站—王台站,小交路为灵山湾路站—中韩园区站,初、近、远期交路示意见图3。

图3 青岛地铁6号线固定6编组初、近、远期交路Fig.3 Fixed 6formation initial, short-term, and long-term routing of Qingdao Metro Line 6

推荐的列车运行交路小交路覆盖了6号线与其他轨道交通线路的换乘结点,同时在全线配线设计时考虑了应对不同交路方案的灵活性需求,在全线多处设置有具有折返功能的配线,在实际运营中可根据客流情况及运营需要灵活调整开行比例、组织不同交路运行。

2.4.2 方案二:4辆、6辆混跑编组开行方案

4辆、6辆混跑模式下,初、近、远期均采用1∶1大小交路运行,初、近、远期交路位置与固定6编组一致,交路示意见图4。

图4 青岛地铁6号线4辆、6辆混跑列车交路方案Fig.4 Routing plan for 4 and 6 mixed trains on Qingdao Metro Line 6

由图4可见,在4辆、6辆混跑模式下,由于近、远期客流增大,列车在高峰期出现4辆、6辆编组列车混跑情况,运输组织难度较方案一大。

2.4.3 运营指标分析

选取全日、高峰满载率、全日牵引能耗、配车数、车辆购置费等运营指标,系统分析两编组方案的指标变化,指标比选见表4。

表4 青岛地铁6号线编组方案运营指标分析Table 4 Analysis of operation indicators for the formation scheme of Qingdao Metro Line 6

从表4分析可知,青岛地铁6号线采用4辆、6辆混跑后,初、近、远期高峰行车对数均提高3对/h,客流服务水平提高,同时初、近、远全日及高峰满载率均有所提高,减少了运能浪费;全日牵引能耗方面,初、近、远期分别降低23.83%、21.76%、16.75%,更加符合国家双碳减排的政策;综合三期车辆购置费,采用4辆、6辆混跑可节约11 160万元。

2.5 基于改造成本分析编组方案

2.5.1 车辆系统

对车辆系统的影响主要体现在应急救援,需满足小编组列车对大编组列车的救援[17],4编组列车常用的动拖形式分为3动1拖(3M1T)与2动2拖(2M2T),表5针对两种不同的动拖形式对应急救援进行分析。

表5 青岛地铁6号线4辆、6辆混跑下的应急救援分析Table 5 Emergency rescue analysis of Qingdao Metro Line 6 with mixed 4 and 6 formation Running

经理论核算,3M1T空车救援6编组时启动加速度为0.109 m/s2,大于最小起动加速度0.083 m/s2,可以正常起动,但2M2T空车救援6编组时,计算启动加速度小于最小起动加速度0.083 m/s2,说明无法正常启动,无法实现空车救援,为满足列车应急救援,4编组列车应采用3M1T。

2.5.2 站台门系统

6编组列车长度约为118.3 m,4编组列车长度约为79.3 m,车厢与车厢的联结规格有两种,规格一为带司机室车厢与普通车厢的连接,长度为4 880 mm;规格二为普通车厢之间的连接,长度为5 780 mm。

青岛地铁6号线一期站台门是按照固定6编组列车设计的,由于车厢联结规格不同,4编组列车的第4节车厢车门将会与站台门出现900 mm的错位,易造成安全事故[18-19],车门与站台门的对应关系如图5所示。

图5 4、6辆编组列车与站台门的对应关系(单位:mm)Fig.5 Correspondence between 4-car and 6-car trains and platform doors (unit: mm)

为解决站台门与车厢门错位问题,可从两个方面进行改造,分别为改造车辆方案、改造站台门方案,下面分别进行说明。

(1)方案一:改造车辆方案(图6)

图6 改造车辆方案示意(单位:mm)Fig.6 Schematic diagram of vehicle renovation plan (unit: mm)

根据停车位置的不同,可分为站端停靠、站中停靠两种改造方案。

针对站端停靠,仅需加长第三、四节车厢连接长度,节省投资,但是不利于客流组织,易出现乘车混乱;针对站中停靠需加长一、二节,三、四节两处车厢长度,投资更大但乘客组织简单。

(2)方案二:改造站台门方案(图7)

图7 站台门改造方案示意(单位:mm)Fig.7 Schematic diagram of platform door renovation plan (unit: mm)

站台门的开度可在500 mm范围内调整,考虑增大站台门开度450 mm,同时针对4编组列车停车位置较6编组列车偏移450 mm。

此方案通过站台门改造,可解决站台门与车厢门错位问题,但是车门与滑动门同步性差,运营具有安全风险。

(3)综合比选

对3种调整方式进行综合比选,如表6所示。

表6 青岛地铁6号线车辆、站台门系统方案综合比选Table 6 Comprehensive comparison and selection of vehicle and platform door system schemes for Qingdao Metro Line 6

综合3种方式优缺点,方案一站中停靠下车辆改造方案站台门无需调整;运营安全、便捷;中部停靠便于乘客乘车,推荐此方案。

2.5.3 通信系统

6号线一期工程站台层PIS屏播控器方案采用一个播控器控制一侧PIS屏,考虑引导乘客乘车,避免在没有车厢的站台门前等候,可增设1台播控器,播放其他内容引导乘客前往正确停车位乘车。同时原6编组车到站无需提供车辆编组信息,在信号专业与PIS系统接口中的车次号信息中包含车辆编组信息,但PIS系统无法进一步解析车次号信息从而获得车辆编组信息,需要修改软件增加与车辆、信号系统接口。两者改造费用约为700万元。

2.5.4 信号系统

6号一期信号系统采用TACS系统实现无人驾驶,目前已完成设备系统招标,正处于进行设计联络阶段,要实现4辆、6辆混跑编组,6号线一期工程需修改方案,主要涉及硬件增加和软件修改,相关费用如下。

(1)轨旁应答器、计轴增加费用(设备费和安装费)约980万元。

(2)软件费约250万元。

2.5.5 场段规模影响

4辆、6辆混跑情况下需要对线路场段规模进行核算,以确定土建规模的变化,青岛地铁6号线场段规模分配见表7。

表7 青岛地铁6号线场段规模分配Table 7 Scale allocation of Qingdao Metro Line 6 depot

经过核算,停车列检远期总规模不变(均为90列位),近期由于运用车数增加6列位,近期铁山停车场停车列检库增加面积约5 940 m2(约5 700万元投资)。

2.6 编组方案结论

综合运营经济性、改造成本对6号线采用固定编组及4辆、6辆混跑方案进行综合比较,分析如表8所示。

表8 青岛地铁6号线编组方案综合分析比选Table 8 Comprehensive analysis and comparison of formation schemes for Qingdao Metro Line 6

综合运营指标及改造成本分析,4辆、6辆混跑方案可有效提高线路服务水平,提升满载率,减少初期购车费,降低运营成本,且对于6号线一期工程影响较小,对于综合费用来看,采用4辆、6辆混跑方案后,较6号线二期初步设计概算费用可减少近5.95亿元,研究推荐6号线采用4辆、6辆混跑方案。

3 结语

列车编组方案是线路建设、运营的关键技术指标,随着各地线网的不断完善,线路逐渐向城市边缘地区延伸,客流出现中心城区客流大,边缘地区客流小,初、近期客流小,远期客流大等时空不均衡特征,在既有线路或运营或在建的情况下,延伸线路的编组形式可否更改值得进一步探讨。在分析国内目前常用的编组形式基础上,以青岛地铁6号线二期为实际案例,首先分析线路概况、客流特征,并针对固定6编组及4辆、6辆混跑方案进行分析,从运营、改造成本进行研究,结果表明,6号线采用4辆、6辆混跑方案之后在提高运营指标的同时,运营成本可降低5.95亿元,且改造切实可行,应予以推荐。

传统二期线路编组方案会直接与一期工程保持一致,而忽略二期线路开通之后的客流特征变化对编组产生的影响,对相似延伸线路的编组研究具有借鉴意义,但是在实际工程中,无论延伸线还是规划新线存在边界条件的不同,不同的编组方案根据实际情况仍需分析研究确定。