廣州地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)運(yùn)能提升綜合研究與實(shí)踐

彭 磊

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010)

廣州地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)運(yùn)能提升綜合研究與實(shí)踐

彭 磊

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010)

從廣州地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀出發(fā)，分析既有運(yùn)輸組織存在的停站時(shí)間長(zhǎng)、區(qū)間運(yùn)行速度偏低、旅行速度低、折返能力不足等制約運(yùn)輸能力提升的瓶頸與問題。針對(duì)現(xiàn)狀運(yùn)營(yíng)存在的問題，在壓縮停站時(shí)間方面提出設(shè)備響應(yīng)速度優(yōu)化、壓縮司機(jī)安全確認(rèn)時(shí)間、站臺(tái)客流組織優(yōu)化等措施；在壓縮區(qū)間運(yùn)行時(shí)間方面提出提高區(qū)間運(yùn)行速度、降低曲線限速、減少運(yùn)行圖冗余等措施；在提高折返能力方面提出壓縮折返車站停站時(shí)間、提高道岔側(cè)向通過速度及合理選用折返線配線形式等措施。從理論上分析驗(yàn)證綜合運(yùn)能提升措施的實(shí)施效果，經(jīng)分析得出：客流壓力較大的3、5號(hào)線車站追蹤能力、區(qū)間追蹤能力及折返能力，采用相應(yīng)措施優(yōu)化后可滿足正線最小行車密度2 min的要求。

軌道交通； 運(yùn)輸能力； 旅行速度； 折返能力； 運(yùn)能提升； 廣州地鐵

1 研究背景

隨著2016年底 6號(hào)線二期及7號(hào)線一期的開通運(yùn)營(yíng)，廣州地鐵已運(yùn)營(yíng)10條線路，總長(zhǎng)度308 km，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)時(shí)代。自第一條線路開通以來，廣州地鐵線網(wǎng)客流逐步增長(zhǎng)，2007年前客運(yùn)量與線路長(zhǎng)度同步增長(zhǎng)，客運(yùn)強(qiáng)度基本為1萬人次/km，2007年后線網(wǎng)客運(yùn)量呈跳躍式增長(zhǎng)，目前新線開通后工作日的日均客流量為729萬人次/d(見圖1)。

線網(wǎng)各線中1、2、3、5號(hào)線日均客運(yùn)量均已超過100萬人次/d(見圖2)，客流壓力巨大。根據(jù)調(diào)研，3號(hào)線及5號(hào)線現(xiàn)狀高峰時(shí)段運(yùn)營(yíng)間隔分別為128 s和136 s(含單向加車)[1]，客流壓力尤為突出，區(qū)間最大站立密度分別已達(dá)到8.1人/m2和6.8人/m2，遠(yuǎn)超過地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中[2]5～6人/m2的要求，運(yùn)輸能力亟待提高(見圖3)。

在設(shè)備資源有限的條件下，運(yùn)能與運(yùn)量需求間的矛盾比較突出。筆者從廣州地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀出發(fā)，分析既有運(yùn)輸組織存在的瓶頸與問題，從停站及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、旅行速度、折返能力等方面提出了運(yùn)能提升的綜合措施，并分析其實(shí)施效果。

圖3 現(xiàn)狀3、5號(hào)線區(qū)間站立密度及對(duì)應(yīng)最大密度區(qū)間Fig.3 Current standing density of Line 3 and Line 5，and the corresponding photos

圖1 廣州地鐵線網(wǎng)客運(yùn)量增長(zhǎng)情況Fig.1 Guangzhou Metro passenger volume growth

圖2 現(xiàn)狀各線日均客運(yùn)量情況Fig.2 Current passenger volume per day of each line

2 線網(wǎng)既有運(yùn)營(yíng)效率分析

2.1停站時(shí)間

根據(jù)對(duì)部分既有大客流線路停站時(shí)間的調(diào)研(見表1)，受車站乘客上下車秩序、設(shè)備響應(yīng)及司機(jī)確認(rèn)時(shí)間等因素影響，高峰期各線停站時(shí)間普遍偏長(zhǎng)。部分車站停站時(shí)間過長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了目前正線運(yùn)營(yíng)效率[3-4]。

表1 現(xiàn)狀線網(wǎng)主要線路最大停站時(shí)間車站統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)狀珠江新城、體育西路、公園前等車站停站時(shí)間接近1min，其他大部分大客流車站如客村、火車站、楊箕等站的停站時(shí)間均在40s以上。

受限于線路部分車站停站時(shí)間過大，導(dǎo)致正線追蹤能力降低，無法加大列車開行對(duì)數(shù)，是導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)效率較低、運(yùn)輸能力不足的原因之一，正線追蹤能力[5-6]，計(jì)算為

(1)

2.2區(qū)間運(yùn)行時(shí)間

區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的主要影響因素包括區(qū)間最高速度、曲線通過速度、運(yùn)行圖冗余等。盡量縮短區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，有利于提高運(yùn)輸效率，在現(xiàn)有資源的情況下最大限度地發(fā)揮線路運(yùn)輸能力。

2.2.1區(qū)間最高運(yùn)行速度

線網(wǎng)各線中3號(hào)線設(shè)計(jì)最高速度為120km/h，1、2、8號(hào)線及廣佛線設(shè)計(jì)最高速度為80km/h，4、5、6號(hào)線設(shè)計(jì)最高速度為90km/h。

目前，線網(wǎng)中的線路實(shí)際最高運(yùn)行速度未達(dá)到系統(tǒng)最大速度，個(gè)別線路區(qū)間最高運(yùn)行速度也只是瞬間達(dá)到，速度潛能沒有得到充分發(fā)揮。

2.2.2列車曲線通過速度

由于信號(hào)系統(tǒng)在設(shè)置線路通過曲線速度時(shí)考慮了列車瞬間超速的可能性[7]，線網(wǎng)各線路列車通過限速曲線時(shí)的實(shí)際速度低于曲線速度限制值。實(shí)際ATP(列車自動(dòng)保護(hù))命令速度vatp計(jì)算[7]如下：

(2)

vr=artr

vc=actc

式中：vatp為實(shí)際ATP命令速度；vmax為最大限制速度；vr為牽引切除時(shí)間內(nèi)的速度增長(zhǎng)；vc為施加制動(dòng)時(shí)間內(nèi)的速度增長(zhǎng)；div為測(cè)速誤差系數(shù)；vtol為速度容差；ar為牽引切除前瞬時(shí)加速度；tr為牽引切除反應(yīng)時(shí)間；ac為制動(dòng)施加前瞬時(shí)加速度；tc為施加制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

根據(jù)上述計(jì)算公式，vatp計(jì)算值取決于當(dāng)前位置列車瞬時(shí)加速度，而列車瞬時(shí)加速度與列車實(shí)時(shí)牽引力及所處的線路坡度有關(guān)。

線網(wǎng)現(xiàn)狀曲線通過速度全部按照最不利情況(最大瞬時(shí)加速度)考慮，在限制速度vmax基礎(chǔ)上降低8～10km/h取值。實(shí)際大部分位于區(qū)間中部的曲線并非最不利情況，以地鐵7號(hào)線一期為例，最不利位置與最有利位置vatp計(jì)算值相差3～5km/h，全部按最不利位置取值降低了大部分曲線提高通過速度的可能性，列車通過曲線的性能未得到充分發(fā)揮。

2.2.3運(yùn)行圖系統(tǒng)的冗余

在編制線路行車計(jì)劃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提供3～5條區(qū)間運(yùn)行曲線供用戶選擇，如圖4中v1～v5曲線所示，各條曲線旅行時(shí)間按照3%左右幅度遞增。考慮到為列車趕點(diǎn)預(yù)留空間，編制運(yùn)行圖時(shí)一般會(huì)采用v2或v3曲線。其中v1與vatp曲線的運(yùn)行時(shí)間之間的差值為運(yùn)行圖系統(tǒng)冗余[8]。

圖4 現(xiàn)狀典型區(qū)間牽引曲線Fig.4 Current traction curve of typical interval

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)狀大部分線路運(yùn)行圖系統(tǒng)冗余在5%～8%。vatp是實(shí)際運(yùn)行列車可持續(xù)達(dá)到的巡航速度值，運(yùn)行圖系統(tǒng)中的V1值應(yīng)與vatp值保持一致，可不考慮另外設(shè)置冗余，因此V1～V5曲線均有速度提升的空間。

2.3旅行速度

線路旅行速度決定了線路的運(yùn)輸效率，旅行速度越高的線路在相同的配車條件下所能提供的運(yùn)輸能力越大。決定旅行速度的指標(biāo)主要是停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)2.1及2.2節(jié)的分析，目前線網(wǎng)各線停站時(shí)間及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間均存在一定壓縮的空間，因此現(xiàn)狀各線的旅行速度仍可進(jìn)一步提高。

2.4折返能力

目前線網(wǎng)大部分為站后折返站，站后折返能力主要受停站時(shí)間、折返線運(yùn)行時(shí)間控制。

2.4.1停站時(shí)間

受司機(jī)交接、下車鎖門等作業(yè)及設(shè)備響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的影響，現(xiàn)狀折返站停站時(shí)間均較長(zhǎng)，基本在60s左右，見表2。

表2 現(xiàn)狀部分折返站停站時(shí)間

2.4.2折返線運(yùn)行時(shí)間

折返線運(yùn)行時(shí)間主要受道岔側(cè)向過岔速度的影響，現(xiàn)狀9號(hào)線道岔實(shí)際側(cè)向過岔速度在25～30km/h之間，通過速度偏低也是折返能力受制約的主要因素。

3 運(yùn)能提升措施研究

3.1壓縮停站時(shí)間的措施

壓縮停站時(shí)間是高密度行車的工作重點(diǎn)。停站時(shí)間普遍偏長(zhǎng)導(dǎo)致列車區(qū)間追蹤能力降低，直接降低了運(yùn)輸能力(見表3)。下面將停站時(shí)間進(jìn)行分解，并針對(duì)各環(huán)節(jié)提出優(yōu)化建議。

表3 停站時(shí)間構(gòu)成

3.1.1硬件優(yōu)化措施

1) 設(shè)備響應(yīng)速度優(yōu)化。既有設(shè)備響應(yīng)主要包括開關(guān)門按鈕響應(yīng)和列車啟動(dòng)按鈕響應(yīng)。目前從司機(jī)按壓開門按鈕到車門響應(yīng)一般需要3～4s，列車啟動(dòng)響應(yīng)一般需2～3s。在新線招標(biāo)時(shí)應(yīng)對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行控制，設(shè)備響應(yīng)時(shí)間壓縮后可節(jié)約停站時(shí)間2～3s，同時(shí)既有設(shè)備也可考慮進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)改造升級(jí)。

2) 壓縮司機(jī)安全確認(rèn)時(shí)間?，F(xiàn)狀司機(jī)確認(rèn)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，對(duì)停站時(shí)間影響很大。既有線路站臺(tái)門系統(tǒng)增加監(jiān)測(cè)裝置，信號(hào)系統(tǒng)收到站臺(tái)門關(guān)好信號(hào)后即啟動(dòng)列車(類似無人駕駛系統(tǒng))，可壓縮司機(jī)確認(rèn)時(shí)間為4～5s。

3) 開關(guān)門速度優(yōu)化?，F(xiàn)狀各線開門時(shí)間基本在3～4s，提高開關(guān)門速度后，停站時(shí)間可節(jié)約1～2s。

3.1.2客流組織優(yōu)化措施

根據(jù)調(diào)研，上下車客流(特別是上車客流)在站臺(tái)上的分布具有很大的不均勻性，客流堆積較嚴(yán)重車門的上下車時(shí)間是影響停站時(shí)間的關(guān)鍵(見圖5)。因此，應(yīng)加強(qiáng)高峰小時(shí)站臺(tái)上下車客流的客流組織，盡量引導(dǎo)乘客在站臺(tái)上均衡候車。

圖5 3號(hào)線體育西路站臺(tái)各車門乘客不均衡分布Fig.5 The uneven distribution of the passengers on Tiyuxilu Station of Line 3

3.2壓縮區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的措施

3.2.1列車最高運(yùn)行速度

實(shí)際運(yùn)行的列車最高速度vatp不能達(dá)到系統(tǒng)最高速度的原因，主要是信號(hào)系統(tǒng)在最高限速的基礎(chǔ)上預(yù)留了超速余量。因此在新線設(shè)計(jì)時(shí)需合理控制vmax取值，使計(jì)算vatp能夠達(dá)到最高速度持續(xù)運(yùn)行。如1號(hào)線為最高速度為80km/h的線路，建議系統(tǒng)vmax取值按照90km/h設(shè)置，能夠保證vatp達(dá)到80km/h。根據(jù)新線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，vmax按照90km/h取值時(shí)車輛、限界、供電、土建等各專業(yè)設(shè)計(jì)均能夠滿足要求。

3.2.2列車通過曲線限速

考慮到曲線在區(qū)間中的位置不同，在計(jì)算曲線通過速度時(shí)，應(yīng)考慮不同地段不同車速情況下對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)列車加速度值[9]，按照實(shí)際瞬時(shí)加速度值計(jì)算曲線通過速度，最大限度發(fā)揮列車性能，提高曲線通過速度。以下給出列車瞬時(shí)加速度ar與當(dāng)前位置縱斷面坡度的關(guān)系。廣州地鐵3號(hào)線不同速度下對(duì)應(yīng)的牽引力加速度a0見表4。

ar=a0-i

(3)

ac=-i

式中：a0為牽引力加速度；i為縱斷面坡度(上坡為正值)。

表4 廣州地鐵3號(hào)線不同速度下對(duì)應(yīng)的牽引力加速度a0

3.2.3運(yùn)行圖系統(tǒng)冗余

降低運(yùn)行圖系統(tǒng)中區(qū)間運(yùn)行時(shí)間冗余度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段力爭(zhēng)按設(shè)計(jì)區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間設(shè)定區(qū)間的運(yùn)行標(biāo)尺參數(shù)，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)能力(見圖6)。

圖6 考慮降低系統(tǒng)冗余后的典型區(qū)間牽引曲線Fig.6 New traction curve of typical interval after reducing system redundancy

3.3提高折返能力的措施

3.3.1壓縮站后折返車站停站時(shí)間

折返站停站相對(duì)于中間車站主要區(qū)別在于司機(jī)需在該站增加交接班、下車鎖門、DTRO折返操作等相關(guān)作業(yè)，另外本站停站需對(duì)列車進(jìn)行清客，現(xiàn)狀典型折返站停站時(shí)間組成見圖7。針對(duì)折返站停站的特點(diǎn)，提出折返站停站時(shí)間優(yōu)化措施。

圖7 典型折返車站停站時(shí)間組成Fig.7 Composition of dwell time for typical turn-back station

1) 加快清客速度，加強(qiáng)引導(dǎo)，培養(yǎng)乘客到達(dá)終點(diǎn)站后自覺快速下車的習(xí)慣，清客時(shí)間控制在20s以內(nèi)。

2) 優(yōu)化司機(jī)終點(diǎn)站作業(yè)程序，減少司機(jī)折返操作時(shí)間。如在站臺(tái)清客完畢前完成交接班、空隙確認(rèn)與司機(jī)下車同步進(jìn)行等。

3) 提高按DTRO按鈕后系統(tǒng)設(shè)備響應(yīng)速度，使操作DTRO至列車啟動(dòng)時(shí)間控制在3s內(nèi)，下客站臺(tái)可節(jié)省停站時(shí)間2s。

4) 參照中間站停站時(shí)間優(yōu)化，對(duì)開關(guān)門響應(yīng)時(shí)間及速度進(jìn)行優(yōu)化。

3.3.2提高道岔側(cè)向通過速度

參照上海申通標(biāo)準(zhǔn)[11]，現(xiàn)狀9號(hào)道岔側(cè)向通過速度提高至不低于32km/h，經(jīng)仿真計(jì)算，折返時(shí)間可減少5～6s。

3.3.3提高折返效率

1) 設(shè)置站前站后雙折返模式。對(duì)永久終點(diǎn)站設(shè)置站后主模式的折返線，同時(shí)設(shè)置站前的備用折返模式[12]。優(yōu)先采用站后主模式折返，站后故障時(shí)采用站前備用模式折返，有助于提高折返效率，加強(qiáng)折返車站應(yīng)對(duì)故障的能力(見圖8)。

圖8 折返站站前站后雙折返模式Fig.8 Double mode of turn-back(turn-back before or after entering the station)

2) 根據(jù)實(shí)際情況合理選擇折返線道岔號(hào)數(shù)，提高側(cè)向過岔速度。提高道岔號(hào)數(shù)能夠增加列車在側(cè)向通過時(shí)的速度，同時(shí)增加了道岔的長(zhǎng)度，因此對(duì)短編組列車折返能力效果不明顯。對(duì)于6A、8A等長(zhǎng)編組列車來講，提高折返線側(cè)向過岔的速度能夠減少折返作業(yè)時(shí)間，明顯提升折返能力。6A及8A編組列車在不同折返形式下道岔選擇對(duì)折返能力的影響對(duì)比見圖9～10，表5、6。

圖9 6A編組折返站站前折返形式Fig.9 The mode of turn-back before entering the station (6A)

圖10 8A編組折返站站后折返形式Fig.10 The mode of turn-back after entering the station (8A)

道岔號(hào)直進(jìn)側(cè)出側(cè)進(jìn)直出交替折返9#22.321.623.812#23.122.827.5

注：停站時(shí)間按照45s考慮，折返能力考慮預(yù)留10%富余。

表6 8A編組不同道岔折返能力對(duì)比

4 結(jié)語

廣州地鐵目前已進(jìn)入運(yùn)營(yíng)10條線路，運(yùn)營(yíng)總長(zhǎng)度308 km的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)時(shí)代?，F(xiàn)狀多條骨干線路客流壓力巨大，運(yùn)輸能力亟待提高。通過對(duì)現(xiàn)狀的調(diào)研，結(jié)合理論分析，筆者從現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計(jì)階段兩個(gè)層面提出的優(yōu)化措施在壓縮停站時(shí)間、提高區(qū)間運(yùn)行速度、增加折返能力方面均有明顯的效果，客流壓力較大的3、5號(hào)線采取相應(yīng)措施，車站追蹤能力、區(qū)間追蹤能力及折返能力得到相應(yīng)提升后，可滿足最小行車密度2 min的要求，旨在為廣州地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)下提升運(yùn)能提供建議，同時(shí)為其他城市軌道交通運(yùn)能提升提供參考。

[1] 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司.廣州地鐵列車、車站服務(wù)水平調(diào)研及服務(wù)等級(jí)分類研究報(bào)告[R].廣州，2016.

[2] 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Code for design of metro：GB 50157—2013[S].Beijing.China Architecture & Building Press， 2014.

[3] 何霖，方思源，梁強(qiáng)升.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].都市快軌交通，2015，28(2)：1-5.

HE Lin， FANG Siyuan， LIANG Qiangsheng.Urban rail transit network operation： challenges and countermeasures [J].Urban rapid rail transit.2015， 28(2)： 1-5.

[4] 鄭鋰，肖赟，何必勝，等.城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)模式及特點(diǎn)分析[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2015，37(4)：69-73.

ZHENG Li， XIAO Yun， HE Bi-sheng， et al.Analysis on network operation mode of urban rail transit and its characteristics[J].Railway transport and economy， 2015， 37(4)： 69-73.

[5] 耿幸福.城市軌道交通行車組織[M].北京：人民交通出版社，2012.

GENG Xingfu.Traffic organization of urban rail transit[M].Beijing: China Communications Press， 2012.

[6] 曾小旭,劉慶磊. 地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)集中式控制中心架構(gòu)方案研究[J].城市軌道交通研究，2016(4)：25-28.

ZENG Xiaoxu， LIU Qinglei. Structure design of concentrated operation control centerin metro networking operation[J].Urban mass transit， 2016(4)： 25-28.

[7] 馬國忠.軌道交通運(yùn)載工具與列 車 牽 引 計(jì) 算[M].成都： 西南交通大學(xué)出版社，2011.

MA Guozhong.Rail transit vehicle and train traction calculation[M].Chengdu： Southwest Jiaotong University Press， 2011.

[8] 上海自儀泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司.廣州地鐵14號(hào)線速度分析報(bào)告[R].上海，2015.

[9] 王媛媛.城市軌道交通列車運(yùn)行圖編制理論與方法[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

WANG Yuanyuan.Theory and method of train working diagram designing of urban rail transit[M].Chengdu： Southwest Jiaotong University Press， 2015.

[10] 易思蓉.鐵道工程[M].2版.北京：中國鐵道出版社，2011.

YI Sirong.Railway engineering[M].2nd edition.Beijing：China Railway Publishing House，2011.

[11] 軌道交通列車運(yùn)行速度限制與匹配技術(shù)規(guī)定：STB-CL-010002-2015[S].上海，2015.

Code for the running speed of rail traffic restrictions and matching technical regulations： STB-CL-010002-2015[S].Shanghai， 2015.

[12] 廣州市軌道交通新線工程設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：Q/GZMTR-SJ-001-2012[S].廣州，2012.

Code for the design technical standard of Guangzhou rail transit lines： Q/GZMTR-SJ-001-2012[S].Guangzhou， 2012.

Capacity Expanding of Guangzhou Metro under Networking Conditions

PENG Lei

(Guangzhou Metro Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010)

Constraints on the expansion of transport capacity, including long dwell time, low interval running speed, low travelling speed, low turn-back capacity and so on, as well as the countermeasures are analyzed by using networking operation of Guangzhou Metro as an example. To compress dwell time, the methods for improving the response speed of the device, compressing the driver's safety confirmation time, and optimizing organization of platform passenger flows are proposed; to compress the interval running time, the methods for increasing interval running speed, reducing speed limit at curves, reducing running chart redundancy are offered; to increase the turn-back capacity, the methods for reducing dwell time for turn-back station, increasing turnout speed and reasonable selection of turn-back wiring form are put forward. By taking these measures, station tracking, interval tracking, and turn-back capacity of Line 3 and Line 5 with larger passenger volumes can meet the minimum departure interval of 2 minutes.

rail transit; capacity; travelling speed; turn-back capacity; capacity expanding; Guangzhou Metro

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.024

2017-02-15

2017-03-14

彭磊，男，本科，工程師，從事城市軌道交通前期規(guī)劃及運(yùn)輸組織設(shè)計(jì)工作，penglei@dtsjy.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0128-06

(編輯：郝京紅)