基于技術(shù)特征分析的市域軌道交通車型選擇方法

劉心露，崔 瑩

（1. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2. 南京市規(guī)劃和自然資源局，江蘇南京 210005）

1 研究背景

近年來，我國城鎮(zhèn)化已進(jìn)入以都市圈、城市群為主體形態(tài)的新階段，急劇擴(kuò)張的城市空間、功能重組的城市結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的城市活動都對各城鎮(zhèn)組團(tuán)間的時空可達(dá)性提出了更高的要求，傳統(tǒng)城市軌道交通系統(tǒng)及鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)已難以滿足日益增長的長距離通勤出行需求。2017年以來，國家相繼頒布了《關(guān)于促進(jìn)市域（郊）鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1]《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》[2]《關(guān)于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展的意見》[3]等文件；同時，《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》（TCCES 2-2017）[4]、《市域快速軌道交通規(guī)劃與設(shè)計導(dǎo)則》（RISN-TG 032-2018）[5]等行業(yè)規(guī)范相繼出臺，以培育、指導(dǎo)各地市域軌道交通科學(xué)地發(fā)展。各大城市在規(guī)劃、建設(shè)市域軌道交通的過程中，逐漸對其有了更為深入的認(rèn)識，但線路的功能定位、客流需求、車站分布、時間目標(biāo)、互聯(lián)互通、車輛制式等重要技術(shù)特征的研究尚處于起步階段，受到了業(yè)內(nèi)人士廣泛的討論與關(guān)注；其中，車型的選擇對市域軌道交通功能的實現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)合理性有較大的影響，是國家、地方相關(guān)部門的決策要點(diǎn)之一。本文就市域軌道交通的若干重要技術(shù)特征及其相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，并通過案例解讀車型選擇的研究及決策過程，可為其他市域軌道交通線路前期工作提供參考。

2 市域軌道交通技術(shù)特征分析

市域軌道交通主要是指連接中心城區(qū)與周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)、都市圈毗鄰城鎮(zhèn)間的中長距離、大容量、公交化的快速軌道交通系統(tǒng)[6-7]，其速度、平均站間距、客流強(qiáng)度及通勤客流占比等指標(biāo)一般介于城市軌道交通與城際鐵路之間。類似的名稱還有“市郊鐵路”“通勤鐵路”“都市圈城際”等，主要是從功能或空間的角度出發(fā)對市域軌道交通進(jìn)行的定義，本文統(tǒng)稱為“市域軌道交通”，并將其各項基本技術(shù)特征分為以下4個部分。

2.1 功能定位分析

市域軌道交通的功能定位一般為連接中心城市與都市圈的通勤圈內(nèi)其他城市、城鎮(zhèn)、組團(tuán)，為沿線的重要客流集散點(diǎn)提供快速、公交化的出行服務(wù)，從而支撐和引導(dǎo)都市圈的發(fā)展；穿越中心城市主城區(qū)的長大線路往往還肩負(fù)著城市客流快速向心直達(dá)的功能。其中，服務(wù)通勤客流是市域軌道交通的主旋律。

市域軌道交通的客流特征及車站分布應(yīng)當(dāng)與其功能定位相符，其相互關(guān)系如圖1所示。在立項階段，國家有關(guān)部門對市域軌道交通的批復(fù)一般包含“深入城鎮(zhèn)中心”“覆蓋5～10萬人以上的組團(tuán)”等類似要求，用以約束線站位研究。車站分布應(yīng)充分以功能定位為導(dǎo)向，串聯(lián)重要的組團(tuán)、園區(qū)、景點(diǎn)，最大限度地收集客流。而客流特征應(yīng)當(dāng)與功能定位相呼應(yīng)，以客流預(yù)測數(shù)據(jù)為憑，力證車站分布的合理性及功能定位的可實現(xiàn)程度。對于沒有用地支撐、客流預(yù)期較小的車站，應(yīng)予以刪減；對于位于城鎮(zhèn)或組團(tuán)邊緣、僅有單邊客流的路由，應(yīng)予以舍棄；對于以彈性客流為主、潮汐性不明顯的廊道，應(yīng)慎重研究建設(shè)市域軌道交通的必要性。

圖1 功能定位、客流特征、車站分布相互關(guān)系

2.2 車輛制式分析

市域軌道交通快線的時間目標(biāo)一般由居民通勤及商旅出行時間感受、駕駛員運(yùn)營工作時長，以及上位規(guī)劃中的相關(guān)時間目標(biāo)決定，一般不超過1 h。在時間目標(biāo)確定后，列車從始發(fā)站到達(dá)折返站時的最低旅行速度得以確定。如何據(jù)此選擇合理的最高運(yùn)行速度，主要取決于速度效率。

速度效率是旅行速度與最高速度的比值，是體現(xiàn)車輛運(yùn)行最高速度發(fā)揮效率的評價指標(biāo)。一般來說，速度效率在50%～60%時，速度效率增長曲線基本呈直線遞增，此時能達(dá)到最佳速度效率狀態(tài)，因此市域軌道交通應(yīng)將速度效率為 50%～60%作為選擇最高速度的基準(zhǔn)[9]。基于此，可以確定市域軌道交通的最高速度一般在100～160 km/h，分為100 km/h、120 km/h、140 km/h、160 km/h 4個速度等級。

100 km/h、120 km/h的車輛動力及密閉性要求接近城市軌道交通車輛，一般采用DC1500V的供電制式；140 km/h及以上的的車輛動力及密閉性要求較高，一般采用AC25kV的供電制式；長大線路上分段采用不同的最高運(yùn)行速度及相應(yīng)供電制式時，可以考慮采用雙流制式，即為車輛配置交直流雙用受電弓。市域軌道交通常用車型具體如表1所示。

表1 市域軌道交通常用車型概況

2.3 線網(wǎng)互聯(lián)互通分析

互聯(lián)互通的需求一般源于客流運(yùn)營組織或線網(wǎng)資源共享分析。

運(yùn)營組織模式直接由客流需求決定，也受工程實施性制約（配線的設(shè)置條件）。與城市軌道交通線路相比，市域軌道交通穿越的區(qū)域更為多樣化，沿線客流組成復(fù)雜，一般采用多種運(yùn)營模式來滿足沿線的多樣需求。

（1）越行。提高旅行速度，為長距離客流提供便捷直達(dá)服務(wù)。

（2）貫通。進(jìn)城客流較多時，市域軌道交通開進(jìn)城區(qū)線，從而減少換乘、提高效率。

（3）支線。線路末端客流量級不大時，考慮設(shè)置支線深入不同的市域郊組團(tuán)。

線網(wǎng)層面資源共享主要是主變電所和車輛基地的共享，其中，車輛基地造價高昂且檢修設(shè)備使用率不高，應(yīng)盡可能多條線路間共同使用。共享的前提是不同線路的車輛可以不受限界制約通行至同一車輛基地內(nèi)，且供電制式相同。

2.4 線路敷設(shè)方式分析

城市發(fā)展成熟區(qū)一般對新建軌道交通線路占用的地下空間十分敏感，主要由于既有的各類隧道、管線、橋梁、建筑物等已擠占了絕大多數(shù)的空間資源，這些都對新建軌道線路的建筑限界、轉(zhuǎn)彎半徑、震動及噪聲提出了較為嚴(yán)苛的要求，因此，線路一般以地下敷設(shè)為主。城市發(fā)展新興片區(qū)則有較為寬闊的街道可敷設(shè)高架市域軌道。針對《關(guān)于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展意見的通知》[3]中有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的說明，筆者認(rèn)為可重點(diǎn)領(lǐng)會“從嚴(yán)控制工程造價”的要求，在適當(dāng)?shù)膮^(qū)間采用地面敷設(shè)，不宜完全“以地面建設(shè)為主”。對有客流聚集潛力、值得市域軌道交通深入并設(shè)站的片區(qū)及組團(tuán)，應(yīng)盡量避免設(shè)計過長的地面段，否則將對片區(qū)的空間造成較大的切割和阻隔，不利于片區(qū)發(fā)展。

3 車型選擇方法

基于上述市域軌道交通技術(shù)特征分析，本節(jié)將以南京都市圈軌道交通S6線（寧句線）為例，論述車型選擇方法，主要分為4個步驟，詳細(xì)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 市域軌道交通車型選擇技術(shù)路線

3.1 步驟 1

步驟1主要任務(wù)為：解讀好上位規(guī)劃，根據(jù)客流預(yù)測，確定功能定位和線站位，保證本線的功能定位合理且可實現(xiàn)。上位規(guī)劃包括但不限于國土空間總體規(guī)劃、都市圈發(fā)展規(guī)劃、城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、都市圈軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、綜合交通規(guī)劃、建設(shè)規(guī)劃。

S6線起于南京市東部的馬群樞紐，終至句容市，是《江蘇省沿江城市群城際軌道交通網(wǎng)規(guī)劃（2012-2020年）部分項目提前實施方案》[8]中批復(fù)的一條線路，線路走向如圖3所示。中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會對該線批復(fù)要求包括：準(zhǔn)確把握功能定位和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡量覆蓋規(guī)劃人口10萬人以上的城鎮(zhèn)并深入城鎮(zhèn)中心，工程建設(shè)以經(jīng)濟(jì)適用為原則。根據(jù)南京市國土空間總體規(guī)劃相關(guān)文件可知[9]，句容市處于南京都市圈的30～50 km圈層（圖4），規(guī)劃通過市域軌道交通或城際鐵路實現(xiàn)句容市至南京市主城片區(qū)的1 h通勤、生活聯(lián)系。

圖3 南沿江鐵路、S6線及地鐵13號線示意圖

圖4 句容市在南京都市圈中的位置示意圖

根據(jù)上位規(guī)劃及批復(fù)要求，初步擬定本線功能定位：快速連接南京市、句容市，服務(wù)寧句廊道沿線的客流。論證過程中考慮了2個方案并進(jìn)行深入的客流分析。S6線方案比選示意圖如圖5所示，方案1強(qiáng)調(diào)快速進(jìn)城，城際功能為主，長35.8 km，設(shè)站8座，平均站間距5.1 km；方案2強(qiáng)調(diào)深入組團(tuán)，服務(wù)通勤為主，長43.6 km，設(shè)站13座，平均站間距3.6 km。方案1中，站點(diǎn)位于組團(tuán)邊緣，其城際功能與南沿江城際鐵路（見圖3）重復(fù)，而速度無法超越后者350 km/h的最高速度，且沿線的人口崗位覆蓋率僅有方案2的60%。經(jīng)過深入客流分析可知，S6線客流呈以南京主城為核心的單向吸引，各組團(tuán)內(nèi)部出行以及跨組團(tuán)出行均以線路西側(cè)馬群站—東郊小鎮(zhèn)站為主；其早高峰系數(shù)、周末/工作日出行比例與南京市已運(yùn)營的城區(qū)線接近，體現(xiàn)了較強(qiáng)的城區(qū)外圍組團(tuán)向主城的通勤功能；而早高峰期間通勤客流則更接近南京市已運(yùn)營的市域線，體現(xiàn)了市域線服務(wù)彈性客流的特征，詳見表2。

圖5 S6線方案比選示意圖

表2 S6線客流特征指標(biāo)表

經(jīng)過多輪線站位、客流預(yù)測的調(diào)整和修正，最終明確S6線為兼具城市、城際復(fù)合功能的都市圈軌道交通，承擔(dān)句容市至南京市間的通勤客流及彈性客流，采用方案2。基于此，進(jìn)一步深化敷設(shè)方式及車站方案，最終方案為6座高架站，高架段占比約62%。

3.2 步驟 2

步驟2主要任務(wù)為：梳理線路所在的廊道、圈層、其他競爭性交通工具的出行時長，同時基于本線的功能定位，確定合理的最高運(yùn)行速度。

根據(jù)南京市的總體規(guī)劃和綜合交通規(guī)劃，S6線須實現(xiàn)南京、句容兩市1 h的通勤聯(lián)系。目前，S6線馬群站—句容站公交出行時間為1.5 h，大巴出行時間50～60 min，小汽車出行時間45 min左右；在建南沿江鐵路可實現(xiàn)11 min聯(lián)系句容高鐵站、南京南站。因此，S6線首末站旅行時間宜控制在40 min以內(nèi)，優(yōu)于公交、大巴、小汽車。乘客可通過S6線馬群站換乘南京地鐵2號線到達(dá)南京市中心（新街口），交通出行時間為1 h，滿足總體規(guī)劃及綜合交通規(guī)劃的要求，亦與本線的功能定位相符。

根據(jù)40 min出行時間目標(biāo)，推算最低旅行速度為65.4 km/h，按照50 %～60 %的速度效率推算，最高速度在109～130 km/h較為合理，可進(jìn)一步比選接近該速度范圍的3種最高速度100 km/h、120 km/h、140 km/h。經(jīng)牽引計算，3種最高速度模式下，S6線均可實現(xiàn)首末站之間40 min內(nèi)抵達(dá)的時間目標(biāo)。

3.3 步驟 3

步驟3主要任務(wù)為：分析線網(wǎng)互聯(lián)互通需求、沿線客流運(yùn)營組織需求，結(jié)合步驟2的速度需求，確定備選車輛制式及遠(yuǎn)期編組。

（1）線網(wǎng)互聯(lián)互通需求。根據(jù)《南京市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃修編》[10]，S6線規(guī)劃向西延伸，與規(guī)劃13 號線在南農(nóng)大站銜接、貫通，直達(dá)市中心；同時，S6線與12號、13號線（規(guī)劃采用地鐵B型車）共享大架修基地，提升線網(wǎng)效率。

（2）客流運(yùn)營組織需求。經(jīng)核算，全線開行馬群站—黃梅站的小交路、馬群站—句容站的大交路，采用4～6節(jié)編組的市域軌道交通A、B、D型車均可滿足初期至遠(yuǎn)期的運(yùn)營組織需求。

在步驟2已知，S6線應(yīng)重點(diǎn)比選最高速度為100 km/h、120 km/h、140 km/h的車輛。針對直流供電制式的車型：在直流B型車滿足遠(yuǎn)期運(yùn)能的情況下，直流A 型車不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；直流B型車選擇最高速度100 km/h或120 km/h對工程造價影響較小，僅車輛購置費(fèi)有少量差別；因此，直流車中最高速度120 km/h的B型車最適合S6線。針對交流供電制式的車型：在S6線工程可行性研究階段，長三角地區(qū)最高速度140 km/h以上的軌道交通線路均采用了D 型車，尚無成熟應(yīng)用的交流A型車。因此，交流車中最高速度140 km/h的D型車成為了唯一選項。

本步驟中，確定了最高速度120 km/h的B型車（直流）、最高速度140 km/h的D型車（交流）為重點(diǎn)比選車型，遠(yuǎn)期均需采用6節(jié)編組。

3.4 步驟 4

步驟4主要任務(wù)為：綜合前3個步驟的成果，對比不同車型從開工建設(shè)至運(yùn)營30年的綜合經(jīng)濟(jì)成本。

對于地下敷設(shè)比例較高的線路，車輛的尺寸越大、速度越高則地下隧道及車站的土建規(guī)模越大，車輛購置成本越高，因此直接工程投資成本越高。對于最高速度目標(biāo)值較高的、站間距大的線路而言，交流供電制式線路設(shè)置所需設(shè)備更少，故而供電系統(tǒng)造價相對較低；但交流制式車輛需增加車載變壓器和變流器等設(shè)備，導(dǎo)致交流車輛軸重大、能耗高。不同尺寸、軸重、供電制式的車輛，在不同條件下各具優(yōu)勢，需要實事求是、因地制宜地選擇。

3.4.1 土建工程

針對S6線，直流B型車（120 km/h）與交流D型車（140 km/h）地下盾構(gòu)區(qū)間每雙線延米造價指標(biāo)估算值約差5.4萬元；對于標(biāo)準(zhǔn)地下站，D型車比B型車的車站建筑面積增加約1 300 m2，車站埋深和高度各增加1.9 m；對于標(biāo)準(zhǔn)高架站，D型車比B型車的車站建筑面積增加約1 000 m2，車站雨棚加高1.9 m[11]。具體見表3。

表3 6節(jié)編組B型車與D型車相關(guān)參數(shù)對比

合計全線的土建規(guī)模變化量，可得交流D型車比直流B型車增加造價約13.04億元，其中車站增加約2.83 億元，區(qū)間增加約9.84億元，軌道增加約0.37億元。

3.4.2 供電系統(tǒng)

核算全線的供電系統(tǒng)，可得交流D型車比直流B型車減少設(shè)備系統(tǒng)費(fèi)用約1.36億元。

3.4.3 車輛購置

核算初期購車費(fèi)用，可得交流D型車比直流B型車增加初期購車費(fèi)約4.4億元。

3.4.4 30年運(yùn)營期能耗

供電系統(tǒng)中的電能損失主要包括：主變壓器、中壓環(huán)網(wǎng)、整流機(jī)組和牽引網(wǎng)電能損失等，經(jīng)初步估算，交流D型車的全生命周期能耗比直流B型車增加約12.2%。

3.4.5 車輛基地

核算句容車輛段的工程費(fèi)用，可得交流D型車比直流B型車增加車輛基地工程費(fèi)約0.9億元。同時，若S6線為交流制式，則不具備在線網(wǎng)中與其他線路共享大架修基地的條件，因此線網(wǎng)須另尋車輛段升級為車輛基地，需要增加費(fèi)用約3億元。

3.4.6 小結(jié)

綜上所述，與交流D型車（140 km/h）相比，采用直流B型車（120 km/h）可減少全網(wǎng)總投資約19.98億元，運(yùn)營期能耗降低約12.2%，因此，在滿足全線的運(yùn)營組織及速度需求的前提下，最高速度120 km/h的直流B型車應(yīng)作為推薦車型。

采用上述市域軌道交通技術(shù)特征及車型選擇方案分析南京都市圈市域軌道交通寧揚(yáng)線（S5線）、寧馬線（S2線），可分別得出推薦車型為直流B型車（120 km/h）、交流D型車（160 km/h），與兩線在2020年完成的相關(guān)研究報告[12-13]結(jié)論一致。值得注意的是，若將交流制式的市域A型車納入比選范圍，對于最高速度要求大于等于140 km/h的市域軌道線路而言，結(jié)論或有所不同。

4 結(jié)語

市域軌道交通的車輛選型需考慮諸多因素，應(yīng)根據(jù)實際情況綜合、全面地進(jìn)行分析。功能定位是市域軌道交通線路前期研究的核心，線路客流特征及車站分布應(yīng)當(dāng)與其功能定位相符；最高速度取決于上位規(guī)劃賦予線路的通達(dá)性要求，也受線路條件制約；運(yùn)營組織方案應(yīng)基于本線的客流需求和網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通需求。車型選擇應(yīng)在透徹地剖析基本技術(shù)特征后，通過全生命周期經(jīng)濟(jì)比選來得出結(jié)論，可參考本文提出的4步驟法進(jìn)行，也可結(jié)合實際情況具體分析。

市域軌道交通兼具城市、市郊、城際等多種客流特征，沿線居民、相關(guān)政府部門、業(yè)內(nèi)人士針對某一條市域軌道交通的觀點(diǎn)和期許往往不甚相同，需要軌道交通、城市規(guī)劃的從業(yè)者把握好市域軌道交通最重要的功能和需求，將其打造為真正服務(wù)都市圈通勤的公交化、快速度、大運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)。