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  •    发表于7年前 (2016-01-17)  理论动态 |   抢沙发  666 
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    摘要

    概要介绍我国主要大型城市的轨道交通主干网及采用的列车现状,对国内大型城市轨道交通网络规划中主干网存在客流预测偏小的问题进行了回顾和总结。通过对采用不同车辆制式下系统技术性和经济性的量化比较分析,得出了采用A型车更具长远性和经济性的结论,提出了我国大型城市轨道交通主干网宜采用A型车的具体建议。

    随着我国城市化进程的不断加快,城市基础设施特别是城市轨道交通与城市化发展的矛盾逐渐显现,轨道交通对整个城市的总体规划、引导沿线规划建设和促进经济发展、改善城市公共交通状况、优化城市交通结构等方面都起到了积极作用。而车辆是城市轨道交通的重要组成部分,因此,城市轨道交通车辆的正确选型至关重要,它不仅涉及到车辆专业本身,对运用环境、运营服务水平和工程投资等也都有十分显著的影响。

    1 国内大型城市轨道交通主干网现状简介

    1.1 上海

    上海地铁现运营有11条线路,其第1条线路于1995年正式运营。上海地铁是目前中国线路最长的城市轨道交通系统,运营里程达到425.1km。2011年上海地铁日均客流量约620万人次,客流强度1.4万人次/km。截至到2012年8月底,运营线路的车站数、线路长度、列车编组、载客量如表1所示。通过表1可以看出,上海地铁主要采用大运量的A型车,少数线路采用了中小运量的地铁C型车。A型车基本上采用6节或8节编组,1号线原为6节编组,但由于线路建设初期客流量预测偏小,于2008年陆续改为8节编组,1号、2号线的极端小时断面客流量已超过5万人。6号线和8号线自开通运营以来,客流年均增速达33%,2线高峰时段满载率超过120%,出现现有运能与实际运量不匹配的情况。据上海地铁官方网站公布数据,2012年4月20日6号线日均客流约30万人次,8号线则超过72万人次。8号线早高峰时段最小发车间隔为3min15s,每小时发车18列,若为满足72万人次的日客流量需求,则需要7节或8节A型车编组列车才能满足。目前地铁6号、8号线已启动高峰限流方案。鉴于目前上海地铁的行车密度尚未达到运营极限,在增加车辆的情况下其运输能力有望进一步提升,但其编组选择偏小的规划带来的问题已逐渐显现,这将给城市的长远发展带来不利影响。

    我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    1.2 广州

    广州地铁于1997年6月28日开通,现有运营线路1号、2号、3号、4号、5号和8号线,运营里程达210.6km。广佛线属于城际轨道交通,业主为广东广佛轨道交通有限公司,委托广州地铁有限公司运营。另有1条APM线,解决珠江新城核心区的交通疏导,采用小编组低运量列车。2011年广州地铁日均客流量达420万人次,客流强度2.0万人次/km。截至到2012年8月底,广州地铁运营线路的车站数、线路长度、列车编组、载客量如表2所示。

    我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    通过表2可以看出广州地铁主干网1号、2号、8号线采用的是A型车。3号线开通时为3节编组B型车,仅仅数年高峰日客流就超过80万人次,被迫于2010年4月28日提前将2列车3节编组的列车连挂为6节编组列车,2011年9月份3号线增购项目列车(6节编组B型车)也正式开通运营,但仍没有彻底解决目前客流拥挤问题。目前,1号、2号、3号线日均客流量均已超过百万,5号线也已达到70万,高峰期异常拥堵。按最小发车间隔2min计算,百万日客流量至少需要配置6节编组的A型车列车。

    1.3 北京

    截至到2012年8月底,北京地铁运营有14条线路,拥有车站215座,线路总长372.9km,分别由北京地铁运营有限公司和北京京港地铁有限公司负责运营。现运营地铁线路的车站数、线路长度、列车编组、载客量如表3所示。

    我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    通过表3可以看出北京地铁除机场线采用4节编组A型车,其余线路均采用6节编组B型车,这由历史原因造成。八通线2003年开通时为4节编组,但由于客流量逐年增加,加之政府实施2元单一票制,使八通线客流猛增,八通线地铁列车最小运行间隔也由最初的10min逐渐缩短到北京奥运会前的3min,但仍然不能满足早晚高峰客流量的增长,于2008年改为6节编组。同样13号线也由4节编组扩编为6辆。目前,北京地铁发车间隔最小为2min,已经到了极限,但仍然不能满足客流量需求。2011年上半年北京地铁日均客流量达610万人次,客流强度1.8万人次/km,1号、2号线日均客流量均超过百万,4号、5号和10号线超过80万,都超过了现有列车的实际运能。为解决严重拥挤问题,北京毅然决定目前在建的14号线采用6节编组A型车列车,16号线和海淀后山线采用8节编组A型车列车。

    1.4 香港

    香港地铁现运营有9条线路,还有1条机场快线属于市郊铁路线,运营地铁线路总长约171.7km。香港地铁日均客流量约300万人次,客流强度1.76万人次/km。现运营线路的车站数、线路长度、列车种类、列车编组、载客量、车体尺寸如表4所示。

    我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    通过表4可以看出香港地铁绝大多数采用大编组,列车编组多为8节,其车辆尺寸和载客能力均超过A型车,有效提高了旅客运输能力。香港人口仅700多万,比上海、北京、广州等城市要少许多,但其车型和编组却要高出许多,即使这样,高峰期间的香港地铁还是比较拥挤,广大市民对此也有微词。

    2 国内大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    2.1 乘坐舒适性需重新定义

    根据GB50157-2003《地铁设计规范》中“车厢空余面积定员数按每平方米立6名乘客”,根据UIC566《国际铁路联盟客车车体结构分析标准》,欧盟等发达国家定员载荷采用4人/m2

    的标准,例如日本、德国及新加坡等国则按照5人/m2计算,这主要从乘客乘坐舒适性考虑,给予乘客充分站立空间和行动自由,体现了“以人为本”的思想。国内目前不少城市也正在研究定员载荷调整的方案,例如:北京市《城市轨道交通工程设计规范》征求意见稿(2012年)指出“地铁的车辆定员数为车辆座位数、车厢内空余面积站立的乘客数之和,站立乘客数按每平方米5人设计。A型车车辆定员数为266人,B型车车辆定员数在198~215人之间”,定员载荷的调整主要有以下优势:

    (1) 通过配置充足的车辆,缓解高峰客流压力;

    (2) 提高乘客舒适性,减少社会矛盾,实现包容性发展;

    (3) 车辆各系统,例如牵引、制动、空调等负荷有效降低,可适当降低车辆购置成本;

    从上述资料中可以得出:6节编组A型车比6节编组B型车,每列可多载客约400人,按最小发车间隔120s计算,每小时可多发送12000人。

    2.2 最大断面客流约束

    城市总体规划是地铁客流量预测的基础。随着我国城市化进程的加快,城市人口急剧增加,据了解,到2020年我国将有3亿农村劳动力转入城市,城市的土地利用规划也经常变动,为适应这种变化,我国城市总体规划每隔10年修改1次。而城市轨道交通建设大多数仅凭当前一次客流量预测定终身,目前城市轨道交通客流量预测,都是用近十几年的经济数据来标定数学模型,即用当前的经济模式外推得到客流预测结果,但这种预测模型常常无法展现我国各大城市快速发展的步伐,因此,如何增加单位成本的载客量成为困扰国内特大、大型城市的一个命题。

    国内城轨系统输送能力计算方式如下:

    输送能力=通过能力×列车编组数×车辆定员数

    列车能力=列车编组数×车辆定员数

    一般来说,为提高输送能力,一是提高发车频率,减小发车间隔;二是提高现有车辆载客量。

    按最小120s的发车间隔计算,按站立5人/m2的新标准核算,B型车6节编组列车运力约为36000人/h,A型车6节编组列车运力约为48000人/h,已远低于北京、上海、广州等主要干线的实际最高峰值。这些特大型城市在后续线路规划时均开始选择更大的车辆和更长的编组。国内其他正在建设地铁的各大中型城市往往按照以往的客流预测和站立定员标准选择B型6节编组列车,在后续线路规划时必须重新考虑车型和编组问题。

    2.3 最小发车间隔约束

    选择先进的基于通信的移动闭塞列车控制系统(CBTC),可以提供安全、高效和灵活的列车间隔,最小列车间隔理论上能够做到90s。移动闭塞有较小的地面和车载设备、较大的列车密度、较强的故障管理功能、较好的列车间隔控制、操作灵活等优点,目前业内公认运营最好的香港最高峰期的最小发车间隔约100s(内地一般不小于120s),但其没有安装屏蔽门系统,高峰客流也远没有国内大,这样小的间隔能否在国内实现仍是一个未知数。

    综上所述,对于同样编组的列车来说,针对中国特大、大城市逐年增加的高峰客流量以及目前地铁信号等系统的发展水平,A型车比B型车都具有明显的优势。为提高B型车运力,只有依靠增加编组数量。总体上看,远期日客流量超百万的线路配置A型车技术经济性更优越。

    3 国内轨道交通主干网规划的经验教训

    3.1 客流预测严重背离

    以往在各城市的轨道交通设计项目评审中,客流量预测经常会质疑偏大,其理由是随着远期地铁线网加密,各条线路客流量会随之减少,因而减小预测客流量可以缩小车站土建规模,降低工程投资。但地铁是百年大计,车站一旦建成将来就无法改建。考虑到我国城市正处于发育扩张时期,既有客流预测模型主要是基于国外经验,并且客流预测具有一定阶段性和不确定性,建议地铁设计预测客流量时应留有足够的余量,这样做虽然会增加少量一次性投资,但对城市轨道交通可持续发展具有重要意义。事实上,目前形成网络的各大城市客流预测均超过了原设计预测,有的甚至提前10年就达到中远期客流。

    例如,20世纪末上海地铁1号线北延伸线设计时采用6节编组A型车,并预测2005年全日客流量为68万人次,高峰小时断面流量为2.18万人次。根据上海地铁运营公司2005年的统计资料,地铁1号线2005年完成客运量29479.3万人次,平均日客流量80.77万人次。1~6月份高峰时段最大断面客流保持在3.5万~3.9万人,7、8月份最大断面客流达到了4万~4.13万人。将1号线的实际客流量与预测客流量相比,预测全日客流量比实际客运量小20%,预测高峰小时断面客流量比实际客流量小89%。暴露出客流预测的软肋,首次证明地铁预测客流量比实际客运量偏小。上海地铁1号线随着2008年10月份首列8节编组的A型车下线,已陆续全部改为8节编组。

    3.2 盲目强调小编组高密度

    城市轨道交通编组和密度通常有4种组织形式:小编组高密度,大编组高密度,小编组低密度,大编组低密度。在这4种组织形式中,大编组高密度应对最大规模客流,小编组低密度应对小规模的客流。通常情况下,只有当客流规模居中时,才会出现如何选择合适的编组大小和密度高低的关系问题。小编组高密度组织方式虽然可以节省旅客的旅行时间,但对投资成本影响并不大,并使将来地铁改善乘坐舒适度、适应客运量增加预留的空间很小,难以满足乘客需求。除此之外,小编组高密度运行还存在以下缺点。

    (1) 行车指挥难度大。小编组高密度的组织形式下,列车行车密度加大,列车间隔很小,2min间隔已经是极限,留给行车指挥的间隙太小。一旦发生意外情况,相邻运次列车间容易互相干扰,运行调整比较困难。

    (2) 确定车站规模难度大。随着城市不断发展和轨道交通路网逐渐完善,单线客流会呈现复杂的发展形态。如果未来客流超过预期,将不得不从小编组高密度过渡到大编组高密度,仍然需要较长的站台和相应的车站规模。即使短期内采用小编组高密度运行方案,但在车站建设上也要进行预留。

    通过国内一些大型城市的轨道交通现状可以看出,主干网基本上采用A型车6节编组,有的甚至是A型车8节编组,即使北京地铁有历史原因但未来规划也开始采用A型车。而且一些规划初期采用小编组的线路也仅在3年后就必须扩编,有些扩编线路还需要改建车站。如:广州地铁3号线2006年底开通时采用3节编组,仅仅3年多时间已于2010年4月28日起,全线改为6节编组运营;北京地铁八通线2003年12月28日开通试运营时采用4节编组,2008年5月25日起改为6节编组;天津地铁1号线2006年6月12日开通时采用4节编组,于2010年1月起改为6节编组,扩编时对地铁车站重新改建。

    3.3 远期规划预留不足

    地铁是百年大计,客流预测为30年,但目前国内主要大型城市地铁开通后不久就存在运能严重不足的问题,需要扩编,改建站台,出现这种情况的主要原因还是远期规划不足造成的。城市轨道交通客流预测的主要依据是人口和就业岗位的布局,直接相关的是轨道交通车站周边用地的开发变化。由于交通与土地利用之间的互动,城市轨道交通的建设使用使得城市用地空间布局、用地规划发生了重大改变。如北京地铁5号线,在2000年规划中北部区域还是空地,由于5号线是第1条贯穿南北方向的线路,有效提高了中心区与外围居住区的联系,北端发展成为高密度的天通苑居住区,朝夕客流非常明显,而在设计时由于对此估计不足,造成客流预测的偏差。

    4 国内主型地铁车辆的分类

    根据我国城市轨道交通车辆标准,大运量地铁车辆类型可分为A、B两种。2种车型的主要区分之一是车体宽度,A型车宽3000mm,B型车宽2800mm。目前我国大型城市主干网轨道交通主型地铁车辆主要为A型和B型。A型、B型车车辆轮廓如图1所示。

    我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    4.1 A型、B型车主要参数

    表5是GB7928-2003《地铁车辆通用技术条件》对车辆尺寸的规定。

    我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性

    4.2 A型、B型车主要参数对比

    A型车和B型车尺寸主要差异在车辆长度和宽度方向,其他尺寸包括客室净空高等几乎完全一致,但A型车客室空间更宽敞,车辆定员较B型车多1/3。目前国内A型车绝大多数为6节编组,列车长度140m,仅上海地铁1号、2号线采用了8节编组,列车长度185m;B型车绝大多数也为6节编组,列车长度118~120m,北京地铁6号线已采用8节编组,列车长度约158m。

    目前,我国地铁施工均采用TBM盾构施工,国外引进及自主开发的盾构直径5.2m以上,对于A型、B型车同样适用,线路土建主体投资成本差异不大,采用A型车仅在站台和车辆段投资上略有增加,在利用既有建筑限界上更加经济。对于特大型和大型城市的大运量地铁系统而言,采用A型车可在不大幅增加工程投资的情况下大幅提升线路运能,有利于解决长期困扰地铁运营的高峰期乘客拥挤难题。

    5 采用A型车和B型车技术经济性对比

    5.1 输送能力对比

    按站立6人/m2核算,A型车6节编组、B型车8节编组定员约为1900人;按站立5人/m2核算,A型车6节编组、B型车8节编组定员约为1600人,差异不大。因此,二者输送能力几乎完全相当。

    5.2 初期投资对比

    5.2.1 土建投资

    由于A型车、B型车的采用通用盾构开挖隧道断面是一致的,因此,线路主体的土建成本基本相当,但A型车线路建设成本和站台成本要低于B型车。这主要是因为A型车设逃生门,乘客可以从轨道直接疏散,而B型车一般通过设置侧面逃生通道疏散,每公里增加成本数百万元;A型车6节编组列车对应车站站台有效长度140m,B型车8节编组列车对应车站站台有效长度一般在160m左右,将相应增加站台和车辆段的建造费用。

    5.2.2 车辆投资

    国内目前的4动2拖的6节编组A型、B型车折算单节车成本分别约为750万元、600万元,A型车6节编组列车合计4500万元,B型车8节编组列车合计4800万元,B型车8节编组列车的车辆采购成本显然要高一些,而如果B型车8节编组采用6M2T的编组形式的话,其成本还将增加。

    5.2.3 设备投资

    屏蔽门每站台米的造价约为2.5万元,采用B型车8节编组列车时,1个站台屏蔽门的成本同比要增加100万元以上。

    5.3 全寿命周期成本对比

    5.3.1 电能消耗

    A型车6节编组列车重量约220t,B型车8节编组列车重量约为260t。根据香港地铁长期运营经验,车辆每轻1t,年节电约8000kW.h,同比,A型车6节编组列车年节电可达320000kW.h,节能效果十分显著。

    5.3.2 检修维护

    A型车6节编组列车需要检修的设备少,检修时间相应较少,系统故障率相对较低A型车6节编组列车整车长度较小,对检修库和检修段的建设规模要求低,减少了建设成本。

    6 结论

    综上所述,在国内特大和部分大型城市的主干网上,A型车6节编组无论是与B型车6节编组还是B型车节编组相比,均有明显的优势。在特定线路上,甚至要使用A型车8节编组列车才能满足高峰客流的需求,例如上海地铁1号线等。因此,A型车的运用在我国大型城市主干网上已经成为轨道交通发展的必然选择。

    来源:张军. 我国大型城市轨道交通主干网采用A型车的必要性[J], 现代城市轨道交通, 2013(1):5-9.

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