上海軌道交通超大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)能精細(xì)化管理研究

殷 峻

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營管理中心，200070，上海∥高級(jí)工程師）

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，越來越多的城市步入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段，隨之帶來了許多運(yùn)營方面的問題和挑戰(zhàn)。其中，矛盾最突出、對(duì)乘客影響最大的是運(yùn)能不能滿足運(yùn)量的需求，從而導(dǎo)致列車擁擠度高、出行舒適性差等問題。

目前，國內(nèi)學(xué)者及專家針對(duì)城市軌道交通運(yùn)能配置優(yōu)化所做的大量研究，主要是基于客流需求，從縮短運(yùn)行間隔、優(yōu)化行車交路、優(yōu)化停站方案等方面提出列車開行方案優(yōu)化建議［1-3］。而國外的研究除了考慮滿足客流需求，更關(guān)注列車銜接及出行舒適度等提升系統(tǒng)服務(wù)水平的措施優(yōu)化。例如：東京地鐵通過采用靈活的行車組織模式，提高列車旅行速度［4］；柏林地鐵重視線間的換乘銜接，縮短乘客換乘等待時(shí)間［5］；紐約地鐵則采取全天運(yùn)營，提升客運(yùn)服務(wù)水平。

本文結(jié)合上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的特征，闡述軌道交通在超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運(yùn)能精細(xì)化管理方面的探索和實(shí)踐。

1 上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營特征與挑戰(zhàn)

1.1 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的特征

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征

目前，上海軌道交通已形成共17條運(yùn)營線路、總長度673 km、擁有395座車站的超大網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模居世界第一。在結(jié)構(gòu)方面，已形成“環(huán)線+射線+割線”的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；在功能方面，城市軌道交通與市內(nèi)公交、機(jī)場、鐵路樞紐等其他交通的銜接和融合不斷深入，交通一體化功能顯現(xiàn)。由于換乘站增多，多點(diǎn)換乘的多路徑通達(dá)功能增強(qiáng)，線路間的聯(lián)絡(luò)功能、互補(bǔ)功能進(jìn)一步凸顯。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)客流特征

（1）客流壓力大，且呈持續(xù)增長態(tài)勢。一是新線開通后誘增大量潛在客流；二是隨著可達(dá)性提升，吸引更多客流；三是運(yùn)能提升帶來客流的進(jìn)一步增長，往往增能后不久，滿載率達(dá)到甚至超出之前水平（見表 1）。

（2）時(shí)空分布不均衡。由于線路功能定位和形態(tài)不同，市域線路及呈射線狀的超長線路的斷面客流空間分布不均衡問題突出，部分區(qū)段最大滿載率在100%以上，而全線平均滿載率僅約25%；部分線路區(qū)段高峰時(shí)段客流是平峰時(shí)段客流的3倍左右。

（3）乘客對(duì)運(yùn)營服務(wù)需求更高。例如節(jié)假日期間休閑、旅游乘客夜間出行增多，或各交通樞紐返滬客流集中，致使普通末班車時(shí)間和行車間隔不能滿足乘客需求。

1.1.3 運(yùn)輸能力配置特征

受制于線路和車站的設(shè)計(jì)，在高峰時(shí)段各線路的通過能力、相鄰線路的換乘能力和車站的集散能力等的配置存在較大差異。

1.1.4 乘客出行特征

隨著上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)增，乘客的出行距離進(jìn)一步加大，對(duì)于快速、直達(dá)、舒適性的需求也進(jìn)一步增加。

表1 上海軌道交通部分線路增能前后最大滿載率對(duì)比

1.2 運(yùn)能提升面臨的挑戰(zhàn)

1.2.1 設(shè)計(jì)能力不足，運(yùn)能運(yùn)量矛盾突出

網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)功能定位、線路條件、設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力等，直接決定了線路的運(yùn)輸能力。由于某些線路先天設(shè)計(jì)能力不足，致使運(yùn)能不能滿足運(yùn)量需求的問題突現(xiàn)。

1.2.2 增補(bǔ)和改造周期長，運(yùn)能提升時(shí)效性不佳

在線路運(yùn)能受制于規(guī)劃建設(shè)中的先天不足時(shí)，為了提升運(yùn)能，必須進(jìn)行線路改造、車輛增購、車輛基地改擴(kuò)建、設(shè)施設(shè)備功能改造以及增配駕駛員等工作。有些改造工作周期較長，等其增能改造完成時(shí)，客流需求又發(fā)生了新的變化。因此，涉及系統(tǒng)改造的增能工作時(shí)效性不佳，能力的提升跟不上需求的增長。

1.2.3 乘客需求多樣，運(yùn)能需多維度提升

乘客對(duì)于出行的需求，除了通達(dá)性之外，對(duì)于舒適性、人性化服務(wù)的需求也越來越高。這也是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)能提升精細(xì)化管理中不可忽視的部分。

2 上海軌道交通運(yùn)能精細(xì)化管理措施及實(shí)施效果

2.1 提出運(yùn)能規(guī)劃方法，系統(tǒng)管理增能工作

上海軌道交通運(yùn)營管理中心提出了“五年運(yùn)能規(guī)劃”、“年度增能計(jì)劃”、“動(dòng)態(tài)運(yùn)能調(diào)整”相結(jié)合的運(yùn)能規(guī)劃方法（見圖1）。這種由遠(yuǎn)及近、自上而下的靈活互補(bǔ)的運(yùn)能管控模式，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)調(diào)管理具有重要意義。

圖1 上海軌道交通運(yùn)能規(guī)劃流程圖

2.1.1 五年運(yùn)能規(guī)劃

五年運(yùn)能規(guī)劃應(yīng)在實(shí)施前2年啟動(dòng)，對(duì)其規(guī)劃期內(nèi)的客流增長和上位規(guī)劃目標(biāo)為依據(jù)，確定規(guī)劃期內(nèi)的高峰時(shí)段最小行車間隔，協(xié)同各專業(yè)從設(shè)備改造、列車增購和人員配置等方面制定階段性配套方案。五年運(yùn)能規(guī)劃是未來每年增能計(jì)劃制定的依據(jù)和基礎(chǔ)。

2.1.2 年度增能計(jì)劃

根據(jù)五年運(yùn)能規(guī)劃的總體目標(biāo)，結(jié)合下一年的客流需求和設(shè)備邊界條件，提前5個(gè)月開展年度增能方案編制，制定各線增能目標(biāo)，并分解到月。各單位根據(jù)此目標(biāo)落實(shí)年度生產(chǎn)任務(wù)。

2.1.3 動(dòng)態(tài)運(yùn)能調(diào)整

為動(dòng)態(tài)跟蹤客流變化和滿載率情況，上海軌道交通每季度對(duì)各線運(yùn)能運(yùn)量匹配性進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)高峰滿載率超過100%的線路提出運(yùn)能調(diào)整建議，對(duì)具備增能條件的線路實(shí)施增能措施。

2.1.4 運(yùn)能規(guī)劃實(shí)施效果

自運(yùn)能規(guī)劃實(shí)施以來，2015年1月至2018年6月，上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)累計(jì)增能56次，更換運(yùn)行圖149套；路網(wǎng)高峰運(yùn)能從2014年底62.94萬人次/h增至2018年6月底的80.46萬人次/h，增幅為28%，每年增能比例均超過計(jì)劃值。可見，該運(yùn)能規(guī)劃方法有效促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)能的提升。

2.2 提升新線系統(tǒng)能力，使用全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

根據(jù)五年運(yùn)能規(guī)劃目標(biāo)，將運(yùn)營需求反饋至新線的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，以避免新建的軌道交通也產(chǎn)生能力不足的狀況。據(jù)此，新建的上海軌道交通14號(hào)、15號(hào)、18號(hào)線將采用全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，以提升系統(tǒng)能力。全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（UTO）可實(shí)現(xiàn)列車在運(yùn)行期間完全依靠系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)控制（包括自動(dòng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)報(bào)警等）。相比于其他系統(tǒng)，全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)沒有駕駛員操作，系統(tǒng)可靠性更高，運(yùn)行效率也更高。例如，上海軌道交通10號(hào)線為UTO線路，相比于列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）線路，在開關(guān)屏蔽門、駕駛員確認(rèn)發(fā)車條件等作業(yè)環(huán)節(jié)共節(jié)省時(shí)間約16 s/站，主線單程旅行時(shí)間可縮短7 min 28 s，支線單程旅行時(shí)間可縮短7 min 12 s，運(yùn)行效率大幅提升。

2.3 通過“補(bǔ)短板”改造提升既有線系統(tǒng)能力

系統(tǒng)運(yùn)輸能力主要受線路能力、列車能力以及車站集散能力等因素的影響［6］。根據(jù)五年運(yùn)能規(guī)劃目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)能力不足的既有線實(shí)施“補(bǔ)短板”改造。

2.3.1 提升線路能力

線路能力包括線路通過能力和折返能力，兩者的最小值決定線路的最大通過能力。線路通過能力受信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力限制，故對(duì)于設(shè)計(jì)發(fā)車能力、追蹤能力不足的線路應(yīng)進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)改造；折返能力則受終端折返站和中間折返站的折返條件限制。在開行大小交路時(shí)，應(yīng)分別滿足大、小交路列車的行車密度要求，因此，對(duì)于不滿足遠(yuǎn)期運(yùn)能需求的折返站應(yīng)進(jìn)行改造，以提升折返能力。

隨著列車開行密度的增加，可能出現(xiàn)供電能力不足的情況。因此，在考慮線路能力提升時(shí)應(yīng)同步考慮供電能力的匹配性，對(duì)供電能力不足線路的牽引變電所、電纜等設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)能改造。

2.3.2 增加配屬車輛

對(duì)于客流的持續(xù)增長，最直接有效的方法是通過增加配屬車輛、縮短行車間隔來提升運(yùn)能。但增購車輛的周期較長，從報(bào)審到投入運(yùn)營，至少需要兩年半時(shí)間，因此車輛增購需提前啟動(dòng)。應(yīng)同步考慮車輛基地的擴(kuò)建、新建，以及出入庫能力改造，以滿足遠(yuǎn)期增購列車的停放以及對(duì)發(fā)車效率的需求，保證增購列車能夠及時(shí)上線運(yùn)營。

2.3.3 提升車站集散能力

由于車站集散能力不足造成的乘客在車站內(nèi)積壓和對(duì)沖等狀況，不僅增加安全風(fēng)險(xiǎn)，也制約了列車發(fā)車頻率和運(yùn)能的提升。因此，迫切需要對(duì)站臺(tái)太小、站臺(tái)至站廳垂直運(yùn)輸能力不足、站廳蓄客能力不足、換乘通道能力不足的車站進(jìn)行改造，增加服務(wù)設(shè)施，為增能奠定基礎(chǔ)。

2.3.4 “補(bǔ)短板”實(shí)例分析

以上海軌道交通2號(hào)線為例，由于分期建設(shè)運(yùn)營和設(shè)計(jì)能力不均衡，目前全線采用分段運(yùn)營模式（見圖2）：2號(hào)線西段（徐涇東站—廣蘭路站）為8節(jié)編組列車運(yùn)行，2號(hào)線東段（廣蘭路站—浦東國際機(jī)場站）為4節(jié)編組列車運(yùn)行。兩個(gè)區(qū)段間出行的乘客必須在廣蘭路站換乘。不平衡的運(yùn)能配置使得換乘客流在廣蘭路站形成對(duì)沖、積壓，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，且廣蘭路站兩端的折返能力緊張，成為全線運(yùn)能提升的技術(shù)瓶頸。

圖2 2015年上海軌道交通2號(hào)線運(yùn)營交路示意圖

為達(dá)到遠(yuǎn)期（2041年）小交路開行列車間隔2 min的目標(biāo)（見圖3），2號(hào)線目前正在進(jìn)行系統(tǒng)能力的改造。一是提升線路能力，將徐涇東站、浦東國際機(jī)場站的信號(hào)系統(tǒng)按30對(duì)/h能力進(jìn)行改造；對(duì)遠(yuǎn)東大道站、海天三路站和川沙停車場的低壓配電進(jìn)行擴(kuò)能改造；對(duì)牽引用電進(jìn)行擴(kuò)能改造，更換川沙主所—川沙站的環(huán)網(wǎng)電纜等。二是增加配屬車輛，增購31列8節(jié)編組列車和16列4節(jié)編組列車，將既有停車列檢庫進(jìn)行擴(kuò)建。三是對(duì)2號(hào)線東段的車站實(shí)施擴(kuò)容，對(duì)已預(yù)留8節(jié)編組站臺(tái)的車站進(jìn)行裝修，對(duì)未預(yù)留8節(jié)編組站臺(tái)的高架車站實(shí)施擴(kuò)建，以滿足4節(jié)編組列車擴(kuò)編至8節(jié)編組后的運(yùn)行需求。預(yù)計(jì)到2041年，全線最大滿載率將低于90%，較2015年的115%有較大改善。

圖3 遠(yuǎn)期上海軌道交通2號(hào)線運(yùn)營交路示意圖

2.4 通過精細(xì)化開行方案設(shè)計(jì)挖潛增效

為完成年度增能計(jì)劃，上海軌道交通在旅行速度、不對(duì)稱列車開行、復(fù)雜交路等方面進(jìn)行精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有車輛和信號(hào)系統(tǒng)不變條件下的挖潛增效，一定程度上緩解了高峰時(shí)段客流的擁擠程度。

2.4.1 提升旅行速度

通過提升列車旅行速度，提高車底周轉(zhuǎn)效率，從而在不增加列車配屬的情況下增加線路運(yùn)能。

2016年起，對(duì)上海軌道交通12號(hào)線開展旅行速度提升試點(diǎn)研究。該研究針對(duì)影響旅行速度的各項(xiàng)作業(yè)時(shí)分進(jìn)行分解，然后通過正交試驗(yàn)法確定如下優(yōu)化方案（見圖4）：提高區(qū)間運(yùn)行等級(jí)，減少區(qū)間運(yùn)行時(shí)間；制定駕駛員停站作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，減少駕駛員“關(guān)門動(dòng)車”時(shí)間；對(duì)各車站不同時(shí)段的乘客乘降時(shí)間進(jìn)行精細(xì)化設(shè)置等。通過優(yōu)化，12號(hào)線旅行速度從原來的30.99 km/h提高到32.94 km/h，增長率為6.29%，運(yùn)能提升了13%，最大滿載率下降了13%。目前，該方法已在上海軌道交通6號(hào)、7號(hào)、10號(hào)、13號(hào)、16號(hào)線予以推廣，可增能4%～10%。

圖4 上海軌道交通旅行速度提升方案示意圖

2.4.2 實(shí)施不對(duì)稱運(yùn)行圖

針對(duì)大部分線路客流的時(shí)空分布不均衡特征，為使運(yùn)能運(yùn)量匹配性最高，在客流強(qiáng)度最高的方向和區(qū)段開行更高頻次的列車。目前，上海軌道交通3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、16號(hào)線在高峰時(shí)段均采用不對(duì)稱運(yùn)行方式。以9號(hào)線為例（見圖5），早高峰上行方向最小行車間隔為1 min 55 s，同一時(shí)段下行方向的最小行車間隔為3 min，若采用對(duì)稱的開行方式，則僅能做到上下行最小行車間隔為2 min 20 s，單向最大運(yùn)能相差22%。

圖5 上海軌道交通9號(hào)線不對(duì)稱運(yùn)行交路示意圖

2.4.3 開行復(fù)雜交路

通過調(diào)整交路范圍以節(jié)約運(yùn)用車數(shù)。在經(jīng)濟(jì)合理使用車底的基礎(chǔ)上，使運(yùn)營計(jì)劃符合實(shí)際客流特征。經(jīng)過多年摸索，上海軌道交通已形成了大小交路、搭接交路、Y型交路、環(huán)形交路等多種復(fù)雜交路形式（見圖6）。通過開行不同交路，可有效提升共線段的運(yùn)能約20%～50%。

圖6 上海軌道交通復(fù)雜交路示意圖

2.5 基于乘客需求研究個(gè)性化服務(wù)措施

在滿足高峰時(shí)段最大運(yùn)能供給的同時(shí)，上海軌道交通從乘客體驗(yàn)出發(fā)，通過列車開行方式創(chuàng)新、實(shí)施非高峰增能和延時(shí)運(yùn)營等措施，為各類乘客提供高質(zhì)量的運(yùn)營服務(wù)。

2.5.1 實(shí)施大站車運(yùn)行創(chuàng)新模式

大站車運(yùn)行模式是指列車在上下客流量較少的車站進(jìn)行跳站運(yùn)行，從而提高列車的周轉(zhuǎn)效率。例如，上海軌道交通16號(hào)線是全國首條采用大站車開行方式的線路（見圖7），大站車全程旅行時(shí)間44 min 43 s，比普通列車縮減13 min左右，節(jié)約旅行時(shí)間近1/4，可幫助郊區(qū)乘客快速進(jìn)入市區(qū)。

圖7 上海軌道交通16號(hào)線大站車運(yùn)行交路示意圖

2.5.2 實(shí)施多點(diǎn)首班車創(chuàng)新模式

針對(duì)客流的空間不均衡性，結(jié)合停車場地理位置，在軌道交通 1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、16號(hào)線上建立了多點(diǎn)首班車模式，既分散了乘坐全程首班車的客流壓力，又增加了部分車站的運(yùn)營時(shí)間。

2.5.3 實(shí)施非高峰時(shí)段增能

針對(duì)客流的時(shí)間不均衡性，在工作日非高峰時(shí)段和雙休日實(shí)施增能，以最大滿載率不超過50%為控制目標(biāo)優(yōu)化開行方案，以提升乘客出行舒適性，同時(shí)吸引部分對(duì)出行時(shí)間不敏感的乘客錯(cuò)峰出行。

2.5.4 制定重大交通樞紐站配套運(yùn)行圖

針對(duì)樞紐站乘客的夜間出行需求，在末班車后加開定點(diǎn)加班車。目前，為虹橋綜合交通樞紐服務(wù)的5座軌道交通車站，在常態(tài)運(yùn)營結(jié)束后加開2班定點(diǎn)載客列車（僅停靠沿線部分固定站點(diǎn)），運(yùn)送由航空港和高鐵站轉(zhuǎn)入軌道交通的乘客進(jìn)入市區(qū)。

為保障樞紐站節(jié)假日返程期間的大客流運(yùn)輸，根據(jù)客流特征，制定了虹橋樞紐相關(guān)車站的節(jié)假日返程運(yùn)輸配套運(yùn)行圖：從13：00至運(yùn)營結(jié)束，行車間隔縮短至3 min 40 s，使這些車站的運(yùn)能較平日和雙休日增加一倍。這一舉措自2018年清明節(jié)假期實(shí)施以來，取得了良好效果。

2.5.5 實(shí)施常態(tài)周末延時(shí)運(yùn)營

為滿足節(jié)假日休閑、旅游乘客的夜間出行需求，從2010年起，在元旦、國慶期間對(duì)軌道交通1號(hào)、2號(hào)線進(jìn)行了延長運(yùn)營時(shí)間的試點(diǎn)。其間，系統(tǒng)研究了延時(shí)運(yùn)營情況下的施工組織、客運(yùn)組織、行車組織的應(yīng)對(duì)措施。此后，通過不斷論證，于2017年4月28日起，軌道交通1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)線每逢周五、周六延時(shí)運(yùn)營70～80 min，中心城區(qū)車站運(yùn)營到午夜零點(diǎn)，延時(shí)線路全天運(yùn)營時(shí)間平均為18 h 29 min。該舉措推出后，截至2018年6月底，延時(shí)運(yùn)營期間共運(yùn)送乘客169.9萬人次，社會(huì)反響良好。

3 結(jié)語

城市軌道交通運(yùn)能提升是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，需要規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營各方協(xié)同努力。因此，需要高度重視網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)能的精細(xì)化管理，樹立運(yùn)營需求反饋規(guī)劃建設(shè)的理念，從源頭上確保運(yùn)能供給。針對(duì)既有線的運(yùn)能提升工作，運(yùn)營管理部門應(yīng)結(jié)合自身特點(diǎn)，深入研究挖潛增效的技術(shù)手段，推出更多人性化服務(wù)舉措。