上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的運能瓶頸評估及改進(jìn)對策

朱 莉

(上海軌道交通維護(hù)保障有限公司，201103，上海∥高級工程師)

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模增長及通達(dá)性的提高，客流量不斷增長，客流分布呈現(xiàn)出時空不均衡性。對此，運營管理部門需要針對性地提高城市軌道交通的運輸能力。運輸能力的大小主要取決于固定設(shè)備和活動設(shè)備的能力，以及技術(shù)設(shè)備的運用、行車組織方法和行車作業(yè)人員的數(shù)量及技能水平[1]。對于常態(tài)化高密度、高負(fù)荷運營的上海、北京等城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)歷若干輪千方百計的增能之后，運能進(jìn)一步提升的瓶頸主要表現(xiàn)為設(shè)備能力的限制，可歸納為列車載客能力、線路能力和客運設(shè)施能力等3類[2]。

對城市軌道交通運能瓶頸的研究，多見于車站內(nèi)部集散能力瓶頸研究[3]、線路區(qū)間通過能力技術(shù)瓶頸和基于乘客服務(wù)水平的服務(wù)瓶頸研究[4]，主要通過車站客流仿真[3]、分析計算[4]、軟件系統(tǒng)仿真[5]和網(wǎng)絡(luò)客流預(yù)測及分配[6]等方法評估能力供給及其與客流需求的匹配程度。而對于制約運能提高的關(guān)鍵設(shè)備能力，則分別針對車輛購置策略[7]、折返能力改進(jìn)[8]、基地出入段擴(kuò)能[9]、供電系統(tǒng)改造[10]、配線能力提升[11]等問題進(jìn)行研究。然而，城市軌道交通系統(tǒng)是由各專業(yè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜大系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間存在相互影響和制約的關(guān)系，因此，在考慮增能提效時，不僅要解決突出問題，還要改進(jìn)相關(guān)的配套條件。對于已經(jīng)發(fā)展到較為成熟階段的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步的增能提效工作必然牽涉范圍更廣、影響因素更多，其運能瓶頸問題的識別及解決方案則需要從系統(tǒng)工程的角度進(jìn)行整體布局和協(xié)同推進(jìn)。基于此，本文以上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的增能需求為基礎(chǔ)，系統(tǒng)性地分析和評估超大規(guī)模城市軌道交通系統(tǒng)的設(shè)備能力瓶頸，討論當(dāng)前及將來發(fā)展的工作對策，以期為實際的增能工作和技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

1 超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的增能需求

近年來，各大城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大、客流量不斷增長。北京地鐵5號線和10號線開通不到一年，高峰高斷面客流已接近遠(yuǎn)期的預(yù)測值；上海軌道交通有7條線路高峰高斷面客流均超過原設(shè)計[13]。2019年上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)年日均客流量突破了1 060萬人次，早晚高峰時段客流量尤其大，其中有5條線路的高峰小時斷面客流超過了5萬人次[12]。全網(wǎng)目前有13條線路的最小行車間隔在3 min以內(nèi)，其中6條線路的最小行車間隔更是達(dá)到了2 min以內(nèi)(含3號線和4號線共線段)，但其中10條線路的客流量仍然接近或超過了運能上限。如圖1所示，在統(tǒng)計上海軌道交通各線路2019年高峰小時最大滿載率的同時，提出了2020年和2025年的規(guī)劃滿載率。2019年，較早開通的6號線和8號線的滿載率最高，達(dá)到120%；新開通的線路中，16號線的滿載率超過100%；13號線的滿載率雖然最低，但已經(jīng)多次增能，行車間隔由10 min縮短為最短的2 min 30 s。在既有線路客流量不斷攀升、新開通線路客流量快速增長的態(tài)勢下，為了提升運營服務(wù)水平，達(dá)到2020年的目標(biāo)滿載率、2025年的規(guī)劃滿載率，全網(wǎng)絡(luò)多條線路的進(jìn)一步增能需求十分迫切，特別是圖1中2019年現(xiàn)狀運能與2025年規(guī)劃運能差異較大的線路，其增能需求更加迫切。

圖1 上海軌道交通各線路的運能現(xiàn)狀及規(guī)劃運能和滿載率

對此，上海申通地鐵集團(tuán)有限公司制定了上海軌道交通增能提效的實施方案，已開展了兩輪補短板工作，對與增能相關(guān)的設(shè)備的能力進(jìn)行提升，包括：①網(wǎng)絡(luò)車輛增購及車輛基地擴(kuò)建；②供電系統(tǒng)改造；③車場出庫能力改造；④零星的車站改造、基地擴(kuò)容。對于一個龐大復(fù)雜的軌道交通系統(tǒng)而言，各專業(yè)設(shè)備的能力現(xiàn)狀及其對系統(tǒng)整體運行效率的影響程度有所差異，為了更加有效地開展補短板工作，需要對既有設(shè)備的能力進(jìn)行評估，對照增能要求，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)運能瓶頸問題，提出工作對策和改進(jìn)建議。

2 既有設(shè)備的能力評估與判定

2.1 影響增能的設(shè)備能力分類

綜合考慮影響增能的多種設(shè)備能力因素，并對典型線路進(jìn)行實測研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段上海軌道交通的運能瓶頸因素主要為列車載客能力和線路能力兩大類。列車載客能力指的是列車配屬數(shù)這項活動設(shè)備能力，線路能力因素則包括折返能力、基地停車能力、基地出庫能力、匯車能力、正線供電能力和基地供電能力等6項固定設(shè)備能力。設(shè)備能力因素對運能的影響及其相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 設(shè)備能力因素對運能的影響及其相互關(guān)系

如圖2所示，上述7項瓶頸因素之間存在著相互影響和制約的關(guān)系。通過增加列車配屬數(shù)可以直接增加高峰時段上線列車數(shù)量，從而縮短行車運營間隔，增加單位時間內(nèi)提供的載客運行空間，也就是運能。但增加運能并不是單純地通過增加列車配屬數(shù)就可實現(xiàn)。一方面，列車配屬數(shù)受車輛基地能力的制約，具體包括基地停車能力、基地發(fā)車能力和基地供電能力。基地停車能力也就是容納停放列車的列檢庫線數(shù)量，由車輛基地的土建設(shè)計確定，因此其是限制列車配屬數(shù)量的硬約束。同時基地停車能力又受基地供電能力和發(fā)車能力制約，基地發(fā)車能力決定了高峰時段從車輛基地快速投放正線增加的效能。而基地供電能力限制了場內(nèi)同時運行列車數(shù)量，均需與列車配置數(shù)量相匹配。另一方面，縮短正線行車間隔也直接受制于正線的線路運營能力，具體包括折返能力、正線供電能力和匯車能力等因素。其中折返能力和匯車能力直接由線路土建條件和信號系統(tǒng)能力決定，直接制約了行車間隔的極限能力，在進(jìn)行線路增能時是必須首先評估和考慮的。同時正線供電能力也直接影響行車間隔，當(dāng)正線增加運能時，供電設(shè)施必須同步改造增能以實現(xiàn)匹配。

2.2 既有設(shè)備能力評估規(guī)則

2.2.1 列車配屬數(shù)評估規(guī)則

列車配屬數(shù)是運用車數(shù)、備用車數(shù)和檢修車數(shù)的總和。列車配屬情況評估是根據(jù)各線路列車的到車、調(diào)試和上線的計劃，綜合評估3類車數(shù)在相應(yīng)的增能節(jié)點時是否符合要求。

1)運用車數(shù)：根據(jù)運營增能目標(biāo)，各線路按運營要求投入運營使用的列車數(shù)。

2)備用車數(shù)：按照近期規(guī)劃運用車數(shù)的10%計算，遠(yuǎn)期根據(jù)線路及運營條件按規(guī)劃運用車數(shù)的5%～6%計算，四舍五入取整。

3)檢修車數(shù)：在運用車數(shù)和備用車數(shù)的總數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛檢修率的乘積計算確定，四舍五入取整。車輛檢修率應(yīng)按車輛檢修制度確定，為簡化計算，一般按運用車數(shù)的15%計算確定，四舍五入取整。

2.2.2 折返能力評估規(guī)則

運營中，通常用2列列車先后接入或發(fā)出折返站的最小間隔表示折返能力，其受限于接車間隔、折返作業(yè)間隔和發(fā)車間隔中的最大者。因此，折返能力評估是對接車能力、發(fā)車能力和折返線能力的綜合評估，不僅要考慮車站的配線條件和信號制式，也要考慮折返方式、折返模式、停站時間、技術(shù)作業(yè)時間、富余時間分配和到發(fā)均衡性等因素的影響。

以站后固定折返線折返為例，接車間隔包含列車進(jìn)站走行時間、停站清客時間、列車進(jìn)折返線時間和道岔轉(zhuǎn)換時間；同一折返線的折返作業(yè)間隔包含列車進(jìn)出折返線走行時間、司機(jī)換端作業(yè)時間和道岔轉(zhuǎn)換時間；發(fā)車間隔包含列車出折返線時間、停站上客時間和列車出清站臺時間。更多條件下的折返能力詳細(xì)計算方法參考圖解法[1]。在實際的評估工作中，根據(jù)各線路固定設(shè)備和技術(shù)設(shè)備條件，再考慮一定冗余量，通過仿真測算折返能力是否滿足縮短行車間隔的要求。

2.2.3 基地停車能力評估規(guī)則

停車能力是對設(shè)計停車列位、實際停放能力和具備發(fā)車能力列位數(shù)的綜合評估。根據(jù)各線路增能目標(biāo)中的列車配屬數(shù)，評估線路所屬基地的實際停放能力是否大于總的列車配屬數(shù)，以及具備發(fā)車能力的列位數(shù)是否大于目標(biāo)運用車數(shù)。運營實踐中，為了應(yīng)對突發(fā)情況，車場能力還要考慮留有一定數(shù)量的空余列位。

1)基地滿額停車能力：是指基地理論的停車列位數(shù)，即基地車庫的所有列位，包含停車列位、檢修列位、靜調(diào)線和吹掃線等。

2)實際停放能力：按照以下車輛基地生產(chǎn)任務(wù)的壓力情況，計算該車庫的實際停車列位數(shù)：一場單線的車輛基地預(yù)留2股道空閑；一場多線和具有“大型工藝裝備”資源的車輛基地預(yù)留3股道空閑。

3)具備發(fā)車能力的列位數(shù)：計算車庫具備發(fā)車能力的列位數(shù)，即信號設(shè)備配置和列位的部署位置滿足列車一次性調(diào)車至總出發(fā)信號機(jī)。

2.2.4 基地發(fā)車能力評估規(guī)則

發(fā)車能力，也稱為出庫能力。發(fā)車能力評估主要針對基地具備發(fā)車條件的股道，分析車輛基地滿額列車在基于保障夜間維護(hù)天窗時間的前提條件下，是否能在早高峰來臨前全部投入正線運營。滿額配屬列車全部發(fā)完的總時間取決于列車單線出庫能力。單線出庫能力一般按車輛基地最遠(yuǎn)發(fā)車股道上的單列車完成出庫的時間確定。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行基地發(fā)車能力評估，通過比較當(dāng)前和增能時刻表的早高峰最后一列列車的出場時間確定基地發(fā)車能力。該時間的計算方法為：

t次日早高峰最后一列列車出場=t當(dāng)日最后一列列車入場+t維修+t滿額配屬發(fā)車

2.2.5 正線供電能力評估規(guī)則

根據(jù)增能規(guī)劃的行車間隔仿真計算供電能力，并對比分析目前線路的系統(tǒng)能力現(xiàn)狀。綜合牽引系統(tǒng)整流機(jī)組的容量、負(fù)荷等級和直流開關(guān)整定值等信息，選取直流開關(guān)對雙邊供電區(qū)域的取流特性進(jìn)行監(jiān)測，驗證系統(tǒng)的極限能力。

2.2.6 基地供電能力評估規(guī)則

基地供電能力是對出庫能力(同時動車數(shù)量)、列車動態(tài)的用電負(fù)荷、列車靜態(tài)雙開的用電負(fù)荷和自身系統(tǒng)設(shè)備能力的綜合評估。判斷原則為：ATC(列車自動控制)系統(tǒng)2 min間隔的出庫能力，停車庫14列列車雙開輔助負(fù)荷，檢修庫100%列車雙開輔助負(fù)荷，同時1列列車啟動出庫，持續(xù)時間30 min。通過比較該原則下的用電總負(fù)荷和各基地的自身系統(tǒng)設(shè)備能力，得到基地供電能力評估結(jié)果。

2.2.7 匯車能力評估規(guī)則

匯車能力是對出場列車與正線列車匯合能力和小交路折返列車與通過列車分叉匯合能力的綜合評估。該項評估同樣需要進(jìn)行列車運行仿真，以測算達(dá)到各種場景下列車之間互不干擾的行車間隔時間是否滿足縮短行車間隔的要求。

2.3 既有設(shè)備能力評估結(jié)果

2.3.1 典型問題評估總結(jié)

根據(jù)上海軌道交通各線路的增能目標(biāo)，對上述7類設(shè)備能力進(jìn)行統(tǒng)計、計算或仿真測算之后發(fā)現(xiàn)：列車配屬數(shù)通常能滿足增能要求；運能瓶頸多見于折返能力，其次依次是供電能力、停發(fā)車能力和匯車能力，具體影響程度則因線路條件各異。表1為上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)既有設(shè)備能力典型問題的評估總結(jié)。

表1 上海軌道交通既有設(shè)備能力典型問題評估總結(jié)

2.3.2 典型線路評估結(jié)果

以上海軌道交通開通最早的1號線為例，該線路長36.889 km，非CBTC(基于通信的列車控制)信號系統(tǒng)，有梅隴和富錦路兩個停車場，停車列位和發(fā)車列位分別為87個和80個，目前配屬84列列車。在最小行車間隔為2 min的增能目標(biāo)下，通過設(shè)備能力評估發(fā)現(xiàn)，列車配屬、停車能力和匯車能力滿足需求，而其他能力存在不足，問題與對策如表2所示。

表2 上海軌道交通1號線2 min行車間隔增能目標(biāo)下設(shè)備能力評估結(jié)果

3 解決運能瓶頸的對策和建議

3.1 對策

針對評估工作中發(fā)現(xiàn)的固定設(shè)備能力不足問題，綜合同一問題和相關(guān)問題在各條線路的表現(xiàn)特征，分析給出解決各類問題的對策。

3.1.1 解決折返能力不足的對策

1)提升側(cè)向過岔速度：通過提升側(cè)向過岔頂篷限速，提升ATO(列車自動運行)模式下的側(cè)向過岔速度。如采用12號道岔，可減少折返時間8～10 s。

2)增加部分區(qū)段限速：在折返站進(jìn)站前的400 m左右，降低列車運行速度，延緩后續(xù)追蹤列車行駛至受前車干擾的位置，從而能按要求插入更多列車。

3)結(jié)合實際情況，對折返線進(jìn)行延伸改造。

3.1.2 基地停車和發(fā)車能力不足的對策

1)結(jié)合實際情況，對部分基地實施擴(kuò)庫改造。

2)采取正線存車，解決因生產(chǎn)任務(wù)造成的停車列位不足問題。

3)對部分基地信號系統(tǒng)進(jìn)行改造，如將傳統(tǒng)出庫方式提升為ATC模式下的出庫方式。在周檢庫和月檢庫配置信號系統(tǒng)設(shè)備，使其具備發(fā)車條件，從而提升發(fā)車效率。

3.1.3 正線和基地供電能力不足的對策

1)對供電能力與信號系統(tǒng)能力不匹配的部分線路，開展供電能力改造。

2)對部分基地供電分區(qū)設(shè)置不合理的線路，開展分區(qū)設(shè)置改造。

3)可采取管理手段，控制基地同時發(fā)車的數(shù)量，從而控制發(fā)車時的負(fù)荷。

3.1.4 匯車能力不足的對策

1)優(yōu)化信號系統(tǒng)進(jìn)路觸發(fā)和互鎖防護(hù)機(jī)制，縮短單車通過時對匯合區(qū)線路資源的獨占時間，減少沖突和停車等待，從而縮短匯合區(qū)通過間隔。

2)加快車車通信等新技術(shù)的研究、試點，優(yōu)化道岔等軌旁資源動態(tài)精細(xì)化控制，提高匯車能力。

3.2 總體工作建議

在線網(wǎng)規(guī)模發(fā)展進(jìn)入成熟期，但客流需求不斷接近運能上限的現(xiàn)階段，全面、系統(tǒng)性的增能提效迫在眉睫，但由于所面臨問題涉及專業(yè)范圍廣、系統(tǒng)復(fù)雜度高和設(shè)備施工難度大，實際的系統(tǒng)增能工作還處于探索階段，這個過程中存在的主要問題是：①對系統(tǒng)實際能力認(rèn)識不足，包括實際折返能力、匯車能力和供電能力掌握不充分，停留于仿真計算結(jié)果；②多專業(yè)匹配規(guī)劃不充分，典型問題是停車能力、正線供電能力、折返能力、車輛吊裝運輸、發(fā)車能力、基地供電能力和倉儲等其他能力，以及車站通信設(shè)備，如PIS(乘客信息系統(tǒng))和PA(廣播)系統(tǒng)等專業(yè)協(xié)同不足；③項目規(guī)劃協(xié)調(diào)不足，表現(xiàn)為逐步發(fā)現(xiàn)和逐步報項，缺乏與增能迫切性的關(guān)聯(lián)。對此，分別從工作實施、技術(shù)改進(jìn)和規(guī)劃設(shè)計方面提出建議。

3.2.1 工作實施建議

對需要增能的線路，采用實際的線路數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和停站數(shù)據(jù)等進(jìn)行折返能力、匯車能力、基地能力和供電能力等方面的綜合仿真測算，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)及配套項目對能力短板進(jìn)行統(tǒng)籌改造。

3.2.2 技術(shù)改進(jìn)建議

1)加大力度推進(jìn)具有自動開關(guān)門功能列車的投入使用。研究發(fā)現(xiàn)，折返能力、匯車能力以及旅行速度等都受停站時間影響較大，而CBTC系統(tǒng)的線路可通過列車全自動開關(guān)門的方式縮短一定的停站時間。因此，對于部分非CBTC線路進(jìn)行改造升級，以使全網(wǎng)線路具備ATO開關(guān)門功能，從而進(jìn)一步增大實際能力，趨近仿真能力。

2)研究自動折返和無人駕駛系統(tǒng)的簡配改造。評估自動折返功能在部分線路的使用情況時發(fā)現(xiàn)，自動折返技術(shù)已經(jīng)較為成熟，可消除因司機(jī)換端慢、發(fā)車按鈕響應(yīng)時間長等人為因素造成的時間耽誤。由于折返時間為大部分線路最主要的制約因素，而折返設(shè)備設(shè)施改造周期長、難度大，因此自動折返技術(shù)的運用十分必要。在此基礎(chǔ)上，建議可綜合考慮車輛專業(yè)和信號專業(yè)的大修項目，實現(xiàn)簡配的DTO(有人值守的全自動運行)系統(tǒng)改造。

3.2.3 規(guī)劃設(shè)計階段的建議

從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，一方面，特大城市應(yīng)盡量選擇寬體、大編組的列車，以及配套相應(yīng)的系統(tǒng)規(guī)模和預(yù)留一定的發(fā)展彈性，避免線路系統(tǒng)規(guī)模成為運能瓶頸；另一方面，對于關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的能力，如機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)和土建設(shè)備等的能力，應(yīng)預(yù)留可擴(kuò)展的余地，以備縮短行車間隔時的需要，以降低后期進(jìn)行系統(tǒng)改造升級時的高昂成本。

4 結(jié)語

在各大城市的軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模趨近成熟、運能運量矛盾日益突出的現(xiàn)階段，多數(shù)線路需要分時段、分區(qū)段針對性地增加運能，而運能瓶頸集中體現(xiàn)在設(shè)備能力的制約，因此增能工作對設(shè)備能力的改造升級提出了全面要求。本文從系統(tǒng)性增能的角度出發(fā)，綜合考慮和評估影響增能的各項設(shè)備能力。基于上海軌道交通的增能要求，闡述了7類影響增能的設(shè)備能力因素及其與運能的制約關(guān)系；分析了各項設(shè)備能力的評估方法；以典型線路為例評估總結(jié)了當(dāng)前的設(shè)備能力不足問題，并分別給出了改進(jìn)對策；最后結(jié)合實際工作中的問題總結(jié)，從增能工作實施、技術(shù)改進(jìn)和前期規(guī)劃設(shè)計方面提出了建議，可為解決運營實踐中的運能瓶頸問題提供參考。