智能軌道快運系統運輸能力研究

雷 強 謝麗平

(1. 中鐵第四勘察設計集團有限公司， 430063， 武漢；2. 武漢地鐵集團有限公司， 430030， 武漢∥第一作者， 工程師)

智能軌道快運系統(以下簡稱“智軌系統”)是采用虛擬軌跡跟隨、全電力驅動及智能綜合管理系統技術的新型膠輪運載工具[1]，為最新型的交通制式。智軌系統的列車(以下簡為“智軌列車”)采用膠輪替代傳統的鋼軌鋼輪，通過軌跡跟隨控制技術對列車實行電子控制，進而實現列車在路面虛擬軌道上的運行,并采用多軸轉向技術以確保每節車廂能按預設軌跡行駛。智軌系統兼具了有軌電車快速、環保、大運量的特點，以及傳統公共汽車運行靈活的特點。智軌系統的運輸能力是界定其運量等級及判定適用范圍的基礎，對智軌系統的規劃設計具有重要的指導意義。

1 運輸能力及其構成

1.1 運輸能力的概念

運輸能力是軌道交通系統基礎設施及固定設備在單位時間內所能運輸的乘客人數，是評判系統技術水平和服務水平的重要指標。

目前常見的公共交通系統中，地鐵列車采用獨立全封閉形式，運輸能力可以達到4.0萬～5.0萬人/h，有軌電車一般采用半獨立路權，運輸能力可以達到0.6萬～1.0萬人/h，采用混合路權的BRT(快速公交系統)和公交車運輸能力為0.2萬～0.4萬人/h。常見不同公共交通方式的運輸能力統計如表1所示。

表1 常見公共交通運輸能力表

1.2 運輸能力的構成

智軌系統運輸能力是單位小時內智軌系統能夠運輸的乘客人數，不但與列車載客量有關，還與智軌系統的通過能力有關。運輸能力等于通過能力與列車載客量的乘積。

1.2.1 通過能力

影響智軌系統整體通過能力N通過的主要因素有線路通過能力、設備服務能力和車站折返能力，即：

N通過=min (N設備，N折返，N線路)

(1)

式中：

N設備——信號、供電等設備的服務能力；

N線路——線路通過能力；

N折返——車站折返能力。

1.2.2 列車載客量

智軌系統的列車額定載客量計算應包括坐席和站席。根據智軌列車技術標準，3模塊和5模塊的列車額定載客量分別為240人/列和360人/列。

1.2.3 運輸能力

在確定通過能力和列車載客量的條件下，系統運輸能力為：

P=N通過MC車

(2)

式中：

P——單位小時內單向最大運輸能力；

M——列車編組數量；

C車——列車載客量。

2 智軌系統通過能力計算

2.1 智軌列車主要參數

智軌列車編組形式較為靈活，目前主要的編組形式有3模塊和5模塊兩種。本研究以3模塊智軌列車為例，其主要參數如表2所示[1]。

表2 3模塊智軌列車主要參數表

2.2 設備服務能力

與地鐵相比，智軌系統的設備較為簡單，主要為通信、信號及供電等專業的設備。智軌列車的通信及信號設備只對列車運行進行監視而不控制，列車根據路面虛擬軌跡導向行駛，由司機控制列車運行速度。可見，智軌列車通過能力不受通信及信號設備的服務能力限制。

智軌列車運行動力由車載蓄電池提供。列車一般在線路首末端為蓄電池集中充電，且完成1次充電需要10 min(含準備時間)，即單個充電位的服務能力為6列/h。智軌線路的末端車站一般坐落于城市外圍區域，有充裕的土地資源用于設置充電位。充電位通常采用橫列式或縱列式布置，如圖1所示。不同充電位數對應的充電服務能力見表3。

a) 橫列式

b) 縱列式圖1 充電位布置示意圖Fig.1 Charging position layout

表3 不同充電位數的服務能力表Tab.3 Service capability of different charging bits

由表3可見，設置多個充電位可縮短發車間隔，提升充電站的服務能力。根據工程設計經驗[2]，一般設置4個充電位時，占地規模小，對周邊道路等影響小，相應的工程投資比較經濟，并能滿足一般項目的充電需求。因此，項目多按4個充電位設計，相應充電服務能力為24列/h。

2.3 線路通過能力

智軌列車采用半獨立路權，在道路平交路口與社會車輛混行。其運行方式類似于專用道的有軌電車或BRT，線路通過能力受限于平交路口的通過能力，可采用道路信號控制平交路口1條直行車道通過能力的計算方法[3]，即：

(3)

式中：

t1——統計時間，本文取1 h；

T——信號周期；

tg——智軌列車綠燈信號相位時間；

t0——綠燈亮后第1輛智軌列車起動通過停車線的時間；

h——智軌列車通過停車線的平均時間；

a——折減系數。

常見的平交路口信號控制策略有定時信號控制策略、信號相對優先策略和信號絕對優先策略[4]。為提高平交路口處通過能力，智軌列車借鑒有軌電車或BRT的經驗，采用信號相對優先策略，即延長綠燈相位時間或縮短紅燈相位來實現信號相對優先[5]。本研究中，平交路口綠信比(1個信號相位的有效綠燈時長與周期時長之比)取0.25～0.30，智軌列車過路口的運行速度為30 km/h，智軌列車通過路口清空時間為10 s，反應時間為5 s。經計算，最小發車間隔及通過能力如表4所示。

表4 智軌列車最小發車間隔及通過能力表

通過理論計算可得，智軌列車通過交叉口的最小發車間隔為2.6～2.9 min，通過能力為23.1～20.7列/h。綜合考慮實際道路寬度、運營中司機操作等不確定因素，并考慮一定的設計余量，智軌列車線路最大通過能力按20對/h考慮。

2.4 折返能力

根據車站折返線的布置形式，通常有站前折返和站后折返兩種方式[5]。列車的站后折返不影響對向運行線路，且站后折返能力較站前折返能力大。結合智軌列車運營靈活的特點，本研究重點對智軌列車通常采用的站前折返能力進行計算。站前折返示意圖及作業流程如圖2及圖3所示。

圖2 列車站前折返示意圖Fig.2 Turn-back before the station

序號作業項目作業程序1列車側向進站到達站臺2列車停站上下客3列車換端4折返列車確認發車5列車直向出站6折返間隔

根據列車折返作業流程和智軌列車基本性能參數，智軌列車進站耗時為38 s，出站耗時為20 s，司機換端走行時間為50 s，確認時間為10 s，停站時間按40 s計，折返間隔時間為118 s，折返能力為30列/h。

2.5 運輸能力

將設備服務能力、線路通過能力、折返能力分析計算結果代入式(1)計算，則智軌列車通過能力為不同影響因素能力的最小值，即線路通過能力決定了智軌系統的最大通過能力。采用半獨立路權的智軌系統在平交路口的通過能力取決于路口信號控制方式。按常見的信號相對優先策略，智軌列車最小發車間隔基本可滿足3.0 min要求，最大通過能力達20列/h。

根據上述計算分析，綜合考慮現代城市道路交通組織方式和運營安全等因素，3模塊智軌系統運輸能力為0.5萬人/h，5模塊智軌系統運輸能力為0.7萬人/h。

3 結語

本文對智軌快運系統的運輸能力進行研究。通過對影響運輸能力因素的計算分析，確定智軌系統運輸能力受限于線路通過能力。考慮實際運營場景的復雜性，確定智軌系統最大通過能力為20對/h，運輸能力為0.5萬～0.7萬人/h，屬于低運能軌道交通系統。研究結果明確了智軌系統運輸能力，對指導實際項目設計和推廣系統應用具有重要意義。