當前軌道交通發展中幾個技術問題的思考

畢湘利

（上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海∥教授級高級工程師）

隨著我國城市化進程的加快，城市軌道交通在“十三五”期間呈現加速發展趨勢。據不完全統計，“十三五”期間我國軌道交通在建城市預計將超過80座，運營城市預計將超過50座，運營線路長度預計將超過6 000 km，比“十二五”期間翻兩番。可以預見，“十三五”末我國會有更多的城市步入軌道交通網絡化建設和運營階段。

北京、上海、廣州等作為率先進入網絡化運營的城市，運營過程中不同程度面臨著安全壓力大、設備維護品種多、培訓效果不理想、應急排故效率不高、維護成本控制難等共性問題。這些問題在一定程度上反映出網絡化建設階段應該解決的問題。如系統規模小、建設標準低、制式種類多、標準不統一、片面追求最先進技術等。在這些問題中，有的是因為建設程序和設計規范約束所造成的，有的是行業內一直有爭論沒有形成一致意見的技術問題。可以預見，在未來一段時間內，這些問題仍將是網絡化建設和運營所面臨的主要問題。而隨著我國經濟社會的快速發展，我國從小康社會步入富強國家的進程中，乘客對城市軌道交通的需求不僅體現在安全、快速、便捷方面，而且會在舒適性、人性化、信息化、智能化等方面提出新的要求。本文就以上問題和新時代的新要求，結合上海軌道交通發展實際，對當前軌道交通發展中的幾個技術問題闡明以下想法。

1 關于軌道交通線網規劃的規模問題

軌道交通線網規劃是根據城市總體發展要求，統籌人口分布、交通需求等情況編制的，是指導城市軌道交通長遠可持續發展的總體性方案，是編制近期建設規劃的基礎，需具有前瞻性并預留發展空間。

近年來，很多城市的軌道交通建設規劃規模調整頻繁，造成新線建設主要換乘節點、資源共享和用地控制難以落實，這在一定程度上反映了線網規模超前考慮不足。究其原因，一方面在于我國正在加速城市化過程中，城市人口規模預計不足，幾乎所有城市規劃的人口規模未到規劃年限就已超過規劃控制人口；另一方面是決定城市總出行量的居民日均出行率隨著經濟社會發展在逐年提高，如上海市居民日均出行率1995年為1.87次，到2009年就提高到2.23次，在人口規模不變的前提下相當于總出行量提高了19%。因此，在城市人口規模的預估和出行率的選取上一定要結合我國國情，充分考慮城市未來的發展。

從類比角度看，與國際同類規模城市的軌道交通線網相比，我國特大或大城市的軌道交通規劃線網總體規模也是偏小的。以上海和東京為例，上海中心城相當于東京區部，上海市域相當于東京交通圈，但上海中心城和市域的線網密度分別為0.88 km/km2和0.16 km/km2，而東京相應指標分別為1.31 km/km2和0.36 km/km2；上海中心城和市域每萬人擁有的線網長度分別為0.49 km和0.43 km，均小于東京（見表1）。此外，紐約、巴黎、倫敦在中心城的線網密度分別為 1.38 km/km2、2.02 km/km2和 1.31 km/km2，遠大于上海中心城的線網密度。因此，線網密度和人均擁有長度也是衡量一個城市線網規模的重要因素。

表1 上海與東京軌道交通線交通線網指標比較

從可持續發展角度看，如果當前的線網沒有在規劃層面得到控制，由于城市建設的快速發展，未來將很難找到軌道交通加密線路的通道。而通道資源在城市中是非常有限的，是不可再生的資源。因此，在城市軌道交通線網規劃時，應盡量多預留未來軌道交通的建設通道，線網規劃需具有前瞻性。

2 關于軌道交通的制式選擇問題

城市軌道交通的不同制式具有各自特點和適用性，制式的選擇應與功能定位和環境相適應。地鐵制式運能大，適用于大運量、大中城市中心區域的骨干線路；有軌電車制式不享有專用路權，適用于低運量、中小城市的線路；膠輪系統爬坡能力強、噪聲小，適用于轉彎半徑小、地形起伏大、環境噪聲要求高的線路。

從我國軌道交通規劃發展現狀看，由于建設地鐵和輕軌審批的門檻較高，而有軌電車審批程序相對簡單，近年來有軌電車在全國各城市發展較快。有些城市的有軌電車占用了城市骨干交通走廊，在中心城區道路交叉口較多時很難實現信號優先，其功能定位和運能與公共汽車差異不大，與公交專用道相比反而浪費了道路資源。因此，有軌電車制式在交叉路口較多的中心城區骨干線路上布置要慎重選擇。

同樣，與鋼輪鋼軌系統相比，膠輪系統（無論是單軌還是APM（旅客自動捷運）制式）不受鋼輪鋼軌制式的粘著系數影響，在爬坡能力以及振動噪聲控制方面有優勢；并且膠輪系統雖然在單位牽引能耗上比鋼輪鋼軌制式要高，但因該系統振動噪聲方面的優勢，線路可以采用高架敷設方式，車站動力照明方面的單位能耗相對較低，長期運營成本與鋼輪鋼軌制式相比不一定處于劣勢，但將膠輪系統敷設于地下線路就不能發揮該制式的優勢了。

總之，軌道交通系統制式的選擇應與線路功能定位和環境相適應，各種制式都有其適用性。

3 關于軌道交通的系統規模確定問題

軌道交通系統規模取決于車型選擇、列車編組和線路通行能力。軌道交通的土建工程具有難以、甚至不可改造的特點，根據測算，土建成本在全壽命周期成本中的比例不超過20%，但一條線路建成后占用的城市通道資源是不能用經濟來衡量的，是不可再生的。從城市軌道交通的可持續發展看，特大或大城市應選擇寬體、大編組的列車。如日本東京的山手線采用11輛編組，13條地鐵線路中有4條采用了10輛編組；韓國首爾的1～4號線有超過95%的車輛采用10輛編組；我國香港地鐵、臺北捷運均采用了3.2 m的寬體車等。而反觀北京、上海、廣州等特大城市的地鐵線路，最大系統規模設計為8輛編組的A型車。從運營后面臨的大客流擁擠現象看，其主要客運走廊上的線路均存在系統規模不夠的問題。例如，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期的預測值；上海軌道交通投入運營的14條線路中，有7條線路高峰高斷面客流超過原設計。針對運營線路系統規模設計不足的問題，有專業人員提出縮短運營間隔的對策，即提高行車密度，但據測算，從原設計2 min間隔提升至90 s，對系統進行改造的費用遠大于前期擴大系統規模而產生的土建規模增加的費用，且維持列車高密度運行對日常運營的安全壓力非常大。因此，特大或大城市主要客運走廊的系統規模，除了土建規模要預留未來發展的彈性外，機電設備系統和土建的折返能力方面也要考慮預留可擴展的能力。

4 關于軌道交通換乘站型的選擇問題

目前，我國城市軌道交通間的換乘布局主要有多線間在單點集中換乘和多點兩兩換乘等方式，換乘站的站型主要有同站臺換乘、十字型換乘、T型換乘以及通道換乘等形式。

多線之間的單點集中換乘車站，前期建設時土建工程結構復雜、風險高、難度大，后期運營時客運組織壓力大，在非正常運營情況下客流組織和疏散比較困難。例如，上海軌道交通人民廣場站為3線集中換乘站，每天換乘量近40萬人次，加上進站量和出站量，客流最高曾達到100萬人次。該車站換乘通道經多次改造運營壓力仍然很大。再如，上海軌道交通世紀大道站4線在一點集中換乘，6號線車站直接設置在2、4、9號線車站上方，車站疏散空間受限，且改造空間有限，站間換乘客流組織壓力非常大，未來很難適應客流進一步增長的需要，成為永久的遺憾。網絡化運營的實踐證明，中心城區線網兩兩單點換乘方式優于多線集中一點換乘方式，如因規劃需要采用多線集中換乘，必須考慮充足的換乘空間和快速疏散條件。

在換乘站的換乘形式上，為縮短換乘距離，我國很多城市軌道交通的設計換乘方案采用了十字換乘或者T型換乘，這兩種換乘方案中，受站臺寬度限制的換乘樓梯成為換乘客流的聚集點，也成為了客運組織的難點，很多已經運營的車站受客流壓力影響在高峰時段只能采取單向客流組織措施。除此之外，設計上多用通道換乘方式，通過有效延長換乘客流的疏散距離來緩解大客流沖擊。以犧牲乘客的便捷性來保證運營安全，并非是最佳的換乘方式，是無奈之舉。縱觀國內外軌道交通換乘形式，規劃設計方案最佳的是香港地鐵，全網兩線之間的換乘功能主要通過兩座連續的換乘站同站臺實現，兩條線路之間具備4個方向的同站臺換乘的條件，在保證換乘站兩條線間運能匹配的前提下能夠實現安全、便捷、快速、高效的換乘，是我國軌道交通換乘設計的典范。總之，換乘站布局以及換乘站型的選擇必須要著眼于乘客換乘便捷、客流均衡和運營安全。

5 關于城市軌道交通的建設標準問題

城市軌道交通建設標準的高低直接影響運營安全和服務品質，建設階段應注重建設標準系統的協調性和匹配性，以避免因某個系統設施的標準低產生的短板而影響到整個系統的服務水平。我國城市軌道交通運營過程中發生客流擁擠、應急疏散困難等狀況，以及車站疏散能力和換乘通道能力不足等問題，一方面是系統能力、車站規模和服務水平之間的協調性與匹配性不夠，另一方面是由于樓梯、自動扶梯、換乘通道等的實際通行能力都比設計規范中的通行能力要低，即由于設計規范的標準過低造成的。如設計規范規定“速度為0.65 m/s的1 m寬自動扶梯，最大通過能力不大于8 190人/h”，而實際通行能力不大于7 200人/h。針對車站垂直提升能力不足的問題，上海軌道交通在2017年春節期間實施了人民廣場站樓扶梯升級改造，1號線站臺增加了4部樓扶梯，8號線增加了2部樓梯和4部自動扶梯。這樣的改造完全是由于設計標準低而造成車站垂直提升能力不足。

換個角度看，作為承擔未來城市公共交通骨干作用的城市軌道交通，設施標準也應立足提升服務品質與乘客體驗，以滿足人們對美好生活需求的日益增長需求。因此，在舒適性方面，應提高列車車廂和車站站臺的站立設計標準，以緩解車廂內和站臺上的擁擠；應提高樓扶梯通過能力的設計標準，以緩解車站垂直提升能力；應提高公共廁所以及無障礙電梯等車站設施的設計標準，為乘客提供方便。總之，城市軌道交通建設標準必須重視系統的匹配性和運營服務的品質提升。

6 關于軌道交通建設和運營的標準化問題

城市軌道交通標準化是網絡化建設和網絡化運營的必然要求，但我國城市軌道交通工程建設是以線路為單位進行的，以線路為單位開展的建設必然帶來設備系統不統一、制式種類多、接口標準不一致等問題，勢必對網絡化運營階段的運營維護管理、設備系統改造、員工培訓效率、運營成本控制等方面產生重大影響。只有在網絡規劃和建設階段按標準化的技術要求進行建設，才有可能在網絡化運營階段實現運營的標準化。

建設標準化和運營標準化應立足于運營需求。要實現網絡運營管理的標準化，確保網絡的安全、可靠和高效運營，首先應建立全網統一的運營需求標準，再以此為基礎進行標準化的規劃和設計，明確各專業設備系統間的技術接口，協調統一各線的設備系統制式和技術標準。城市軌道交通網絡的運營需求應該是相對穩定和固化的，比如車輛緊急制動裝置的功能需求應統一，車輛駕駛臺的操作界面需求應統一，這對乘客和運營維護管理是非常重要的。我國高鐵在建設和運營標準化方面取得的成效，很大程度上與全國鐵路運營需求的統一和穩定有關。城市軌道交通在標準化方面要走的路還很長，要實現建設和運營的標準化，必須首先立足于運營需求的標準化。

7 關于信息化和智能化的應用問題

近年來，隨著信息化和智能化技術的快速發展，城市軌道交通信息化和智能化的應用話題也非常熱。但城市軌道交通信息化與智能化的應用要以需求為本、精簡為要。信息化與智能化一方面可以提高運行效率，另一方面也增加了系統的復雜程度。信息化離開了運營需求，為實現信息化而建設信息化是不科學的。目前并不鮮見以信息化和智能化為借口，不斷增加城市軌道交通的設備系統，導致一些機電設備系統越做越復雜，但從運營實際效果來看，故障情況下乘客和管理人員需要的信息仍不夠，維護人員最需要的反映設備及系統狀態的信息也不多。信息化的前提是需求穩定、流程固化。建設時應以需求為導向，加強管理模式、管理架構、管理流程以及管理系統的頂層設計。在需求穩定和固化流程的情況下，信息化建設才可以有效提高系統運行效率，并提高管理效率。

智能化要以信息化為基礎，城市軌道交通智能化應用要厘清決策判斷及信息采集的需求。智能化系統的開發也應遵循“需求導向”的原則，首先明確決策需求和內容，再以關聯因素分析為根本依據，確定信息采集的需求。例如軌道交通各系統的在線監測系統，應在了解在線監測的需求并具備對監測數據進行分析的基礎上實施，要避免盲目增加在線監測設備而造成投資浪費，且增加系統復雜性。在線監測的數據必須要有運營維護人員實時處理，對不影響運營安全的設備系統的監測數據或者可以運營結束回庫后下載的數據，沒有必要實時在線監測，以避免造成浪費。總之，信息化和智能化在城市軌道交通中的應用要以需求為根本。

8 關于軌道交通系統的復雜性問題

城市軌道交通工程建設涉及的機電設備系統專業眾多。與土建工程不同，機電設備系統技術發展非常快，特別是通信系統技術的發展日新月異，城市軌道交通的設備系統設計也隨著各系統技術的發展而不斷創新。但近年來一些城市軌道交通建設的設備系統越做越復雜，增加了很多必要性不大的系統和功能，帶來的問題是系統越復雜故障就越多。比如隨著綜合監控技術的推廣應用，一些城市在軌道交通建設時都設計了綜合監控系統，完整的綜合監控系統應包括SCADA（監控和數據采集）、FAS（防災報警系統）、EMCS（機電設備監控系統）、PSD（站臺屏蔽門）、AFC（自動售檢票）等在內的設備監控系統，但在工程建設過程中做了綜合監控系統后其他系統依然存在，實質上是把系統做復雜了。隨著LTE（長期演進-第四代移動通信）技術的發展，一些城市開始嘗試應用LTE技術，但其與既有通信系統有很多功能是重復的，沒有減少既有設備系統而增加應用很多新系統，不僅建設成本增加，系統越做越復雜，運營維護成本也會隨之增加，這種發展趨勢是值得思考的。軌道交通設備系統不宜片面追求應用最先進的技術，成熟可靠的技術才能確保運營質量受控，同時，各設備系統的功能要以滿足運營功能需求為根本，與運營需求關聯度不大的功能應盡量簡化，系統越簡單越好。

9 關于全自動駕駛技術等級的選擇問題

近年來，國內外很多城市軌道交通線路開始嘗試全自動駕駛技術，預計到2025年，全球全自動駕駛線路的規模將從現狀的800 km達到2 300 km。應用全自動駕駛技術是城市軌道交通未來發展的技術方向，可有效提高系統的運行效率、可靠性和可用性，減小人為失誤對系統運行造成影響。以我國大運量的城市軌道交通中應用全自動駕駛技術較早的上海軌道交通10號線為例，自2014年8月啟用全自動駕駛模式后，列車運行可靠度一直保持在全網平均水平的2倍以上。

全自動駕駛包括有人值守的DTO（Driverless Train Operation）和無人值守的 UTO（Unattended Train Operation）兩個等級，其中UTO是列車自動駕駛的最高等級。在正常運營情況下，UTO與DTO的主要功能和運行效率幾乎是一樣的；在非正常運營情況下，UTO對部分故障（并不是所有）具有自動處置功能，能夠通過蠕動模式自行運行到車站，但與DTO的故障下人工駕駛相比，特別是當系統故障列車迫停在區間需要救援時，UTO下的救援時間及延誤程度可能要大于DTO。UTO相比DTO的最大特點是減少了駕駛員崗位，人工成本可以降低，這也是發達國家軌道交通推行UTO的初衷，而我國應用全自動駕駛技術的主要目的是提升系統的可靠性和運行效率，并非一定要節省列車駕駛員。UTO相比DTO增加了各種故障場景情況下的自動處置功能，工程建設成本和調試時間要相應增加，且由于功能設備的增加，也會在一定程度上影響系統的可靠性。

我國還處在全自動駕駛技術應用發展的初期階段，列車上沒有駕駛員情況下的乘客管理、客運組織，特別是非正常運營情況下的應急處置等方面的經驗，仍需要不斷積累，現階段不宜片面追求最高等級的UTO技術，應簡化列車控制及自動駕駛之外的UTO其他相關功能。換言之，全自動駕駛技術等級的選擇要與我國經濟社會發展階段相適應。

10 關于軌道交通建筑信息模型（BIM）技術的應用問題

近年來BIM（建筑信息模型）技術在城市軌道交通領域的應用越來越廣泛，一些城市為了推進該技術的應用，政府部門發文強制要求應用BIM技術。在該技術推進過程中，各應用單位都在尋找BIM技術的應用點，如提前發現車站管線碰撞、計算復核工程量清單、跟蹤工程建設進度、渲染工程效果等。可以肯定的是，BIM協同設計是未來建筑設計的發展方向，是實現建筑業精細化、信息化管理的重要工具。

BIM技術發展應用過程中存在很多沒有解決的問題，影響該技術的有序發展。比如BIM的標準問題，無論是幾何信息數據還是物理信息數據，沒有標準的數據是不可用的。目前我國還沒有BIM統一的技術標準，包括信息數據標準、模型標準、協同設計平臺標準以及模型交付標準等，這將成為影響該技術持續發展的最大瓶頸。更重要的是，城市軌道交通工程不同于一般的單體建筑，建設階段建立的BIM如果沒有統一的技術標準，不同的BIM設計單位建立的數據模型不能實現協同，更不能傳遞運用到運營維護階段，也就不能發揮BIM技術在工程全壽命周期應用的優勢。

參考文獻

［1］ 畢湘利.城市軌道交通的規劃建設理念應適度超前［J］.城市軌道交通研究，2015（9）：1.

［2］ 畢湘利.城市軌道交通網絡化階段推進標準化建設的探討［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：1.

［3］ 畢湘利.從可持續發展角度談城市軌道交通的規劃和設計［J］.城市軌道交通研究，2008（12）：1.