廣州金融城有軌電車與無軌電車的系統運能分析

蔡涵哲

廣州金融城有軌電車與無軌電車的系統運能分析

蔡涵哲

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州//工程師）

現代有軌電車和儲能式無軌電車都屬于節能環保的新型城市公共交通。以廣州都會區規劃的金融城線為例，對半專用路權下有軌電車和無軌電車的運營組織和運能進行了分析。其中，著重分析了二者的路口通行能力和車站通行能力。分析結果表明：在半專用路權條件下，路口通行能力是系統運能的瓶頸；在提供同樣運能服務水平的條件下，無軌電車所占用的路口通行相位時長比例低于有軌電車，無軌電車在車站段占用的道路寬度大于有軌電車。二者各有優劣，應根據實際情況選擇。

有軌電車；無軌電車；路口通行能力；車站通行能力

AbstractTramway and trolleybus with energy storage system are new types of urban public transport featuring energysaving and environmental protection.Taking the planned transit lines in Guangzhou Financial Center as an example,the traffic organization and capacities of tramway and trolleybus in semi-exclusive right-of-way are analyzed and compared,including their intersection capacities and station capacities.The results show that in semi-exclusive right-of-way condition,the intersection capacity is the bottleneck of two systems.Providing a condition of same capacity，the occupying ratio of trolleybus in the intersection traffic light is lower than that of tramway system,while the trolleybus occupied road width in the range of the station is greater than that of the tramway system.So，the selection of traffic model shall fully consider their advantages and disadvantages.

Key wordstramway； trolleybus； intersection capacity； station capacity

Author′s addressGuangzhou Metro Design Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

近年來我國現代有軌電車發展迅速，儲能式無軌電車也在興起。兩者雖均為節能環保的新型城市公共交通，但在車輛系統、運營組織、對路面影響及工程投資等方面都有區別。

在系統運輸能力研究方面，文獻［1］對有軌電車路權分類、車道布置形式、交叉路口交通組織方式進行了分析，研究了制約有軌電車運營效率的重要因素。文獻［2］對有軌電車的運營模式、運能及服務標準等進行了研究，提出系統運能由車輛定員和路口、車站、配線等因素作用下的最小通過能力決定。文獻［3］提出了確定有軌電車列控方式的原則和影響因素。

儲能式無軌電車車身較短，發車間隔較密，運營組織與常規公交類似，故其運能分析可參考我國的《城市道路工程設計規范》及美國《交通工程手冊》等。本文以廣州都會區規劃的金融城線（以下簡稱“金融城線”）為例，模擬計算兩系統在相同條件下的運能。

金融城線位于廣州天河區與黃埔區，途經天河區珠江新城CBD（中央商務區）核心區、廣州國際金融城、黃埔中心區的魚珠臨港商務區等。線路全長約為13.3 km，其中地面線長度約為11.0 km。全線共設置18座車站。預測遠期高峰最大客流斷面約0.68 萬人次/h［4］。

1 電車系統

1.1 現代有軌電車

目前，國內已有多個城市建設和運營現代有軌電車。如供貨廠商不同，則具體車輛參數也不同。本文以廣州海珠環島有軌電車工程（已運營）所采用的車型為例進行研究。根據預測客流，建議遠期選用8模塊編組。列車長約72 m，座位數約為135～146個，定員約為532人（按5人/m2站立標準計）。

1.2 儲能式無軌電車

儲能式無軌電車利用站臺電力線為車輛充電，可用超級電容器作為能量存儲設備，屬于節能環保的綠色城市公共交通裝備，目前裝配了超級電容組的儲能式無軌電車已在浙江寧波下線。本文以寧波市鄞州區無軌電車工程（已運營）所采用的車型為例進行研究。根據本線預測客流，建議遠期選用18 m長車輛，座位數為31～40個，定員約111人（按5人/m2站立標準計）。

2 運營組織與運能

2.1 路權形式與運營組織

路權形式有專用路權、半專用路權與共享路權三種。金融城線服務于城市中心地區，以地面線為主，如采用專用路權，則線路土建成本較高，且對既有道路交通隔斷較嚴重；如采用共享路權，則電車易受前后車輛影響，降低旅行速度，且運營安全性和乘客舒適度相對較低。因此，金融城線應采用區間專用、路口共享的半專用路權形式。

有軌電車方案的列車容量大，行車間隔較為均衡，但乘客平均候車時間相對較長；無軌電車方案的運營組織相對靈活，高峰小時行車間隔較密，但在路口常出現多車排隊的現象。

2.2 有軌電車系統運能

2.2.1 路口通行能力

有軌電車路口通行能力受路口尺寸、路口信號周期及有軌電車相位時長等因素影響。由于有軌電車行車密度較低，行車間隔較為均衡，故按照1個路口信號周期通過單方向1列列車計算，則1 h內的有軌電車開行對數 =3 600 s/（信號周期×2）。

路口信號周期與有軌電車通過路口所需的相位時長緊密相關。

以花城大道與華夏路平交路口為例進行研究。此路段為半專用路權；兩條道路為城市主干道，且均為雙向六車道。金融城線沿花城大道東西向直行通過該路口。路口長度為60 m。有軌電車為人工駕駛模式。

根據道路設計規范，平面交叉口內的設計速度一般為路段設計速度的50%～70%［5］。我國現運營的有軌電車路口限速基本為20 km/h。故本文以20 km/h作為路口限速，模擬計算8模塊有軌電車通過該路口所需的相位時長。

（1）模擬工況1：列車在路口前停車等待通過信號。列車起動加速至20 km/h，出清路口共行駛132 m，耗時26 s。司機起動列車的反應時間取5 s，平交路口出清車輛及行人耗時取5 s。故相位時長取36 s。

（2）模擬工況2：列車在進入路口前降速至20 km/h，然后勻速通過路口。降速和勻速過程共行駛252 m，耗時35 s；平交路口出清車輛及行人耗時取5 s。則相位時長取40 s。

綜合兩種情況，取所需相位時間最大值，則該路口有軌電車通行相位時長為40 s。因此，半專用路權下人工駕駛有軌電車通過路口的各種情況見表1。

表1 半專用路權下人工駕駛有軌電車路口通行情況

由表1可見，在有軌電車通行相位時長一定的條件下，開行對數越高，所需路口信號周期越小，對路面其他交通方式的影響就越大。

2.2.2 車站通行能力

車站通行能力包括中間站通過能力和終點站折返能力。通常終點站折返能力較小，使車站通行能力受限。金融城線終點站魚珠站為側式站臺，該站站后所設交叉渡線使用6號道岔，列車側向過岔限速為15 km/h。魚珠站的列車折返如圖1所示。

圖1 有軌電車魚珠站折返示意圖

列車從正線進入上行站臺停車，走行距離為113 m，走行時間為23 s。列車從上行站臺起動至進入折返線2股道停車，走行時間為33 s。列車從折返線2股道起動至進入下行站臺停車，走行時間為28 s。列車從下行站臺起動至出清站臺區域，走行時間為20 s。停站時間為35 s；車輛換端作業用時40 s；進路排列時間為13 s；司機起動列車反應時間為5 s。有軌電車終點站折返能力計算如圖2所示。

車站折返能力受站后咽喉能力的制約。根據計算，連續折返2列列車的最小時間間隔為124 s，折返能力為29對/h。

根據相關統計，車輛的換端作業時間較長是影響有軌電車站后折返能力的主要因素。若采用站前折返模式，在列車停站上下客時同步進行車輛的換端作業，則車站的折返能力可進一步提高。

圖2 有軌電車終點站折返能力計算示意圖

2.2.3 系統運能

有軌電車車站通行能力較為充足，而路口通行能力由于受信號周期的制約，成為整個系統運能的瓶頸。根據預測客流，建議金融城線遠期高峰時段開行列車15對/h（典型路口的信號周期取120 s，其中有軌電車通行相位時長取40 s）。此時，系統單向斷面運能為0.8萬人次/h，能較好地滿足客流需求。

2.3 無軌電車系統運能

相對于大編組有軌電車而言，無軌電車定員較小，故在客流量較大區段可組織多條無軌電車線共線運營，以提高該區段的行車密度，進而提升運能。

2.3.1 路口通行能力

無軌電車路口通行能力同樣受路口尺寸、路口信號周期與無軌電車相位時長等因素的影響。由于無軌電車車身短，行車密度高，故路口常出現多車排隊現象，具備在1個信號周期內通過多列車的條件。無軌電車通過路口示意圖見圖3。

圖3 無軌電車通過路口示意圖

當2列同向行駛的電車制動時，電車在追蹤運行時所需要的安全間距可表示為［6］：

式中：

v——車輛過路口速度；

t延——行駛中后車的制動延后時間，取2 s；S常——列車常規制動時的行駛距離；

S緊——列車緊急制動時的行駛距離；

L停——2列電車制動停車后的距離。

n列列車通過路口所需相位時長tn可為：

式中：

tn——n列車通過路口所需相位時長；

t反——為司機起動列車的反應時間；

t加——列車加速的時間；

S加——列車加速運行距離；

L車——列車車長；

t清——道路車輛清空時間。

無軌電車路口通行能力可表示如下：

式中：

C——路口通過能力，列/h；

λ——無軌電車有效通行時間比；

φ——折減系數，參考道路設計規范，可取0.9。

以花城大道與華夏路平交路口為例，v=30 km/h，S路=60 m，計算可得：L安=26 m，t1=22 s，t2=28 s，t3=33 s，t4=38 s。

為與有軌電車比較，路口信號周期取120 s，tn取 40 s，n=4，λ =1/3，則計算可得 C=108 列/h。

2.3.2 車站通行能力

國內外對公交車站通行能力的研究已較成熟。美國《交通工程手冊》中公交車站停靠能力為：［7］

式中：

Cb——車站停靠能力，列/h；

D——停站時間，s；

tc——起停附加時間，s；

R——折減因子，通常取0.833。

當1個停靠站有多個停車泊位時，其停靠能力

式中：

Db——多泊位停靠站的停靠能力，列/h；

i——同一站點的泊位個數；

Ki——站點利用系數； 當i=1、2、3時，Ki分別等于 1.0、0.8、0.7。

為與有軌電車比較，D取35 s，λ取1/3，路段速度（車站開放空間限速）取20 km/h，則計算可得tc=3 s；站臺長80 m，可設置1～3個泊位，相應的站臺停靠能力分別為 68列/h、109列/h、143列/h。

當車站設置多個泊位時，通常設置停車道及錯車道，占用道路寬度較寬。應根據各路段具體情況，盡量減少對現狀道路、周邊建筑及用地的影響，可設置不同形式站臺（如上下行方向錯開型站臺）。

2.3.3 系統運能

無軌電車的車站通行能力受車站泊位數影響較大。故應盡量設置多個泊位，以增大車站停靠能力。此時，無軌電車運能主要受路口通行能力的制約。

根據預測客流，建議遠期在客流量較大區段開行3條線路，在高峰時段開行列車72對/h（典型路口的信號周期取150 s，其中無軌電車通行相位時長取40 s，則1個信號周期內單向可通過2～4列電車）。此時，系統單向斷面運能為0.8萬人次/h，能較好地滿足預測客流需求。

2.4 對比分析

有軌電車系統和無軌電車系統的運能均能滿足本線客流需求，二者情況比較如表2所示。路口通行能力是系統運能的瓶頸。采用“綠燈遲啟”、“紅燈早斷”等措施，雖能有效提高路口通行能力，卻會加大對其他交通方式的影響。兩系統規劃的高峰時段運行方案如圖4所示。

無軌電車由于開行密度較高，且過路口速度可高于有軌電車，因而在提供同樣運能服務水平的條件下所占用的路口通行相位時長比例要低于有軌電車系統。為保證車站通行能力充足，無軌電車站臺需設置多個泊位，并設置停車道及錯車道，其占用道路寬度較寬。

表2 金融城線有軌電車和無軌電車系統對比

圖4 行車交路與系統運能示意圖

3 結語

現代有軌電車近年來在國內的發展較為迅速，儲能式無軌電車也于近期在寧波投入運營，兩者都屬于節能環保的新型城市公共交通。本文以廣州都會區規劃的金融城線為例，對現代有軌電車系統和儲能式無軌電車系統的運營組織和運輸能力進行了分析對比，為類似工程的系統選型提供參考。

［1］張華，付一娜，任俊利，等.現代有軌電車交叉口交通組織研究［J］.城市軌道交通研究，2014（11）：119-125．

［2］宋嘉雯．有軌電車運營模式與運輸能力研究［J］.都市快軌交通，2014，27（2）：108-112．

［3］高桂桂.現代有軌電車信號系統設計研究［J］.城市軌道交通研究，2015（1）：67-71.

［4］廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州市新型電車金融城線（五羊邨～魚珠）項目建議書［R］.廣州：廣州地鐵設計研究院，2015.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市道路工程設計規范：CJJ 37—2012［S］．北京：中國建筑工業出版社，2012：3-4．

［6］張衛華.城市快速公交（BRT）專用道客運能力探討［J］．武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2008，32（1）：118-121．

［7］李娜，陳學武.公交車中途停靠站停靠能力及設計站長計算初探［J］.土木工程學報，2003，36（7）：72-77.

［8］廣州地鐵設計研究院有限公司.海珠區環島現代有軌電車試驗段工程初步設計［R］.廣州：廣州地鐵設計研究院，2013.

Capacity Analysis of Financial Center Tramway and Trolleybus in Guangzhou City

CAIHanzhe

U492.4+13：U482

10.16037/j.1007-869x.2017.09.016

2015-11-20）