廣州地鐵網絡化運營運能提升綜合研究與實踐

彭 磊

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣州 510010)

廣州地鐵網絡化運營運能提升綜合研究與實踐

彭 磊

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣州 510010)

從廣州地鐵線網運營現狀出發，分析既有運輸組織存在的停站時間長、區間運行速度偏低、旅行速度低、折返能力不足等制約運輸能力提升的瓶頸與問題。針對現狀運營存在的問題，在壓縮停站時間方面提出設備響應速度優化、壓縮司機安全確認時間、站臺客流組織優化等措施；在壓縮區間運行時間方面提出提高區間運行速度、降低曲線限速、減少運行圖冗余等措施；在提高折返能力方面提出壓縮折返車站停站時間、提高道岔側向通過速度及合理選用折返線配線形式等措施。從理論上分析驗證綜合運能提升措施的實施效果，經分析得出：客流壓力較大的3、5號線車站追蹤能力、區間追蹤能力及折返能力，采用相應措施優化后可滿足正線最小行車密度2 min的要求。

軌道交通； 運輸能力； 旅行速度； 折返能力； 運能提升； 廣州地鐵

1 研究背景

隨著2016年底 6號線二期及7號線一期的開通運營，廣州地鐵已運營10條線路，總長度308 km，進入網絡化運營時代。自第一條線路開通以來，廣州地鐵線網客流逐步增長，2007年前客運量與線路長度同步增長，客運強度基本為1萬人次/km，2007年后線網客運量呈跳躍式增長，目前新線開通后工作日的日均客流量為729萬人次/d(見圖1)。

線網各線中1、2、3、5號線日均客運量均已超過100萬人次/d(見圖2)，客流壓力巨大。根據調研，3號線及5號線現狀高峰時段運營間隔分別為128 s和136 s(含單向加車)[1]，客流壓力尤為突出，區間最大站立密度分別已達到8.1人/m2和6.8人/m2，遠超過地鐵設計規范中[2]5～6人/m2的要求，運輸能力亟待提高(見圖3)。

在設備資源有限的條件下，運能與運量需求間的矛盾比較突出。筆者從廣州地鐵線網運營現狀出發，分析既有運輸組織存在的瓶頸與問題，從停站及區間運行時間、旅行速度、折返能力等方面提出了運能提升的綜合措施，并分析其實施效果。

圖3 現狀3、5號線區間站立密度及對應最大密度區間Fig.3 Current standing density of Line 3 and Line 5，and the corresponding photos

圖1 廣州地鐵線網客運量增長情況Fig.1 Guangzhou Metro passenger volume growth

圖2 現狀各線日均客運量情況Fig.2 Current passenger volume per day of each line

2 線網既有運營效率分析

2.1停站時間

根據對部分既有大客流線路停站時間的調研(見表1)，受車站乘客上下車秩序、設備響應及司機確認時間等因素影響，高峰期各線停站時間普遍偏長。部分車站停站時間過長，嚴重影響了目前正線運營效率[3-4]。

表1 現狀線網主要線路最大停站時間車站統計

現狀珠江新城、體育西路、公園前等車站停站時間接近1min，其他大部分大客流車站如客村、火車站、楊箕等站的停站時間均在40s以上。

受限于線路部分車站停站時間過大，導致正線追蹤能力降低，無法加大列車開行對數，是導致運營效率較低、運輸能力不足的原因之一，正線追蹤能力[5-6]，計算為

(1)

2.2區間運行時間

區間運行時間的主要影響因素包括區間最高速度、曲線通過速度、運行圖冗余等。盡量縮短區間運行時間，有利于提高運輸效率，在現有資源的情況下最大限度地發揮線路運輸能力。

2.2.1區間最高運行速度

線網各線中3號線設計最高速度為120km/h，1、2、8號線及廣佛線設計最高速度為80km/h，4、5、6號線設計最高速度為90km/h。

目前，線網中的線路實際最高運行速度未達到系統最大速度，個別線路區間最高運行速度也只是瞬間達到，速度潛能沒有得到充分發揮。

2.2.2列車曲線通過速度

由于信號系統在設置線路通過曲線速度時考慮了列車瞬間超速的可能性[7]，線網各線路列車通過限速曲線時的實際速度低于曲線速度限制值。實際ATP(列車自動保護)命令速度vatp計算[7]如下：

(2)

vr=artr

vc=actc

式中：vatp為實際ATP命令速度；vmax為最大限制速度；vr為牽引切除時間內的速度增長；vc為施加制動時間內的速度增長；div為測速誤差系數；vtol為速度容差；ar為牽引切除前瞬時加速度；tr為牽引切除反應時間；ac為制動施加前瞬時加速度；tc為施加制動反應時間。

根據上述計算公式，vatp計算值取決于當前位置列車瞬時加速度，而列車瞬時加速度與列車實時牽引力及所處的線路坡度有關。

線網現狀曲線通過速度全部按照最不利情況(最大瞬時加速度)考慮，在限制速度vmax基礎上降低8～10km/h取值。實際大部分位于區間中部的曲線并非最不利情況，以地鐵7號線一期為例，最不利位置與最有利位置vatp計算值相差3～5km/h，全部按最不利位置取值降低了大部分曲線提高通過速度的可能性，列車通過曲線的性能未得到充分發揮。

2.2.3運行圖系統的冗余

在編制線路行車計劃時，系統會提供3～5條區間運行曲線供用戶選擇，如圖4中v1～v5曲線所示，各條曲線旅行時間按照3%左右幅度遞增。考慮到為列車趕點預留空間，編制運行圖時一般會采用v2或v3曲線。其中v1與vatp曲線的運行時間之間的差值為運行圖系統冗余[8]。

圖4 現狀典型區間牽引曲線Fig.4 Current traction curve of typical interval

經調研，現狀大部分線路運行圖系統冗余在5%～8%。vatp是實際運行列車可持續達到的巡航速度值，運行圖系統中的V1值應與vatp值保持一致，可不考慮另外設置冗余，因此V1～V5曲線均有速度提升的空間。

2.3旅行速度

線路旅行速度決定了線路的運輸效率，旅行速度越高的線路在相同的配車條件下所能提供的運輸能力越大。決定旅行速度的指標主要是停站時間和區間運行時間。

根據2.1及2.2節的分析，目前線網各線停站時間及區間運行時間均存在一定壓縮的空間，因此現狀各線的旅行速度仍可進一步提高。

2.4折返能力

目前線網大部分為站后折返站，站后折返能力主要受停站時間、折返線運行時間控制。

2.4.1停站時間

受司機交接、下車鎖門等作業及設備響應時間較長的影響，現狀折返站停站時間均較長，基本在60s左右，見表2。

表2 現狀部分折返站停站時間

2.4.2折返線運行時間

折返線運行時間主要受道岔側向過岔速度的影響，現狀9號線道岔實際側向過岔速度在25～30km/h之間，通過速度偏低也是折返能力受制約的主要因素。

3 運能提升措施研究

3.1壓縮停站時間的措施

壓縮停站時間是高密度行車的工作重點。停站時間普遍偏長導致列車區間追蹤能力降低，直接降低了運輸能力(見表3)。下面將停站時間進行分解，并針對各環節提出優化建議。

表3 停站時間構成

3.1.1硬件優化措施

1) 設備響應速度優化。既有設備響應主要包括開關門按鈕響應和列車啟動按鈕響應。目前從司機按壓開門按鈕到車門響應一般需要3～4s，列車啟動響應一般需2～3s。在新線招標時應對該指標進行控制，設備響應時間壓縮后可節約停站時間2～3s，同時既有設備也可考慮進行設備系統改造升級。

2) 壓縮司機安全確認時間。現狀司機確認時間普遍較長，對停站時間影響很大。既有線路站臺門系統增加監測裝置，信號系統收到站臺門關好信號后即啟動列車(類似無人駕駛系統)，可壓縮司機確認時間為4～5s。

3) 開關門速度優化。現狀各線開門時間基本在3～4s，提高開關門速度后，停站時間可節約1～2s。

3.1.2客流組織優化措施

根據調研，上下車客流(特別是上車客流)在站臺上的分布具有很大的不均勻性，客流堆積較嚴重車門的上下車時間是影響停站時間的關鍵(見圖5)。因此，應加強高峰小時站臺上下車客流的客流組織，盡量引導乘客在站臺上均衡候車。

圖5 3號線體育西路站臺各車門乘客不均衡分布Fig.5 The uneven distribution of the passengers on Tiyuxilu Station of Line 3

3.2壓縮區間運行時間的措施

3.2.1列車最高運行速度

實際運行的列車最高速度vatp不能達到系統最高速度的原因，主要是信號系統在最高限速的基礎上預留了超速余量。因此在新線設計時需合理控制vmax取值，使計算vatp能夠達到最高速度持續運行。如1號線為最高速度為80km/h的線路，建議系統vmax取值按照90km/h設置，能夠保證vatp達到80km/h。根據新線設計經驗，vmax按照90km/h取值時車輛、限界、供電、土建等各專業設計均能夠滿足要求。

3.2.2列車通過曲線限速

考慮到曲線在區間中的位置不同，在計算曲線通過速度時，應考慮不同地段不同車速情況下對應的瞬時列車加速度值[9]，按照實際瞬時加速度值計算曲線通過速度，最大限度發揮列車性能，提高曲線通過速度。以下給出列車瞬時加速度ar與當前位置縱斷面坡度的關系。廣州地鐵3號線不同速度下對應的牽引力加速度a0見表4。

ar=a0-i

(3)

ac=-i

式中：a0為牽引力加速度；i為縱斷面坡度(上坡為正值)。

表4 廣州地鐵3號線不同速度下對應的牽引力加速度a0

3.2.3運行圖系統冗余

降低運行圖系統中區間運行時間冗余度，在系統設計階段力爭按設計區間的運行時間設定區間的運行標尺參數，最大限度地發揮系統能力(見圖6)。

圖6 考慮降低系統冗余后的典型區間牽引曲線Fig.6 New traction curve of typical interval after reducing system redundancy

3.3提高折返能力的措施

3.3.1壓縮站后折返車站停站時間

折返站停站相對于中間車站主要區別在于司機需在該站增加交接班、下車鎖門、DTRO折返操作等相關作業，另外本站停站需對列車進行清客，現狀典型折返站停站時間組成見圖7。針對折返站停站的特點，提出折返站停站時間優化措施。

圖7 典型折返車站停站時間組成Fig.7 Composition of dwell time for typical turn-back station

1) 加快清客速度，加強引導，培養乘客到達終點站后自覺快速下車的習慣，清客時間控制在20s以內。

2) 優化司機終點站作業程序，減少司機折返操作時間。如在站臺清客完畢前完成交接班、空隙確認與司機下車同步進行等。

3) 提高按DTRO按鈕后系統設備響應速度，使操作DTRO至列車啟動時間控制在3s內，下客站臺可節省停站時間2s。

4) 參照中間站停站時間優化，對開關門響應時間及速度進行優化。

3.3.2提高道岔側向通過速度

參照上海申通標準[11]，現狀9號道岔側向通過速度提高至不低于32km/h，經仿真計算，折返時間可減少5～6s。

3.3.3提高折返效率

1) 設置站前站后雙折返模式。對永久終點站設置站后主模式的折返線，同時設置站前的備用折返模式[12]。優先采用站后主模式折返，站后故障時采用站前備用模式折返，有助于提高折返效率，加強折返車站應對故障的能力(見圖8)。

圖8 折返站站前站后雙折返模式Fig.8 Double mode of turn-back(turn-back before or after entering the station)

2) 根據實際情況合理選擇折返線道岔號數，提高側向過岔速度。提高道岔號數能夠增加列車在側向通過時的速度，同時增加了道岔的長度，因此對短編組列車折返能力效果不明顯。對于6A、8A等長編組列車來講，提高折返線側向過岔的速度能夠減少折返作業時間，明顯提升折返能力。6A及8A編組列車在不同折返形式下道岔選擇對折返能力的影響對比見圖9～10，表5、6。

圖9 6A編組折返站站前折返形式Fig.9 The mode of turn-back before entering the station (6A)

圖10 8A編組折返站站后折返形式Fig.10 The mode of turn-back after entering the station (8A)

道岔號直進側出側進直出交替折返9#22.321.623.812#23.122.827.5

注：停站時間按照45s考慮，折返能力考慮預留10%富余。

表6 8A編組不同道岔折返能力對比

4 結語

廣州地鐵目前已進入運營10條線路，運營總長度308 km的網絡化運營時代。現狀多條骨干線路客流壓力巨大，運輸能力亟待提高。通過對現狀的調研，結合理論分析，筆者從現狀和規劃設計階段兩個層面提出的優化措施在壓縮停站時間、提高區間運行速度、增加折返能力方面均有明顯的效果，客流壓力較大的3、5號線采取相應措施，車站追蹤能力、區間追蹤能力及折返能力得到相應提升后，可滿足最小行車密度2 min的要求，旨在為廣州地鐵網絡化運營下提升運能提供建議，同時為其他城市軌道交通運能提升提供參考。

[1] 廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州地鐵列車、車站服務水平調研及服務等級分類研究報告[R].廣州，2016.

[2] 地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

Code for design of metro：GB 50157—2013[S].Beijing.China Architecture & Building Press， 2014.

[3] 何霖，方思源，梁強升.城市軌道交通網絡化運營的挑戰與對策[J].都市快軌交通，2015，28(2)：1-5.

HE Lin， FANG Siyuan， LIANG Qiangsheng.Urban rail transit network operation： challenges and countermeasures [J].Urban rapid rail transit.2015， 28(2)： 1-5.

[4] 鄭鋰，肖赟，何必勝，等.城市軌道交通網絡化運營模式及特點分析[J].鐵道運輸與經濟，2015，37(4)：69-73.

ZHENG Li， XIAO Yun， HE Bi-sheng， et al.Analysis on network operation mode of urban rail transit and its characteristics[J].Railway transport and economy， 2015， 37(4)： 69-73.

[5] 耿幸福.城市軌道交通行車組織[M].北京：人民交通出版社，2012.

GENG Xingfu.Traffic organization of urban rail transit[M].Beijing: China Communications Press， 2012.

[6] 曾小旭,劉慶磊. 地鐵網絡化運營集中式控制中心架構方案研究[J].城市軌道交通研究，2016(4)：25-28.

ZENG Xiaoxu， LIU Qinglei. Structure design of concentrated operation control centerin metro networking operation[J].Urban mass transit， 2016(4)： 25-28.

[7] 馬國忠.軌道交通運載工具與列 車 牽 引 計 算[M].成都： 西南交通大學出版社，2011.

MA Guozhong.Rail transit vehicle and train traction calculation[M].Chengdu： Southwest Jiaotong University Press， 2011.

[8] 上海自儀泰雷茲交通自動化系統有限公司.廣州地鐵14號線速度分析報告[R].上海，2015.

[9] 王媛媛.城市軌道交通列車運行圖編制理論與方法[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

WANG Yuanyuan.Theory and method of train working diagram designing of urban rail transit[M].Chengdu： Southwest Jiaotong University Press， 2015.

[10] 易思蓉.鐵道工程[M].2版.北京：中國鐵道出版社，2011.

YI Sirong.Railway engineering[M].2nd edition.Beijing：China Railway Publishing House，2011.

[11] 軌道交通列車運行速度限制與匹配技術規定：STB-CL-010002-2015[S].上海，2015.

Code for the running speed of rail traffic restrictions and matching technical regulations： STB-CL-010002-2015[S].Shanghai， 2015.

[12] 廣州市軌道交通新線工程設計技術標準：Q/GZMTR-SJ-001-2012[S].廣州，2012.

Code for the design technical standard of Guangzhou rail transit lines： Q/GZMTR-SJ-001-2012[S].Guangzhou， 2012.

Capacity Expanding of Guangzhou Metro under Networking Conditions

PENG Lei

(Guangzhou Metro Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010)

Constraints on the expansion of transport capacity, including long dwell time, low interval running speed, low travelling speed, low turn-back capacity and so on, as well as the countermeasures are analyzed by using networking operation of Guangzhou Metro as an example. To compress dwell time, the methods for improving the response speed of the device, compressing the driver's safety confirmation time, and optimizing organization of platform passenger flows are proposed; to compress the interval running time, the methods for increasing interval running speed, reducing speed limit at curves, reducing running chart redundancy are offered; to increase the turn-back capacity, the methods for reducing dwell time for turn-back station, increasing turnout speed and reasonable selection of turn-back wiring form are put forward. By taking these measures, station tracking, interval tracking, and turn-back capacity of Line 3 and Line 5 with larger passenger volumes can meet the minimum departure interval of 2 minutes.

rail transit; capacity; travelling speed; turn-back capacity; capacity expanding; Guangzhou Metro

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.024

2017-02-15

2017-03-14

彭磊，男，本科，工程師，從事城市軌道交通前期規劃及運輸組織設計工作，penglei@dtsjy.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0128-06

(編輯：郝京紅)