國(guó)內(nèi)各城市的軌道交通線網(wǎng)電耗統(tǒng)計(jì)分析*
——基于中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)分析的研究報(bào)告之三

高陽(yáng) 顧保南

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海//第一作者， 碩士研究生)

截止2018年12月31日，我國(guó)已有36座城市(內(nèi)地32座、港臺(tái)地區(qū)4座)開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路，18座城市開通現(xiàn)代有軌電車線路[1]。其中，北京、上海、廣州等多地的城市軌道交通線路已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)10年以上，線路運(yùn)營(yíng)的水平和效率逐漸成為了城市公共交通發(fā)展的管理重點(diǎn)。在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)費(fèi)用構(gòu)成項(xiàng)目中，占比最高的是員工工資，其次便是電耗費(fèi)用。根據(jù)北京、南京等地的地鐵線路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，電耗費(fèi)用一般占運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的20%以上[2-3]。因此，在保證客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，降低線路電耗成為了各運(yùn)營(yíng)公司減少成本支出的主要方向。

用于衡量城市軌道交通線路電耗的指標(biāo)類型較多，如描述列車運(yùn)營(yíng)公里與線路電耗關(guān)系的單位車公里總電耗指標(biāo)和單位車公里牽引電耗指標(biāo)，描述客運(yùn)周轉(zhuǎn)量與線路電耗關(guān)系的單位人公里總電耗指標(biāo)和單位人公里牽引電耗指標(biāo)，以及牽引電耗在總電耗中占比指標(biāo)，等等。對(duì)城市軌道交通電耗的研究多集中在車站運(yùn)營(yíng)電耗和列車運(yùn)行電耗的預(yù)測(cè)模型修正方面，通過(guò)量化分析電耗影響因素調(diào)整模型變量，例如：文獻(xiàn)[4]通過(guò)“列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)”模擬分析了曲線、坡道以及列車質(zhì)量等因素對(duì)城市軌道交通線路電耗的影響；文獻(xiàn)[5]使用同樣的方法進(jìn)一步分析了車輛制式、列車滿載率、列車編組方案等因素對(duì)城市軌道交通線路電耗的影響；文獻(xiàn)[6]的研究認(rèn)為，線路敷設(shè)方式對(duì)地鐵線路的牽引電耗有顯著影響，并根據(jù)北京地鐵的電耗數(shù)據(jù)標(biāo)定建立了地下線和地上線的牽引電耗估算模型;文獻(xiàn)[7]統(tǒng)計(jì)了2006年北、上、廣等7座城市的部分軌道交通線路的電耗水平，并結(jié)合各線路具體運(yùn)營(yíng)情況分析了敷設(shè)方式、滿載率、客流量等因素與電耗的影響關(guān)系，但該研究時(shí)間較早，可能與當(dāng)前城市軌道交通電耗狀況存在差異。中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱“協(xié)會(huì)”)的年度報(bào)告[8-10]中以城市為單位簡(jiǎn)要統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)全國(guó)城市軌道交通的電耗指標(biāo)平均值，沒(méi)有討論各城市的電耗指標(biāo)差異。

本文基于協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的各城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位上報(bào)的數(shù)據(jù)，分制式、分城市、分車型線路分析國(guó)內(nèi)城市軌道交通的電耗指標(biāo)，總結(jié)我國(guó)城市軌道交通的電耗指標(biāo)的影響因素，可為城市軌道交通節(jié)能減支措施的制定提供參考依據(jù)。

1 2015—2017年城市軌道交通線網(wǎng)不同制式的電耗統(tǒng)計(jì)分析

本文以2015—2017年國(guó)內(nèi)27座城市運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通線路(不含當(dāng)年6月30日之后開通的線路)為研究對(duì)象，參照協(xié)會(huì)年度報(bào)告[10]和相關(guān)分析文獻(xiàn)[11]中線路的制式統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將城市軌道交通線路分為地鐵、輕軌、單軌、中低速磁浮、市域鐵路、APM(自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng))、有軌電車等制式。利用協(xié)會(huì)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算各類制式線路的單位車公里總電耗、單位人公里總電耗、單位車公里牽引電耗、單位人公里牽引電耗以及牽引電耗占比指標(biāo)，如表1所示。部分線路由于數(shù)據(jù)缺失未納入統(tǒng)計(jì)分析范圍。

結(jié)合表1及相關(guān)的電耗數(shù)據(jù)資料，歸納得到如下結(jié)論：

1) 不同制式線路的單位車公里總電耗差異明顯。APM最高，為12.082～13.460 kW·h；其次是中低速磁浮，為4.559 kW·h；再次是地鐵，為3.685～3.813 kW·h；然后依次是單軌、輕軌、市域鐵路、有軌電車。中低速磁浮的數(shù)據(jù)樣本較少(長(zhǎng)沙磁浮快線2016年5月開通試運(yùn)營(yíng)，日均客流量尚不足1萬(wàn)人次)，目前的結(jié)果還不具有可比性。單軌的單位車公里總電耗為3.004～3.189 kW·h，略低于地鐵，說(shuō)明單軌系統(tǒng)總電耗并不比地鐵高，這與單軌系統(tǒng)主要采用高架敷設(shè)方式、設(shè)備配置較地鐵少有關(guān)。

表1 2015—2017年城市軌道交通各制式電耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2) APM的單位車公里牽引電耗明顯高于其他制式線路，為2.931～2.959 kW·h；中低速磁浮的單位車公里牽引電耗為2.153 kW·h，明顯高于地鐵。地鐵、輕軌、單軌、市域鐵路的單位車公里牽引電耗略有差異，但相差幅度較小，為1.679～2.024 kW·h，可能受車體質(zhì)量、滿載率、線路敷設(shè)方式及平縱斷面等因素影響。有軌電車的單位車公里牽引電耗數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，可能是數(shù)據(jù)樣本基數(shù)較小、每年變化幅度大等因素所致，還需進(jìn)一步考察。

3) 地鐵、輕軌、單軌的單位人公里總電耗、單位人公里牽引電耗的差異不明顯。2015—2017年，地鐵、輕軌、單軌的單位人公里總電耗為0.056～0.088 kW·h，單位人公里牽引電耗為0.034～0.042 kW·h。

4) 不同制式的牽引電耗占比(牽引電耗占總電耗的比例)也有明顯差異。有軌電車最高，為72.73%～72.82%；其次為市域快軌，為59.85%～63.74%；APM最低，為21.77%～24.50%。地鐵、輕軌、單軌的牽引電耗占比差異不明顯，可能受線路的敷設(shè)方式、設(shè)備配置、滿載率等因素影響，其更細(xì)的變化特征還需進(jìn)一步深入分析。

2 2017年不同城市的地鐵線路電耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

在我國(guó)開通運(yùn)營(yíng)的各類城市軌道交通制式中，地鐵的應(yīng)用最為廣泛，有27座內(nèi)地城市開通了地鐵。本文將主要以地鐵A、B型車線路為對(duì)象進(jìn)行電耗指標(biāo)的分析。以城市為主要單位統(tǒng)計(jì)的2017年地鐵A、B型車線路電耗狀況如表2所示，各類電耗指標(biāo)的比較情況如圖1～3所示。

結(jié)合表2、圖1～3及相關(guān)的電耗數(shù)據(jù)資料可知，不同城市地鐵線路的各項(xiàng)電耗指標(biāo)均存在較大的差異，進(jìn)一步歸納得到如下結(jié)論：

1) 各城市地鐵線路的單位車公里總電耗變化范圍為2.771～7.101 kW·h，單位車公里總電耗最高值與最低值之比為2.56，變化幅度很大。石家莊、南寧、福州等城市的地鐵線路僅開通運(yùn)營(yíng)1～2年，單位車公里總電耗較高；北京、上海、廣州、南京等城市線路的開通運(yùn)營(yíng)時(shí)間均超過(guò)5年，單位車公里總電耗均較低。隨著線路客運(yùn)量、列車周轉(zhuǎn)量的增加，單位車公里分?jǐn)偟膭?dòng)力照明用電低，因而降低了單位車公里總電耗指標(biāo)值。運(yùn)營(yíng)時(shí)間較短的線路，其單位車公里總電耗指標(biāo)普遍較高；運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)的線路，其單位車公里總電耗指標(biāo)普遍越低。此外，從上述圖表還可看出，車型不是影響總電耗指標(biāo)的最重要因素，例如，上海A型車線路的總電耗指標(biāo)值小于深圳、無(wú)錫、蘇州等城市的B型車線路。不同城市的單位車公里總電耗指標(biāo)差異巨大的原因還有待深入研究。

表2 2017年各城市地鐵分車型的電耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖1 2017年各城市地鐵A、B型車線路單位車公里總電耗與牽引電耗指標(biāo)比較圖

圖2 2017年各城市地鐵A、B型車線路單位人公里總電耗與牽引電耗指標(biāo)比較圖

圖3 2017年各城市地鐵A、B型車線路牽引電耗占比指標(biāo)比較圖

2) 各城市地鐵線路的單位人公里總電耗變化范圍為0.048～0.264 kW·h，最高值與最低值之比高達(dá)5.50，比單位車公里總電耗變化幅度更大。其變化特征與上述單位車公里總電耗類似，這里不再贅述。

3) 各城市地鐵線路的單位車公里牽引電耗變化范圍為1.116～2.509 kW·h，最高值與最低值之比為2.25。該指標(biāo)值較高的是廣州、深圳、石家莊、上海的A型車線路，較低的是哈爾濱、寧波、無(wú)錫、蘇州的B型車線路。A型車比B型車自重大，容納的客流更多，因而A型車的單位車公里牽引電耗比B型車的大。

4) 各城市地鐵線路的單位人公里牽引電耗變化范圍在0.028～0.115 kW·h，最高值與最低值之比為4.11。該指標(biāo)值較高的是南京、東莞、福州、無(wú)錫等城市的B型車線路，較低的是廣州、上海、北京、沈陽(yáng)的B型車線路及廣州的A型車線路。負(fù)荷強(qiáng)度對(duì)單位人公里牽引電耗指標(biāo)有顯著影響，負(fù)荷強(qiáng)度增加，單位人公里牽引電耗指標(biāo)就會(huì)降低。表3列出了這些線路的日均負(fù)荷強(qiáng)度，由表3可見，單位人公里牽引電耗較高的4個(gè)城市線路的負(fù)荷強(qiáng)度均低于0.6萬(wàn)人次/km，單位人公里牽引電耗較低的5個(gè)城市線路的負(fù)荷強(qiáng)度均高于1.5萬(wàn)人次/km。

5) 各城市地鐵線路的牽引電耗占比變化范圍為30.00%～69.26%，最高值與最低值之比為2.31。其影響因素還有待深入研究。

3 地鐵電耗的主要影響因素分析

以制式或城市為組別計(jì)算的電耗指標(biāo)值在描述時(shí)模糊了線路之間的差異，由于線路的主要敷設(shè)方式、客運(yùn)規(guī)模以及列車滿載率等對(duì)電耗水平均有不同程度的影響。受限于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文僅對(duì)地鐵A、B型車線路電耗的主要影響因素進(jìn)行分析。

表3 2017年單位人公里牽引電耗較高與較低的線路的日均負(fù)荷強(qiáng)度指標(biāo)

3.1 線路主要敷設(shè)方式

地鐵線路在高架段和地面段運(yùn)行時(shí)一般處于開放式環(huán)境，不會(huì)產(chǎn)生地下段的通風(fēng)、照明等電能消耗項(xiàng)目，地鐵的電能主要使用在車輛牽引和動(dòng)力照明設(shè)備兩大方面，牽引電耗占比指標(biāo)能夠反映出線路運(yùn)營(yíng)中電耗的總體情況[9]，因此地鐵線路的地下段比例越大，牽引電耗占比一般越高。圖4分別比較了北京地鐵B型車線路之間、上海地鐵A型車線路之間的地下段比例和牽引電耗占比指標(biāo)的變化情況，基本反映了線路主要敷設(shè)方式對(duì)牽引電耗占比的影響關(guān)系。

3.2 客運(yùn)周轉(zhuǎn)量

客運(yùn)周轉(zhuǎn)量是綜合體現(xiàn)線路旅客運(yùn)輸規(guī)模和運(yùn)輸距離的指標(biāo)。在線路長(zhǎng)度和列車的運(yùn)營(yíng)公里不變的情況下，客運(yùn)周轉(zhuǎn)量越高代表列車滿載率越高且線路的負(fù)荷強(qiáng)度越大，地鐵列車需要更多地為牽引電機(jī)等供電，牽引電耗占總電耗的比例一般會(huì)隨之上升。以2014年開通試運(yùn)營(yíng)的3條地鐵線路為例，2015—2017年間的年這3條地鐵線路的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和牽引電耗占比變化情況如表4所示。

這3條線路在2015—2017年的列車運(yùn)營(yíng)公里數(shù)未發(fā)生明顯增長(zhǎng)。由于2014年開始試運(yùn)營(yíng)，因此表4中線路在首個(gè)統(tǒng)計(jì)年度2015年的牽引電耗占比值較低，但隨著時(shí)間的推移，客運(yùn)周轉(zhuǎn)量逐漸增大，牽引電耗占比指標(biāo)值也基本呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。

a) 北京地鐵B型車線路

線路試運(yùn)營(yíng)時(shí)間年客運(yùn)周轉(zhuǎn)量/(萬(wàn)人·km)牽引電耗占比/%2015年2016年2017年2015年2016年2017年無(wú)錫地鐵1號(hào)線2014-07-0130 598.8735 673.7640 120.3731.2733.3340.46南京地鐵10號(hào)線2014-07-0131108.7532878.2136359.3648.1250.7949.86無(wú)錫地鐵2號(hào)線2014-12-2819849.5223243.2827102.9236.5537.9244.09

3.3 線路負(fù)荷強(qiáng)度

線路負(fù)荷強(qiáng)度指標(biāo)是線路客運(yùn)周轉(zhuǎn)量與線路長(zhǎng)度的比值，反映單位長(zhǎng)度地鐵線路上平均承擔(dān)的旅客周轉(zhuǎn)量。以北京和深圳的地鐵A型車線路為例，分析其線路負(fù)荷強(qiáng)度和單位人公里牽引電耗的關(guān)系，如圖5所示。圖5基本反映了線路負(fù)荷強(qiáng)度越大單位人公里牽引電耗越低的趨勢(shì)。這說(shuō)明盡管線路負(fù)荷強(qiáng)度越高，列車的牽引電耗會(huì)隨之增大，但規(guī)模效應(yīng)使得單位人公里的牽引電耗值反而下降。

a) 北京地鐵A型車線路

3.4 線路平均滿載率

通過(guò)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的線路客運(yùn)總量、實(shí)際列車開行次數(shù)、列車編組及制式等運(yùn)營(yíng)指標(biāo)匡算得到線路的平均滿載率，這個(gè)指標(biāo)可以從地鐵列車的角度反映客流強(qiáng)度。以北京和深圳的地鐵A型車線路為例，分析其平均滿載率和單位人公里牽引電耗指標(biāo)關(guān)聯(lián)情況，如圖6所示。由圖6可見，總體上，隨著線路平均滿載率的提高，線路的單位人公里牽引電耗呈降低趨勢(shì)。

a) 北京地鐵A型車線路

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2015—2017年協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1) 不同城市軌道交通制式的電耗指標(biāo)差異顯著。單位車公里總電耗指標(biāo)中，APM的表現(xiàn)高于其他制式，為12.082～13.460 kW·h，其后依次是中低速磁浮、地鐵、單軌、輕軌、市域鐵路、有軌電車；單位車公里牽引電耗指標(biāo)中，APM同樣明顯高于其他制式，為2.931～2.959 kW·h，中低速磁浮次之，地鐵、輕軌、單軌、市域鐵路的該項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)較為接近，為1.679～2.024 kW·h；地鐵、輕軌、單軌的單位人公里總電耗、單位人公里牽引電耗的差異均不明顯，前者為0.056～0.088 kW·h，后者為0.034～0.042 kW·h；牽引電耗占比指標(biāo)中，有軌電車最高，為72.73%～72.82%，市域鐵路次之，APM最低。

2) 不同城市地鐵A、B型車線路的電耗指標(biāo)同樣存在較大差異。各城市地鐵線路的單位車公里總電耗變化范圍為2.771～7.101 kW·h，單位人公里總電耗變化范圍為0.048～0.264 kW·h，單位車公里牽引電耗變化范圍為1.116～2.509 kW·h，單位人公里牽引電耗變化范圍為0.028～0.115 kW·h，牽引電耗占比變化范圍為30.00%～69.26%。其中，單位車公里總電耗與單位人公里總電耗指標(biāo)受線路開通時(shí)長(zhǎng)的影響較大；單位車公里牽引電耗指標(biāo)受車型影響，A型車線路普遍高于B型車線路；單位人公里牽引電耗指標(biāo)與線路的日均負(fù)荷強(qiáng)度大體呈反比關(guān)系。

3) 敷設(shè)方式、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量、負(fù)荷強(qiáng)度、滿載率對(duì)地鐵電耗指標(biāo)值的影響顯著。線路的地下段比例越高、線路客運(yùn)周轉(zhuǎn)量越大，牽引電耗占比指標(biāo)一般越高；線路負(fù)荷強(qiáng)度越大、線路平均滿載率越高，單位人公里牽引電耗越低。