城市軌道交通旅行速度影響因素分析及提升實踐

張知青

快軌論壇

城市軌道交通旅行速度影響因素分析及提升實踐

張知青

（上海申通地鐵集團有限公司技術中心，上海 201103）

從不同地鐵運營線路之間的旅行速度存在差異入手，分析影響旅行速度的主要因素及程度，包括平均站間距及最高運行速度、區間限速、列車運行等級、開關門效率、乘客乘降時間等，其中擬合了最高運行速度為80 km/h的運營線路旅行速度與平均站間距之間的函數關系，為評價各線旅行速度的實際表現提供工具。最后結合運營線路旅行速度提升需求，從區間限速、列車運行等級、開關門效率、乘客乘降時間4個方面提出了對策思路，并給出了上海地鐵的應用案例。

軌道交通；旅行速度；停站時間；平均站間距；列車運行等級

根據中國城市軌道交通協會發布的《2018年度統計分析報告》[1]，截至2018年底，中國共有35個城市開通城市軌道交通，運營線路共計185條，平均旅行速度35.3 km/h，其中地鐵平均旅行速度37.3 km/h。而上海地鐵只有5號線、9號線、11號線、16號線、17號線的旅行速度超過行業平均水平，其他地鐵線路均在35 km/h以下[2]。不同地鐵運營線路之間的旅行速度差異，一方面主要受平均站間距和最高運行速度等客觀因素的制約，另一方面還受區間限速[3]、列車運行等級、開關門作業效率、乘客乘降效率等不同條件的影響。

本文主要圍繞旅行速度的以上影響因素進行分析，并提出運營線路旅行速度提升的對策思路，為運營企業提高運營效率提供參考。

1 旅行速度影響因素分析

1.1 平均站間距及最高運行速度

平均站間距及最高運行速度共同對旅行速度產生影響，且與旅行速度呈正相關。平均站間距及最高運行速度越高，旅行速度相對較高。但當站間距一定的情況下，最高運行速度增加到一定值以后，由于站間距較小，其速度效益無法完全發揮，此時，再增加最高速度值對旅行速度的提升效果將不再明顯?？梢?，最高運行速度的充分發揮需要一個合理的站間距與之相匹配[4]。

城市軌道交通工程項目建設標準[5]對最高運行速度及旅行速度的關系已有相關描述，如最高運行速度定為80 km/h時，站間距大部分在1.2～1.5 km時，可以滿足旅行速度35 km/h；最高運行速度定為100 km/h時，站間距大部分在2.5～3 km時，可以滿足旅行速度45～55 km/h。

據統計，最高運行速度均為80 km/h的86條運營線路中，旅行速度在35 km/h的線路有26條，僅占30%，其中19條線路的平均站間距在1.5 km以上。為精確分析平均站間距與旅行速度的關系，本文對旅行速度的計算公式進行了推導，并結合實際數據進行擬合，具體過程如下。

1.1.1 旅行速度的理論計算公式

列車在區間運行的過程可以簡化為出站起動勻加速、最高速度持續運行、勻減速制動停站3個環節。站間距的大小將決定列車在區間運行過程中是否能達到最高速度，以及最高速度持續運行的時間。此外停站時間也是旅行時間的組成部分，因此旅行速度可以用以下公式進行表示：

式中：旅指旅行速度，km/h；指平均站間距，km；為最高運行速度，km/h；加為起動勻加速度，km/h2；減為制動勻減速度，km/h2；為中間站平均停站時間，h。

1.1.2 實際運營數據擬合

將最高運行速度80 km/h代入公式(2)，并結合2018年最高運行速度均為80 km/h的86條運營線路平均站間距和旅行速度的實際數據，通過擬合計算(過程中去除8個偏差較大的噪點數據)，最終得到常量=1.85。圖1展示了平均站間距與旅行速度之間的關系以及擬合的曲線和公式。

圖1　平均站間距與實際旅行速度的散點圖

Figure 1 Scatter diagram of average station spacing and the actual traveling speed

從擬合后的公式來看，旅行速度與平均站間距呈正相關。旅行速度30 km/h相對應的平均站間距為1.11 km；旅行速度40 km/h相對應的平均站間距為1.85 km?？梢姡骄鹃g距提升66.6%，旅行速度理論上可提升33.3%(30 km/h提升至40 km/h)。此外，旅行速度35 km/h相對應的平均站間距為1.44 km，說明站間距在1.44 km以上的線路其旅行速度達到35 km/h的可能性非常大。

1.1.3 理論與實際對比分析

以上海地鐵最高運行速度均為80 km/h的線路為例，結合平均站間距和旅行速度的擬合函數，計算各線理論上可以達到的旅行速度。由表1的計算結果可知：大部分線路旅行速度在35 km/h以下，主要是這些線路的平均站間距均在1.44 km以下；7條線路旅行速度的實際值與計算值偏差在1 km/h以內，說明這些線路的旅行速度在可接受范圍之內；10號線表現較好，而2號線和5號線的實際旅行速度偏低。

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表1　上海地鐵2018年最高運行速度為80km/h的運營線路旅行速度對比

1.2 區間限速

區間限速是指列車在區間運行過程中受過岔、平縱曲線等客觀因素影響，為保證安全而不能以理論上的速度運行，此外還有滿足振動噪聲控制需求等臨時限速因素。按限速發生的位置不同，區間限速可以分為出站限速、中部限速、進站限速。不同位置的限速對旅行速度的影響程度不盡相同，列車在中部勻速運行時要求達到最高速度，其限速對旅行速度影響最大，而進站列車本身需要制動，因此影響最小。

本文以平均站間距為1.5 km的運營線路(全長39 km、27座車站、停站時間30 s)為例，定量分析區間中部限速對旅行速度的影響程度。假設區間中部的限速區段長度為，限速值為限，列車長度為140 m，最高運行速度為80 km/h，平均加速度加取0.4 m/s2[6]，平均減速度減取0.6 m/s2。

列車限速前后的單個區間運行時間差計算公式為：

將相關參數代入上述公式，并統一單位，計算得到不同限速區段長度、不同限速值的單個區間運行時間差。表2列出了不同限速值下單個區間限速前后時間差的理論計算結果以及相應的旅行速度(假設所有區間都限速)。

表2 不同限速值下ΔT的理論計算結果

從表2數據可知，限速值大小和限速區段長度均對旅行速度產生影響，限速值越低、限速區段越長，旅行速度受到的影響越大。限速值在55 km/h及以上時，旅行速度基本能達到35 km/h，此時限速區間長度對旅行速度影響不大；限速值在35 km/h及以下時，旅行速度開始低于30 km/h，此時限速區間長度對旅行速度影響較大，每100 m區間的旅行速度相差1 km/h。在實際運營中，如果區間中部不可避免設置區間限速時，建議盡量將限速值控制在55 km/h以上。

1.3 列車運行等級

列車運行等級主要由信號ATS系統設定，不同的信號供應商設有不同的列車運行等級曲線[6]，一般情況下均支持5條速度曲線，從快到慢分別為加速曲線、正常速度曲線、中間速度曲線1、中間速度曲線2、節能速度曲線，相鄰等級之間的運行時間相差一般在3%～5%。同樣以平均站間距為1.5 km的運營線路(全長39 km、27座車站、停站時間30 s)為例進行定量分析，根據圖2所示的不同運行等級下的距離—速度曲線，可計算得到如表3所示的不同運行等級相對應的旅行速度?？梢?，與加速曲線相比，正常速度曲線下的旅行速度下降幅度不大，而節能速度曲線的旅行速度下降幅度近19%。

圖2 站間距為1.5 km下的不同列車運行等級曲線示意

Figure 2 Schematic of different running level curves for 1.5 km station spacing

表3 不同運行等級下的理論計算結果

加速曲線是旅行速度最高的速度曲線，一般用于晚點時的列車趕點，能耗最高；正常速度曲線是用得最多的列車速度曲線，既保證列車運行速度又加快了車輛的周轉；中間速度曲線1和中間速度曲線2介于正常速度曲線和節能速度曲線之間；節能速度曲線是旅行速度最低的速度曲線，在運行過程盡可能減少使用牽引及制動來達到節能的效果，一般在非高峰客流時段使用。

在實際運營過程中，運營商一般采用正常速度曲線來制定列車運行計劃，列車運行過程中如果有小幅偏離運行計劃時，ATS可自動調整下一個區間的運行等級，使列車盡量按計劃準點運行?？梢姡ㄟ^調整列車運行等級能夠使旅行速度得到一定的提升。

1.4 開關門效率

列車在車站的開關門效率將影響列車的停站時間，從而影響全程的旅行速度。列車停站的開關門效率，既受到設備自身性能因素的影響，如自動開關門、雙門聯動，也受到管理因素，如司機開關門作業效率的影響。

目前我國城市軌道交通車站一般都安裝站臺門，列車停站的開關門作業包括站臺門和列車門的操作，根據列車門自動開關的功能不同以及是否與站臺門聯動，可將雙門動作類型分為5種。分別統計完成列車開門動作和關門動作所需要的時間，表4列出了上海地鐵不同類型站臺門的開關門動作時間?？梢姡p門全自動開關且聯動，與雙門全手動開關相比，兩者相差10 s，相當于由于雙門的設備類型不同導致每座車站的停站時間相差10 s；對于原停站時間30 s、平均站間距為1.5 km的運營線路來說，如果采用全手動開關的列車門和站臺門，旅行速度將從36.7 km/h下降至34.5 km/h，下降幅度達6%。

表4 不同自動化類型的開關門動作時間

司機開關門作業效率，主要表現在列車門不具備自動關閉功能的車站，也就是需要司機手動按壓關門按鈕，在按壓前司機要確認雙門無夾人夾物，即使有雙門間隙的探測裝置仍需要人工目測一下以確保安全。司機操作設備及目測清障確認安全的時間，導致了停站時間的延長，從而影響了旅行速度，此外還受不同司機在開關門作業效率的差異性影響。

1.5 乘客乘降時間

乘客乘降時間主要受客流量、行車密度、載客量、車門尺寸及數量、乘客主觀行為等因素影響?？土髁吭酱?，乘客完成乘降所需的時間自然越多；然而列車滿載率越高，站臺越擁擠，相同數量的乘客完成乘降作業的難度越大，效率越低，很容易導致拽門，從而延長了停站時間，繼而影響旅行速度。同樣以1.2節的例子進行說明，如果每座車站受乘客影響導致停站時間增加5 s，那么全程的旅行速度下降約3%。

此外還有停站時間利用率較低的因素。目前停站時間一般是提前設定好的，無法根據實時客流情況實現及時調整。高峰時段內同一座車站一般只有一個停站時間，而乘客的不均衡到達導致了列車到站時的站臺人數差異，部分車站個別時段呈現人多擁擠現象，列車停留等候期間乘客已無法上車；而部分車站客流較小，列車停留等候期間乘客已上下車完畢，造成計劃停站時間中給予乘客乘降時間的利用率均較低。未來可根據客流特點，在高峰與平峰、上下行不同方向設置不同的停站時間，并進一步優化站點運營組織，緩解大客流壓力對乘降時間的影響，提升列車運行效率。

2 運營線路的旅行速度提升對策

與列車正點率、行車間隔、列車服務可靠度等面向乘客的服務指標不同，旅行速度屬于技術指標范疇，與生產管理相關。當運用車不足時或開行密度達到一定程度時(如20對/h以上)，該指標才逐漸被重視，運營商希望通過提升旅行速度來提高列車運轉效率、解決運用車暫時不足的問題。

通過分析可知，平均站間距及最高運行速度與旅行速度正相關，在影響因素中起到主要作用。但對于已運營的線路來說，站間距及最高運行速度在通車后已穩定，對旅行速度來說是一個常量，因此運營線路的旅行速度提升通常可以從控制區間限速、提高運行等級、提升開關門效率、優化乘客乘降時間4個方面改進，具體的對策思路如下。

2.1 控制區間限速

城市軌道交通列車通過小半徑曲線或側向通過道岔時，一般都要根據規定的限速值進行常態限速，此外還有為滿足沿線居民區振動噪聲控制需求而增加的臨時限速。對于常態限速，建議盡量貼著限速值通過限速區段，以提高運行效率；對于臨時限速，建議采用減振降噪措施降低噪聲，高峰時段可盡量提高限速值以提高旅行速度、加快列車周轉，如限速值盡量控制在55 km/h以上，平峰及夜間時段限速值可適當放低。

2.2 提升列車運行等級

針對目前列車運行等級普遍采用“正常速度曲線”的現象，為提升旅行速度，可考慮高峰與平峰采用不同運行等級編制計劃運行圖。高峰時段采用“加速曲線”，旅行速度可比“正常速度曲線”提升約4%，但不建議考核高峰時段的準點率；平峰開行密度相對較低，對運用車的需求數量低于高峰，可采用“正常速度曲線”或“節能曲線”的運行等級。

2.3 提高開關門效率

提高開關門效率，首先應提高設備自動化程度，即列車到站后應具備自動開關列車門的功能，站臺門具備與列車門聯動的功能。此外，還應安裝能夠探測列車門與站臺門間隙安全的設備，與列車速度碼相關聯，同時消除探測裝置的探測盲區，使司機具備不下車監護乘降作業的條件，以節省列車在車站的開關門時間以及關門后的安全確認時間。這些措施的實施應用，也是上海地鐵10號線實際旅行速度高出理論旅行速度1.2 km/h的重要原因之一。

2.4 優化乘客乘降時間

優化乘客乘降時間，主要是通過精細化統計各車站的乘客乘降時間，以優化不同時段、不同方向、不同車站的乘降時間標準，實現部分車站停站時間的適當縮短，進而提高運行圖中的計劃旅行速度。而計劃旅行速度的實現，需要依靠強有力的客運組織工作，具體措施包括：大客流車站可適當采取限流措施，減小乘客吊門現象，避免列車延誤；高峰時段可增加站臺力量，及時制止乘客吊門，引導乘客有序乘車；可利用信息化技術顯示乘客排隊長度及車廂滿載率，讓乘客自行均衡各車門排隊長度。

3 旅行速度提升的應用案例

上海軌道交通12號線全長39.9 km、設有32座車站，于2015年底實現全線貫通，開通后的旅行速度為30.99 km/h。相比上海其他市區地鐵線而言，其旅行速度屬于偏低水平，因此選取12號線作為試點線路進行旅行速度提升，具體從列車運行等級、開關門效率、乘客乘降時間3個方面開展。

3.1 高峰時段列車運行等級提升至最高級

12號線的區間運行等級共分5個等級，原使用的是“正常速度曲線”，高峰時段通過信號系統設置將運行等級提高至“加速曲線”后，總區間運行時間從3 339 s縮短至3167 s，節省了172 s，加上原總停站時間1 296 s，旅行速度可從30.99 km/h提升至32.18 km/h，提升幅度達3.8%。

3.2 優化司機作業標準以提升開關門效率

12號線的列車門與站臺門聯動，具備自動開門功能，但需手動關門。司機在站臺上手動關門后，需要確認雙門關閉、無夾人夾物，確保具備動車條件，司機的實際作業時間普遍達到28 s左右，較大地影響了列車在每個車站的停留時間，進而影響了12號線的旅行速度。因此，通過優化司機確認發車條件流程并形成作業標準，將司機確認發車條件控制在15 s之內，并確保其嚴格按照作業要求執行，以保證計劃旅行速度的實現。

3.3 個性化設置時間以提升乘客乘降效率

乘客上下車時間原是按照車站類別進行設置的。以早高峰為例，個別客流小站計劃停站時間為25 s，普通車站為30～35 s，客流較大的換乘車站為40～45 s，大型換乘站為50～55 s，而此類時間設置方式不能精準地匹配每個車站的客流特征。因此，12號線根據每個車站客流情況個性化設置乘客上下車時間，更加精準匹配客流需求，盡可能地提升乘客乘降效率。通過優化司機作業標準和個性化設置上下車時間這兩項措施，12號線的總停站時間約減少102 s，旅行速度可從30.99 km/h提升至31.69 km/h，提升幅度達2.26%。

3.4 應用實施效果

上海地鐵12號線于2016年12月28日開始在工作日早高峰進行旅行速度優化試跑，旅行速度從原來的30.99 km/h提升到32.94 km/h，增幅6%左右；在行車間隔不變的情況下，可以節省2列車的投用，節省約1.08億的購車費用。后期又結合實際提升效果，對部分車站的停站時間進行了微調，最終12號線的旅行速度穩定在32.31 km/h左右。

4 結語

隨著城市軌道交通網絡化運營管理經驗的不斷豐富以及對精細化管理要求的不斷提升，旅行速度技術指標將隨著車輛緊張、提高效率、降低成本等訴求而被逐漸重視。除了12號線之外，上海地鐵近幾年還先后在13號線、6號線、16號線、7號線等多條運營線路上推廣應用，運行效果良好。

實踐證明，提升列車運行等級、提高開關門效率、優化乘客乘降時間等措施都能提升旅行速度，但效果有限。而平均站間距在所有影響因素中起著決定性作用，如果12號線采用A/B列車間隔跳站運行，列車在中間10座車站通過不停車(不考慮進站限速)，相當于A列車或B列車在全程運行中的平均站間距將從原來的1.29 km提高至1.9 km，按照旅行速度的擬合公式，跳站運行后的理論旅行速度將達到40 km/h?？梢姡珹/B列車間隔跳站運行能大幅提升旅行速度，在市域軌道交通線路上具有較大的應用價值。

[1] 中國城市軌道交通協會. 城市軌道交通2018年度統計和分析報告[R]. 北京: 中國城市軌道交通協會, 2018.

[2] 中國城市軌道交通協會. 城市軌道交通運營企業運營數據報告(2018年年度)[R]. 北京: 中國城市軌道交通協會, 2019.

[3] 蘭星. 旅行速度影響因素淺析[J]. 鐵路通信信號, 2017(6): 83-85.

[4] 徐德新. 城市軌道交通車輛最高運行速度的選擇[J]. 鐵路工程學報, 2008(2): 97-99. XU Dexin. Choice of maximum running speed of vehicles for urban mass transit[J]. Journal of railway engineering Society, 2008(2): 97-99

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 城市軌道交通工程項目建設標準: 建標104-2008[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2008.

[6] 上海申通地鐵集團有限公司技術中心. 上海地鐵旅行速度影響因素及提升方案研究[R]. 上海: 2017.

Influencing Factors and Improvement Practice of Traveling Speed of Urban Rail Transit

ZHANG Zhiqing

(Technology Center of Shanghai Shentong Metro Group Co., Ltd., Shanghai 201103)

Beginning from the difference in traveling speeds between different metro lines, this study analyzed the main influencing factors and degree of traveling speed, including the average station spacing and maximum operation speed, speed limit, train running level, efficiency of door opening and closing, and frequency of passenger riding and landing. The functional relationship was fitted between the traveling speed and average station spacing in operation lines with a maximum operation speed of 80 km/h, which can facilitate evaluation of the actual traveling speed. Finally, along with expressing the demand for improving the traveling speed of the operation lines, the paper puts forward countermeasures from the last four influencing factors and provides an application practice for the Shanghai Metro.

urban rail transit; traveling speed; dwell time in station; average station spacing; train running level

U231

A

1672-6073(2021)02-0048-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.008

2019-07-30

2020-05-20

張知青，男，高級工程師，從事城市軌道交通指標分析及運營管理研究，zhiqing1123@163.com

張知青. 城市軌道交通旅行速度影響因素分析及提升實踐[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：48-53.

ZHANG Zhiqing. Influencing factors and improvement practice of traveling speed of urban rail transit[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 48-53.

（編輯：郝京紅）