上海軌道交通網絡的運能瓶頸評估及改進對策

朱 莉

(上海軌道交通維護保障有限公司，201103，上海∥高級工程師)

隨著城市軌道交通線網規模增長及通達性的提高，客流量不斷增長，客流分布呈現出時空不均衡性。對此，運營管理部門需要針對性地提高城市軌道交通的運輸能力。運輸能力的大小主要取決于固定設備和活動設備的能力，以及技術設備的運用、行車組織方法和行車作業人員的數量及技能水平[1]。對于常態化高密度、高負荷運營的上海、北京等城市的軌道交通網絡，在經歷若干輪千方百計的增能之后，運能進一步提升的瓶頸主要表現為設備能力的限制，可歸納為列車載客能力、線路能力和客運設施能力等3類[2]。

對城市軌道交通運能瓶頸的研究，多見于車站內部集散能力瓶頸研究[3]、線路區間通過能力技術瓶頸和基于乘客服務水平的服務瓶頸研究[4]，主要通過車站客流仿真[3]、分析計算[4]、軟件系統仿真[5]和網絡客流預測及分配[6]等方法評估能力供給及其與客流需求的匹配程度。而對于制約運能提高的關鍵設備能力，則分別針對車輛購置策略[7]、折返能力改進[8]、基地出入段擴能[9]、供電系統改造[10]、配線能力提升[11]等問題進行研究。然而，城市軌道交通系統是由各專業子系統構成的復雜大系統，各子系統之間存在相互影響和制約的關系，因此，在考慮增能提效時，不僅要解決突出問題，還要改進相關的配套條件。對于已經發展到較為成熟階段的城市軌道交通網絡，進一步的增能提效工作必然牽涉范圍更廣、影響因素更多，其運能瓶頸問題的識別及解決方案則需要從系統工程的角度進行整體布局和協同推進。基于此，本文以上海軌道交通網絡的增能需求為基礎，系統性地分析和評估超大規模城市軌道交通系統的設備能力瓶頸，討論當前及將來發展的工作對策，以期為實際的增能工作和技術發展提供借鑒。

1 超大規模城市軌道交通線網的增能需求

近年來，各大城市的軌道交通網絡規模不斷擴大、客流量不斷增長。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；上海軌道交通有7條線路高峰高斷面客流均超過原設計[13]。2019年上海城市軌道交通網絡年日均客流量突破了1 060萬人次，早晚高峰時段客流量尤其大，其中有5條線路的高峰小時斷面客流超過了5萬人次[12]。全網目前有13條線路的最小行車間隔在3 min以內，其中6條線路的最小行車間隔更是達到了2 min以內(含3號線和4號線共線段)，但其中10條線路的客流量仍然接近或超過了運能上限。如圖1所示，在統計上海軌道交通各線路2019年高峰小時最大滿載率的同時，提出了2020年和2025年的規劃滿載率。2019年，較早開通的6號線和8號線的滿載率最高，達到120%；新開通的線路中，16號線的滿載率超過100%；13號線的滿載率雖然最低，但已經多次增能，行車間隔由10 min縮短為最短的2 min 30 s。在既有線路客流量不斷攀升、新開通線路客流量快速增長的態勢下，為了提升運營服務水平，達到2020年的目標滿載率、2025年的規劃滿載率，全網絡多條線路的進一步增能需求十分迫切，特別是圖1中2019年現狀運能與2025年規劃運能差異較大的線路，其增能需求更加迫切。

圖1 上海軌道交通各線路的運能現狀及規劃運能和滿載率

對此，上海申通地鐵集團有限公司制定了上海軌道交通增能提效的實施方案，已開展了兩輪補短板工作，對與增能相關的設備的能力進行提升，包括：①網絡車輛增購及車輛基地擴建；②供電系統改造；③車場出庫能力改造；④零星的車站改造、基地擴容。對于一個龐大復雜的軌道交通系統而言，各專業設備的能力現狀及其對系統整體運行效率的影響程度有所差異，為了更加有效地開展補短板工作，需要對既有設備的能力進行評估，對照增能要求，發現和總結運能瓶頸問題，提出工作對策和改進建議。

2 既有設備的能力評估與判定

2.1 影響增能的設備能力分類

綜合考慮影響增能的多種設備能力因素，并對典型線路進行實測研究發現，現階段上海軌道交通的運能瓶頸因素主要為列車載客能力和線路能力兩大類。列車載客能力指的是列車配屬數這項活動設備能力，線路能力因素則包括折返能力、基地停車能力、基地出庫能力、匯車能力、正線供電能力和基地供電能力等6項固定設備能力。設備能力因素對運能的影響及其相互關系如圖2所示。

圖2 設備能力因素對運能的影響及其相互關系

如圖2所示，上述7項瓶頸因素之間存在著相互影響和制約的關系。通過增加列車配屬數可以直接增加高峰時段上線列車數量，從而縮短行車運營間隔，增加單位時間內提供的載客運行空間，也就是運能。但增加運能并不是單純地通過增加列車配屬數就可實現。一方面，列車配屬數受車輛基地能力的制約，具體包括基地停車能力、基地發車能力和基地供電能力。基地停車能力也就是容納停放列車的列檢庫線數量，由車輛基地的土建設計確定，因此其是限制列車配屬數量的硬約束。同時基地停車能力又受基地供電能力和發車能力制約，基地發車能力決定了高峰時段從車輛基地快速投放正線增加的效能。而基地供電能力限制了場內同時運行列車數量，均需與列車配置數量相匹配。另一方面，縮短正線行車間隔也直接受制于正線的線路運營能力，具體包括折返能力、正線供電能力和匯車能力等因素。其中折返能力和匯車能力直接由線路土建條件和信號系統能力決定，直接制約了行車間隔的極限能力，在進行線路增能時是必須首先評估和考慮的。同時正線供電能力也直接影響行車間隔，當正線增加運能時，供電設施必須同步改造增能以實現匹配。

2.2 既有設備能力評估規則

2.2.1 列車配屬數評估規則

列車配屬數是運用車數、備用車數和檢修車數的總和。列車配屬情況評估是根據各線路列車的到車、調試和上線的計劃，綜合評估3類車數在相應的增能節點時是否符合要求。

1)運用車數：根據運營增能目標，各線路按運營要求投入運營使用的列車數。

2)備用車數：按照近期規劃運用車數的10%計算，遠期根據線路及運營條件按規劃運用車數的5%～6%計算，四舍五入取整。

3)檢修車數：在運用車數和備用車數的總數基礎上，根據車輛檢修率的乘積計算確定，四舍五入取整。車輛檢修率應按車輛檢修制度確定，為簡化計算，一般按運用車數的15%計算確定，四舍五入取整。

2.2.2 折返能力評估規則

運營中，通常用2列列車先后接入或發出折返站的最小間隔表示折返能力，其受限于接車間隔、折返作業間隔和發車間隔中的最大者。因此，折返能力評估是對接車能力、發車能力和折返線能力的綜合評估，不僅要考慮車站的配線條件和信號制式，也要考慮折返方式、折返模式、停站時間、技術作業時間、富余時間分配和到發均衡性等因素的影響。

以站后固定折返線折返為例，接車間隔包含列車進站走行時間、停站清客時間、列車進折返線時間和道岔轉換時間；同一折返線的折返作業間隔包含列車進出折返線走行時間、司機換端作業時間和道岔轉換時間；發車間隔包含列車出折返線時間、停站上客時間和列車出清站臺時間。更多條件下的折返能力詳細計算方法參考圖解法[1]。在實際的評估工作中，根據各線路固定設備和技術設備條件，再考慮一定冗余量，通過仿真測算折返能力是否滿足縮短行車間隔的要求。

2.2.3 基地停車能力評估規則

停車能力是對設計停車列位、實際停放能力和具備發車能力列位數的綜合評估。根據各線路增能目標中的列車配屬數，評估線路所屬基地的實際停放能力是否大于總的列車配屬數，以及具備發車能力的列位數是否大于目標運用車數。運營實踐中，為了應對突發情況，車場能力還要考慮留有一定數量的空余列位。

1)基地滿額停車能力：是指基地理論的停車列位數，即基地車庫的所有列位，包含停車列位、檢修列位、靜調線和吹掃線等。

2)實際停放能力：按照以下車輛基地生產任務的壓力情況，計算該車庫的實際停車列位數：一場單線的車輛基地預留2股道空閑；一場多線和具有“大型工藝裝備”資源的車輛基地預留3股道空閑。

3)具備發車能力的列位數：計算車庫具備發車能力的列位數，即信號設備配置和列位的部署位置滿足列車一次性調車至總出發信號機。

2.2.4 基地發車能力評估規則

發車能力，也稱為出庫能力。發車能力評估主要針對基地具備發車條件的股道，分析車輛基地滿額列車在基于保障夜間維護天窗時間的前提條件下，是否能在早高峰來臨前全部投入正線運營。滿額配屬列車全部發完的總時間取決于列車單線出庫能力。單線出庫能力一般按車輛基地最遠發車股道上的單列車完成出庫的時間確定。在此基礎上，進行基地發車能力評估，通過比較當前和增能時刻表的早高峰最后一列列車的出場時間確定基地發車能力。該時間的計算方法為：

t次日早高峰最后一列列車出場=t當日最后一列列車入場+t維修+t滿額配屬發車

2.2.5 正線供電能力評估規則

根據增能規劃的行車間隔仿真計算供電能力，并對比分析目前線路的系統能力現狀。綜合牽引系統整流機組的容量、負荷等級和直流開關整定值等信息，選取直流開關對雙邊供電區域的取流特性進行監測，驗證系統的極限能力。

2.2.6 基地供電能力評估規則

基地供電能力是對出庫能力(同時動車數量)、列車動態的用電負荷、列車靜態雙開的用電負荷和自身系統設備能力的綜合評估。判斷原則為：ATC(列車自動控制)系統2 min間隔的出庫能力，停車庫14列列車雙開輔助負荷，檢修庫100%列車雙開輔助負荷，同時1列列車啟動出庫，持續時間30 min。通過比較該原則下的用電總負荷和各基地的自身系統設備能力，得到基地供電能力評估結果。

2.2.7 匯車能力評估規則

匯車能力是對出場列車與正線列車匯合能力和小交路折返列車與通過列車分叉匯合能力的綜合評估。該項評估同樣需要進行列車運行仿真，以測算達到各種場景下列車之間互不干擾的行車間隔時間是否滿足縮短行車間隔的要求。

2.3 既有設備能力評估結果

2.3.1 典型問題評估總結

根據上海軌道交通各線路的增能目標，對上述7類設備能力進行統計、計算或仿真測算之后發現：列車配屬數通常能滿足增能要求；運能瓶頸多見于折返能力，其次依次是供電能力、停發車能力和匯車能力，具體影響程度則因線路條件各異。表1為上海軌道交通網絡既有設備能力典型問題的評估總結。

表1 上海軌道交通既有設備能力典型問題評估總結

2.3.2 典型線路評估結果

以上海軌道交通開通最早的1號線為例，該線路長36.889 km，非CBTC(基于通信的列車控制)信號系統，有梅隴和富錦路兩個停車場，停車列位和發車列位分別為87個和80個，目前配屬84列列車。在最小行車間隔為2 min的增能目標下，通過設備能力評估發現，列車配屬、停車能力和匯車能力滿足需求，而其他能力存在不足，問題與對策如表2所示。

表2 上海軌道交通1號線2 min行車間隔增能目標下設備能力評估結果

3 解決運能瓶頸的對策和建議

3.1 對策

針對評估工作中發現的固定設備能力不足問題，綜合同一問題和相關問題在各條線路的表現特征，分析給出解決各類問題的對策。

3.1.1 解決折返能力不足的對策

1)提升側向過岔速度：通過提升側向過岔頂篷限速，提升ATO(列車自動運行)模式下的側向過岔速度。如采用12號道岔，可減少折返時間8～10 s。

2)增加部分區段限速：在折返站進站前的400 m左右，降低列車運行速度，延緩后續追蹤列車行駛至受前車干擾的位置，從而能按要求插入更多列車。

3)結合實際情況，對折返線進行延伸改造。

3.1.2 基地停車和發車能力不足的對策

1)結合實際情況，對部分基地實施擴庫改造。

2)采取正線存車，解決因生產任務造成的停車列位不足問題。

3)對部分基地信號系統進行改造，如將傳統出庫方式提升為ATC模式下的出庫方式。在周檢庫和月檢庫配置信號系統設備，使其具備發車條件，從而提升發車效率。

3.1.3 正線和基地供電能力不足的對策

1)對供電能力與信號系統能力不匹配的部分線路，開展供電能力改造。

2)對部分基地供電分區設置不合理的線路，開展分區設置改造。

3)可采取管理手段，控制基地同時發車的數量，從而控制發車時的負荷。

3.1.4 匯車能力不足的對策

1)優化信號系統進路觸發和互鎖防護機制，縮短單車通過時對匯合區線路資源的獨占時間，減少沖突和停車等待，從而縮短匯合區通過間隔。

2)加快車車通信等新技術的研究、試點，優化道岔等軌旁資源動態精細化控制，提高匯車能力。

3.2 總體工作建議

在線網規模發展進入成熟期，但客流需求不斷接近運能上限的現階段，全面、系統性的增能提效迫在眉睫，但由于所面臨問題涉及專業范圍廣、系統復雜度高和設備施工難度大，實際的系統增能工作還處于探索階段，這個過程中存在的主要問題是：①對系統實際能力認識不足，包括實際折返能力、匯車能力和供電能力掌握不充分，停留于仿真計算結果；②多專業匹配規劃不充分，典型問題是停車能力、正線供電能力、折返能力、車輛吊裝運輸、發車能力、基地供電能力和倉儲等其他能力，以及車站通信設備，如PIS(乘客信息系統)和PA(廣播)系統等專業協同不足；③項目規劃協調不足，表現為逐步發現和逐步報項，缺乏與增能迫切性的關聯。對此，分別從工作實施、技術改進和規劃設計方面提出建議。

3.2.1 工作實施建議

對需要增能的線路，采用實際的線路數據、設備數據和停站數據等進行折返能力、匯車能力、基地能力和供電能力等方面的綜合仿真測算，結合設備狀態及配套項目對能力短板進行統籌改造。

3.2.2 技術改進建議

1)加大力度推進具有自動開關門功能列車的投入使用。研究發現，折返能力、匯車能力以及旅行速度等都受停站時間影響較大，而CBTC系統的線路可通過列車全自動開關門的方式縮短一定的停站時間。因此，對于部分非CBTC線路進行改造升級，以使全網線路具備ATO開關門功能，從而進一步增大實際能力，趨近仿真能力。

2)研究自動折返和無人駕駛系統的簡配改造。評估自動折返功能在部分線路的使用情況時發現，自動折返技術已經較為成熟，可消除因司機換端慢、發車按鈕響應時間長等人為因素造成的時間耽誤。由于折返時間為大部分線路最主要的制約因素，而折返設備設施改造周期長、難度大，因此自動折返技術的運用十分必要。在此基礎上，建議可綜合考慮車輛專業和信號專業的大修項目，實現簡配的DTO(有人值守的全自動運行)系統改造。

3.2.3 規劃設計階段的建議

從可持續發展角度出發，一方面，特大城市應盡量選擇寬體、大編組的列車，以及配套相應的系統規模和預留一定的發展彈性，避免線路系統規模成為運能瓶頸；另一方面，對于關鍵設備設施的能力，如機電設備系統和土建設備等的能力，應預留可擴展的余地，以備縮短行車間隔時的需要，以降低后期進行系統改造升級時的高昂成本。

4 結語

在各大城市的軌道交通網絡規模趨近成熟、運能運量矛盾日益突出的現階段，多數線路需要分時段、分區段針對性地增加運能，而運能瓶頸集中體現在設備能力的制約，因此增能工作對設備能力的改造升級提出了全面要求。本文從系統性增能的角度出發，綜合考慮和評估影響增能的各項設備能力。基于上海軌道交通的增能要求，闡述了7類影響增能的設備能力因素及其與運能的制約關系；分析了各項設備能力的評估方法；以典型線路為例評估總結了當前的設備能力不足問題，并分別給出了改進對策；最后結合實際工作中的問題總結，從增能工作實施、技術改進和前期規劃設計方面提出了建議，可為解決運營實踐中的運能瓶頸問題提供參考。