首條成環的無人駕駛智慧環線運營組織研究
——以西安地鐵8號線為例

武 靜

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著城市化進程加快，國內越來越多的特大型城市在構建城市軌道交通線網過程中，通過規劃建設環形線路以打造線網的核心骨架[1]。

據統計，全世界共建有40多條地鐵環線。國內目前已運營的環線共包括8條線路，分別為北京地鐵2、10號線、上海地鐵4號線、哈爾濱地鐵3號線、成都地鐵7、9號線、重慶地鐵環線、鄭州地鐵9號線。其中，重慶地鐵環線為互聯互通模式，其他線路均為獨立運營模式。另外，有9座特大城市規劃了10條獨立環線，7座城市規劃了7條組合環線[2]。

通過對國內外主要城市的環線進行分析，大多數環線串聯城市二環、三環快速路。但城市快速路服務的對象為對外客流，不應和公交走廊重合，兩者功能應區分開來[3]。西安地鐵8號線作為線網唯一環線，路由選線尤為重要。二環路地下為排洪渠，施工條件差，同時三環周邊發展規模有限，客流強度不大。因此，8號線路由選線避開了二、三環路，充當了地下2.5環的重要角色，串聯最多主城區域，并與線網中多條線路換乘，其運營組織方案是前期研究的重點和難點。因此，針對速度目標值、站立標準、車輛選型及編組、運輸組織模式、行車組織方案、運營管理等方面進行了分析研究。

1 環線功能及特征

環線的功能主要分為串聯沿線客流和外圍分流截流兩方面。實現周向聯系，承擔城市周圍的客流集散；截流功能，為市郊與中心區的客流提供更多的換乘路徑，減輕中心區換乘壓力[4]。

環線全線客流量往往高于放射形線路，可包容線網中心區的所有換乘點。一般選在城市中心區邊緣，串聯了較多的大型商場、交通樞紐等大型客流集散點，形成了基本客流源和支撐點，并形成環線自身的客流走廊。

國內外環線運營模式可分為5種，如圖1所示[2]。分別為獨立環線運營、勺形環線運營、共線環線運營、組合環線運營、大小環線運營。其中，獨立環線運營占已運營環線總數的一半以上[3]。

圖1 環線常用運營模式

2 西安環線概況

西安地鐵8號線是都市區軌道交通線網中的骨干線，線網中唯一環線，重要的換乘線路。貫穿雁塔區、新城區、灞橋區、未央區、蓮湖區等5個行政區以及高新區、曲江新區、浐灞生態園區、經開區等4個開發新區[5]。形成主城區內二環至三環之間的一條最主要的客運交通走廊，充當地下2.5環的重要角色，在整個線網中起到主骨架作用。

全線長約49.9 km，均為地下線，設站37座，平均站間距1.35 km。全線設1段1場。新建1座主變電所。在車輛段內設控制中心1座。地鐵8號線線路走向示意見圖2。

圖2 西安地鐵8號線線路走向示意

3 功能定位及客流特征

地鐵8號線途經丈八東路、萬壽路、鳳城二路、朱宏路等道路，周邊分布密集居住用地，途經的西二環道路兩側主要為金融商貿及居住用地，唐延路為西高新中心區，分布金融商貿、酒店會所、寫字樓等，線路沿線客流需求大。建設8號線，緩解沿線交通壓力，將城市市區各個片區緊密地連在一起，為各片區提供便捷、快速的地鐵。

地鐵8號線的建設能夠很好地服務于環線兩側大型客流點集散及交通換乘，同時為市域線路進入主城區創造良好的接駁條件，可實現各交通走廊之間的快速轉換，分散中心區換乘站的負荷壓力，優化主城區與外圍區域聯系[6]。

8號線共有換乘站18座，換乘站全日客流占全線客流的73.62%；初、近、遠期最大斷面均出現在早高峰時段，分別為2.54，3.23，3.90萬人次/h。初、近、遠期早高峰斷面流量見圖3。

圖3 初、近、遠期早高峰斷面流量

8號線高峰斷面客流量呈現出以下特點。

(1)同區間上下行方向斷面客流量不均衡性較小，基本呈對稱分布：為城市提供沿環周切向客流快速通道的同時，也滿足各條徑向線路之間的換乘需求，兼具客流集散和換乘功能[7-11]。由于其環線特征，上、下行客流斷面基本呈對稱分布，沒有明顯的錯峰現象。

(2)分區段客流斷面呈現出明顯的不均衡性：8號線位于西安市二、三環之間，沿線區域用地開發較成熟，但環線四周用地各有分工，西南部主要為高新產業和居住區，東北部主要為居住區，客流的集散量均很大，東南角與西北角由于受三環阻隔和文物保護影響，客流的集散量較小。早高峰時段主要以通勤客流為主，受到沿線用地性質及網絡換乘關系的影響，環線客流斷面呈現出明顯的不均衡性，局部高斷面客流量是低斷面客流量的3倍多。

4 運營組織方案

4.1 速度目標值

地鐵8號線全長49.9 km，共設37座車站，由于該線為環線，乘客可視車廂內乘客的擁擠度和自己的急切程度任意選取乘坐的方向，均可到達目的地。當較為急切時，可選取較近的方向乘坐，對于乘客來講，本線長度僅相當于整個環線長度的一半，約為25 km，并不屬于超長線路。

全線范圍內站間距小于1.5 km的區間共28個，占總區間數的75.7%。單從站間距與速度的適應性方面看，80 km/h速度目標值能夠較好地適應本線站間距離的特點。地鐵8號線與線網中大部分線路均有1～2次換乘，換乘功能突出，發揮著調節網絡中各線客流的作用，主要解決外圍區域快速進入中心區的客流需求，客流以通勤客流為主，乘客出行平均運距較小，僅為6.9 km，對旅行速度目標值要求不高，因此，采用80 km/h。

4.2 車輛選型及編組方案

地鐵8號線發揮著調節網絡中各線客流的作用，換乘功能突出，與線網中大部分線路均有1～2次換乘，1、2、4號線連接了西安市老火車站、北客站、城東客運站等主要的鐵路、公路對外交通樞紐，對外客流將占較大比重，不乏攜帶大件行李的乘客會通過本線換乘，應考慮較為寬松的站立標準。8號線遠期高峰小時客流為3.90萬人/h，全日客流高達176.39萬人，全日客流高。因此，建議車輛選型時采用較為良好的擁擠度，采用5人/m2站立標準。

在《關中城市群都市區城市軌道交通西安網規劃》中，1～8、11號線為都市區骨干線，均考慮采用普通輪軌系統。從建設規劃的實施情況來看，目前已建、在建線路及同步實施地鐵8號線部分換乘節點也在按照普通輪軌系統進行設計、施工[5]。8號線應采用普通輪軌系統。

我國城市化進程還在不斷加快之中，8號沿線尚有部分未開發的建設用地，城市規劃的不確定性是客觀存在的，很難對客流進行較為準確的預測；同時，遠期網絡形成后，換乘客流增大也會刺激全線客流的增長。保留充裕的運能余量對于以換乘客流為主的環線非常有必要。同時，地鐵8號線均為地下線路，地下空間受地面構筑物、地下管線、地質構造影響較大，要進行建筑物拆遷、到路改移、管線遷改、樁基托換、不良地質處理，建設難度巨大，且具有不可逆性，一次建成后不具備改擴建的條件，因此，在車輛選型時也應考慮此因素，為未來留有足夠的空間。因此，采用A型車6輛編組。

4.3 采用全自動無人駕駛獨立運營模式

對國內外的環線運輸組織模式進行分析，應重點考慮以下幾方面：①要有足夠的線網規模；②在主要市中心區促進形成互聯發展的節點環；③把主要的軌道樞紐和走廊連接起來；④增強環線和放射線方向乘客的軌道通達性；⑤降低市中心放射線之間換乘壓力。國內已運營環線中，僅重慶環線為互聯互通模式，其他線路均為獨立運營模式[12]。

結合地鐵8號線線路走向、功能定位、客流特征分析，適宜的運輸組織模式為獨立運營。同時，無人駕駛技術能使列車實現全自動控制，避免人為操作導致的運營故障，因此，8號線也緊跟趨勢。地鐵8號線運營后將成為全國首條無人駕駛環線，也將為西安后續無人駕駛地鐵線路起到指導作用。

4.4 行車方案

4.4.1 交路

地鐵8號線全線共有18座換乘站，占全線車站總量的48.6%，高峰小時客流上下行基本均衡；換乘站數量多且客流集散量及換乘客流量大；高低段面交錯分布，低段面區段高峰客流并不低，且低段面區段存在多處乘降量較大的換乘站，很難選出合適的小交路折返點。因此，采用一個大交路。結合高峰小時斷面客流，同時考慮到網絡化運營需求，內、外環均開行一個大交路，初、近、遠期高峰開行對數分別為22，24，28對/h。交路見圖4。

圖4 交路

針對8號線的客流斷面呈現明顯不均衡性特征，可考慮利用場段出入線和停車線，組織單方向加車，對高斷面區段實行削峰作業。

4.4.2 配線

地鐵8號線為環線，有雙向收發車需求，同時車輛基地停車列位較多，對收發車能力要求較高，場段接軌均采用收發車能力最大的方案1，即“八”字線接軌[13-19]。場段接軌方案見圖5。

圖5 場段接軌方案

東儀路站位于線路的西南角，丈八東路與東儀路交叉口，車站兩側均具備設置配線條件。東儀路為8號線與11號線的換乘站，同時與11號線共享大架修基地。本段配線從工程投資、實施條件及功能上綜合研究分析，采用方案2。方案比選見圖6。

圖6 電子城—東儀路站配線型式方案(單位：km)

全自動無人駕駛模式故障狀態救援時，需采用人工駕駛救援，人工駕駛模式需考慮司機上車時間，即到達故障現場后連掛、推進時被救援列車司機到達被救援車輛前端(牽引時救援列車司機到達救援列車的前端)的時間，停車線距離應適當縮短，才可滿足救援需求。目前，國內尚無針對全自動運行的規范，故障停車線間距還沒有明確規定，還需要進一步探討明確。另外，國內正在研制無司機情況下兩列車自動連掛功能，隨著科技的發展，此功能如能應用，無需考慮司機登車時間。

地鐵8號線運營初期，采用有人值守的自動駕駛DTO，處理故障車下線時，無需考慮司機登車時間。待近遠期時期成熟后采用無人值守的全自動駕駛UTO，處理故障車下線時，需額外考慮司機登車時間[20]。

全線配線圖見圖7。本線停車線間距超過9 km的僅有1處：東儀路站—新植物園站長9.4 km，新植物園站為場段接軌站，東儀路站設置單線雙列位停車線，均無需進行救援列車摘鉤和救援列車退出停車線至車站的作業，可節省部分時間，抵消掉司機登車耗費的時間。可把總救援時間控制在30 min之內，滿足規范要求。

圖7 西安地鐵8號線全線配線(單位：km)

4.4.3 備用交路

為應對不同的客流預測，結合全線配線方案，在實際運營中可根據客流實際情況及運營需要靈活調整開行比例、組織不同交路運行。備用交路見圖8。

圖8 備用交路

4.4.4 配線能力核算

以長鳴路車輛段出入線為例進行核算。采用八字線型式，分別接軌于新植物園站和東月路站，均為地下島式車站，遠期停站時間均為30 s。

(1)新植物園站

新植物園站出、入段作業過程及時間見圖9、圖10。

圖9 新植物園站出段作業過程及時間

圖10 新植物園站入段作業過程及時間

(2)東月路站

東月路站出、入段作業過程及時間見圖11、圖12。

圖11 東月路站出段作業過程及時間

圖12 東月路站入段作業過程及時間

由圖9～圖12可知，新植物園站、東月路站出入段最大間隔均為112 s，可滿足120 s系統能力要求。

4.4.5 全自動無人駕駛的運營管理

全自動無人駕駛系統正常情況下運行模式是一種將列車駕駛員執行的工作，完全由自動化的、高度集中的控制系統和調度人員所替代的列車運行模式[21]。

控制中心為確保線路正常運營而計劃并執行每日運營操作，下達運營指令。在正常運營情況下，由中心調度員在該日運營開始時激活運營程序，系統根據具體運營日的時刻表要求安排列車進入運營模式。運營從出庫開始至入庫結束，中心調度員通過列車表號識別每一列列車及其交路，以監控列車運行。到晚間運營結束，系統按照時刻表讓列車退出運營。列車將根據運行圖和存車表的指示，返回車場。

全自動無人駕駛系統與有人駕駛的本質區別在于是否有司機參與控制日常狀態下的列車運行。正常情況下，由調度人員在控制中心代替司機完成相關行車控制、乘客服務及車輛設備狀態的監控，因此，全自動無人駕駛線路運營管理模式仍可沿用兩級管理、三級控制的模式，只是在各級管理機構組織與實現手段上存在一定調整。

5 結語

地鐵8號線是西安都市區軌道交通線網的骨干線，是線網中的唯一環線，重要的換乘線路。作為國內第三長度環線，充當西安地下2.5環的重要角色，串聯西安最多主城區域、未來可能最大客流量的地鐵線路，首次采用更大運量的A型車，建成后將成為國內首條成環運營的無人駕駛智慧環線。

經分析研究，西安地鐵8號線為最高速度80 km/h、A型車6輛編組、全自動無人駕駛、獨立運營的城區骨干線。前期研究過程中，在明確全線功能定位、客流特征的前提下，提出速度目標值、車輛選型及編組、運輸組織模式、行車組織方案、運營管理等進行了研究，為類似地鐵環線的運營組織方案提供了借鑒。建議后續城市應結合自身城市空間結構、線網規模、線網形態、客流預測、用地條件、道路路由等方面因素，予以綜合研究確定地鐵環線的運營組織方案。