廣州市域快速軌道交通18號線和22號線快慢車及共線運營下的線路通過能力分析

蔡涵哲 馬 鵬 江志彬 鄒曉磊

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510010， 廣州； 2.上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，201804， 上海； 3.同濟大學交通運輸工程學院， 201804， 上海∥第一作者, 高級工程師)

市域快速軌道交通(以下簡稱“市域快軌”)是一種主要服務于城市郊區和周邊新城、城鎮與中心城區聯系，并具有通勤客運服務功能的中、長距離的大運量城市軌道交通系統。市域快軌服務以城市客流為主，滿足通勤、通商、通學、旅游休閑等客流需求。通勤客流作為市域快軌的主要客流，期望提高郊區到市中心之間的旅行速度，因而市域快軌通常具備開行快慢車的線路條件和客流需求[1]。

快慢車運營組織是根據線路的長、短途客流特點和通過能力利用狀況，在開行站站停慢車的基礎上，同時開行跨站快車，從而使運輸組織適應客流特征的一種網絡化運營組織技術[2]。針對市域快軌線路的客流特征和服務需求，最常用的運營組織方式有快慢車運營和多交路運營兩種[3]。但市域快軌線路配線復雜，尤其是在多線互聯互通的條件下，開行交路與停站方案較多，且存在多個限定條件的越行站。多線路、多交路快慢車組合開行方案下的線路通過能力受不同共線交路的開行比例、快慢車開行比例、越行地點等因素的綜合影響[4-5]。傳統的解析法能力評估在精確性上有一定的局限性，計算機仿真方法可以有效精確評估不同開行方案條件下的能力。本文以廣州市域快軌18號線和22號線為例，以同濟大學研發的城市軌道交通列車運行圖計算機編制系統(TPM)為工具[6]，研究限定越行站條件下不同越行地點、不同快慢車開行比例及不同共線交路開行比例對線路通過能力的影響規律和不同運營方案條件下的線路最大通過能力。

1 廣州市域快軌18號線和22號線開行方案

1.1 線路概況

廣州市域快軌18號線(以下簡稱“18號線”)與22號線(見圖1)串聯南沙副中心、花都、白云及廣州中心區，實現廣州中心區與南沙副中心、白云城市中心、花都城區及白云機場的快速軌道交通聯系。兩線打通廣州南北走廊，快速連接萬頃沙站、廣州南站、廣州東站、白鵝潭站、白云站、白云機場站等主要交通樞紐，實現南沙新區至廣州東站及廣州南站30 min，以及南沙新區至白云機場45 min通達的時空目標。

兩線設計速度均為160 km/h，車輛選型為8輛編組市域D型車，采用快慢車運營模式。此外，兩線為互聯互通設計，在線路南段有3個共線車站：萬頃沙站、橫瀝站、番禺廣場站。白云區段的白云城市中心站和空港經濟區站亦具備跨線運營條件。

1.2 開行方案概況

基于線路的功能定位和客流交互需求，18號線和22號線考慮兩種運營模式：獨立運營和共線運營。本文重點研究不同運營模式下不同列車開行數量以及快慢車開行比例對通過能力的影響。

獨立運營模式為：18號線開行萬頃沙站—廣州東站—天貴站的獨立交路，22號線開行番禺廣場站—廣州南站—白云機場站的獨立交路(見圖2)。共線運營模式為：開行萬頃沙站—廣州東站—天貴站和萬頃沙站—廣州南站—白云機場站兩個交路(Y型交路)，在萬頃沙站—番禺廣場站區段共線運營(見圖2)。

2 線路通過能力計算仿真方案

2.1 線路通過能力的分析方法

根據列車的運行方式，將列車運行圖分為平行運行圖和非平行運行圖。對于站站停列車的平行運行圖，其通過能力的計算公式為：

n=3 600/T周

(1)

式中：

n——線路小時通過能力,列/h;

T周——運行圖周期，s。

對于非平行運行圖，由于列車的停站方式不同導致區間的運行時分不同，它的通過能力需要根據列車的越行方案和快慢車開行比例單獨確定。相應地，其運行圖周期需要單獨確定,見圖3。

非平行運行圖線路通過能力的計算方法：先確定單位時間內可以鋪畫運行周期的數量，然后乘以該類型運行周期內所包含的列車數。其計算公式如下：

(2)

式中：

n周——1個運行周期內所包含的列車數，列。

非平行運行圖線路通過能力的分析方法有扣除系數法、試驗繪圖法及計算機仿真方法等。計算機仿真方法是通過模擬鋪畫給定開行方案條件下線路的最大通過能力運行圖，可得到線路的最大通過能力。該方法具有精度高、運算快等優點。本方案采用TPM系統進行仿真分析。

2.2 仿真方案的設計原則

結合18號線和22號線的開行方案和配線條件，通過計算以及考慮一定冗余，同向發車間隔時間I發發不小于140 s，同向到站與通過間隔時間I到通不小于90 s，同向通過與發車間隔時間I通發不小于35 s。快車僅在限定的車站越行慢車，18號線的限定車站為南村萬博站、沙溪站、石榴崗站、琶州西區站和白云城市中心站，22號線的限定車站為祈福站、陳頭崗站和白云城市中心站。

仿真分析的目的為：①分析不同越行地點對線路通過能力的影響；②分析不同越行次數對線路通過能力的影響；③分析不同快慢車開行比例和共線交路開行比例對線路通過能力的影響。

仿真方案的設計原則如下：①快慢車呈組合周期化開行；②快車優先且盡量保證慢車的旅行速度最大；③慢車被越行的次數盡量少(單程不超過2次)。

2.3 仿真方案設計

本次研究主要仿真3種運營模式，共16個方案，見表1。

3 線路通過能力仿真結果分析

基于TPM系統，對上述方案中的最大線路通過能力進行計算，得到的結果見表2。方案3-2的線路通過能力仿真運行圖見圖4。

表1 18號線與22號線運營方案表

表2 18號線與22號線運營方案線路通過能力匯總

3.1 18號線獨立運營時的線路通過能力分析

在單列慢車被越行1次的情況下，快慢車開行比例為1∶1、1∶2對應的線路最大通過能力分別為11.43列/h、15.10列/h；單列慢車被越行2次的情況下，快慢車開行比例為1∶1時的線路通過能力為12.41列/h。不難發現，在單列慢車被越行1次時，快慢車開行比例越大，線路通過能力越大。而在快慢車開行比例均為1∶1時，單列慢車被越行2次的通過能力(12.41列/h)大于被越行1次的通過能力(11.43列/h)。

3.2 22號線獨立運營時的線路通過能力分析

在單列慢車被越行1次時，快慢車開行比例為1∶1、1∶2對應的線路最大通過能力分別為15.00列/h、17.85列/h；單列慢車被越行2次時，快慢車開行比例為2∶1時的線路通過能力為15.88列/h。不難發現，在單列慢車被越行1次時，快慢車開行比例越大，線路通過能力越大。

3.3 兩線共線運營時的線路通過能力分析

列車在共線區段時，快慢車停站方式均相同，18號線和22號線的列車到達番禺廣場站的間隔越均勻，相應的線路通過能力越大。兩交路開行比例不同時，越行的地點會有所變化，且非共線段的均衡性亦有較大差異。當18號線快慢車開行比例為1∶1(琶洲西區站為越行站)、22號線快慢車開行比例為1∶2(白云城市中心站、祈福站為越行站)時，共線段線路通過能力最大，為24.83列/h。

3.4 綜合分析

基于上述不同方案，可以得出以下結論：

1) 單列慢車被快車越行相同次數(本案例中為1次)時，同一周期內快車與慢車之間的開行數量相差越大，線路通過能力越大。由于快慢車混合開行，線路通過能力會有所下降；但同等級列車追蹤鋪畫得越多，線路上列車運行速度差有所降低，線路通過能力損失得亦越少。

2) 快慢車開行比例相同時，隨著單列慢車被越行次數增加，線路通過能力亦隨之增加。例如，方案1-8與1-4、1-5相比，同樣是快慢車1∶1開行，但方案1-8中單列慢車被越行2次，且越行地點與方案1-4、1-5相同，但線路通過能力明顯增加。因此，可以考慮在快慢車運行的線路上通過增加慢車被越行次數來增加線路通過能力。但慢車被越行的次數不能過多，否則慢車旅行速度會明顯降低，從而降低了乘客服務水平，同時其線路通過能力的增長亦較為有限。

3) 獨立運營時，受快慢車運行速度差的影響，18號線列車進入共線段(番禺廣場站—萬頃沙站)的間隔時間被延長，導致共線段能力利用率較低。共線運營時，由于共線段的列車由18號線和22號線兩條線匯入(出)，可以充分利用獨立運營時的富裕能力，使得共線段的能力利用率得到提高(見圖4)。

4) 兩線共線運營時，非共線段的能力利用率較低，平均服務間隔較大。可根據實際客流需求和非共線段的能力利用情況，考慮在非共線段增加小交路，以提升非共線段的服務水平。但小交路開行需要重點考慮快慢車的越行地點選擇和折返站能力的適應性等問題。

上述計算結果為不考慮列車延誤情況下所得到的線路通過能力理論值。為了提高運營的安全可靠性，應對客流需求動態變化，同時考慮到列車延誤等特殊情況，實際運營需要留有一定的能力冗余。

4 結語

市域快軌是我國未來交通發展的重點。針對多線共線運營、快慢車組合開行方案的理論仍有待進一步完善。本文探討了越行地點和越行次數、快慢車開行比例、共線交路的開行比例等因素對于線路通過能力的影響。并基于計算機仿真方法，以廣州市域快軌18號線和22號線為例，得到了不同運營方案條件下的線路最大通過能力。相對于傳統站站停模式，快慢車開行對于線路最大通過能力有一定的損失。因此，如何基于客流需求特征，在滿足線路通過能力要求的條件下，選擇合理的開行方案是運營實踐中需要考慮的關鍵問題。列車開行方案的組合眾多，本文主要提出了一種分析的方法與思路，可為軌道交通線路的開行方案優化與能力評估提供參考。