北京市中心城區外地鐵線路開行快慢車對策研究

王少楠，陳 炎，葉 軒，李晨曦，孟俊威

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司,北京 100037; 2.北京市地鐵運營有限公司,北京 100044; 3.地鐵運營安全保障技術北京市重點實驗室,北京 100044)

1 概述

近十年來,北京市新增軌道交通覆蓋了包括南苑、垡頭和東壩等近郊組團,以及平谷、門頭溝、懷柔、密云等外圍新城[1]。至二期建設規劃期末,軌道交通(包括市郊鐵路)覆蓋了30 km圈層內所有近郊組團和近郊新城。軌道交通在中心城功能疏解和新城建設方面發揮了重要作用[2]。

目前,北京市已形成多個通勤聯系通道,早高峰外圍與中心城聯系通道出行總量已經達到70.5萬人次/h。但大部分進城通道的軌道交通分擔比都在30%以下[3],與倫敦、巴黎、東京等國際性大都市均有較大差距,軌道交通在外圍進城廊道中仍然未占據主導地位。軌道交通速度慢、用時長是主要原因之一。根據2021年北京交通發展年報數據[4],工作日高峰時段地鐵出行時間指數2.18 min/km;工作日高峰時段小汽車出行時間指數2.71 min/km,對于運距較長的地鐵線路,和小汽車相比沒有明顯的競爭優勢。2020年,地鐵運營公司對13條地鐵線路進行超強超長運行圖的改造,全網提速僅為2%[5]。對比公交提速,2020年工作日全市公共汽(電)車高峰時段運行速度為18.09 km/h,較2019年同期17.02 km/h增長6.29%[6]。可見,地鐵在公共交通中雖平均旅速較高[7],但隨著其他交通方式的優化、道路條件的改善,這種優勢有下降的趨勢。

綜上所述,軌道交通線路速度提升顯得日益迫切。為盡量減少投資,在既有線路上開行快慢車來提升速度不失為一種經濟可行的方案[8]。一方面,可通過快車提升進城的時效性,提升地鐵的服務水平,也有助于提升軌道交通的吸引力,引導乘客選擇軌道交通出行,提升地鐵的客流效益[9];另一方面,可通過慢車在沿線站點收集客流,帶動沿線周邊發展。如在北京地鐵6號線建設時,考慮6號線延伸到中心城東部副中心后會有大量進城的需求,因此,預留了常營站、通運門站的越行線[10]。目前結合副中心行政辦公區的搬遷,已經開行了早高峰出城、晚高峰進城的快慢車,快車節約時間約7 min。但目前中心城區外圍的其他既有線路建設之初并沒有越行站的預留,如何在這些線路上開行快慢車是本文研究的重點。

2 開行快慢車必要性分析

通過對北京既有外圍軌道交通沿線用地、人口、崗位分布進行調研,分析軌道交通的客流特征[7],包括客流來源及客流目的的分析,可以看出,北京外圍新城的早晚高峰出行仍舊以進出城的通勤客流為主,體現在軌道交通上是早晚高峰通勤客流占到全日客流的50%左右[8]。因此,在這種中心城外并對出行時效有明顯要求的通勤為主線路開行快慢車有其必要性。

2.1 開行快慢車能夠匹配不同客流需求,提供精準服務

以北京地鐵為例,地鐵15號線是連接中心城與順義組團的一條外圍快線,串聯了海淀區、朝陽區、順義區,服務順義組團、后沙峪組團、望京組團,見圖1。

圖1 北京地鐵15號線沿線組團分布示意Fig.1 Distribution of clusters along Beijing Metro Line 15

根據既有客流分析,15號線早高峰進站客流主要集中在順義組團和后沙峪組團,順義組團進站客流占全線總進站客流的41%,進站量最大的車站為順義、石門站,總體占比約為30%;后沙峪組團進站客流占全線總進站客流的23%,進站量最大的車站為后沙峪站,總體占比約為10%。

出站客流主要集中在望京酒仙橋區域和CBD區域(圖2),出站量最大的是望京東站(表1),主要為進城方向下客量,約1.0萬人次/h,占總到達客流比例的33%。

表1 北京地鐵15號線早高峰小時進出站客流 人次/hTable 1 Passenger flow in and out of Beijing Metro Line 15 during morning peak hour person

圖2 北京地鐵15號線進站客流去往車站和區域分布Fig.2 Distribution of inbound passenger flow to stations and areas of Beijing Metro Line 15

由圖2可知,15號線片區化出行特征明顯,順義—后沙峪—望京為本線最核心的客流節點,15號線東段(順義片區)早高峰客流目的地排名第一的區域為望京酒仙橋區域,主要體現為直達望京東、望京南、望京及望京西站,或通過望京西及望京站換乘去往CBD等區域,具有點對點、向心性的出行特征,但出行時間普遍高于60 min。因此,15號線東段進城客流有開行快車的需求,有必要研究快慢車運營方案。

通過開行快車,提高軌道交通供給與客流需求的匹配程度,可實現順義組團及后沙峪組團客流快速到達目的地,極大地節省旅客的出行時間,提高軌道交通客流吸引力[11],增強乘客出行時效性,提升線路服務水平。

2.2 快線吸引客流,提升軌道交通分擔率

北京西南廊道聯系了燕房組團、房山組團和中心城區,目前僅有燕房線、房山線和9號線。分析沿線全方式出行特征,燕房線沿線全方式客流主要前往良鄉、9號線沿線等區域,早高峰前往良鄉約1.1萬人次/h,前往9號線沿線約0.6萬人次/h。但從燕房線、房山線本身客流特征分析,早高峰燕房線前往良鄉區域軌道交通站點客流量僅為435人次/h,前往9號線沿線軌道交通站點客流量僅為308人次/h,軌道交通占全方式分擔比例僅為7.3%和6.1%。

從全方式出行特征來看,西南廊道有進城的需求,但是軌道交通分擔率過低。分析其原因:燕房線、房山線現狀從燕山—東管頭南全線運營長度為44.4 km,同時燕山地區居民進城需在閻村東站及郭公莊站經過兩次換乘,以燕山站到豐臺科技園站為例,軌道交通需換乘兩次,耗時67 min(不考慮接駁時間),小汽車則僅需45 min。軌道交通時間競爭性明顯較差,導致地鐵吸引力不足,客流效益較差。

因此,該廊道有必要開行快慢車,通過快線的設置來提高對小汽車的競爭力,增加沿線客流的吸引,可有效提高軌道交通的客流效益。

3 日本開行快慢車經驗

東京軌道交通受其建設的歷史原因,外圍郊區線大多是在鐵路的基礎上改造而來的[12]。因此,多為地面或高架線,具備較好的改造條件。隨著通勤圈的不斷擴大,為提高旅行速度,東京軌道交通通過建設越行線,開行不同類型的快慢車,提供多種出行服務。例如日本東京的筑波快線[13],采用不同的越行方案,設置了快速、通勤快速、區間快速和普通4種不同模式的快慢車(圖3),滿足乘客不同的停站及旅速需求。

圖3 日本筑波線快慢車開行方案Fig.3 Operation plan for fast and slow trains of the Tsukuba Line in Japan

羽田機場線是連接東京中心部與東京國際機場的線路,也是為臨海地區通勤交通服務的線路[14]。羽田機場線在1997年巔峰期的客運量最高達6 500萬人次,而在京急線引入后客流減少三成。為提升客流吸引,羽田機場線不斷進行改造,通過增加車站、設置越行線、優化運營組織來縮短運行時間,提升服務水平。

昭和島站是羽田機場線的一個普通車站,剛投運時為2臺2線的側式車站。2007年增加開行快車后,為滿足“空港快速”和“區間快速”的行車要求,進行了越行線的改造,在兩個側式站臺外側分別增加1條越行線,見圖4。

圖4 昭和島站增設越行線方案Fig.4 Scheme for adding overtaking lines of Showa Island Station

改造后,空港快線運行18 min,旅行速度約為60 km/h;區間快速車運行21 min,旅行速度約為50 km/h;普通(慢車)運行24 min,旅行速度為40～45 km/h。開行空港快車較普通慢車,運行時間縮短約6 min,見圖5。

圖5 羽田機場線快慢車開行方案Fig.5 Operation plan for fast and slow trains of Haneda Airport Line

4 開行快慢車需要考慮的幾個問題

借鑒日本案例,考慮既有軌道交通自身特點,組織開行快慢車應具備以下條件。

(1)不影響既有線運營

開行快慢車若涉及對既有土建或設備系統的改造,應盡量避免對既有線的正常運營產生影響[15],避免因改造造成中斷運營時間過長,給社會帶來一定影響。

受地下線實施難度影響,建議越行線的加設應盡量在高架線或者地面線上實施,保證對既有線運營的影響降到最低。參照日本案例,通過精細化施工[16]、采取先進的施工手段、對既有線采取降速或增大行車間隔等措施,可不中斷運營進行改造。目前,借鑒北京地鐵13號線清河站加站對線路撥線的實施[17],可做到中斷運營時間僅7 d。

(2)應滿足既有線客流需求

快慢車模式下系統能力與快車開行對數、不停站節約時間及系統最小行車間隔有關。快車開行對數越多,對系統能力的影響越大。為保證客流吸引,往往希望增加快車開行的對數,但會造成系統能力的損失。

因此,在組織開行快慢車時,應對系統能力進行校核,使之能夠滿足既有線的客流需求,不能一味地增加快車對數。但同時也應注意,如果快車對數過少,快車間隔過大,對乘客的吸引也會減弱。

(3)快車停靠站點的選擇應結合實際客流

既有線隨著線路開通已經逐漸形成了固定的客流特征[18],因此,快車停靠站點的選擇應從既有線客流特征入手,根據快車需求、車站乘降量、軌網換乘關系等因素,盡量將組團中心站、重要客流集散點、重要換乘站確定為快車停靠站。

同時,也應當考慮周邊地塊未來的開發程度、一體化的建設情況、微中心發展情況,結合現狀客流,合理判斷是否應作為快線站點的選擇。

5 開行快慢車方案設計

結合北京市中心城外的既有線特點,提出兩種快慢車開行方案。

5.1 利用大行車間隔開行快慢車

(1)線路概況

燕房線是一條聯系燕房組團、良鄉組團,服務于房山西部地區的中運量等級郊區線;燕房線起點為燕山站,終點為閻村東站,共14.4 km,設置9座車站,設計速度80 km/h,采用4輛編組,全自動運行,見圖6。

圖6 燕房線、房山線、9號線線路示意Fig.6 Schematic diagram of Yanfang Line, Fangshan Line, and Line 9

北京地鐵房山線是北京地鐵線網中郊區軌道交通骨干線路,途經房山區、豐臺區,終點至郭公莊站與9號線換乘。全線共32 km,設置16座車站,設計速度100 km/h,采用6輛編組,目前燕房線、房山線兩線在閻村東站同站臺換乘,房山線、9號線在郭公莊同站臺換乘,三線具備物理聯通條件。

燕房線日客運量2.3萬人次/d,高峰斷面0.38萬人次/h,早高峰開行燕山站—閻村東站的單一交路,開行12對(圖7),運營里程13.25 km,高峰滿載率37%。

圖7 既有燕房線、房山線開行交路Fig.7 Existing Yanfang Line and Fangshan Line operation routing

房山線日客運量21.5萬人次/d,高峰斷面3.7萬人次/h,早高峰開行大小交路,閻村東—東管頭15對/h,運營里程31.46 km,籬笆房—郭公莊15對/h(圖7),運營里程14.10 km,高峰滿載率84%。

(2)利用大行車間隔開行快慢車方案

根據現狀運營數據,燕房線、房山線在外圍運營并未用到系統能力2 min。因此,可考慮在客流少、開行交路上未到系統能力的區域,利用大行車間隔開行快慢車。

結合燕房線、房山線的客流特征,可考慮在燕房線停靠燕山、房山城關、星城、紫草塢、閻村東;在房山線大交路區段(閻村東—籬笆房)停靠良鄉大學城西、良鄉大學城、籬笆房客流較大的車站。同時,因燕房線、房山線在閻村東具備物理貫通,可通過局部改造設備系統,開行燕房線、房山線兩線的跨線快慢車列車,實現燕房線乘客無換乘直達郭公莊。燕山—郭公莊可節省9.5 min(含換乘節約),開行方案見圖8。

圖8 燕房線、房山線快慢車開行方案Fig.8 Operation plan for fast and slow trains of Yanfang Line and Fangshan Line

利用大行車間隔開行快慢車方案的原理在于利用區間富裕通過能力實現,即將行車間隔調整為不均衡狀態,將原本的大間隔列車壓縮至區間最大間隔,即2 min,快車利用空余出的大行車間隔實現甩站提速。

該模式下快車開行能力受區段常規列車開行對數以及快車不停靠站點的數量確定。設定快線區段常規列車開行對數為n1,快車不停靠站點數量為n2,線路最小行車間隔2 min,每不停靠一座車站可節省1 min行車間隔。快線開行能力S=(60-2n1)/(n2+2),其中,為防止慢車追上快車,快慢車之間的間隔應為n2+2。

房山線快線方案,閻村東—籬笆房區段大交路開行間隔15對/h,結合客流特征,快線需越行蘇莊、良鄉南關、良鄉大學城北、廣陽城4座車站。通過計算快車開行能力S=(60-2×15)/(4+2)=5對/h。該方案運行如圖9所示。

圖9 燕房線、房山線快慢車運營Fig.9 Operation of fast and slow trains of Yanfang Line and Fangshan Line

利用大行車間隔也存在一定問題,在編制運行圖中,原本是等間隔的慢車會因快線將原本的間隔拉大。如燕山—閻村東原5 min間隔調整為4 min,受不均衡間隔影響,存在2次8 min間隔;閻村東—籬笆房區段原4 min間隔調整為2 min,受不均衡間隔影響,存在2次8 min間隔。導致部分乘客因開行快慢車而等待時間加長。可考慮結合列車時刻表,讓乘客在固定時間乘坐,減少乘客等待時間。

此種快慢車開行方式只需要對運營圖進行優化設計、調整既有的運營組織方案,投資較小,可作為快慢車小改造方案先期實施,起到示范作用。

5.2 設置越行線開行快慢車

(1)線路概況

北京地鐵15號線是聯系順義新城與中心城的一條快線,西南起自海淀區清華東路西口站,途經朝陽區,東北止于順義區俸伯站,服務于學院路、北京奧林匹克公園、望京等地。線路長度為41.4 km,孫河—后沙峪為高架段(圖1),其余為地下段。共設20座車站,4座高架站。列車最高速度為100 km/h。

(2)快慢車開行方案設計

考慮15號線順義組團及后沙峪組團進入中心城區有著點對點的出行特征,同時中部采用高架線敷設方式,可通過增加越行線開行快慢車,減少工程代價和對周邊地塊的影響[18]。

設置越行線開行快慢車的思路在于:首先根據車站周邊現狀及規劃情況對客流需求進行分析,確定對提速需求最為迫切的區段;同時結合線路敷設情況[19],擬定初步的快慢車開行方案,確定需要增加越行線的車站,對增加越行線的工程難度及代價進行綜合研究;最后根據提出的快慢車開行方案,對客流進行復核檢驗,檢驗開行快慢車后的系統能力是否能夠滿足遠期的客流需求。

根據目前15號線的進出站客流情況(圖10),順義組團選擇進站量較高的俸伯、順義、石門站作為快線停靠站點,后沙峪組團選擇進站量較大的后沙峪站作為快線停靠站點。

圖10 15號線早高峰客流OD分析Fig.10 OD Analysis of morning peak passenger flow of Line 15

快車開行對數與本線最大斷面的運能相關。根據客流預測,遠期15號線需開行27對/h可滿足客流需求。結合運行圖,快車開行4對/h時,本線最大運力滿足遠期15號線的客流需求。

因此,本線的快慢車開行方案是越行南法信、花梨坎、國展、孫河、馬泉營、崔各莊6座車站,開行4對/h快車(圖11),全線旅行時間節省約5.4 min。

圖11 15號線快慢車開行方案Fig.11 Operation plan for fast and slow trains of Line 15

南法信—俸伯站區段,客流規模小,遠期開行對數低于30對/h,可以利用大行車間隔開行快車,并且該段為地下線,設置越行線條件困難,因此增設越行配線的必要性不強。南法信以南,結合既有工程條件和客流規模分析,馬泉營站既有配線具備越行條件,不需進行改造;花梨坎站客流規模小,快車通過不停車,慢車待避增加的時間較小,適宜作為越行站,同時作為高架站,適宜改造。

因此,結合客流及工程情況,建議在花梨坎站改建跨車站的越行線,新建線路約1.2 km(雙線),如圖12所示。

圖12 15號線越行線設置方案Fig.12 Setting plan for overpass line of Line 15

通過越行線設置快慢車的要點如下。

(1)通過越行線開行快慢車,會影響線路運能,在保證快車開行對數及快車時間競爭性的前提下,應盡可能減少對本線最大能力的影響。

(2)為避免產生車輛在區間停車對乘客造成心理恐慌情況的發生,減少運營風險,不建議在區間增加避讓線的方案。

(3)越行線的設置應結合既有線路情況,選擇實施難度小、工程規模小的高架或地面車站,同時結合客流情況合理設置。

(4)設置越行配線后,快車相鄰的慢車需停在站內等待快車通過,相應會增加慢車的旅行時間,帶來慢車出行時間加長的問題。因此,應平衡快慢車對數,對相應受益受損人群進行對比分析,合理設置開行方案。

6 結語

城市外圍軌道交通作為聯系中心城和外圍組團的骨干線路,提速已經成為未來既有線改造的重要方向。結合目前北京既有外圍軌道交通的客流特征,從問題導向出發,提出中心城外圍線路開行快慢車的必要性。根據區域需求及客流特征分析,提出了利用大行車間隔和增設越行線兩種不同的開行快慢車的思路,并結合案例提出不同方式的特點及實施要求。后續在具體實施層面仍應有進一步研究。如應結合站點一體化、用地集聚的情況合理選擇快車停靠站點;合理確定快車開行對數和線路系統能力的匹配;增設越行線應考慮實際工程條件等,進行方案比選研究。