蔡涵哲 馬 鵬 江志彬 鄒曉磊

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 510010， 廣州； 2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804， 上海； 3.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 201804， 上?！蔚谝蛔髡? 高級(jí)工程師)

市域快速軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“市域快軌”)是一種主要服務(wù)于城市郊區(qū)和周邊新城、城鎮(zhèn)與中心城區(qū)聯(lián)系，并具有通勤客運(yùn)服務(wù)功能的中、長(zhǎng)距離的大運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng)。市域快軌服務(wù)以城市客流為主，滿足通勤、通商、通學(xué)、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(qū)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(yùn)營(yíng)組織是根據(jù)線路的長(zhǎng)、短途客流特點(diǎn)和通過(guò)能力利用狀況，在開行站站停慢車的基礎(chǔ)上，同時(shí)開行跨站快車，從而使運(yùn)輸組織適應(yīng)客流特征的一種網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)組織技術(shù)[2]。針對(duì)市域快軌線路的客流特征和服務(wù)需求，最常用的運(yùn)營(yíng)組織方式有快慢車運(yùn)營(yíng)和多交路運(yùn)營(yíng)兩種[3]。但市域快軌線路配線復(fù)雜，尤其是在多線互聯(lián)互通的條件下，開行交路與停站方案較多，且存在多個(gè)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(guò)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(diǎn)等因素的綜合影響[4-5]。傳統(tǒng)的解析法能力評(píng)估在精確性上有一定的局限性，計(jì)算機(jī)仿真方法可以有效精確評(píng)估不同開行方案條件下的能力。本文以廣州市域快軌18號(hào)線和22號(hào)線為例，以同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的城市軌道交通列車運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)編制系統(tǒng)(TPM)為工具[6]，研究限定越行站條件下不同越行地點(diǎn)、不同快慢車開行比例及不同共線交路開行比例對(duì)線路通過(guò)能力的影響規(guī)律和不同運(yùn)營(yíng)方案條件下的線路最大通過(guò)能力。

1 廣州市域快軌18號(hào)線和22號(hào)線開行方案

1.1 線路概況

廣州市域快軌18號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“18號(hào)線”)與22號(hào)線(見圖1)串聯(lián)南沙副中心、花都、白云及廣州中心區(qū)，實(shí)現(xiàn)廣州中心區(qū)與南沙副中心、白云城市中心、花都城區(qū)及白云機(jī)場(chǎng)的快速軌道交通聯(lián)系。兩線打通廣州南北走廊，快速連接萬(wàn)頃沙站、廣州南站、廣州東站、白鵝潭站、白云站、白云機(jī)場(chǎng)站等主要交通樞紐，實(shí)現(xiàn)南沙新區(qū)至廣州東站及廣州南站30 min，以及南沙新區(qū)至白云機(jī)場(chǎng)45 min通達(dá)的時(shí)空目標(biāo)。

兩線設(shè)計(jì)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(yùn)營(yíng)模式。此外，兩線為互聯(lián)互通設(shè)計(jì)，在線路南段有3個(gè)共線車站：萬(wàn)頃沙站、橫瀝站、番禺廣場(chǎng)站。白云區(qū)段的白云城市中心站和空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站亦具備跨線運(yùn)營(yíng)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(hào)線和22號(hào)線考慮兩種運(yùn)營(yíng)模式：獨(dú)立運(yùn)營(yíng)和共線運(yùn)營(yíng)。本文重點(diǎn)研究不同運(yùn)營(yíng)模式下不同列車開行數(shù)量以及快慢車開行比例對(duì)通過(guò)能力的影響。

獨(dú)立運(yùn)營(yíng)模式為：18號(hào)線開行萬(wàn)頃沙站—廣州東站—天貴站的獨(dú)立交路，22號(hào)線開行番禺廣場(chǎng)站—廣州南站—白云機(jī)場(chǎng)站的獨(dú)立交路(見圖2)。共線運(yùn)營(yíng)模式為：開行萬(wàn)頃沙站—廣州東站—天貴站和萬(wàn)頃沙站—廣州南站—白云機(jī)場(chǎng)站兩個(gè)交路(Y型交路)，在萬(wàn)頃沙站—番禺廣場(chǎng)站區(qū)段共線運(yùn)營(yíng)(見圖2)。

2 線路通過(guò)能力計(jì)算仿真方案

2.1 線路通過(guò)能力的分析方法

根據(jù)列車的運(yùn)行方式，將列車運(yùn)行圖分為平行運(yùn)行圖和非平行運(yùn)行圖。對(duì)于站站停列車的平行運(yùn)行圖，其通過(guò)能力的計(jì)算公式為：

n=3 600/T周

(1)

式中：

n——線路小時(shí)通過(guò)能力,列/h;

T周——運(yùn)行圖周期，s。

對(duì)于非平行運(yùn)行圖，由于列車的停站方式不同導(dǎo)致區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分不同，它的通過(guò)能力需要根據(jù)列車的越行方案和快慢車開行比例單獨(dú)確定。相應(yīng)地，其運(yùn)行圖周期需要單獨(dú)確定,見圖3。

非平行運(yùn)行圖線路通過(guò)能力的計(jì)算方法：先確定單位時(shí)間內(nèi)可以鋪畫運(yùn)行周期的數(shù)量，然后乘以該類型運(yùn)行周期內(nèi)所包含的列車數(shù)。其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：

n周——1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)所包含的列車數(shù)，列。

非平行運(yùn)行圖線路通過(guò)能力的分析方法有扣除系數(shù)法、試驗(yàn)繪圖法及計(jì)算機(jī)仿真方法等。計(jì)算機(jī)仿真方法是通過(guò)模擬鋪畫給定開行方案條件下線路的最大通過(guò)能力運(yùn)行圖，可得到線路的最大通過(guò)能力。該方法具有精度高、運(yùn)算快等優(yōu)點(diǎn)。本方案采用TPM系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真方案的設(shè)計(jì)原則

結(jié)合18號(hào)線和22號(hào)線的開行方案和配線條件，通過(guò)計(jì)算以及考慮一定冗余，同向發(fā)車間隔時(shí)間I發(fā)發(fā)不小于140 s，同向到站與通過(guò)間隔時(shí)間I到通不小于90 s，同向通過(guò)與發(fā)車間隔時(shí)間I通發(fā)不小于35 s。快車僅在限定的車站越行慢車，18號(hào)線的限定車站為南村萬(wàn)博站、沙溪站、石榴崗站、琶州西區(qū)站和白云城市中心站，22號(hào)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(diǎn)對(duì)線路通過(guò)能力的影響；②分析不同越行次數(shù)對(duì)線路通過(guò)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(duì)線路通過(guò)能力的影響。

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

2.3 仿真方案設(shè)計(jì)

本次研究主要仿真3種運(yùn)營(yíng)模式，共16個(gè)方案，見表1。

3 線路通過(guò)能力仿真結(jié)果分析

基于TPM系統(tǒng)，對(duì)上述方案中的最大線路通過(guò)能力進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果見表2。方案3-2的線路通過(guò)能力仿真運(yùn)行圖見圖4。

表1 18號(hào)線與22號(hào)線運(yùn)營(yíng)方案表

表2 18號(hào)線與22號(hào)線運(yùn)營(yíng)方案線路通過(guò)能力匯總

3.1 18號(hào)線獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)的線路通過(guò)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(duì)應(yīng)的線路最大通過(guò)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(shí)的線路通過(guò)能力為12.41列/h。不難發(fā)現(xiàn)，在單列慢車被越行1次時(shí)，快慢車開行比例越大，線路通過(guò)能力越大。而在快慢車開行比例均為1∶1時(shí)，單列慢車被越行2次的通過(guò)能力(12.41列/h)大于被越行1次的通過(guò)能力(11.43列/h)。

3.2 22號(hào)線獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)的線路通過(guò)能力分析

在單列慢車被越行1次時(shí)，快慢車開行比例為1∶1、1∶2對(duì)應(yīng)的線路最大通過(guò)能力分別為15.00列/h、17.85列/h；單列慢車被越行2次時(shí)，快慢車開行比例為2∶1時(shí)的線路通過(guò)能力為15.88列/h。不難發(fā)現(xiàn)，在單列慢車被越行1次時(shí)，快慢車開行比例越大，線路通過(guò)能力越大。

3.3 兩線共線運(yùn)營(yíng)時(shí)的線路通過(guò)能力分析

列車在共線區(qū)段時(shí)，快慢車停站方式均相同，18號(hào)線和22號(hào)線的列車到達(dá)番禺廣場(chǎng)站的間隔越均勻，相應(yīng)的線路通過(guò)能力越大。兩交路開行比例不同時(shí)，越行的地點(diǎn)會(huì)有所變化，且非共線段的均衡性亦有較大差異。當(dāng)18號(hào)線快慢車開行比例為1∶1(琶洲西區(qū)站為越行站)、22號(hào)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(shí)，共線段線路通過(guò)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(jié)論：

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

2) 快慢車開行比例相同時(shí)，隨著單列慢車被越行次數(shù)增加，線路通過(guò)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(diǎn)與方案1-4、1-5相同，但線路通過(guò)能力明顯增加。因此，可以考慮在快慢車運(yùn)行的線路上通過(guò)增加慢車被越行次數(shù)來(lái)增加線路通過(guò)能力。但慢車被越行的次數(shù)不能過(guò)多，否則慢車旅行速度會(huì)明顯降低，從而降低了乘客服務(wù)水平，同時(shí)其線路通過(guò)能力的增長(zhǎng)亦較為有限。

3) 獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)，受快慢車運(yùn)行速度差的影響，18號(hào)線列車進(jìn)入共線段(番禺廣場(chǎng)站—萬(wàn)頃沙站)的間隔時(shí)間被延長(zhǎng)，導(dǎo)致共線段能力利用率較低。共線運(yùn)營(yíng)時(shí)，由于共線段的列車由18號(hào)線和22號(hào)線兩條線匯入(出)，可以充分利用獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)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(yùn)營(yíng)時(shí)，非共線段的能力利用率較低，平均服務(wù)間隔較大。可根據(jù)實(shí)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(wù)水平。但小交路開行需要重點(diǎn)考慮快慢車的越行地點(diǎn)選擇和折返站能力的適應(yīng)性等問(wèn)題。

上述計(jì)算結(jié)果為不考慮列車延誤情況下所得到的線路通過(guò)能力理論值。為了提高運(yùn)營(yíng)的安全可靠性，應(yīng)對(duì)客流需求動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)考慮到列車延誤等特殊情況，實(shí)際運(yùn)營(yíng)需要留有一定的能力冗余。

4 結(jié)語(yǔ)

市域快軌是我國(guó)未來(lái)交通發(fā)展的重點(diǎn)。針對(duì)多線共線運(yùn)營(yíng)、快慢車組合開行方案的理論仍有待進(jìn)一步完善。本文探討了越行地點(diǎn)和越行次數(shù)、快慢車開行比例、共線交路的開行比例等因素對(duì)于線路通過(guò)能力的影響。并基于計(jì)算機(jī)仿真方法，以廣州市域快軌18號(hào)線和22號(hào)線為例，得到了不同運(yùn)營(yíng)方案條件下的線路最大通過(guò)能力。相對(duì)于傳統(tǒng)站站停模式，快慢車開行對(duì)于線路最大通過(guò)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(guò)能力要求的條件下，選擇合理的開行方案是運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)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(yōu)化與能力評(píng)估提供參考。