廣州金融城有軌電車與無軌電車的系統(tǒng)運(yùn)能分析

蔡涵哲

廣州金融城有軌電車與無軌電車的系統(tǒng)運(yùn)能分析

蔡涵哲

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，510010，廣州//工程師）

現(xiàn)代有軌電車和儲能式無軌電車都屬于節(jié)能環(huán)保的新型城市公共交通。以廣州都會區(qū)規(guī)劃的金融城線為例，對半專用路權(quán)下有軌電車和無軌電車的運(yùn)營組織和運(yùn)能進(jìn)行了分析。其中，著重分析了二者的路口通行能力和車站通行能力。分析結(jié)果表明：在半專用路權(quán)條件下，路口通行能力是系統(tǒng)運(yùn)能的瓶頸；在提供同樣運(yùn)能服務(wù)水平的條件下，無軌電車所占用的路口通行相位時長比例低于有軌電車，無軌電車在車站段占用的道路寬度大于有軌電車。二者各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇。

有軌電車；無軌電車；路口通行能力；車站通行能力

AbstractTramway and trolleybus with energy storage system are new types of urban public transport featuring energysaving and environmental protection.Taking the planned transit lines in Guangzhou Financial Center as an example,the traffic organization and capacities of tramway and trolleybus in semi-exclusive right-of-way are analyzed and compared,including their intersection capacities and station capacities.The results show that in semi-exclusive right-of-way condition,the intersection capacity is the bottleneck of two systems.Providing a condition of same capacity，the occupying ratio of trolleybus in the intersection traffic light is lower than that of tramway system,while the trolleybus occupied road width in the range of the station is greater than that of the tramway system.So，the selection of traffic model shall fully consider their advantages and disadvantages.

Key wordstramway； trolleybus； intersection capacity； station capacity

Author′s addressGuangzhou Metro Design Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

近年來我國現(xiàn)代有軌電車發(fā)展迅速，儲能式無軌電車也在興起。兩者雖均為節(jié)能環(huán)保的新型城市公共交通，但在車輛系統(tǒng)、運(yùn)營組織、對路面影響及工程投資等方面都有區(qū)別。

在系統(tǒng)運(yùn)輸能力研究方面，文獻(xiàn)［1］對有軌電車路權(quán)分類、車道布置形式、交叉路口交通組織方式進(jìn)行了分析，研究了制約有軌電車運(yùn)營效率的重要因素。文獻(xiàn)［2］對有軌電車的運(yùn)營模式、運(yùn)能及服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了研究，提出系統(tǒng)運(yùn)能由車輛定員和路口、車站、配線等因素作用下的最小通過能力決定。文獻(xiàn)［3］提出了確定有軌電車列控方式的原則和影響因素。

儲能式無軌電車車身較短，發(fā)車間隔較密，運(yùn)營組織與常規(guī)公交類似，故其運(yùn)能分析可參考我國的《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》及美國《交通工程手冊》等。本文以廣州都會區(qū)規(guī)劃的金融城線（以下簡稱“金融城線”）為例，模擬計算兩系統(tǒng)在相同條件下的運(yùn)能。

金融城線位于廣州天河區(qū)與黃埔區(qū)，途經(jīng)天河區(qū)珠江新城CBD（中央商務(wù)區(qū)）核心區(qū)、廣州國際金融城、黃埔中心區(qū)的魚珠臨港商務(wù)區(qū)等。線路全長約為13.3 km，其中地面線長度約為11.0 km。全線共設(shè)置18座車站。預(yù)測遠(yuǎn)期高峰最大客流斷面約0.68 萬人次/h［4］。

1 電車系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)代有軌電車

目前，國內(nèi)已有多個城市建設(shè)和運(yùn)營現(xiàn)代有軌電車。如供貨廠商不同，則具體車輛參數(shù)也不同。本文以廣州海珠環(huán)島有軌電車工程（已運(yùn)營）所采用的車型為例進(jìn)行研究。根據(jù)預(yù)測客流，建議遠(yuǎn)期選用8模塊編組。列車長約72 m，座位數(shù)約為135～146個，定員約為532人（按5人/m2站立標(biāo)準(zhǔn)計）。

1.2 儲能式無軌電車

儲能式無軌電車?yán)谜九_電力線為車輛充電，可用超級電容器作為能量存儲設(shè)備，屬于節(jié)能環(huán)保的綠色城市公共交通裝備，目前裝配了超級電容組的儲能式無軌電車已在浙江寧波下線。本文以寧波市鄞州區(qū)無軌電車工程（已運(yùn)營）所采用的車型為例進(jìn)行研究。根據(jù)本線預(yù)測客流，建議遠(yuǎn)期選用18 m長車輛，座位數(shù)為31～40個，定員約111人（按5人/m2站立標(biāo)準(zhǔn)計）。

2 運(yùn)營組織與運(yùn)能

2.1 路權(quán)形式與運(yùn)營組織

路權(quán)形式有專用路權(quán)、半專用路權(quán)與共享路權(quán)三種。金融城線服務(wù)于城市中心地區(qū)，以地面線為主，如采用專用路權(quán)，則線路土建成本較高，且對既有道路交通隔斷較嚴(yán)重；如采用共享路權(quán)，則電車易受前后車輛影響，降低旅行速度，且運(yùn)營安全性和乘客舒適度相對較低。因此，金融城線應(yīng)采用區(qū)間專用、路口共享的半專用路權(quán)形式。

有軌電車方案的列車容量大，行車間隔較為均衡，但乘客平均候車時間相對較長；無軌電車方案的運(yùn)營組織相對靈活，高峰小時行車間隔較密，但在路口常出現(xiàn)多車排隊的現(xiàn)象。

2.2 有軌電車系統(tǒng)運(yùn)能

2.2.1 路口通行能力

有軌電車路口通行能力受路口尺寸、路口信號周期及有軌電車相位時長等因素影響。由于有軌電車行車密度較低，行車間隔較為均衡，故按照1個路口信號周期通過單方向1列列車計算，則1 h內(nèi)的有軌電車開行對數(shù) =3 600 s/（信號周期×2）。

路口信號周期與有軌電車通過路口所需的相位時長緊密相關(guān)。

以花城大道與華夏路平交路口為例進(jìn)行研究。此路段為半專用路權(quán)；兩條道路為城市主干道，且均為雙向六車道。金融城線沿花城大道東西向直行通過該路口。路口長度為60 m。有軌電車為人工駕駛模式。

根據(jù)道路設(shè)計規(guī)范，平面交叉口內(nèi)的設(shè)計速度一般為路段設(shè)計速度的50%～70%［5］。我國現(xiàn)運(yùn)營的有軌電車路口限速基本為20 km/h。故本文以20 km/h作為路口限速，模擬計算8模塊有軌電車通過該路口所需的相位時長。

（1）模擬工況1：列車在路口前停車等待通過信號。列車起動加速至20 km/h，出清路口共行駛132 m，耗時26 s。司機(jī)起動列車的反應(yīng)時間取5 s，平交路口出清車輛及行人耗時取5 s。故相位時長取36 s。

（2）模擬工況2：列車在進(jìn)入路口前降速至20 km/h，然后勻速通過路口。降速和勻速過程共行駛252 m，耗時35 s；平交路口出清車輛及行人耗時取5 s。則相位時長取40 s。

綜合兩種情況，取所需相位時間最大值，則該路口有軌電車通行相位時長為40 s。因此，半專用路權(quán)下人工駕駛有軌電車通過路口的各種情況見表1。

表1 半專用路權(quán)下人工駕駛有軌電車路口通行情況

由表1可見，在有軌電車通行相位時長一定的條件下，開行對數(shù)越高，所需路口信號周期越小，對路面其他交通方式的影響就越大。

2.2.2 車站通行能力

車站通行能力包括中間站通過能力和終點(diǎn)站折返能力。通常終點(diǎn)站折返能力較小，使車站通行能力受限。金融城線終點(diǎn)站魚珠站為側(cè)式站臺，該站站后所設(shè)交叉渡線使用6號道岔，列車側(cè)向過岔限速為15 km/h。魚珠站的列車折返如圖1所示。

圖1 有軌電車魚珠站折返示意圖

列車從正線進(jìn)入上行站臺停車，走行距離為113 m，走行時間為23 s。列車從上行站臺起動至進(jìn)入折返線2股道停車，走行時間為33 s。列車從折返線2股道起動至進(jìn)入下行站臺停車，走行時間為28 s。列車從下行站臺起動至出清站臺區(qū)域，走行時間為20 s。停站時間為35 s；車輛換端作業(yè)用時40 s；進(jìn)路排列時間為13 s；司機(jī)起動列車反應(yīng)時間為5 s。有軌電車終點(diǎn)站折返能力計算如圖2所示。

車站折返能力受站后咽喉能力的制約。根據(jù)計算，連續(xù)折返2列列車的最小時間間隔為124 s，折返能力為29對/h。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，車輛的換端作業(yè)時間較長是影響有軌電車站后折返能力的主要因素。若采用站前折返模式，在列車停站上下客時同步進(jìn)行車輛的換端作業(yè)，則車站的折返能力可進(jìn)一步提高。

圖2 有軌電車終點(diǎn)站折返能力計算示意圖

2.2.3 系統(tǒng)運(yùn)能

有軌電車車站通行能力較為充足，而路口通行能力由于受信號周期的制約，成為整個系統(tǒng)運(yùn)能的瓶頸。根據(jù)預(yù)測客流，建議金融城線遠(yuǎn)期高峰時段開行列車15對/h（典型路口的信號周期取120 s，其中有軌電車通行相位時長取40 s）。此時，系統(tǒng)單向斷面運(yùn)能為0.8萬人次/h，能較好地滿足客流需求。

2.3 無軌電車系統(tǒng)運(yùn)能

相對于大編組有軌電車而言，無軌電車定員較小，故在客流量較大區(qū)段可組織多條無軌電車線共線運(yùn)營，以提高該區(qū)段的行車密度，進(jìn)而提升運(yùn)能。

2.3.1 路口通行能力

無軌電車路口通行能力同樣受路口尺寸、路口信號周期與無軌電車相位時長等因素的影響。由于無軌電車車身短，行車密度高，故路口常出現(xiàn)多車排隊現(xiàn)象，具備在1個信號周期內(nèi)通過多列車的條件。無軌電車通過路口示意圖見圖3。

圖3 無軌電車通過路口示意圖

當(dāng)2列同向行駛的電車制動時，電車在追蹤運(yùn)行時所需要的安全間距可表示為［6］：

式中：

v——車輛過路口速度；

t延——行駛中后車的制動延后時間，取2 s；S?！熊嚦Ｒ?guī)制動時的行駛距離；

S緊——列車緊急制動時的行駛距離；

L停——2列電車制動停車后的距離。

n列列車通過路口所需相位時長tn可為：

式中：

tn——n列車通過路口所需相位時長；

t反——為司機(jī)起動列車的反應(yīng)時間；

t加——列車加速的時間；

S加——列車加速運(yùn)行距離；

L車——列車車長；

t清——道路車輛清空時間。

無軌電車路口通行能力可表示如下：

式中：

C——路口通過能力，列/h；

λ——無軌電車有效通行時間比；

φ——折減系數(shù)，參考道路設(shè)計規(guī)范，可取0.9。

以花城大道與華夏路平交路口為例，v=30 km/h，S路=60 m，計算可得：L安=26 m，t1=22 s，t2=28 s，t3=33 s，t4=38 s。

為與有軌電車比較，路口信號周期取120 s，tn取 40 s，n=4，λ =1/3，則計算可得 C=108 列/h。

2.3.2 車站通行能力

國內(nèi)外對公交車站通行能力的研究已較成熟。美國《交通工程手冊》中公交車站?？磕芰椋海?］

式中：

Cb——車站?？磕芰?，列/h；

D——停站時間，s；

tc——起停附加時間，s；

R——折減因子，通常取0.833。

當(dāng)1個?？空居卸鄠€停車泊位時，其停靠能力

式中：

Db——多泊位?？空镜耐？磕芰?，列/h；

i——同一站點(diǎn)的泊位個數(shù)；

Ki——站點(diǎn)利用系數(shù)； 當(dāng)i=1、2、3時，Ki分別等于 1.0、0.8、0.7。

為與有軌電車比較，D取35 s，λ取1/3，路段速度（車站開放空間限速）取20 km/h，則計算可得tc=3 s；站臺長80 m，可設(shè)置1～3個泊位，相應(yīng)的站臺?？磕芰Ψ謩e為 68列/h、109列/h、143列/h。

當(dāng)車站設(shè)置多個泊位時，通常設(shè)置停車道及錯車道，占用道路寬度較寬。應(yīng)根據(jù)各路段具體情況，盡量減少對現(xiàn)狀道路、周邊建筑及用地的影響，可設(shè)置不同形式站臺（如上下行方向錯開型站臺）。

2.3.3 系統(tǒng)運(yùn)能

無軌電車的車站通行能力受車站泊位數(shù)影響較大。故應(yīng)盡量設(shè)置多個泊位，以增大車站停靠能力。此時，無軌電車運(yùn)能主要受路口通行能力的制約。

根據(jù)預(yù)測客流，建議遠(yuǎn)期在客流量較大區(qū)段開行3條線路，在高峰時段開行列車72對/h（典型路口的信號周期取150 s，其中無軌電車通行相位時長取40 s，則1個信號周期內(nèi)單向可通過2～4列電車）。此時，系統(tǒng)單向斷面運(yùn)能為0.8萬人次/h，能較好地滿足預(yù)測客流需求。

2.4 對比分析

有軌電車系統(tǒng)和無軌電車系統(tǒng)的運(yùn)能均能滿足本線客流需求，二者情況比較如表2所示。路口通行能力是系統(tǒng)運(yùn)能的瓶頸。采用“綠燈遲啟”、“紅燈早斷”等措施，雖能有效提高路口通行能力，卻會加大對其他交通方式的影響。兩系統(tǒng)規(guī)劃的高峰時段運(yùn)行方案如圖4所示。

無軌電車由于開行密度較高，且過路口速度可高于有軌電車，因而在提供同樣運(yùn)能服務(wù)水平的條件下所占用的路口通行相位時長比例要低于有軌電車系統(tǒng)。為保證車站通行能力充足，無軌電車站臺需設(shè)置多個泊位，并設(shè)置停車道及錯車道，其占用道路寬度較寬。

表2 金融城線有軌電車和無軌電車系統(tǒng)對比

圖4 行車交路與系統(tǒng)運(yùn)能示意圖

3 結(jié)語

現(xiàn)代有軌電車近年來在國內(nèi)的發(fā)展較為迅速，儲能式無軌電車也于近期在寧波投入運(yùn)營，兩者都屬于節(jié)能環(huán)保的新型城市公共交通。本文以廣州都會區(qū)規(guī)劃的金融城線為例，對現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)和儲能式無軌電車系統(tǒng)的運(yùn)營組織和運(yùn)輸能力進(jìn)行了分析對比，為類似工程的系統(tǒng)選型提供參考。

［1］張華，付一娜，任俊利，等.現(xiàn)代有軌電車交叉口交通組織研究［J］.城市軌道交通研究，2014（11）：119-125．

［2］宋嘉雯．有軌電車運(yùn)營模式與運(yùn)輸能力研究［J］.都市快軌交通，2014，27（2）：108-112．

［3］高桂桂.現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.城市軌道交通研究，2015（1）：67-71.

［4］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.廣州市新型電車金融城線（五羊邨～魚珠）項目建議書［R］.廣州：廣州地鐵設(shè)計研究院，2015.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市道路工程設(shè)計規(guī)范：CJJ 37—2012［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：3-4．

［6］張衛(wèi)華.城市快速公交（BRT）專用道客運(yùn)能力探討［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2008，32（1）：118-121．

［7］李娜，陳學(xué)武.公交車中途停靠站?？磕芰霸O(shè)計站長計算初探［J］.土木工程學(xué)報，2003，36（7）：72-77.

［8］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.海珠區(qū)環(huán)島現(xiàn)代有軌電車試驗段工程初步設(shè)計［R］.廣州：廣州地鐵設(shè)計研究院，2013.

Capacity Analysis of Financial Center Tramway and Trolleybus in Guangzhou City

CAIHanzhe

U492.4+13：U482

10.16037/j.1007-869x.2017.09.016

2015-11-20）