城市軌道交通網(wǎng)絡行車服務功能需求分析研究

賈文崢，廖理明，劉 悅 ，馮旭杰

JIA Wenzheng1，LIAO Liming2，LIU Yue1，F(xiàn)ENG Xujie1

（1.交通運輸部科學研究院 城市公共交通智能化交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100029；

2.成都軌道交通集團有限公司 運營公司，四川 成都 610051)

(1. Key Laboratory of Advanced Public Transportation Science, China Academy of Transportation Sciences, Beijing 100029, China； 2. Operation Company of Chengdu Rail Transit Group Co., Ltd., Chengdu 610051, Sichuan, China)

城市軌道交通網(wǎng)絡化運營管理的理論方法、標準規(guī)范及工程實施的研究,主要表現(xiàn)在互聯(lián)互通、資源共享、運營績效、線網(wǎng)調度指揮及綜合應急管理等多方面,網(wǎng)絡行車組織在運力配置、網(wǎng)絡時刻表編制、大客流應對及突發(fā)事件應急指揮等方面也表現(xiàn)出不適應情況。與單線行車組織相比,網(wǎng)絡條件下行車服務對跨線運營、共線運營、網(wǎng)絡時刻表管理、市郊線路與中心城區(qū)線路運能匹配及運營服務可靠度等提出更高要求,需要運營需求體系和相關標準指導工程實施,更好服務乘客出行。因此,需要深入針對城市軌道交通網(wǎng)絡行車服務功能需求進行分析,為城市軌道網(wǎng)絡化運營提供研究支撐。

1 城市軌道交通網(wǎng)絡行車服務概述

1.1 網(wǎng)絡行車服務

一般而言,城市軌道交通車站通常不設置側線,單線行車組織采用列車追蹤運行方式,如果不明確網(wǎng)絡行車服務需求,在形成網(wǎng)絡后行車服務仍然是單線模式,線路之間換乘銜接不暢,無法實現(xiàn)列車跨線運營或快慢車運營,影響服務水平。因此,按照是否制定網(wǎng)絡運營功能需求并依據(jù)需求指導規(guī)劃設計,可以分為單線疊加型網(wǎng)絡和需求指導型網(wǎng)絡。

（1）單線疊加型網(wǎng)絡。單線疊加型網(wǎng)絡是按照單線進行設計和建設,逐漸疊加形成網(wǎng)絡,依賴節(jié)點換乘,一定規(guī)模時建設網(wǎng)絡層面的運營協(xié)調指揮機構或信息平臺,行車組織仍然為單線模式,可能造成線路間運能匹配或換乘等問題,線路間車輛、限界、設備系統(tǒng)標準及作業(yè)規(guī)程等存在差異,不同線路間行車組織關聯(lián)性較弱,本質是單線運營模式下的線網(wǎng)協(xié)調指揮。

（2）需求指導型網(wǎng)絡。需求指導型網(wǎng)絡是將網(wǎng)絡化工程作為一項單獨工程進行運營功能設計,確定跨線運營、靈活交路等行車服務需求,建立網(wǎng)絡化建設和運營標準,實現(xiàn)網(wǎng)絡行車服務集中指揮和靈活運營組織。應名洪提出應重視城市軌道交通網(wǎng)絡化管理的頂層架構設計[1],明確運營需求功能,在設計、制造、施工和驗收階段檢查功能實現(xiàn)情況,通過實施過程管理落實運營需求,實現(xiàn)網(wǎng)絡行車服務目標。

1.2 存在問題

國內城市軌道交通網(wǎng)絡普遍為單線疊加型網(wǎng)絡,在網(wǎng)絡行車服務方面面臨諸多需求和突出問題,表現(xiàn)在運能與運量匹配欠佳,運能不足和浪費現(xiàn)象并存,運能配置缺乏靈活性影響乘客出行體驗等方面。部分線路運能不足、線路間運能不匹配不協(xié)調,車輛、配線等不具備靈活配置運能的條件,線路運能提升受限,單點故障對行車服務影響較大,通過運營管理手段進行應對和優(yōu)化空間不足。

網(wǎng)絡行車服務與復雜客流需求的適應性值得關注。遠期客流需求具有不確定性,適應長期或不斷變化的服務需求是一項難題,有可能導致運能不足,也可能造成運能浪費。白廣爭[2]通過闡述網(wǎng)絡化行車組織優(yōu)化的相關理論,針對客流需求復雜性,對線路行車組織多樣化問題展開分析,對大小交路運營組織方案進行了研究。局部大客流風險是目前城市軌道交通網(wǎng)絡化運營面臨的突出問題,單線運能不足造成進站客流聚集,由于不具備列車跨線運營條件,需要通過節(jié)點換乘實現(xiàn)客流在不同線路間的移動,2條線路運能不匹配極易造成換乘客流聚集。通過調整單線列車運行交路、列車行車間隔等措施均不能有效緩解,行車組織靈活性不足。魯放[3]提出了城市軌道交通網(wǎng)絡系統(tǒng)運輸效率理論框架,根據(jù)系統(tǒng)能力供給和乘客出行需求,給出了網(wǎng)絡運輸效率優(yōu)化策略和方法。另外,可靠性、安全性和可恢復能力也是行車組織管理的重點問題。

2 城市軌道交通網(wǎng)絡行車服務功能需求分析

城市軌道交通網(wǎng)絡化運營本質是以乘客服務為導向,為乘客出行提供安全、可靠、便捷的出行服務,同時兼顧企業(yè)運營效益,而行車服務是網(wǎng)絡化運營的核心,行車服務功能需求主要包括優(yōu)化乘客出行服務和保障企業(yè)效益2方面,城市軌道交通線網(wǎng)行車服務功能需求框架如圖1所示。

乘客出行服務需求主要包括安全、便捷和可靠,企業(yè)效益需求主要包括經(jīng)濟可持續(xù)性,根據(jù)每項具體需求,又可以分為脆弱性、匹配性、安全性、靈活性、可靠度和互用性6方面需求。

圖1 城市軌道交通線網(wǎng)行車服務功能需求框架Fig.1 Functional requirement framework of train operation for urban rail transit network

（1）脆弱性。脆弱性是指線網(wǎng)中可能對行車能力或行車安全造成危害的薄弱環(huán)節(jié),描述線網(wǎng)固有缺陷或薄弱環(huán)節(jié)及其承受干擾的能力。城市軌道交通系統(tǒng)脆弱性研究是線網(wǎng)行車安全的理論基礎。韓豫等[4]對基于脆弱性的城市軌道交通運營安全理論框架進行了研究,從干擾、暴露和脆弱性3方面分析了運營安全事故機理,提出改善系統(tǒng)脆弱性是預防運營安全事故的關鍵。程悅等[5]對大客流擾動下的地鐵脆弱性進行了探究,構建了地鐵脆弱性評價指標體系。行車服務功能脆弱性分析是指線路、車站等基礎設施以及車輛、供電、信號等系統(tǒng)設備和保障行車服務的人員等對行車服務功能構成的本質缺陷,出現(xiàn)一個或多個非正常情形時將導致不安全事件發(fā)生。脆弱性分析是消除行車服務本質缺陷的過程。

（2）匹配性。匹配性是指行車運能配置滿足多樣化客流需求的能力,包括單線運能與客流匹配、換乘線路間運能匹配及網(wǎng)絡換乘站時刻表匹配3方面。單線運能與客流匹配須解決大小交路、混合交路設置及上下行客流不均衡運輸?shù)刃枨?還應考慮未來進站量、出站量和換乘量最大可能情況下車站能力匹配性。換乘線路間運能匹配是指單位時間內換入本線的客流應能滿足設計運能,避免通道過度擁擠發(fā)生大客流風險,或站臺過度擁擠導致列車無法按預定時間開關車門,造成列車停站延誤。時刻表匹配是各線路時刻表在換乘站的時間匹配,包括首末班時間及換乘接續(xù)時間等。主要影響因素包括車站規(guī)模、站臺長度、站臺寬度、列車編組、車型選擇和換乘條件等。

（3）安全性。安全性是保障行車服務不發(fā)生導致人員傷亡或財產(chǎn)損失等行車事件或事故的性能。行車服務安全性通過功能安全、作業(yè)安全和系統(tǒng)安全3方面來實現(xiàn)。功能安全是指線路、車輛、供電、信號等行車服務設備設施的安全性要求,在系統(tǒng)設計過程中為避免損害而設置的功能,從設計、建造到運行維護全過程可以審查和測試。作業(yè)安全是對行車作業(yè)的安全保障措施,如進出站、出入段、調車作業(yè)、折返作業(yè)等,通過規(guī)章制度和正確操作保障安全作業(yè)。系統(tǒng)安全是指建立明確的系統(tǒng)安全管理體系,確保安全體系被正確、完整執(zhí)行,安全承諾與行動符合一致性要求。

（4）靈活性。靈活性是指行車服務可以適應復雜客流需求和應急調度指揮的能力,通過配線設計等實現(xiàn)多種交路方式的行車組織。線路單日實際客流分布根據(jù)時段不同可能呈現(xiàn)啞鈴形、紡錘形或駝峰形等形態(tài),單一交路、大小交路通常不能很好適應多變的客流需求,導致部分斷面列車滿載率過高,也可能因為列車滿載率過低。條件允許情況下通過在存車線合理安排臨時列車上線等方式,可以實現(xiàn)更短行車間隔,緩解斷面客流過度擁擠。對于較長線路,通過合理設置雙列位存車線,在非正?；驊鼻闆r下,可以臨時存放救援列車,避免列車沿正線長距離運行回庫造成運能浪費。靈活性高度依賴線路和車站設計,沈景炎[6]對城市軌道交通車站配線的類型和功能進行了研究。當系統(tǒng)建成后,受地下空間、土地資源及成本等因素影響,為提高靈活性對車站配線進行改造的代價巨大或不具備條件。

（5）可靠度。可靠度是指發(fā)生一次5 min晚點之間的平均行車里程,通常稱為列車服務可靠度,是衡量行車服務水平的一項重要指標。蔡昌俊[7]以廣州地鐵為例詳細分析了運營可靠度的設計、分配與實現(xiàn)方法,唐壽成等[8]探討了城市軌道交通行車效率問題。實現(xiàn)良好可靠度取決于設施設備可靠性和突發(fā)事件時運行調整等因素,前者主要通過設計、制造和運營維護實現(xiàn),后者高度依賴匹配性和靈活性。單線行車晚點導致客流在站臺或通道聚集時,匹配性決定了另外一條線路經(jīng)過該站的列車是否會發(fā)生站臺或通道擁擠,造成列車晚點傳播。靈活性為及時有效的行車服務救援提供可能,確保短時間內提供列車上線運行,降低列車晚點影響?？煽慷仁强梢栽O計和分配的,根據(jù)線路功能差異設計不同的可靠度指標；指標高低影響成本投入,高可靠度意味著需要在設施設備可靠性以及線網(wǎng)匹配性和靈活性設計方面進行更多投入。

（6）互用性?；ビ眯允侵笧樾熊嚪仗峁┍Ｕ系脑O施設備可以滿足在網(wǎng)絡不同線路間互用和互操作的程度,互用性是實現(xiàn)跨線運營等網(wǎng)絡行車組織的基礎條件?；ビ眯酝ㄟ^設施設備技術指標、接口和維護標準化來實現(xiàn),設施主要包括線路、車站和站臺等,供不同編組列車行駛和?？浚辉O備主要包括車輛、供電、通信和信號及檢修工器具等,保障列車具備在多條線路運行的條件。互用性越高,表明網(wǎng)絡設施設備越符合統(tǒng)一的技術標準,列車附屬某條線路的關系弱化,可根據(jù)網(wǎng)絡需要靈活運用。互用性為最優(yōu)化網(wǎng)絡資源配置提供了可能,可以從網(wǎng)絡層面進行精準運能分配,避免某條線路運能充分卻無法與運能不足線路進行資源互用?；ビ眯詾閮?yōu)化人力資源配置和規(guī)范行車服務成本定額創(chuàng)造了條件,列車駕駛員、行車調度人員及設備維檢修人員等可以從網(wǎng)絡層面綜合配置,為標準化資產(chǎn)管理和制定標準成本定額創(chuàng)造條件?；ビ眯钥梢酝ㄟ^網(wǎng)絡化工程設計來實現(xiàn),通過明確設施設備和人員互用性要求,制定相關技術標準,作為線路規(guī)劃設計、建設和接入網(wǎng)絡的基本要求。

3 案例分析

以成都地鐵線網(wǎng)為例,如圖2所示,1號線是南北方向骨干線,可換乘2號、3號、4號和7號線,在火車南站和火車北站與7號線換乘。1號線分三期建設,一期工程升仙湖站位于線路最北端,與車輛段連接,三期工程往北新建韋家碾站。下文以線網(wǎng)運營表現(xiàn)和改造情況為例,分析網(wǎng)絡行車服務功能需求問題。

圖2 成都地鐵線網(wǎng)圖Fig.2 Map of Chengdu metro network

（1）在脆弱性方面,主要表現(xiàn)在設計缺陷導致故障情況下行車作業(yè)缺乏調整空間,造成列車晚點,特別是折返站或連接車輛段的關鍵道岔設計等。地鐵1號線升仙湖站配線如圖3所示,出入段作業(yè)和折返作業(yè)需要使用相同道岔,2017年9月某日,該道岔發(fā)生失表故障,造成小交路折返1列,晚點2列,最大晚點7 min 10 s,啟用備用車1列。受線路條件和升仙湖站周邊開發(fā)等因素影響,升仙湖站不具備配線施工改造條件。為解決該問題,從升仙湖站往北新建一座韋家碾站,作為線路三期工程,車站配線設置為站前單渡線和站后交叉渡線,地鐵1號線韋家碾站配線圖如圖4所示。改造前,該道岔轉動次數(shù)520余次/d,道岔故障致列車晚點平均約8 min；改造后,道岔轉動次數(shù)60余次/d,道岔故障極小造成列車晚點。

圖3 地鐵1號線升仙湖站配線圖Fig.3 Layout drawing of Shengxianhu station on metro line 1

（2）在匹配性方面,主要表現(xiàn)在新線開通與既有線換乘站客流不匹配,站臺大客流擁擠導致列車停站時間延長,尤其是高峰時段行車能力明顯下降,不得不進行車站擴容改造?；疖嚹险緸?號線和7號線換乘站,7號線開通后大量乘客在火車南站換乘前往世紀城方向,造成火車南站換乘通道及1號線站臺大客流聚集,1號線早晚高峰時段往世紀城方向列車停站時間由計劃的36 s延長到平均55 s,1號線高峰小時能力平均下降約1 500人次。為緩解大客流問題,對1號線站臺進行改造,拆除站臺直梯、屏蔽門控制室、扶梯三角間和部分裝飾立柱等,增加有效候車面積100余m2,改造站廳和換乘通道等,站停時間壓縮到50 s。

圖4 地鐵1號線韋家碾站配線圖Fig.4 Layout drawing of Weijianian station on metro line 1

（3）在安全性方面,主要表現(xiàn)在設備故障影響行車作業(yè)時,尤其是關鍵道岔故障搶修作業(yè),需人工辦理進路,存在人員傷亡及擠岔、脫軌等安全隱患,軌行區(qū)搶修施工易造成作業(yè)人員意外傷害。1號線升仙湖站道岔施工改造前,2017年發(fā)生道岔故障5次,人工辦理行車進路2次,改造后2018年發(fā)生道岔故障1次,未發(fā)生人工辦理進路情況,關鍵道岔故障顯著減少,提升了現(xiàn)場作業(yè)安全性,降低了行車安全風險。

（4）在靈活性方面,主要表現(xiàn)在針對大客流斷面加密車次的靈活行車組織、減少夜間收車空駛耗能以及故障情況下靈活行車調整等情況,尤其表現(xiàn)在關鍵道岔、存車線和折返線的前期布置。針對1/2/3/7/10號線大客流斷面需加密車次、減少夜間收車空駛耗能及彌補車輛段列位不足等問題,要求部分車站具有存車線或折返線,提前在線路上停放列車或收車后用于存放列車。另外,1號線韋家碾站改造后,可靈活采用站后或站前折返,避免因單點故障影響折返和行車作業(yè)。

（5）在可靠度方面,主要表現(xiàn)在盡量減少故障對列車晚點的影響,尤其是關鍵道岔故障。1號線一期工程升仙湖站道岔故障對可靠度影響較大,三期工程建成后,道岔故障明顯降低,1號線列車服務可靠度由2017年的425.5萬車·km/次提高到2018年429.3萬車·km /次。

（6）在互用性方面,主要表現(xiàn)在車輛大架修基地資源互用以及實施車輛設計標準化等方面,節(jié)約車輛運用及維修成本。2號線車輛大架修基地改建為1/2/3/4號線共用,每年車輛維修能力從300輛提高到600輛,大大節(jié)約了人力、用地和建設費用。目前正在制定車輛設計標準化和跨線運營等行車服務需求,增強網(wǎng)絡行車服務互用性。

綜上分析表明,對需求指導型網(wǎng)絡的行車服務功能,從6個方面進行規(guī)范是有效的。脆弱性方面應規(guī)范重點車站道岔設計；匹配性方面應規(guī)范線路運能與客流匹配以及換乘站客流匹配；安全性方面應規(guī)范軌行區(qū)搶修作業(yè)安全保障；靈活性方面應規(guī)范存車線、折返線功能設計；可靠度方面應規(guī)范運營可靠度分配；互用性方面應規(guī)范車輛、線路和綜合維修基地互用,全面保障網(wǎng)絡行車服務功能。

4 結束語

單線疊加型城市軌道交通網(wǎng)絡由于缺乏線路換乘、車輛和線路等基礎設施互用方面的統(tǒng)一需求,網(wǎng)絡建成后在行車服務功能方面存在一定缺陷,需求指導型網(wǎng)絡從脆弱性、匹配性、安全性、靈活性、可靠度和互用性6個方面進行功能需求分析,可以較好解決這一問題。城市軌道交通網(wǎng)絡行車服務功能需求是落實規(guī)劃建設為運營,運營服務為乘客的有效手段,為我國城市軌道交通運營可持續(xù)發(fā)展提供支撐[9]。