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超级地铁系统 — —於岳亮
发布时间:2018-11-05 15:25:10阅读:收藏
摘要:超级地铁系统0.传统地铁的痛点世界上首条地下铁路系统是1863年英国开通的“伦敦大都会铁路?#20445;?#24403;时只能用蒸汽机车牵引,1906年伦敦市才采用电机驱动,成了当今地铁的雏型。经过一个多世纪的发展,今天的地铁轻轨已成为城市交通的主角、现代化大都市不可或缺的标配。地铁运量大、能效高、速度快、节能环保,且具有独立的路权,是城市地面交通?#29616;?#38459;塞后最理想的替代交通手段。成为我国大城市内交通的主?#19978;擼?#22320;铁织就一张立体快捷的交通网络,补充平面公交的不足,为人们的衣食住行提供最大的便捷。我国是当今全球地铁大国,上海北京地铁运...


超级地铁系统



0.  传统地铁的痛点


世界上首条地下铁路系统是1863年英国开通的“伦敦大都会铁路?#20445;?#24403;时只能用蒸汽机车牵引,1906年伦敦市才采用电机驱动,成了当今地铁的雏型。经过一个多世纪的发展,今天的地铁轻轨已成为城市交通的主角、现代化大都市不可或缺的标配。

地铁运量大、能效高、速度快、节能环保,且具有独立的路权,是城市地面交通?#29616;?#38459;塞后最理想的替代交通手段。成为我国大城市内交通的主?#19978;擼?#22320;铁织就一张立体快捷的交通网络,补充平面公交的不足,为人们的衣食住行提供最大的便捷。

我国是当今全球地铁大国,上海北京地铁运营里程为全球冠亚军,并还在不断建设新线,更不要说二线三线城市建设地铁的积极性了。

但问题是,花了几百亿巨款建成的一条线路,10年20年过后发现运力不够,高峰时段列车拥挤不堪,?#29616;?#24433;响到上班族乘客的工作休息成为大都市的一个痛点。

这个痛点揭示着一个?#30340;?#20154;士也许还不?#39029;?#21463;的事实:传统地铁系统的规划设?#24179;?#35774;运行也许还跟不上现代城市快速发展的巨大需求。


1. 超级地铁系统的定义和特征


超级地铁系统是载客运量远大于现有地铁、并由超编列车担纲客运任务的另一种城市快速客运地铁体系。它不属于将现有地铁运量按投?#26102;?#20363;简单增加的技术体系,而是一种从量变到?#26102;洌?#31361;破原有技术束缚,但又能与现有传统技术友好兼容的新技术体系。

超级地铁系统以其比现有传统地铁系统为低的单位运量建设成本,建成一条接近于传统地铁二倍运力的系新线路;或者以非常简要的间接成本,改造运力紧张的传统线路,使运能最高增?#25317;?5%左右。

超级地铁系统与传统地铁不同的显著特征是,现有传统地铁的列车不能超过站台长度,这就是传统地铁无法扩大运量的机制性约束。而相反,超级地铁系统的特征,正是采用了超过站台长度的超编列车。因此,超级地铁系统的载客量可高达传统地铁的120%-185%之多,超级地铁系统标志着传统地铁技术生产力在新系统中的解放突破。

今天,地铁以其高效快速大运量,节能环保准时的特点,已经成为现代化城市的标配,我国一线城市公共交通的主角。


我国地铁的现状

截至2017年底,中国内地累计有34个城市建成投运城轨线路5021.7公里。据统计,目前中国城市轨道交通地铁的通?#36947;?#31243;最长的城市为上海,地铁里程总计长度为636.37公里,位居全球榜首。总计通?#36947;?#31243;超过100公里的还有北京、广州、深圳、武汉、南京、成都、重庆、苏州、天津和杭州等11个城市。。

2017年新增石家庄、珠海、贵阳、厦门4个运营城市;新增33条运营线路,868.9公里运营线路长度。新增线路再创历史新高,比2016年新增线路534.8公里增加334.1公里,增幅达62.5%,可见地铁有很大的发展需求。至于轻轨,由于造价低、经济性高,今后在三线城市的发展更快。

据最新统计,北京2017年总客流量达到45.3亿人次,日平均高达1241.1万人次;上海2017年总客流量达到39.54亿人次,日平均高达1083.3万人次。北京、上海地铁运量已超过城市公交汽车运量。此外,广州地铁?#31449;?83.2万人次,深圳540.49万人次,在许多城市中都发挥了重要作用。


但是,在一些早期建设的地铁中,高峰时段地段人满为患、列车?#29616;?#36229;载的情况屡见不鲜。虽然运营部门通过增加列?#24403;?#32452;、缩短停站时间、?#29992;?#21015;车数量取得一定效果,但是还不足以从根本上扭转上下班高峰时列车拥挤状况,给上班族的工作学?#25353;?#26469;不便。

地铁建设的高成本,与所建成地铁运力不足拥挤不堪,这对矛盾纠结缠绕,很难解决,成为当前的技术难点和社会痛点。


2. 传统地铁的规划设计


在提出解决传统地铁运力不足问题之前,有必要探讨造成问题的根源。

地铁的客运量通常是随城市发展逐步连续增长的,为保证地铁在建成后不致长时期欠?#27721;?#36816;营或短期内频繁扩容改造,并节约初期的建设投资,地铁通常应按经济合理原则分阶段进?#22411;?#36164;建设。

地铁的设计年限分为初期、近期、远期三个阶段,我国采用的设计标准是:初期为建成通车也就是交付运营后第3年,近期为第10年,远期为第25年。分期的目的主要为在通车的初期阶段少配车辆,以减少初期投资。

设计使用年限是指在一般维护条件下,能保证主体结构工程正常使用的最低时间。与主体结构相联的构件,如车站内部的钢筋混凝土楼板、站台板、楼梯等,当维修或置换会影响正常运营时,其设计工作年限也宜采用100年的长时限。

由于地铁系统属大型建设工程,投资大、建设周期长,为节省初、近期投资和避免一些后期才使用的设备长期闲置,对于诸如有的地面和高架车站结构以及车辆、供电、行车自动化系统等设备的配备,可以以分期建设的工程及设备,应分期扩建、增设。但对于后期扩建困难很大或再?#38382;?#24037;时对周围环境会带来极不利影响的工程,以及行车需要一次建成的工程,如地下车站及各种地下大型工程、区间隧道及桥梁、路基、轨道等土建工程,应予一次建成。


按照地铁设计规范(GB 50157-2003)3.2.1的规定“地铁的设计运输能力应满足预测的远期单向高峰小时最大断面客流量的需要”和8.3.1“站台计算长度应采用远期列?#24403;?#32452;长度加停车误差”。这两个“应”已成为地铁设计的金科玉律。

殊不知,真是这一金科玉律的约束限制了列车运能的增加,造就了地铁的极度拥挤。因为只有地铁的设计运能正确充分预测到将来最大客流量的需求,才能确定列车最大编组和站台长度的数据,但问题是预测是个不确定数,而车站和站台一旦建成,却已成定局,很难改变。于是乎,列车的长度也被限制在站台内,列车再也无法通过增加编组而扩大运量。


3.传统地铁的停站方式


之所以在地铁设计规范规范中强条规定,站台长度应超过列?#24403;?#32452;长度,这是因为地铁站距短、乘客数量大、上下车频?#20445;?#20026;列车在停站时,能保证乘客方便快捷地上下车,必须将列车的编组限制在站台长度以内。这就牵涉到列车停站的传统模式。

教科书概括的轨道交通列车停站方案一般有站?#23601;!?#21306;段停车、跨?#23601;?#36710;、部分列车跨多?#23601;?#36710;四种①。

1) 站?#23601;?#36710;:列车在全线所有车站均停车。与其他停车方案相比,线路上开行列车种类简单、不存在列车越行,乘客无须换乘、也无须关注站台?#31995;?#21015;车信息显示。目前,城市轨道交通大多数采用这种方式。

这种停站方案,在跨区段、长距离出行乘客比例较大时,在车辆运用与乘客服务水平方面效果较差。

2) 区段停车:区段停车在长短交路情况下采用,长交路列车在短交路区段外?#31354;就?#36710;,但在短交路区段内不停车通过?#27426;?#30701;交路列车则在短交路区段内?#31354;就?#36710;,短交路列车的中间折返?#23601;?#26102;又是乘?#31361;?#20056;站。

采用区段停车方案有利于压缩长距离出行乘客的乘车时间和减少车辆运用、降低运营成本。但在行车量较大的情况下可能会产生越行,需要修建测线;且在不同交路区段上下车的乘客会增加换乘时间,而在短交路区段上下车的乘客会延长候车时间。

3) 跨?#23601;?#36710;:跨?#23601;?#36710;是在长交路情况下采用,线路上运行A、B两种停站方式的列车,A、B、C为线路上三种类型的车站,A类列车仅停A型、C型站,在B?#32479;?#31449;通过;B型列车仅停B、C站,在A?#32479;?#31449;通过;C型站作为两类列车的换乘站。

由于A、B两类车站的列车到达间隔加大,在A、B两类车站上车乘客的候车时间有所增加;此外,在A、B两类车站间上下车的乘客需要在C类车站换乘,会增加换乘时间?#25353;?#26469;不便。

跨?#23601;?#36710;方案比?#40092;?#29992;于C类车站上下车客流较大,并且乘?#32479;?#36710;距离较长的情况。

4) 部分列车跨多?#23601;?#36710;:部分列车跨多?#23601;?#36710;是指线路上开行两类长交路列车,即普速、站?#23601;?#21015;车和快速、跨多?#23601;?#21015;车,快速列车只在线路?#31995;?#20027;要客流集散?#23601;?#36710;,而在其他站则不停站通过。


上述诸停站方案中,方案1)是最常见,也是用得最多的。方案2)相当于地面公交的区间车,在地铁的繁忙区段经常采用。而方案4)相当于地面公交的大站车,但因其轨道设计复杂、成本高,所以没有广泛采用,上海地区地铁16号线有此运行功能。而方案3)国内很少采用。


4.超级地铁是如何打破规范对列?#24403;?#32452;约束限制的


首?#32570;?#39035;明确,增加地铁运力,将消除城市交通的一个巨大痛点,具有广泛的社会价?#25285;?#20063;有巨大的经济利益,值得我们去研究落实解决的。同时像所有的好事一样,也得付出一定的社会代价和经济成本。例如列车运行模式和组织?#38382;?#30340;改变,需要地铁运营管理部门一定的付出,线路车站不适应的局?#21487;?#26045;有微小的调正,需要一定的改造成本。乘?#32479;?#36710;习惯的微小变化、开始的时候需要有个适应过程,会带来一定的不便。但这些代价?#32479;?#26412;与新系统带来的社会价值和经济利益相比较,非常地小。

超级地铁增加运能的最起始的方法,就是列车法,即增加1~2节车厢的列?#24403;?#32452;,适当改变增加车厢车门结构,采取车门控制的方式,使超编车厢内的乘客可以直接或间接上下车,这是第一种超编列车。

这种超编列车的实施要点之一是,最大限?#32570;?#35777;超编车厢内纵向通道的通畅流动,使乘客尽最大的方便上下车,这就牵涉到列车结构的改变和重新设计。

另一要点是尽量采用节能型列车的设计,使得超编列车在保持原有运行速度的前提下,减少能?#27169;?#28040;除牵引供电网扩能改造的附加成本。

采用列车法超编列车,随着超编车厢的增多,乘客上下车的距离越来越大,所以其增加的运能受到很大的局限。

超级地铁的第二种方法是采用称为合分联运模式的超编列车。


5.超级地铁的合分联运模式


轨道交通合分联运方法②,开始时是为解决高铁的快速性与停站所产生的时间?#31995;?#20914;突矛盾而产生的突破性技术方法。

轨道交通的基本特征是?#33268;?#22312;钢轨上滚动,其摩?#20102;?#32791;小、驱动效率高,节能绿色,易于实现高速大运量运输,这是其最大的优势,但是,其劣势也是很明显的,那就是其机动性特别差。

轨道交通合分联运,就是通过“合”操作,更好地发挥起长处,将更多车厢合在一起运行,既增加了运力,又降低了能?#27169;?#26356;提高扩大了线路利用的效率?#27426;?#36935;到行和停的矛盾时,则采用“分”操作,使该走的不停,该停的不走,则解决了停与行的机动性问题。创造出停站比慢车多、旅行速?#32570;?#24555;车还快的理想模式,颠覆了铁路系统“停站多必成慢车”的公认规律。

合分联运同样以其“合”或“分”的不同操作用于地铁系统中发挥更大的技术经济效能,是一种能实现地铁运力大幅提高的方法论。当然,由于地铁与高铁的结构和运作方式存在巨大的差异,在地铁中,具体怎么合、怎么分与高铁合分的差异也非常大,而且地铁合分是多元的,远比高铁复杂。

举一个最简单的例子,如果采用类似高铁的重联方式将两列8编组地铁列车A车和B车合在一起联合运行,就可以参照传统地铁停站方式中的3)—— 跨?#23601;?#36710;方案的站?#23601;?#36816;行,列车分前后

两段停?#31354;?#21488;,使线路运能几近翻倍。


7.超级地铁系统的实际应用


超级地铁系统由列车制造技术、线路牵引供电技术和列车运行技术等技术?#26680;?#38598;成,所以涉及地铁运行管理、政府规划、设?#24179;?#35774;、列车制造等众多产业链,涵盖地铁全产业领域。

1)既有线运能提高,即对运力不足、高峰时段拥挤不堪的既有线路作扩能升级,以?#31361;?#25552;能要求为目标,结?#21414;?#19968;条地铁线路的实?#24335;?#26500;状况,以运行记录为依据,开展产学研合作细调,归纳成可行性报告,报主管部门审核批准后,按技术服务收费。进入设计施工阶段,经运行一定时间合格验收后进入专利使用期收费阶段。本项目可能为市场创造经济利益的等级在亿元至十亿元级。

2)采用新系统对新建线路作规划设计,首先可以消除设计师对线路未来远期最大运量不确定性预测的担?#29301;?#20063;就可以在有确保运能托底的条件下适当降低站台长度,在同样的最大载客量定值下降低约2%-5%的建设投资。以专利技术?#35789;?#29992;后所节?#32426;?#36164;的1%-2%的费用收费。目标市场可能创造经济利益的等级在亿元至几十亿元级。


3) 对于政府层面来说,可以通过扩大既有线路运能的新途径,减少建设新线的成本,例如,化很小的改造成本,将一条成熟老线的客运量提高85%,接近于建造一条新线的水平,省下新线建设。可节省几百亿元的新线投资、缩短几年的建设期。这将对城市地铁网络建设布局产生重大影响,节约大量投资成本,减少政府债务压力。同时,也为国家发改委批准项目立项提高通过概率,为压缩地铁建设期?#25237;?#22478;市交通、拆迁工作的压力创造条件。目标市场可能创造经济利益的等级在百亿元(一条线)至千亿元级(多个城市多条线)。


4) 对于列车制造产?#36947;?#35828;,本项目的节能型超编列车技术?#19978;?#21015;车制造厂提供高载量节能列车的研发制造技术支持,按?#35789;?#30340;经济利益,收取1%-2%左右的专利使用费。目标市场可能创造经济利益的等级在千万元至亿万元级。


8. 结论


超级地铁是由超过站台长度的超编列车③担负客运业务的一种新颖轨道交通系统,首先是由超过规范规定的最大编组长得多的列车大幅度增加了系统的运能,其次较短的站台巨大了地铁的建设投资,所以超级地铁已从量变到?#26102;洌?#25104;为远超现有传统地铁单向最大客流量5~7万人次/小时的、更高运量标准的新系统。将有效降低新线建设的成本。

由于超级地铁能与现有传统地铁系统友好兼容,所以适合采用超级地铁系统的理念改造现有运能不足的拥挤线路,改善乘车条件,造福社会。

对这么一种广领域的技术业务,我们所能做的仅仅是提供具体解决方案和技术支持,而大量工作必须依?#31354;?#24220;和全社会力量共同参与努力,方可达至完美目标。


参考?#21335;祝?/span>

①范立南丛延峰肖倩,城市轨道交通运行,清华大学出版社, 2017年11月,p76-78

②轨道交通合分联运方法,中国发明专利CN 102602433A

③中国实用新型专利申请201721644203.X, 不受站台长度限制的地铁超编列车系列



来源:於岳亮  上海稳得科技交通能源研究所


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