劉 斌

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司 交通運輸規(guī)劃研究院, 天津 310042)

0 引言

考慮相鄰線技術(shù)標準不一、聯(lián)絡線條件及功能有限，盡量不增加行車組織難度，國內(nèi)大多數(shù)城市軌道交通線路不開行跨線列車，故路網(wǎng)中的跨線OD需求常通過乘客換乘實現(xiàn). 為便于乘客實現(xiàn)這一需求，在規(guī)劃階段，可供選擇的布線型式主要有米字型、多邊形和環(huán)線[1-2]. 其中，按米字型布線，多條線路交匯于一個節(jié)點站，所有線間OD均在該節(jié)點站換乘，且至多換乘一次，換乘次數(shù)少，但隨引入線路增加，節(jié)點站客流組織壓力增大，甚至存在安全隱患，故允許在單一節(jié)點站銜接換乘的線路數(shù)相對受限；按多邊形布線，實質(zhì)是對米字型下的單一節(jié)點站換乘壓力進行了一定程度的分擔，但對于部分線間OD，換乘次數(shù)多，乘客體驗不佳；按環(huán)線布置，是將上述2種布線型式的優(yōu)點有機結(jié)合：一方面，對于相關(guān)路網(wǎng)中任何一個線間OD，至多經(jīng)過2次換乘，換乘次數(shù)較少. 同時，在閉合環(huán)線上，雙方向列車循環(huán)運行，乘客總可選擇最短距離到達；另一方面，環(huán)線上各節(jié)點站均可能按米字型布線，從而形成輻射范圍更大的“環(huán)線+放射線”，環(huán)線內(nèi)外人流通達，特別是在環(huán)線和射線間的交叉點及交叉點間更加凸顯交通區(qū)位優(yōu)勢，往往引起資源集聚與城市功能、形態(tài)的良性演化[3].

與此同時，應認識到環(huán)線貫通并非易事，特別對于分期建設(shè)的環(huán)線，一旦施工條件改變，需重新評估方案的路網(wǎng)效能與工程經(jīng)濟性，其貫通更加體現(xiàn)不確定性. 如圖1所示，當規(guī)劃環(huán)線難以實施、或在分期建設(shè)的環(huán)線貫通前的過渡時期，通常按勺型線運營. 在拓撲形態(tài)上，勺型線被視作一個“環(huán)線”與一條出入環(huán)線的射線的組合，兼具閉合環(huán)線和不閉合線路的部分拓撲性質(zhì)：“環(huán)線”部分可與相關(guān)路網(wǎng)中其他線路銜接換乘；從既有線運營現(xiàn)狀來看，“環(huán)線”部分前往端點站的客流可能需要換乘或“舍近求遠”，乘客體驗仍存在一定提升空間；射線端點站承擔列車折返，折返能力制約系統(tǒng)能力，是不閉合線路的基本性質(zhì)，制約著“環(huán)線”上能夠開行的最大列車對數(shù). 因此，設(shè)計合理的車站配線方案，減少乘客換乘，提升乘客體驗；研究壓縮列車折返間隔方法，提高系統(tǒng)能力是突破既有勺型線運營水平的關(guān)鍵所在.

圖1 可滿足跨線OD需求的4種布線型式注：(d)中實線段為勺型線，細虛線l1為規(guī)劃路由，l2為實施路由

1 坪山區(qū)規(guī)劃勺型線的必要性分析及線路方案

1.1 必要性分析

坪山區(qū)位于深圳東部，是深圳市“東進戰(zhàn)略”的重要節(jié)點[4]. 《深圳市實施東進戰(zhàn)略行動方案(2016—2020年)》為坪山區(qū)規(guī)劃以“三城一區(qū)”(“三城”，即碧湖文化健康城、中心城、聚龍科技創(chuàng)新城；“一區(qū)”，即慢生活生態(tài)休閑區(qū))打造東部中心確立了總依據(jù)和時間表. 新的功能分區(qū)及產(chǎn)業(yè)布局，對交通系統(tǒng)提出緊迫要求. 考慮坪山區(qū)現(xiàn)狀沒有城市軌道交通覆蓋、四期規(guī)劃兌現(xiàn)后軌道覆蓋率也低于全市水平，區(qū)域軌道交通發(fā)展與東進戰(zhàn)略對交通系統(tǒng)的要求并不十分匹配. 因此，構(gòu)建一條可以加強區(qū)域覆蓋并密切該區(qū)域與既有坪山高鐵站聯(lián)系、對近遠期大運量軌道交通體系和現(xiàn)狀低運量路面公交體系予以銜接和補充的短工期、中運量軌道交通線路顯得尤為必要.

1.2 線路方案

線路起自坪山高鐵站，經(jīng)六館一城站、文化中心、坪山區(qū)委站、正奇文化廣場、比亞迪、大學城、聚龍山高新園、松子坑站，線路終點回歸六館一城站，是典型的勺型線，全線長22.2 km，共設(shè)站25座. 不難看出，線路方案為提振聚龍山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的客流出行水平提供了有效交通供給，沿線覆蓋主要公共服務部門和其他人員密集區(qū)，同時有效加強了該區(qū)域與坪山高鐵站聯(lián)系. 此外，線路可與規(guī)劃16號線、19號線和23號線實現(xiàn)換乘，為可持續(xù)地構(gòu)建區(qū)域軌道交通網(wǎng)絡奠定基礎(chǔ).

2 勺型線交路方案設(shè)計及比選

2.1 客流及編組

遠期高峰斷面客流約0.7萬人次/h. 本次研究，站席密度按深圳市5人/m2地方標準計算車輛定員，結(jié)合客流情況遠期按4輛編組，考慮合理能力儲備，遠期高峰小時需開行列車18對/h.

2.2 單一大交路方案

1)交路特點

圖3 單一大交路方案

如圖3(a)所示，列車自坪山高鐵站出發(fā)后，首次經(jīng)過六館一城站不折返，此后經(jīng)坪山區(qū)委站、比亞迪站和松子坑站，最后經(jīng)由六館一城站折返，并原路返回. 全線開行單一大交路. 此方案下，在六館一城站存在列車折返，“環(huán)線”部分客流前往坪山高鐵站時需“舍近求遠”或換乘. 采用這一交路運營的線路有日本都營大江戶線等[5].

2)車站配線設(shè)計

按圖4所示單一大交路下的車站配線方案，深色箭頭所指為列車自坪山高鐵站發(fā)車后，列車在線路中的走行流向，黃色箭頭為列車在六館一城站折返后的流向. 從中不難看出，該配線形式下，六館一城站僅辦理一種折返列車. 圖中1、2線分別為加車線和回段(場)線，用以辦理運營前、非高峰時段與高峰時段轉(zhuǎn)換過渡期間的列車出入段(場)作業(yè). 考慮進一步簡化配線形式，體現(xiàn)工程經(jīng)濟性，可去掉2線.

圖4 單一大交路下的車站配線方案

考慮單一大交路方案在實際應用中更可體現(xiàn)一般性，后續(xù)方案在配線形式上均兼容此方案. 另外，本次研究以單一大交路方案作為基準方案，其他兩種方案在運輸組織難易程度、車站配線功能、工程經(jīng)濟性等方面與之對比.

2.3 獨立交路方案

1)方案特點

按圖5運營示意圖所示獨立交路方案，全線分2段獨立運營，即坪山高鐵站至六館一城站(短交路)和剩余環(huán)線段(長交路)分別獨立開行交路. 此方案下，兩個交路的列車均在六館一城站折返，所有在長交路上乘車前往坪山高鐵站的乘客，均在六館一城站換乘，六館一城站客流組織壓力較大.

但同時注意到，該方案有助于引導乘客規(guī)避“舍近求遠”. 結(jié)合對單一大交路方案的分析，在乘客理性決策出行的假定下，長交路上前往坪山高鐵站的客流確定需要換乘后，將盡量避免“舍近求遠”.

圖5 獨立交路方案

2)車站配線設(shè)計

分析獨立交路方案，在六館一城站需辦理3種列車折返，即短交路的列車折返、長交路上2個方向的列車折返，運輸組織十分復雜. 因此，六館一城站需設(shè)置雙層站臺：考慮同臺換乘，一層設(shè)置島式站臺，承擔2種折返列車的客流乘降，即短交路列車、長交路上其中一個方向的列車；二層站臺承擔長交路另一個方向折返列車的客流乘降. 值得一提的是，對于一層站臺，兩種列車的客流乘降僅能分別利用島式站臺的一側(cè)，僅可按站前折返作業(yè). 進一步考慮該方式下，島式站臺兩側(cè)正線均存在雙方向列車敵對運行(但正常運行情況下，沒有交叉)，為防止列車冒進，兩側(cè)宜各設(shè)置一條安全線，接岔點位于站臺端部和折返線之間，使得站臺端部與折返線間的距離加大. 上述配線形式和折返作業(yè)安排均嚴重制約著列車折返能力，進一步影響系統(tǒng)能力.

圖6 獨立交路下的車站配線方案

分析工程功能及經(jīng)濟性，注意到該配線形式下，坪山高鐵站和六館一城站站后均預留線路延伸條件，工程延展性較好. 但考慮站臺為雙層、配線形式十分復雜，該方案工程量大，工程經(jīng)濟性不佳.

2.4 Y字形交路方案

1)方案特點

按圖7運營示意圖所示，列車分內(nèi)、外環(huán)運行. 經(jīng)由坪山高鐵站發(fā)出后，在六館一城站分流，一支車流經(jīng)坪山區(qū)委站、比亞迪站、松子坑站折回六館一城站，回坪山高鐵站；另一支車流經(jīng)松子坑站、比亞迪站和坪山區(qū)委站，反向接入六館一城站，回坪山高鐵站. 值得一提的是，此方案下，列車僅在坪山高鐵站辦理站后折返，沿線所有去往坪山高鐵站的客流均可不換乘到達. 在乘客理性決策出行的假定下，乘客可避免“舍近求遠”.

圖7 Y字形交路方案

從運輸能力看，Y字型交路的列車折返能力受坪山高鐵站折返能力制約. 考慮在六館一城站存在分流，上、下行均衡服務的情況下，當坪山高鐵站站后折返能力為30對/h時，內(nèi)、外環(huán)最多可各開行列車15對/h，不能適應遠期高峰小時斷面客流.

2)車站配線設(shè)計

按圖8所示，六館一城站僅辦理兩種列車作業(yè)，即，自坪山高鐵站發(fā)出列車，過岔線2經(jīng)停六館一城站發(fā)松子坑方向的列車到發(fā)；自松子坑站接入六館一城站經(jīng)停，過岔線1發(fā)坪山高鐵站的列車到發(fā). 岔線3、4同單一大交路方案下的1、2線，為加車線和回段(場)線，功能對應相同.

圖8 Y字形交路下的車站配線方案

2.5 三種交路方案比選及分析

獨立交路方案、Y字形交路方案下的車站配線設(shè)計均兼容滿足基準方案要求. 在Y字形交路方案下，沿線前往坪山高鐵站的客流均可不換乘到達，方案可提供更好的乘客出行體驗；且車站配線規(guī)模與基準方案相差不大，滿足工程經(jīng)濟性要求；行車組織方案在實際運營中可行，故相對于獨立交路方案具有一定優(yōu)勢. 但受制于坪山高鐵站折返能力，Y字形交路方案并不能滿足本項目遠期客流需求，故進一步探討和優(yōu)化坪山高鐵站折返能力，以期優(yōu)化和落實Y字形交路方案對本項目的適應性.

3 系統(tǒng)能力優(yōu)化研究

以本項目可研階段坪山高鐵站配線方案為基礎(chǔ)，輔以準移動閉塞條件下列車折返作業(yè)過程，構(gòu)建基本方案，提出提前降速、增大岔前距離等優(yōu)化方案，壓縮列車在坪山高鐵站的折返間隔，以期提高系統(tǒng)能力，使Y字形交路方案可以適應遠期客流需求. 其中，提前降速方案是對已有研究[6-8]的補充.

3.1 基本方案

1)列車到達間隔

如圖9中所示淺色(原方案)曲線為基本方案下，折返列車進站的速度- 距離曲線. 圖中，F(xiàn)′為折返過程的起算點，列車在該點以最高運行速度緊急制動，停穩(wěn)時，列車頭部將處于進入車站保護區(qū)段的臨界點E處. 實際上，為確保安全，打靶點E距車站保護區(qū)段的邊界(計軸點G0)留有一定距離；在正常情況下，列車以正常運行速度v0經(jīng)起算點F′勻速運行，列車運行至M點開始減速，當列車頭端進入車站保護區(qū)段后，開始以不高于速度v1勻速運行，最后列車制動，在站臺端部停穩(wěn). 列車清客完成后，起車進入折返線，直至尾部出清折返線，方可辦理相鄰下一列車接車進路. 若相鄰列車以最小間隔追蹤，辦理接車進路完成后，則后行列車頭部剛好到達起算點F′，至此為一個列車到達間隔.

圖9 基本方案與提前降速方案下的列車進站過程

2)列車出發(fā)間隔

前行列車由折返線進入站臺停穩(wěn)，乘客上車. 而后起車出站，當列車尾部出清車站保護區(qū)段邊界點E時，開始辦理后行列車接車進路，辦理完成后，后行列車即可開始由折返線進入站臺，至此為一個列車出發(fā)間隔.

3)折返間隔計算

分別計算相鄰兩列車最小到達間隔和最小出發(fā)間隔，計其較大者為列車折返間隔. 經(jīng)核算，到達間隔為各方案下列車折返間隔的控制因素，故在后續(xù)討論優(yōu)化方案時，著重對到達間隔進行檢算. 本次研究，基本方案下相關(guān)作業(yè)過程及時間如表2所示.

表1 基本方案下列車折返作業(yè)過程

3.2 提前降速

為更加清晰地對比提前降速方案和基本方案下的列車到達間隔，說明提前降速方案壓縮折返間隔的原理，在圖9中，以黑色加粗曲線(提前降速方案)刻畫提前降速方案下的列車到達過程：列車自起算點F以速度v′0開始制動，而后以速度v1勻速運行，最后制動停穩(wěn)于站臺端部. 相對基本方案，提前降速方案下，列車進站距離較短，體現(xiàn)在起算點F與閉塞分區(qū)打靶點E僅相距一個由速度v′0(v′0

假定列車進站的平均減速度為a，列車進站時間為t進站，l0為車站保護區(qū)段邊界與站臺端部距離，L站臺為站臺長度，則有，

(1)

當且僅當：

時，t進站可取得最小值. 此時，

(2)

按式(2)計算，起算點F位于車站保護區(qū)段邊界點E外32 m處，列車自此以v1=28 km/h勻速運動，最后制動停穩(wěn)于站臺端部，進站時間可縮短約11 s. 列車折返間隔(即列車到達間隔)可壓縮為95.54 s，折返能力約37對，內(nèi)、外環(huán)可分別在高峰小時開行列車18對/h，可以滿足遠期高峰小時客流需求，可作為系統(tǒng)能力優(yōu)化的一個方案.

3.3 增大岔前距離

基本方案下，岔前距離較短(L岔=16 m)，不滿足準移動閉塞ATP系統(tǒng)折返線的安全防護距離，此時需將道岔區(qū)段CD，連同岔前區(qū)段A′C、站臺區(qū)段AB和計軸區(qū)段BE共同組成一個車站保護區(qū)段，也即是僅當前車尾部出清折返線后，才能辦理后車到達接車進路. 增大岔前距離，以滿足安全距離要求，使道岔區(qū)段CD不在車站保護區(qū)段范圍內(nèi)，即列車尾部出清C點后，即可辦理后行列車到達進路. 同時，注意到辦理后行列車到達進路時，不再需要判斷道岔區(qū)段位置狀態(tài)，故不再考慮和計入道岔轉(zhuǎn)換時間[6]，辦理進路時間將進一步壓縮.

經(jīng)核算，岔前距離按50 m，列車折返間隔將壓縮至87 s. 若區(qū)間追蹤間隔按90 s，則此時系統(tǒng)能力受區(qū)間追蹤間隔控制，內(nèi)、外環(huán)高峰小時可分別開行列車20對/h，滿足遠期高峰小時客流需求，可作為系統(tǒng)能力優(yōu)化的一個方案. 為使方案更具一般性，對實際設(shè)計工作有一定參考，進一步測算不同岔前距離下的列車折返間隔，如表2所示.

表2 不同岔前距離(L岔)下列車折返間隔

當L岔<80 m時，折返間隔小于區(qū)間追蹤間隔，系統(tǒng)能力受區(qū)間追蹤間隔控制，調(diào)整L岔對系統(tǒng)能力無影響；此后，折返間隔大于區(qū)間追蹤間隔，系統(tǒng)能力受折返間隔控制，系統(tǒng)能力可通過減小L岔壓縮折返間隔實現(xiàn)，但效果有限；當L岔=180 m時，系統(tǒng)能力處于滿足客流需求的臨界點.

4 結(jié)論

歸納在城市軌道交通網(wǎng)絡中實現(xiàn)跨線OD的3種線路形態(tài)，米字型、多邊形和環(huán)線. 分析勺型線在拓撲形態(tài)、拓撲性質(zhì)上與環(huán)線、不閉合線路的區(qū)別和聯(lián)系，梳理既有勺型線運營現(xiàn)狀的特點與不足. 結(jié)合深圳坪山區(qū)規(guī)劃中運量勺型線的背景，提出3種交路方案，設(shè)計各交路方案下車站配線形式. 進一步提出提前降速方案、分析增大岔前距離方案，提高系統(tǒng)能力，以期尋求適于本項目的合理運營方案. 主要結(jié)論有.

1)相比于米字型、多邊形，環(huán)線可以最大程度地實現(xiàn)路網(wǎng)線路間的貫通，但在實際中，當規(guī)劃環(huán)線難以實施、或在分期建設(shè)的環(huán)線貫通前的過渡時期，通常按勺型線運營.

2)在拓撲形態(tài)上，勺型線可被視作一個環(huán)線與由一條出入環(huán)線的射線的組合. 在拓撲性質(zhì)上，勺型線繼承環(huán)線在相關(guān)路網(wǎng)中的銜接換乘功能，但梳理既有線運營現(xiàn)狀，“環(huán)線”部分前往射線端點站的客流可能需要換乘到達；勺型線繼承不閉合線路性質(zhì)，列車在端點站折返. 折返間隔可能制約系統(tǒng)能力，從而制約勺型線“環(huán)線”部分的列車開行對數(shù).

3)結(jié)合深圳坪山區(qū)規(guī)劃中運量勺型線的背景，提出單一大交路方案作為基準方案，提出獨立交路方案和Y字形交路方案做為比選方案. 在乘客換乘體驗、行車組織難度、車站配線規(guī)模及工程經(jīng)濟性等方面，Y字形交路可實現(xiàn)“環(huán)線”上前往坪山高鐵站的客流的不換乘到達，行車組織可行，車站配線規(guī)模與基準方案相差不大，工程經(jīng)濟性較好，在上述方面綜合最優(yōu).

4)提出提前降速方案，提高系統(tǒng)能力. 基于準移動閉塞，構(gòu)建了列車到達間隔優(yōu)化模型. 推導結(jié)果表明，最優(yōu)進站速度與列車進站平均減速度、站臺長度、保護區(qū)段邊界計軸點位置有關(guān). 對于本項目，最優(yōu)進站速度下，可壓縮折返間隔11 s. 在Y字形交路方案下，內(nèi)、外環(huán)可分別開行列車18對/h，滿足客流需求. 該方案亦可在已運營線路上實施，為之提高運營效率提供參考.

5)分析增大岔前距離方案，提高系統(tǒng)能力. 模擬計算不同岔前距離下的列車折返間隔，核算系統(tǒng)能力. 發(fā)現(xiàn)該方案至多可壓縮折返間隔17 s. 在Y字形交路方案下，內(nèi)、外環(huán)最多可分別開行列車20對/h.

6)進一步綜合線路條件及工程經(jīng)濟性選擇合理的運營方案，繼續(xù)評估列車編組、站臺長度和安全保護區(qū)段邊界計軸點位置各因素對系統(tǒng)輸送能力的影響，評估系統(tǒng)最大運能是今后的研究取向.

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