楊廷宇

（1.西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)交通科技協(xié)會，四川成都610031）

0 引言

市郊鐵路作為城市軌道交通的重要組成部分，連接著城區(qū)、市郊及衛(wèi)星城，具有運能范圍大、客流里程長、客流波動大、安全環(huán)保等特征。開行在既有線上并與其他性質(zhì)列車混跑是國內(nèi)外眾多市郊鐵路采取的運輸組織模式之一（如北京 S2 線）。市郊鐵路通常為雙線，但對于客流量不大，卻又因各種因素有開行必要的區(qū)域，可利用既有單線開行市郊鐵路，其運輸組織方案值得探討。

1 方法概述

本文所研究的背景是在既有單線鐵路上開行市郊鐵路列車，與普通新建的城市軌道交通系統(tǒng)相比，其特殊性體現(xiàn)在以下 2 個方面：

（1）約束條件不同。既有單線鐵路在設(shè)施設(shè)備、通過能力等方面受到更多因素的制約，需要充分地挖掘運能、提高效率；

（2）最終目標(biāo)不同。在既有單線鐵路上開行的市郊鐵路列車需要與其他性質(zhì)列車混跑，其追求的最終目標(biāo)是包含市郊列車、既有客貨列車在內(nèi)的系統(tǒng)整體最優(yōu)。

由此可見，合理的組織與協(xié)調(diào)是解決問題的關(guān)鍵，故提出本文所闡述的方法，分為下文的 3 個步驟。

1.1 編制初始運輸組織方案

市郊鐵路的運輸組織方案包括列車交路方案、列車編組方案、列車停站方案，此外還包括列車折返方式、列車行車計劃與運營時段等?？土魈匦允蔷幹瞥跏歼\輸組織方案的基礎(chǔ)，其決定過程如公式（1）、（2）所示。

分時列車開行數(shù)（單線鐵路一般以列為單位）：

式（1）中，ni為分時開行列車數(shù)，列；pmax為分時最大斷面客流量，人；p列為列車定員數(shù)，人；β 為線路斷面滿載率。

分時行車間隔時間：

式（2）中，t間隔為分時行車間隔，min；Ti為給定時段時長，min；ni為分時開行列車數(shù)，列。

1.2 形成全線新行車計劃

搜集既有線現(xiàn)有運輸組織方案的相關(guān)資料，作出區(qū)間分類列車對數(shù)統(tǒng)計表，再將編制好的市郊鐵路列車初始運輸組織方案匯入其中，形成新的整體方案。受通過能力、運行區(qū)間、運行時刻等因素制約，新方案與既有方案必然存在一定矛盾，因此需要針對矛盾之處提出解決方案。解決方案往往通過改變線路硬件設(shè)施（如正線數(shù)目、最小曲線半徑）或軟件設(shè)施（如閉塞方式、開行模式）等方式實現(xiàn)。由于硬件設(shè)施成本高、建設(shè)周期長，因此通常優(yōu)先考慮軟件設(shè)施，當(dāng)軟件改造無法滿足需求時再進行硬件改造，追求軟硬件結(jié)合。

1.3 得出整體最終方案

系統(tǒng)最終目標(biāo)是得出包括市郊、直通客貨運、小運轉(zhuǎn)等各性質(zhì)列車在內(nèi)的既有線整體運輸組織方案。根據(jù)協(xié)同調(diào)整原則，首先在各子系統(tǒng)（即各種同性質(zhì)的列車）內(nèi)部進行調(diào)整，然后對各子系統(tǒng)進行綜合調(diào)整，得出最終方案。

2 實例分析

根據(jù)重慶市政府于 2015 年提出的相關(guān)規(guī)劃，擬利用該市鐵路樞紐內(nèi)的既有線路，通過技術(shù)改造開行“城市鐵路”列車（即市郊鐵路）。本文選取擬規(guī)劃建設(shè)的重慶城市鐵路江津線為研究對象，改造后的線路基本狀況與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示，現(xiàn)對其運輸組織方案進行探討。

表1 江津線相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 編制江津線初始運輸組織方案

2.1.1 列車編組方案

客流、列車間隔、車輛選型、車輛運用適用性、乘客服務(wù)水平、行車組織特性都是影響列車編組方案的重要因素，其相互作用過程如圖 1 所示。

圖1 列車編組方案確定過程

江津線客流里程長，分時客流不均衡程度較大，有必要對編組方案進行比選。調(diào)查顯示，江津線沿線居民收入水平與消費能力一般，由此可預(yù)測其對服務(wù)水平的要求相對不高；同時，由于既有成渝鐵路能力有限，且還要與其他性質(zhì)列車共線運行，勢必導(dǎo)致列車發(fā)車間隔的增加；線路能力有限，必須提高車站作業(yè)效率，尤其是折返效率?；谝陨?3 點因素，為保證足夠的輸送能力，需考慮使用滿載率較高、非機輛模式的長編組列車。

在此方面，我國目前沒有較為成熟的經(jīng)驗，可參考日本、美國及前蘇聯(lián)相關(guān)做法，并結(jié)合我國城市地鐵相關(guān)指標(biāo)進行論證。可初步確定，列車適宜采用10輛固定編組的近郊通勤型電力動車組。

初步方案確定后，還需進行車輛適用性分析。其相關(guān)指標(biāo)必須滿足公式（3）。經(jīng)檢驗，該方案符合要求。

該公式是基于同一到發(fā)線上可?？慷嗔惺薪艰F路列車的情況下建立的。

式（3）中，Lyx為到發(fā)線有效長度，取 750 m；N 為到發(fā)線上?？苛熊嚁?shù)，列；n 為列車編組數(shù)，此處為固定值；L0為每節(jié)車廂長，m，此處默認(rèn) T、M 車等長；La為安全距離，取 30 m；S 為每節(jié)車廂間的間隙，m。

綜上所述，江津線應(yīng)采用 10 輛固定編組的近郊通勤型電力動車組，每輛定員 310 人，允許滿載率 1.36，平均滿載率 1.30，單列單向輸送能力 4 030 人。

2.1.2 列車交路方案

初始方案中交路的確定主要依靠客流特性。根據(jù)預(yù)測客流發(fā)現(xiàn)，重慶—江津直通客流較大，又因為終點站西彭站距江津較近且具有良好的折返條件，因此初步確定交路為重慶—西彭的單一交路，如圖 2 所示。

2.1.3 列車折返方式

動車組在單線鐵路車站辦理折返作業(yè)時，過程相對簡單、靈活，江津線上西彭站、重慶站都為盡頭式車站，且設(shè)有城市鐵路列車固定?？康墓傻?，折返作業(yè)方便。但對于重慶南、江津東等中間車站，在辦理折返作業(yè)時需要注意與其他列車協(xié)調(diào)，以免出現(xiàn)進路交叉等問題，影響整體作業(yè)。在非常情況下，還可以利用成渝線上非江津線?？康钠渌囌净蚓€路所（如石場、伏牛溪等）輔助辦理折返作業(yè)。

圖2 初始交路設(shè)計

2.1.4 列車停站方案

城市鐵路在開通初期，盡管所預(yù)測的長途直通客流較大，但為了培養(yǎng)沿線居民出行習(xí)慣，充分發(fā)揮城市鐵路運力，照顧沿線更多居民，建議統(tǒng)一采用各站停車的模式。另外，由于國內(nèi)在跨站停車方面沒有嚴(yán)格意義上成功的案例，該模式為權(quán)宜之策。在運營的中遠(yuǎn)期，可根據(jù)優(yōu)化思想對數(shù)據(jù)進行整理分析，采用直通、各站停車、交錯停車等多種停站方案。

2.1.5 列車開行計劃

根據(jù)對江津線沿線客流預(yù)測得出的分時客流斷面表，結(jié)合公式（1）、（2）即可計算出初始計劃中分時列車開行數(shù)及其行車密度。

由表 2 計算得出，6 ∶ 00～8 ∶ 30，下行列車 13 列，平均密度 11.5 min/列，上行列車1 列，平均密度 150 min/列。

以此類推，江津線各時段列車開行數(shù)及其開行密度如表 3 所示（其他時段各區(qū)間斷面客流表略）。

根據(jù)分時列車開行計劃，可計算出，江津線下行方向全日開行列車 20 列，上行方向全日開行列車 19 列；全日運營時間 15.5 h；下行方向平均密度 46.5 min/列，上行方向平均密度 48.9 min/列。

表2 江津線分時斷面客流表 單位：人

表3 江津線各時段列車開行數(shù)及其開行密度

2.2 匯入全線全日行車計劃

以 2015 年 7月1日調(diào)整后的沿線列車運行圖為例（圖3），得出各區(qū)間列車對數(shù)統(tǒng)計表，再將江津線的開行計劃匯入其中，得到沿線初始開行計劃，如表 4 所示。

圖3 2015 年 7 月 1 日沿線列車運行圖

在初始總體方案中，成渝線銅罐驛 32# —石場區(qū)間每日需行車98 列，負(fù)擔(dān)超出預(yù)期，成為能力瓶頸，故考慮改造其硬件設(shè)施。如圖 4 所示，建議在銅罐驛 32#—石場長約4.30 km 的區(qū)間內(nèi)修建復(fù)線，實現(xiàn)市郊列車與其他列車分線運行，以減緩既有線壓力。

2.3 調(diào)整優(yōu)化后得出最終方案

2.3.1 市郊列車子系統(tǒng)協(xié)調(diào)

在完成江津線初始運輸組織方案編制后，可根據(jù)公式（4）對其進行檢驗與優(yōu)化。

表4 沿線初始開行計劃 單位：列

圖4 成渝線銅罐驛樞紐示意圖

式（4）中，R 為調(diào)整后的方案，C 為車底周轉(zhuǎn)能力，N 為線路通過能力，S 為車站硬件設(shè)施能力。

式（5）中，pf為方向不均衡系數(shù)；n0上為上行方向理論開行列車數(shù)，列；n0下為下行方向理論開行列車數(shù)，列。

江津線經(jīng)行的線路均為單線，且要與其他性質(zhì)列車混跑，為了在有限的條件下滿足系統(tǒng)整體通過能力，需要“舍棄”市郊鐵路初始開行方案中部分列車。“舍棄”原則可參考方向不均衡系數(shù)（其求法參考公式（5）），當(dāng) pf＞x 時，則直接不開行小客流方向列車。此處 x 取 10，根據(jù)圖 5，則 6 ∶ 00～8 ∶ 30上行方向、17 ∶ 30～19 ∶ 30 下行方向?qū)⒉婚_行市郊列車。

圖5 初始開行計劃

圖6 調(diào)整后的開行計劃

由于始發(fā)終到站重慶站能力十分有限，在研究客流特性后，建議將部分列車按一定比例改由重慶南站始發(fā)終到。同時，重慶南站至重慶站走向大致平行于重慶軌道交通 2 號線且分別屬于楊家坪、渝中兩大人口密集的組團，具有良好客流條件，可考慮平峰時期利用部分閑置列車在“重慶南-重慶”區(qū)間運行，形成圖 7 所示的綜合交路，這樣既可以分擔(dān)軌道交通 2 號線的壓力，又可以提高車輛利用率。

圖7 綜合交路方案

2.3.2 既有線客、貨運子系統(tǒng)協(xié)調(diào)

既有的客、貨運是既有線運輸任務(wù)的重要組成部分，也是鐵路收益的主要來源。它們往往通達(dá)范圍長、影響范圍廣，在運行徑路上要跨越所研究線路的一個或多個區(qū)間。因此，協(xié)調(diào)過程中，必須充分考慮各方因素，兼顧各方利益。

貨物運輸因其自身工作具有的復(fù)雜性與特殊性，建議其維持基本狀況。旅客運輸因其計劃性強，班次、交路相對固定，是協(xié)調(diào)的重點。既有的旅客列車與市郊鐵路列車的矛盾主要體現(xiàn)在交路、運行時刻、運行方向上。結(jié)合兩大子系統(tǒng)特征可知，市郊鐵路列車需要在雙峰時段（6 ∶ 00～8 ∶ 30、17 ∶ 00～19 ∶ 30）保證優(yōu)先開行，普通旅客列車則需要保證車底周轉(zhuǎn)與車次接續(xù)正常。

以 2015 年 7 月1日經(jīng)由成渝線黃磏—重慶區(qū)段為研究對象，協(xié)調(diào)結(jié)果如表 5 所示，其手段大致為以下 3 類。

（1）基本不變。與市郊列車沒有沖突，不變或僅微調(diào)。

表5 開行計劃協(xié)調(diào)結(jié)果

（2）取消或變更交路。此類車或與市郊列車在功能（如停站、運行區(qū)段）上有較大重疊（如 5611/5612次），或在時刻方面存在較大矛盾且無法協(xié)調(diào)（如T257/T258 次），建議取消或變更交路。

（3）具體協(xié)調(diào)。對于使用以上 2 種方法仍然無法有效解決的車次（多數(shù)運行在市郊列車雙峰時段，卻又因各種因素?zé)o法調(diào)開），需要在具體時刻上協(xié)調(diào)。

2.3.3 小運轉(zhuǎn)及其他子系統(tǒng)協(xié)調(diào)

開行小運轉(zhuǎn)列車（或單機）是維持區(qū)段或樞紐作業(yè)正常必需的手段，合理安排小運轉(zhuǎn)列車（或單機）與能產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益的市郊鐵路列車協(xié)調(diào)開行具有重要意義。其他包括單機、確認(rèn)車、試運轉(zhuǎn)列車、軌道車、路用、救援列車等，確認(rèn)車、軌道車一般只在夜間天窗開行，試運轉(zhuǎn)列車、路用、救援列車等不會常態(tài)化開行，因此可不考慮。對于在區(qū)段內(nèi)走行的單機，可以采用“組合列車”的方法，使其與市郊列車組合開行，以節(jié)省通過能力，提高經(jīng)濟效益。

2.3.4 總體協(xié)調(diào)

由于線路里程不長、設(shè)站不多，通過模擬運行圖的方式可以精確地表示出系統(tǒng)最終的開行方案。以國內(nèi)已實現(xiàn)的單線自閉區(qū)段的追蹤間隔時間（表 6）為參考依據(jù)，在運行圖上首先鋪畫旅客列車與市郊鐵路列車，然后在其間隔鋪畫其他貨物列車（包括摘掛列車），得出最終運行圖如圖 8 所示。

表6 單線自閉區(qū)段的追蹤間隔時間標(biāo)準(zhǔn)

圖8 模擬運行圖（不含貨運）

3 結(jié)語

本文雖強調(diào)系統(tǒng)整體，但是在協(xié)同調(diào)整過程中，仍有強烈的決策偏好，即一切調(diào)整都是為了滿足市郊鐵路列車開行，而不是完全以互利雙贏為原則進行的。其次，本文給出的方案過于理想，沒有充分考慮鐵路部門的收益，因此還需要進一步分析與探討。

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