房霄虹

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速。截至2020年底，中國大陸地區(qū)共有45 個城市開通城市軌道交通，運營線路244 條，運營線路總長度7 969.7 km。已開通軌道交通的城市中，擁有4 條及以上運營線路，且換乘站有3 座及以上的城市22 個，占運營城市總數(shù)的49%[1]。

線路設(shè)計階段的客流預(yù)測是在當(dāng)時的交通現(xiàn)狀和交通規(guī)劃條件下做出的科學(xué)判斷，但隨著城市化進程的不斷加快，很多預(yù)測的基礎(chǔ)條件都在不斷發(fā)生變化。此外，根據(jù)北京、上海、廣州等城市的運營經(jīng)驗，軌道交通網(wǎng)絡(luò)形成后，其可達(dá)性進一步提高，客流網(wǎng)絡(luò)集聚及疊加效應(yīng)更加明顯，實際客流與線路建設(shè)立項時的客流預(yù)測相比，也會產(chǎn)生較大的變化，進而現(xiàn)狀運輸能力越來越不能適應(yīng)客流增長和網(wǎng)絡(luò)化運營需求的情況時有發(fā)生。

考慮到城市軌道交通列車的購買需要一定的時間和程序，下單后制造還需要一定的周期，所以必須提前制定增購計劃。而采購的規(guī)模需要與實際運營需求相匹配，才能有效避免資源的閑置和浪費，因此增購列車的時機和方案都是非常值得研究的問題。同時，考慮增購工作的重要性和復(fù)雜性，系統(tǒng)地開展增購列車的時機和方案研究十分必要，建議技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 增購列車技術(shù)路線 Figure 1 Outline of additional procurement of vehicles

1 增購列車的時機研究

列車增購的根本原因，除按原計劃階段性(近期/遠(yuǎn)期)采購?fù)猓^大多數(shù)都是由于客流的超預(yù)期增長和需求的重大變化造成的。因此，必須在準(zhǔn)確判斷未來發(fā)展趨勢和需求的基礎(chǔ)上，充分論證既有車輛資源的適應(yīng)能力，再結(jié)合增購列車的程序和采購周期，確定增購列車的目標(biāo)年度，明確增購列車工作啟動的時機和增購計劃。

1.1 目標(biāo)年確定

1.1.1 客流發(fā)展趨勢判斷及客流預(yù)測

客流預(yù)測工作是車輛采購的基礎(chǔ)性工作，必須合理確定預(yù)測年限，一般可采用3～5 年[2]。由于預(yù)測年限一般較近，利用類比法和增長趨勢法可信度高，所以可與模型法配合使用，以提高客流預(yù)測的準(zhǔn)確性。

1) 同類城市對比法。研究國內(nèi)與對象城市相類似的城市軌道交通的客流增長趨勢，分析影響城市軌道交通客運需求生成和演化的因素，分析線網(wǎng)結(jié)構(gòu)與客流之間的關(guān)系。研究既有線延伸段所引起的客流突變、新線引入對既有線路客流量的影響，以及軌道交通的網(wǎng)絡(luò)客流疊加效應(yīng)等，總結(jié)軌道交通客流特點和發(fā)展趨勢。

通過研究，軌道交通的客流增長情形一般可分為自然增長、既有線延長增長、新線接入增長以及客流培育增長4 種。以北上廣為例，對此類城市軌道交通的客流增長率進行統(tǒng)計，如表1 所示。

表1 北上廣各城市線路年客流增長情況分析 Table 1 Passenger flow growth of Beijing, Shanghai and Guangzhou

對各類增長率之間的量級關(guān)系進行分析，可以初步得出：①客流培育增長率與自然增長率之間，成熟地區(qū)約為2 倍關(guān)系，如北京地鐵5 號線；而正開發(fā)地區(qū)則約為3 倍關(guān)系，如北京地鐵13 號線、八通線。②新線接入增長率與自然增長率之間則約為2 倍關(guān)系，如北京地鐵1、2 號線，上海地鐵1、2、3 號線，廣州地鐵1、2 號線，都顯示出這一比例關(guān)系。

2) 同城發(fā)展趨勢推演法。研究對象城市已運營線路的客流變化特征和增長趨勢，尤其重點關(guān)注與對象線路所在區(qū)位、功能定位、系統(tǒng)制式、發(fā)展階段等均較為接近的線路客流特征及變化趨勢，既有線延伸的重點是關(guān)注既有線原客流特征和變化趨勢，并以此為基礎(chǔ)，對目標(biāo)年客流進行發(fā)展趨勢推演。

3) 模型法。通過建立現(xiàn)狀社會經(jīng)濟、土地利用、人口、車輛擁有、交通網(wǎng)絡(luò)等與現(xiàn)狀交通需求及特征之間的定量關(guān)系，并結(jié)合規(guī)劃前景的假設(shè)與輸入，獲得預(yù)測年的交通需求與特征，包括軌道交通客流需求與特征數(shù)據(jù)。在軌道交通客流需求的基礎(chǔ)上，通過客流分配，得到研究線路的客流詳細(xì)指標(biāo)。交通模型框架如圖2 所示。

圖2 交通模型框架 Table 2 Traffic model framework

1.1.2 基于能力適應(yīng)性及經(jīng)濟性的目標(biāo)年確定

1) 既有配屬車能力適應(yīng)性分析。增購車輛必要性和目標(biāo)年的論證，重點針對現(xiàn)狀客流和運能匹配性。在詳細(xì)分析客流增長趨勢并取得系列年度客流預(yù)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)狀運營組織方案及其與現(xiàn)狀客流需求的匹配性，通過多方案比選、綜合性分析，充分論證現(xiàn)狀運營方案及既有配屬車數(shù)對未來需求的能力適應(yīng)性。在契合客流需求前提下，以最大可能充分利用既有資源，將適應(yīng)性仍存在問題的年份作為增購列車預(yù)計目標(biāo)年進行研究。

2) 經(jīng)濟性分析。城市軌道交通列車生產(chǎn)周期較長，價格浮動較大。如果按每年的車輛缺口逐年增購，不但車輛上線周期較長，增購費用較高，而且每年進行車輛調(diào)試還會增加運營成本。合理安排購車計劃，一方面，能夠滿足線路運營的需求，簡化手續(xù)；另一方面，還能夠節(jié)省購置成本，提高運營效率。

因此，基于以上考慮，增購列車的目標(biāo)年一般從既有配屬車輛資源能力適應(yīng)性出現(xiàn)問題的年度算起，基于增長可控和經(jīng)濟性向后擴展2～3 年。

1.2 工作時機選擇

地鐵車輛專用性強，不能隨意采購[2]，根據(jù)國家規(guī)定，除新線初期購置車輛隨可行性研究進行批復(fù)外，運營線路的車輛增購都需專題上報國家、省市，審批通過后方可采購。因此，從項目啟動、審批、招投標(biāo)到列車生產(chǎn)下線，再到列車調(diào)試好上線運營，周期至少2～3 年。

以西安地鐵2 號線列車增購計劃方案[3]為例，時間軸線如表2 所示。從項目報省發(fā)改委立項起，至全部采購列車到場，歷時3 年10 個月。因此，必須在明確增購計劃目標(biāo)年的基礎(chǔ)上，提前3～5 年啟動增購列車的專題研究和采購流程，以確保列車能夠按計劃到場并投入運營。

表2 西安地鐵2 號線列車增購方案 Table 2 Additional procurement scheme for Xi’an Metro Line 2

2 增購列車規(guī)模及方案

2.1 目標(biāo)年擬采用運營組織方案

2.1.1 運營組織方案設(shè)計的影響因素分析

1) 客流需求。根據(jù)國內(nèi)軌道交通線路的客流發(fā)展變化的一般特征：線路開通初期是客流培育期，一般增長較快；之后若無新線開通，則進入較為平緩的自然增長時期；直到延伸線和新線的開通打破這種自然增長，出現(xiàn)跳躍式變化；而網(wǎng)絡(luò)化運營條件的具備，則會為全網(wǎng)帶來客流疊加效應(yīng)，促進全網(wǎng)客流的又一次快速增長。

因此，研究線路的客流需求，要在已開通運營線路的實際數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)客流發(fā)展變化的一般規(guī)律，結(jié)合所在城市、所在區(qū)位、線路功能、客流特性等，做出科學(xué)、客觀的判斷。同時，要對客流需求量級、斷面形態(tài)、OD 分布和客流風(fēng)險進行詳細(xì)分析，以作為運營組織方案設(shè)計的基礎(chǔ)。

2) 服務(wù)水平需求。隨著人們生活水平的提高和出行頻率的增加，乘客對出行的需求已不僅僅是空間位置的改變，對便捷、快速、舒適等方面均有更高的要求[4]。比如，候車等待時間和乘車舒適度是軌道交通服務(wù)水平的重要體現(xiàn)。當(dāng)乘客的候車等待時間達(dá)到無法容忍的程度時，乘客會認(rèn)為其乘坐該線路列車極為不便，從而會去尋求其他替代的交通方式；而當(dāng)某線路列車的滿載率過高，致使列車過分擁擠或無法登乘列車時，同樣會引起乘客的不滿而造成客流流失。因此，為了提高軌道交通服務(wù)水平，減少軌道交通乘客候車等待時間，提升軌道交通乘客候車和乘車的舒適性，需要在滿足需求、節(jié)約成本、保證效益的前提下，盡可能縮短列車發(fā)車間隔(見圖3)。

圖3 列車發(fā)車間隔、滿載率及舒適度的關(guān)系 Figure 3 Relation of train departure intervals, full load rates and comfort

3) 網(wǎng)絡(luò)化協(xié)調(diào)匹配要求。各條線路的高峰小時列車開行對數(shù)是根據(jù)該線路的客流需求制定的，僅從線路本身而言，方案基本合理。但網(wǎng)絡(luò)化運營后，由于各線路列車編組、發(fā)車間隔與車型的差異，會造成線路之間運能不匹配的問題，這些問題會集中反映在換乘站上，可能出現(xiàn)客流擁堵、秩序混亂等現(xiàn)象，降低軌道交通的運營效率，并帶來安全隱患[3]。為避免兩條線路因列車開行密度差異過大而使得換乘乘客滯留車站站臺，并導(dǎo)致車站節(jié)點堵塞、網(wǎng)絡(luò)客流疏散不暢，或者乘客的換乘等待時間過長影響服務(wù)水平，需要制定與網(wǎng)絡(luò)化匹配的列車開行計劃。這種特殊的網(wǎng)絡(luò)化匹配要求，使原來各線獨立確定的高峰小時列車開行對數(shù)在網(wǎng)絡(luò)上未必合理，也使由高峰小時列車開行對數(shù)主要制約的各線車輛配置數(shù)量發(fā)生變化。

2.1.2 運營組織方案設(shè)計

增購列車研究的運營方案設(shè)計，主要指列車在規(guī)定運行線路上往返開行的方式和數(shù)量，直接關(guān)系到客流需求滿足程度、服務(wù)水平、車輛配屬數(shù)量等，對增購列車規(guī)模和投資有很大影響。采用合理的列車運行交路，能夠在滿足客流需求、服務(wù)水平的同時，提高列車運用效率，避免運能浪費，使行車組織經(jīng)濟合理。

因此，在運營方案設(shè)計中，交路折返點的選取以及開行比例應(yīng)結(jié)合全線整體考慮，根據(jù)線路各設(shè)計年限客流斷面形態(tài)、乘客出行特征，并考慮工程條件、增購?fù)顿Y等因素進行綜合比選確定。列車開行對數(shù)設(shè)定既要滿足客流需求，同時還要考慮服務(wù)水平、乘客舒適度和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)調(diào)匹配。上下行非對稱客流在高峰時段差別較大的，建議應(yīng)充分利用單向加車的方式應(yīng)對。同時，應(yīng)努力提高車輛運行速度，減少車站停車時間，改善車站管理，以提高平均旅行速度，減少配車數(shù)。

2.2 增購列車數(shù)量及增購計劃

地鐵的配屬車輛數(shù)量由運用車、檢修車和備用車合計而成[5]。首先，根據(jù)目標(biāo)年運營組織方案，計算為完成日常運輸任務(wù)而必須配備的運用車數(shù)；再根據(jù)檢修和備用的數(shù)量要求，計算獲得檢修和備用車數(shù)量。一般情況下，檢修和備用車數(shù)量在設(shè)計中通常按運用車數(shù)的15%～25%考慮。

合理安排購車計劃，能夠滿足線路運營的需求，簡化手續(xù)；同時還能夠節(jié)省購置成本，提高運營效率。結(jié)合審批程序及采購周期，列車增購計劃一般設(shè)定為2～3 年，如采購數(shù)量較少，也可一次性完成采購。

3 相關(guān)系統(tǒng)的能力分析

軌道交通線路各設(shè)備系統(tǒng)按照系統(tǒng)能力設(shè)計，增購列車運營組織方案一般也不會超過系統(tǒng)能力限制，對各系統(tǒng)的正常運作影響不大。若目標(biāo)年預(yù)測客流超過系統(tǒng)能力所能承擔(dān)的客流需求時，需謹(jǐn)慎論證全線通信、信號、供電、通風(fēng)系統(tǒng)等相關(guān)工程的承載能力，在承載能力允許范圍內(nèi)，設(shè)計運營組織方案并增購列車，或必要時對相關(guān)系統(tǒng)進行擴容，以滿足運營需要。

軌道交通線路的車輛段、停車場一般分期實施，增購列車方案的制定必須對原設(shè)計和實施的車輛段、停車場的停放和檢修能力進行分析檢算[6-7]。首先，需明確既有的段、場能否滿足增購列車后全部列車的停放需求，若不能滿足則需進行同步改造。其次，對檢修能力進行具體分析：若檢修列位需求大于供給但差距較小，建議提高檢修工作效率，壓縮檢修停時，從而提高維修列位的周轉(zhuǎn)率，使得供給滿足需求。若檢修列位需求無法滿足線路大架修的要求，建議提前研究適當(dāng)規(guī)模的大架修基地新建或擴建問題，盡快落實新的大架修基地的選址和建設(shè)，或擴建的大架修列位的建設(shè)，以滿足各線的大架修能力需求。

4 增購列車的案例研究

4.1 工程項目概況

鄭州市軌道交通1 號線是一條東西方向的直徑線[8]，貫穿城市東西發(fā)展主軸，2013 年12 月線路開通運營以來，客運量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。隨著鄭州市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的進一步擴大，軌道交通客流增長必然超過預(yù)期，現(xiàn)狀行車計劃和運力配置已不能適應(yīng)新的客流增長規(guī)律和客流培養(yǎng)周期。

4.2 工作時機選擇

隨著鄭州市經(jīng)濟、人口的增長以及后期軌道交通線路的開通，1 號線的客運量逐年上升。預(yù)測到2023年，6、10 號線已開通運營，1 號線高峰斷面客流量達(dá)2.87 萬人次/h，現(xiàn)狀配屬車將無法滿足運營需求；2025年本期建設(shè)規(guī)劃批復(fù)線路全部建成，線網(wǎng)階段性趨于穩(wěn)定，1 號線高峰斷面客流量將達(dá)3.43 萬人次/h(見圖4)。

圖4 預(yù)測1 號線高峰小時客流斷面 Figure 4 Forecast of passenger flow in peak hours of Line 1

考慮批量增購能夠降低單車采購價格，節(jié)省列車購置費用，因此目標(biāo)年不宜過長。同時，根據(jù)國內(nèi)地鐵采購列車的經(jīng)驗，推算1 號線增購列車進程時間，按照1 號線增購車2021 年獲發(fā)改委批復(fù)，全部列車到齊也需要到2024 年。因此，建議2021 年即啟動增購列車的專題研究，綜合考慮本次增購列車年限為2025 年。

4.3 增購列車方案

4.3.1 目標(biāo)年客流預(yù)測

根據(jù)2025 年早晚高峰客流分布，1 號線早晚高峰客流斷面呈現(xiàn)單峰趨勢分布，斷面量由最大斷面區(qū)間向兩端逐漸減小，高峰集中在五一公園農(nóng)業(yè)南路區(qū)段，如圖5 所示[9]。

4.3.2 運營交路方案

根據(jù)預(yù)測客流情況，1 號線非對稱客流特征明顯，組織對稱的成對列車開行方案會造成單側(cè)運能浪費、運營成本增加，且現(xiàn)狀1 號線早高峰即開行大小交路8+8 對/h，超高峰時段采用單向不均衡運輸，西流湖—市體育中心方向單向加車6 列次/h。

因此，結(jié)合客流特征和單向加車條件，本次增購車推薦采用大小交路套跑，小交路折返點為西流湖站、市體育中心站，開行12+12 對/h；同時，單向加車2 列/h，如圖6 所示。

圖5 2025 年早高峰斷面客流分布 Figure 5 Section passenger flow distribution in the morning peak of 2025

圖6 運營交路方案 Figure 6 Operation routing scheme

4.3.3 運營方案分析

1) 舒適度分析。經(jīng)計算，1 號線遠(yuǎn)期高峰小時車廂內(nèi)最大站立密度為5.3 人/m2，且超過5 人/m2的僅有3 個區(qū)間，占全線區(qū)間總數(shù)的10.3%，舒適度相對較高，如圖7 所示。

圖7 早高峰區(qū)間站立密度 Figure 7 Standing density in the morning peak

2) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性分析。至2025 年，鄭州軌道交通網(wǎng)絡(luò)將從目前的運營7 條線路增加至11 條線路，1 號線的換乘車站由目前的6 座增加到11 座，換乘線路的行車間隔范圍為2～3 min。1 號線增購列車后開行列車26 對/h，最小發(fā)車間隔2.3 min，與換乘線路的發(fā)車間隔匹配性良好。

4.3.4 增購列車計劃

如表3 所示，計算配屬數(shù)量為65 列。目前1 號線配屬車55 列，因此本次1 號線需增購列車10 列，增購計劃安排如表4 所示。

表3 2025 年各交路運用車計算 Table 3 Calculation of operating vehicles of each route in 2025

表4 鄭州1 號線列車采購進程安排 Table 4 Schedule of vehicle procurement for Zhengzhou Line 1

4.4 段場停車能力

1 號線全線設(shè)置一段一場，分別為鄭東車輛段和凱旋路停車場。

1) 鄭東車輛段。本次增購車工程結(jié)合鄭東車輛段運用庫擴建，擴建后的鄭東車輛段總平面圖如圖8所示。

鄭東車輛段總規(guī)模為停車列檢38 列位，周月檢3列位，定修1 列位，室外停車股道2 列位，停車能力共44 列位。

2) 凱旋路停車場。該停車場總規(guī)模為停車列檢26 列位、周月檢2 列位，停車能力共28 列位。

3) 段場停車能力匯總分析。1 號線擴建后，鄭東車輛段和凱旋路停車場的停車能力為72 列位。本次增購車后，1 號線總配屬車65 列，滿足能力需求。

圖8 鄭東車輛段運用庫擴建總平面圖 Figure 8 General expansion plan of Zhengdong depot

5 結(jié)語

軌道交通車輛采購必須經(jīng)過特定的審批程序，且車輛生產(chǎn)周期長，價格昂貴，必須本著節(jié)約成本和提高效率的原則，合理確定購車時機和方案。本研究充分考慮增購列車的必要性和迫切性、審批程序和采購周期、能力適應(yīng)和經(jīng)濟效益，首先提出了增購列車目標(biāo)年和工作時機的確定方法，進而明確了增購列車規(guī)模計算及方案設(shè)計研究的方法和注意事項，并提出方案必須經(jīng)既有段、場停車及檢修等相關(guān)系統(tǒng)驗算方可成立。最后，以鄭州市軌道交通1 號線為例，驗證了該論證方法的系統(tǒng)性和完整性。