区域快轨网需求特征及主要技术参数研究

丁树奎 王燕凯 房霄虹

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司北京100068;2.北京市基础设施投资有限公司北京100101; 3.北京市轨道交通设计研究院有限公司北京100068)

区域快轨网需求特征及主要技术参数研究

丁树奎1王燕凯2房霄虹3

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司北京100068;2.北京市基础设施投资有限公司北京100101; 3.北京市轨道交通设计研究院有限公司北京100068)

随着北京城乡一体化及京津冀一体化的发展，北京中心城区与郊区新城、近京部分地区的联系日益加强，迫切需要服务范围更广、运行速度更快的区域轨道交通系统。通过发展需求及技术特征分析，明确区域快轨发展的必要性、不可替代性及技术独特性，并基于区域快轨的城市性特点，从满足区域快轨网客流需求、体现区域快轨网技术特征、实现区域快轨网互联互通等需求出发，提出车辆、供电、信号、限界专业的主要技术参数。

区域快轨;发展需求;技术特征;技术参数

北京是我国最早修建地铁的城市，经过多年的发展，目前已开通运营的地铁线路18条，总运营里程超过554 km，北京城市轨道交通网络骨架已形成。而随着经济的高速发展，城市化、区域化进程的加快，北京不同区域之间的政治、文化、经济的联系越来越密切，人们交往越来越频繁，中心城区与周边地区的联系也越来越密切，迫切需要区域快轨这样一种介于城市地铁和干线铁路之间的区域轨道交通系统来解决区域范围内中、长距离出行的需求。

1 区域快轨网发展需求分析

1.1 城市发展需求

根据最新的北京市总体规划修改，北京市域将形成“一主一副两轴多点”的城市空间结构(见图1)。“一主”是中心城区，将着力保障和服务首都核心功能的优化发展，大力疏解非首都功能，积极推进功能重组;“一副”是行政副中心(通州)，重点承接北京市属行政事业单位及相关服务部门的疏解转移，带动城市东部区域协同发展;“两轴”为中轴线、长安街及其延长线，重点优化完善国家重要的政治、文化和外交职能布局，形成首都空间秩序的统领与功能组织的骨架;“多点”则是近远郊10个新城和海淀山后、丰台河西、北京新机场地区3个重要城镇组团，有序承接中心城区人口和适宜功能的疏解，完善公共服务和基础设施，带动所在区域城市化和城乡一体化发展［1］。

图1 北京城市空间结构规划

此外，首都地区还重点将市域东南环京地区的4个跨界市镇群作为区域空间协同的重点。借助打造4个跨界市镇群，在北京和东南环京地区构建“紧凑型都市空间+开敞型区域空间”相结合的跨界发展模式，优化区域空间布局，整合跨界功能体系，推动地域空间上人口、产业、用地等要素在中心和外围的有机联动，实现区域协同发展。

未来，随着北京城乡一体化及京津冀一体化的发展，北京中心城区与郊区新城、近京部分地区的联系日益加强，迫切需要服务范围更广的快速轨道交通系统。

1.2 向心性客流需求

北京市从城市中心向外围区域呈现出人口密度和与中心城的联系紧密程度依次递减的趋势，形成几个特征呈现明显差异的圈层结构［2］(见图2)。第一圈层为中心城区范围:包括中心城中心地区和10个边缘集团，半径约15 km。第二圈层为至近郊新城范围:包括通州、顺义、亦庄、大兴、房山、昌平、门头沟7个近郊新城，半径约30 km。第三圈层为至远郊新城范围:主要包括怀柔、平谷、密云、延庆4个远郊新城以及三河、涿州、廊坊、固安、香河等城镇，半径约70 km。

图2 北京市外围地区区位关系

根据现状出行需求分析，中心城与外围组团的交换量增加，中心大团与边缘集团间交换量占16%，约660万人次/d;中心大团与近郊新城和海淀山后、丰台河西等地区的交换量占6%，约244万人次/d;中心大团与远郊新城等地区的交换量占2%，约49万人次/d，通勤圈呈现进一步扩大的趋势。

但从目前北京市轨道交通建设及运营情况看，轨道交通仅对30 km圈层的新城覆盖较好，外围新城较差，平谷、门头沟、怀柔、密云无覆盖，昌平、房山、大兴、亦庄、顺义仅有单一线路覆盖，如图3所示。同时，以往新城修建长大距离的区域线路时，多采用传统地铁制式，造成效益低下，服务水平相对较差，如利用房山线进入中心城，平均出行时间超1.5 h。

图3 北京市外围新城与轨道的关系

此外，北京市外围新城以及近京地区人口在未来将会有较大幅度增长，交通需求量不断增大，但目前却没能提供足够满足需求的快速交通联系。连接郊区新城与中心城的快速道路基本为1条高速公路和1条国道，高峰时段道路拥堵已基本常态化。据估算，预计至2020年，环北京地区进京方向轨道交通每日出行分担量应达到60万～100万人次，区域快轨的建设需求日益强烈。

1.3 城市功能疏解需求

城市规模过大、交通拥堵、房价高扬、环境污染、雾霾天气等问题，已成为北京发展和管理所面临的严峻挑战。2014年2月，习近平在北京考察时提出，要调整疏解非首都核心功能，优化三次产业结构，推进京津冀地区协同发展。

北京城市辐射区，如远郊新城及周边市镇城市化进程不断加快，这些地区的人口规模已达到小城市规模，产业发展目标明确、布局合理，已经具备了承担首都功能疏导的先决条件［3］。实现非首都核心功能疏解，一方面可通过行政手段安排执行，如某些政府部门或特定产业向外搬迁;另一方面也可通过政策和税收等优惠引导其他产业向外转移。区域快轨交通既可为这些转移的部门和产业提供与中心城便捷、快速的交通联系，同时又能体现交通引导的先行作用，进一步引导产业外迁。此外，产业转移初期，相应人员由于家庭、生活习惯等原因未必跟随转移，反向潮汐性通勤客流需求就此形成，区域快轨交通在此阶段可为其提供通勤交通服务，待产业转移地区住房、医疗等基础设施建设完备后，最终引导人口向外围转移。

1.4 其他交通方式不可替代区域快轨

纵观东京、巴黎、伦敦、纽约等世界大城市的交通体系，轨道交通线网都是一个层次分明的体系，中心城区由地铁线路承担，近郊及远郊区域由市域快线承担，更远范围由城际铁路承担，典型世界大城市现状轨道交通体系构成见表1。目前，北京轨道交通层次还比较单一，在2020线网中以地铁网络为主，尽管规划了快线系统，但在以往实际的建设过程中，有逐步地铁化的趋势，属于区域轨道交通只有S2线1条，且服务水平很低，与世界大城市相比呈现出明显的差距(见图4)。

表1 世界大城市现状轨道交通体系构成

图4 北京与世界大城市轨道交通规模对比

表2为北京现状轨道交通系统对比，从服务范围对比分析发现，北京市30～70 km交通圈层无城市轨道交通覆盖，城际铁路通过但不设站或极少设站，区域轨道交通的功能无法利用其他交通方式实现。

表2 北京现状轨道交通系统对比

1.5 小结

综上分析，与国际城市相比，北京区域(市域)轨道交通系统严重缺乏，服务于远郊新城的区域性轨道交通仅市郊铁路S2线1条，但服务水平低下，明显表现为轨道交通体系中区域层次的欠缺。而目前地铁系统对近郊新城的服务及城际对远郊新城、近京功能区的服务远无法满足这类地区的真实需求。因此，弥补轨道交通体系区域层次、服务新城及近京功能区的区域快轨交通系统发展需求不仅必要而且十分迫切。

2 区域快轨网的技术特征分析

北京市区域快轨主要满足城市中心区与近远郊新城、京津冀都市圈近京功能区之间以及中心区外围功能区之间，以通勤、通学为主，兼顾商务和旅游的中、长距离客流需求。其既有别于地铁和城际铁路，又通过衔接、配合与两者共同组成北京市轨道交通体系。结合北京城乡一体化及京津冀一体化发展特征，重点分析适应北京地区城市特征及区域快轨功能需求的主要技术特征。

2.1 通勤化服务水平

2.1.1 主要服务通勤客流

根据客流调查及分析资料显示，通州、大兴、门头沟等30 km左右地区的通勤交换量比例由2005年的10%以下，迅猛增长至40%及以上;燕郊、涿州、廊坊等70 km圈层内城市与北京间的出行以通勤客流为主，只是出行频次上略有差异。因此，服务于远近郊新城及近京功能区的区域快轨主要服务对象为通勤客流。

2.1.2 设计速度和旅行速度高

基于满足北京70 km交通圈层内通勤时间1 h目标值要求，同时考虑站间距对速度的影响、在公共交通体系中的竞争力及工程建设的经济性，区域快轨选取最高运行速度120～160 km/h，旅行速度60～100 km/h，较普通地铁均明显提升。

2.1.3 高密度、大容量、灵活编组

区域快轨的城市性特征要求高峰小时开行公交化班次列车，充分满足客流需求，具备与公交车或小汽车的竞争力。建议新建区域快轨在实际运营时保证高峰小时最小行车间隔不大于5 min，可提供1万～5万人次/h的运输能力，满足近远郊区高峰小时客流需求。同时考虑区域快线的客流不平衡性，采用2～10辆编组，保证各高、平峰时期较高的服务水平。

2.1.4 换乘衔接便捷

区域轨道交通特有的功能定位，要求其在线路布置上必须成网，线路间及与城市轨道交通线路间必须做到方便换乘。在换乘的时间目标上适宜参考城市轨道交通系统，换乘时间不宜超过5 min。

2.1.5 乘车舒适度高

国内城轨交通设计站席定员标准为5～6人/m2，国外设计站席定员标准为3～5人/m2。考虑到区域快轨更高的舒适性要求，采用3～4人/m2站立标准，适当增加座席数量，提高乘客乘车舒适度。

2.2 网络化运营水平

2.2.1 互联互通

互联互通有利于方便乘客，提高直达性;减小换乘节点压力，提高网络运输效率;高效利用资源，实现资源共享。因此国外典型城市的区域轨道交通均通过各种方式实现了互联互通，如东京小田原线与地铁千代田线直通运营;纽约北方铁路进入曼哈顿中央火车站区段，纽黑文线与哈莱姆线、哈姆森线区段共线运营。

现阶段实现区域快轨的互联互通，一是有条件，目前属于区域快轨范畴的新机场线、平谷线等线路尚处于规划设计阶段，网络尚未布设，通过网络统筹规划和统一技术标准实现互联互通的时机合适。二是有需求，区域轨道交通的客流方向是多样的，主客流方向未必只有1个，且区域客流比较分散，需要区域轨道交通具备客流聚集功能，互联互通可实现不同方向的客流需求，减少乘客换乘。三是有能力，区域快轨单线的客流量没有中心区地铁的那么大，因此单条线路的发车间隔不会太大，有剩余能力，能够实现与其他线路的共线运行，通过资源共享提高线路运输能力。

2.2.2 与中心城轨道交通网良好衔接

对于北京建设区域快轨，一个重要的问题是如何解决好区域快轨线路本身与中心城轨道交通网的良好衔接关系，真正实现衔接方便、换乘便捷。

以往许多郊区线路在与中心城线路衔接时常常采用端头式单点换乘，即郊区线进入中心城区后与中心城区线网只形成一个换乘站，所有郊区进城的客流都必须通过该换乘站换乘达到目的地。目前，北京市有两处比较典型的单点换乘不合理案例:八通线和M1线的换乘衔接;昌平线和M13线的换乘衔接。两案例中均存在以下弊端:1)给端头换乘站带来沉重的换乘压力，运营存在较大安全隐患;2)给换乘线路带来过大的客流冲击;3)换乘和拥堵增加了乘客出行时间，降低了乘客的舒适度及轨道交通的竞争力。

区域快轨与中心区的衔接将结合城市规划及线路功能定位综合确定，线路采取穿城而过、起终点均设于城市外围的贯通方案，或接入城市中心、通过多点换乘城市轨道交通线路的方案，尽量避免区域轨道交通与城市轨道交通单点换乘。

2.2.3 灵活的运营组织模式

采用灵活的运营组织模式，能够促进都市圈一体化发展，提高轨道交通运营效率，便利乘客。因此东京、巴黎、纽约等城市，都采用了快慢结合、大小交路、支线运营等灵活的运营模式;上海地铁16号线采用快慢车运营模式，已经投入运营;广州地铁14号线及21号线，规划采用快慢车运营模式。

北京市区域快轨规划多为地面或高架线，空间限制条件少，有利于越行线、到发线、联络线等辅助线的修建，为采用灵活的运营组织模式提供了前提条件。采用快慢车混行、大小交路、互联互通等运营模式，可以更好地发挥区域快轨的速度优势，满足乘客的不同需求，提高轨道交通运营效率，为采用灵活的运营组织模式提供了依据。国内外其他城市对已运营线路的运营组织经验，则为北京区域快轨如何采用灵活的运营组织模式提供了借鉴。

2.3 独立的技术制式和标准

区域快轨主要服务于都市圈内部的通勤客流，具有城市性的特点，最高速度120～160 km/h，而国铁系统主要针对城市间长大距离的商务、探亲、旅游等非通勤客流，最高速度在200 km/h以上，由于两者服务对象、空间距离及速度等级的不同，铁路的相关技术和标准不能够适用于区域快轨;同时，与区域快轨服务范围大、站间距大、速度高等特点相比，服务中心城区的地铁系统服务范围较小、站间距短、最高速度小于100 km/h，可见地铁的技术和标准，也不能够适用于区域快轨:因此，必须根据区域快轨的需求和特点研究独立的技术制式和标准。

1)区别于城市轨道和城际铁路。区域快轨既不是地铁，也不是城际铁路，因此技术特征绝不是单一的套用其中某种制式，也不是两种技术的简单叠加。

2)城市轨道+城际的部分技术组合。区域快轨的技术选择必须摒弃对城市轨道交通或城际铁路技术的简单复制，根据需求和目标综合分析比选，在技术条件成熟的情况下选择适宜的相关技术。如，信号、供电制式的选择。

3)针对区域轨道交通的技术创新。综合比较地铁和城际铁路，在技术条件均不适用的情况下，根据区域轨道交通服务对象的不同和服务水平的差异，合理开展技术研发，重点体现在:保证中长距离通勤客流时间目标值的前提下，实现公交化的运营服务水平，如线路工程及车辆技术的创新。

2.4 小结

目前规划的新机场线、平谷线、S6线具备区域快轨的主要技术特征，已基本组成了“半环+放射”的区域快轨网络，未来规划的区域快轨网络线路同样必须具备此类技术特征，在规划、设计、建设中必须按统一标准执行。

3 区域快轨主要技术参数

区域(市域)快速轨道交通网络互联互通必须具备最基本的条件:车辆制式、隧道断面、供电制式和授电方式一致，信号制式兼容，同时线间需要设置技术标准要求高的联络线。在缺乏互联互通的前置条件，即隧道断面、车辆、信号、供电等主要系统技术条件不统一、不兼容的情况下，将无法实现区域轨道交通的互联互通运营。

3.1 车辆

车辆主要技术参数主要考虑区域快轨的城市性特点，具备快速起停的能力，满足区域快轨服务范围的客流需求，同时还应考虑区域快轨网的互联互通、资源共享。车辆主要技术参数汇总见表3。

表3 车辆主要技术参数汇总［4］

3.2 供电

3.2.1 技术特征

区域快轨可选择供电系统包括DC 1 500 V、DC 3 000 V［5］、AC 25 kV和AC/DC混合供电制式4种，综合技术特征对比情况见表4。

表4 可选择供电系统技术特征对比

3.2.2 经济性特征

1)从供电负荷考虑，理论上采用DC 1 500 V、DC 3 000 V、AC 25 kV和AC/DC混合供电制式均可以满足负荷需求，但DC 1 500 V在国内没有超过140 km/h的工程实例，工程应用存在一定的技术风险，DC 3 000V只在国外有应用，但国内没有，AC 25 kV最为成熟;

2)根据供电系统的投资估算，采用越高电压等级的供电制式，对供电系统自身的一次性投资越省，AC 25 kV供电制式的一次性投资最省;

3)从运营维护角度考虑，采用统一供电制式的运营维护工作将更简单，采用混合供电制式会增加运营维护的工作量，因此统一供电制式比混合供电制式在运营维护方面有较大优势;

4)从用电能耗方面考虑，采用AC 25 kV供电和AC/DC混合供电制式，车辆的重量比纯直流列车有所增加，运营用电能耗相比直流制式能耗稍高。

3.2.3 方案推荐

结合区域快轨站间距大、车辆运行速度高的特点，同时确保工程实施的可靠性和经济性、技术成熟性，建议优先采用AC 25 kV的供电制式，如涉及与其他系统线路(国铁、地铁)互联互通，则建议采用双制式车辆。供电系统方案的选取还涉及与其他专业的相互影响，因此应进行包括供电系统在内的全面综合技术经济分析后，最终确定供电系统方案。

3.3 信号

3.3.1 可选择信号系统综合对比分析

区域快轨可选择信号系统在系统适应性、技术先进性、互联互通、自动化程度等方面拥有各自不同的特点，综合对比分析情况见表5。

表5 可选择信号系统综合对比分析

3.3.2 综合分析确定推荐方案

比较发现，基于CBTC的移动闭塞在轨旁设备的数量、对高密度发车频率的适应性、自动化程度及自主化程度方面具备明显超越CTCS-2+ATO系统的优势。而在互联互通方面，虽然基于CBTC的移动闭塞需通过升级接口和统一技术标准来实现不同设备厂家间设备的互通，但经研究在技术上完全可实现，且TD-LTE车地通信技术已经在环铁试验段的测试中得到了验证，目前将于北京地铁燕房线工程应用。因此，北京区域快轨推荐采用基于TD-LTE车地通信的CBTC方案。

3.4 隧道断面

区域快轨的最大行车速度为120～160 km/h，这将引起地下线路隧道内的空气压力发生较大变化，从而对地下线路内部的人员造成生理上的影响，必须控制在一定的压力舒适度标准范围内。而最直接的指标为隧道阻塞比，即为列车横断面面积与隧道轨面以上净空横断面面积之比。目前，对于列车设计速度120 km/h及以下的线路，由于满足压力舒适度标准的隧道断面阻塞比较大，隧道断面仍然主要受控于设备及建筑限界。随着列车设计速度的提高，满足压力舒适度标准的隧道断面阻塞比变小，隧道断面将受控于空气动力学影响，需随之加大［6］。不同列车设计速度下的隧道断面最大阻塞比应符合表6的规定。

表6 隧道断面最大阻塞比

4 结论及建议

建设区域快轨是丰富轨道交通系统层次、提高线网效率和服务水平的重要手段，在解决某些特定区域的长距离快速出行方面有着明显的优势，有必要在北京中心城区与远郊新城以及近京地区之间发展区域快轨系统，以满足北京城乡一体化及京津冀一体化发展的需要。

区域快轨覆盖范围广、引导功能强，同时可能跨越不同行政区，存在跨线、共线运营的互联互通需求，需尽快开展区域快线建设模式研究，统一不同行政区建设体制;结合城市轨道交通信号、供电、轨道等系统标准化的发展方向，制定统一的区域快轨制式和标准，推动区域快轨的建设及发展。

［1］华政.北京将打造“一主、一副、两轴、多点”格局［N/ OL］.新华网.［2015-12-01］］http://news.xinhuanet.com/local/2015-12/01/c_128486074.htm.

［2］北京市轨道交通设计研究院有限公司.区域快线主要技术标准参数研究报告［R］.北京，2015.

［3］国家发展改革委，交通运输部.京津冀协同发展交通一体化规划［R］.北京，2015.

［4］北京市基础设施投资有限公司，北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京城建设计发展集团股份有限公司，等.北京市区域轨道交通主要技术条件研究报告［R］.北京，2015.

［5］赵海军，张云太，刘斌.介于铁路与地铁之间的市域轨道交通:DC3000V牵引供电制式探讨［C］//2015中国(天津)区域轨道交通发展及装备关键技术论坛暨第24届地铁学术交流会论文集.天津:2015.

［6］北京市轨道交通设计研究院有限公司.北京新机场快线压力舒适度标准及隧道阻塞比研究报告［R］.北京，2015.

(编辑:曹雪明)

Research on Demand Characteristics and Technical Parameters of Regional Express Rail Network

Ding Shukui1Wang Yankai2Fang Xiaohong3
(1.Beijing MTR Construction Administration Corporation，Beijing 100068; 2.Beijing Infranstructure Investment Co.，Ltd.，Beijing 100101; 3.Beijing Rail and Transit Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100068)

With the development of urban and rural integration in Beijing and integration of Beijing－Tianjin－Hebei regions，the relationship between central area in Beijing and New Towns in suburbs or surrounding areas has been increasingly strengthened.It requires regional railway system to providemore service areaswith faster running speed.This paper states the necessity，irreplaceability and technical specialty of regional express rail by analyzing the development demand and its technical characteristics.Based on the urban characteristics of regional express rail，this paper providesmajor technical parameters of vehicles，power supply，signal and clearance to satisfy the traffic demand，reflect technical specialty and realize connectivity in regional express rail network.

regional express rail network;development demand;technical characteristics;technical parameters

U231

A

1672-6073(2016)02-0007-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.002

2015-12-11

2016-03-03

丁树奎，男，硕士，高级工程师，公司总经理，长期从事城市轨道交通建设管理工作

北京市科技计划课题(D151100005815002);北京市科技新星计划项目(Z141106001814027)