中运量公交勺型线交路方案优化研究

刘 斌

(中国铁路设计集团有限公司 交通运输规划研究院, 天津 310042)

0 引言

考虑相邻线技术标准不一、联络线条件及功能有限，尽量不增加行车组织难度，国内大多数城市轨道交通线路不开行跨线列车，故路网中的跨线OD需求常通过乘客换乘实现. 为便于乘客实现这一需求，在规划阶段，可供选择的布线型式主要有米字型、多边形和环线[1-2]. 其中，按米字型布线，多条线路交汇于一个节点站，所有线间OD均在该节点站换乘，且至多换乘一次，换乘次数少，但随引入线路增加，节点站客流组织压力增大，甚至存在安全隐患，故允许在单一节点站衔接换乘的线路数相对受限；按多边形布线，实质是对米字型下的单一节点站换乘压力进行了一定程度的分担，但对于部分线间OD，换乘次数多，乘客体验不佳；按环线布置，是将上述2种布线型式的优点有机结合：一方面，对于相关路网中任何一个线间OD，至多经过2次换乘，换乘次数较少. 同时，在闭合环线上，双方向列车循环运行，乘客总可选择最短距离到达；另一方面，环线上各节点站均可能按米字型布线，从而形成辐射范围更大的“环线+放射线”，环线内外人流通达，特别是在环线和射线间的交叉点及交叉点间更加凸显交通区位优势，往往引起资源集聚与城市功能、形态的良性演化[3].

与此同时，应认识到环线贯通并非易事，特别对于分期建设的环线，一旦施工条件改变，需重新评估方案的路网效能与工程经济性，其贯通更加体现不确定性. 如图1所示，当规划环线难以实施、或在分期建设的环线贯通前的过渡时期，通常按勺型线运营. 在拓扑形态上，勺型线被视作一个“环线”与一条出入环线的射线的组合，兼具闭合环线和不闭合线路的部分拓扑性质：“环线”部分可与相关路网中其他线路衔接换乘；从既有线运营现状来看，“环线”部分前往端点站的客流可能需要换乘或“舍近求远”，乘客体验仍存在一定提升空间；射线端点站承担列车折返，折返能力制约系统能力，是不闭合线路的基本性质，制约着“环线”上能够开行的最大列车对数. 因此，设计合理的车站配线方案，减少乘客换乘，提升乘客体验；研究压缩列车折返间隔方法，提高系统能力是突破既有勺型线运营水平的关键所在.

图1 可满足跨线OD需求的4种布线型式注：(d)中实线段为勺型线，细虚线l1为规划路由，l2为实施路由

1 坪山区规划勺型线的必要性分析及线路方案

1.1 必要性分析

坪山区位于深圳东部，是深圳市“东进战略”的重要节点[4]. 《深圳市实施东进战略行动方案(2016—2020年)》为坪山区规划以“三城一区”(“三城”，即碧湖文化健康城、中心城、聚龙科技创新城；“一区”，即慢生活生态休闲区)打造东部中心确立了总依据和时间表. 新的功能分区及产业布局，对交通系统提出紧迫要求. 考虑坪山区现状没有城市轨道交通覆盖、四期规划兑现后轨道覆盖率也低于全市水平，区域轨道交通发展与东进战略对交通系统的要求并不十分匹配. 因此，构建一条可以加强区域覆盖并密切该区域与既有坪山高铁站联系、对近远期大运量轨道交通体系和现状低运量路面公交体系予以衔接和补充的短工期、中运量轨道交通线路显得尤为必要.

1.2 线路方案

线路起自坪山高铁站，经六馆一城站、文化中心、坪山区委站、正奇文化广场、比亚迪、大学城、聚龙山高新园、松子坑站，线路终点回归六馆一城站，是典型的勺型线，全线长22.2 km，共设站25座. 不难看出，线路方案为提振聚龙山高新技术产业园区的客流出行水平提供了有效交通供给，沿线覆盖主要公共服务部门和其他人员密集区，同时有效加强了该区域与坪山高铁站联系. 此外，线路可与规划16号线、19号线和23号线实现换乘，为可持续地构建区域轨道交通网络奠定基础.

2 勺型线交路方案设计及比选

2.1 客流及编组

远期高峰断面客流约0.7万人次/h. 本次研究，站席密度按深圳市5人/m2地方标准计算车辆定员，结合客流情况远期按4辆编组，考虑合理能力储备，远期高峰小时需开行列车18对/h.

2.2 单一大交路方案

1)交路特点

图3 单一大交路方案

如图3(a)所示，列车自坪山高铁站出发后，首次经过六馆一城站不折返，此后经坪山区委站、比亚迪站和松子坑站，最后经由六馆一城站折返，并原路返回. 全线开行单一大交路. 此方案下，在六馆一城站存在列车折返，“环线”部分客流前往坪山高铁站时需“舍近求远”或换乘. 采用这一交路运营的线路有日本都营大江户线等[5].

2)车站配线设计

按图4所示单一大交路下的车站配线方案，深色箭头所指为列车自坪山高铁站发车后，列车在线路中的走行流向，黄色箭头为列车在六馆一城站折返后的流向. 从中不难看出，该配线形式下，六馆一城站仅办理一种折返列车. 图中1、2线分别为加车线和回段(场)线，用以办理运营前、非高峰时段与高峰时段转换过渡期间的列车出入段(场)作业. 考虑进一步简化配线形式，体现工程经济性，可去掉2线.

图4 单一大交路下的车站配线方案

考虑单一大交路方案在实际应用中更可体现一般性，后续方案在配线形式上均兼容此方案. 另外，本次研究以单一大交路方案作为基准方案，其他两种方案在运输组织难易程度、车站配线功能、工程经济性等方面与之对比.

2.3 独立交路方案

1)方案特点

按图5运营示意图所示独立交路方案，全线分2段独立运营，即坪山高铁站至六馆一城站(短交路)和剩余环线段(长交路)分别独立开行交路. 此方案下，两个交路的列车均在六馆一城站折返，所有在长交路上乘车前往坪山高铁站的乘客，均在六馆一城站换乘，六馆一城站客流组织压力较大.

但同时注意到，该方案有助于引导乘客规避“舍近求远”. 结合对单一大交路方案的分析，在乘客理性决策出行的假定下，长交路上前往坪山高铁站的客流确定需要换乘后，将尽量避免“舍近求远”.

图5 独立交路方案

2)车站配线设计

分析独立交路方案，在六馆一城站需办理3种列车折返，即短交路的列车折返、长交路上2个方向的列车折返，运输组织十分复杂. 因此，六馆一城站需设置双层站台：考虑同台换乘，一层设置岛式站台，承担2种折返列车的客流乘降，即短交路列车、长交路上其中一个方向的列车；二层站台承担长交路另一个方向折返列车的客流乘降. 值得一提的是，对于一层站台，两种列车的客流乘降仅能分别利用岛式站台的一侧，仅可按站前折返作业. 进一步考虑该方式下，岛式站台两侧正线均存在双方向列车敌对运行(但正常运行情况下，没有交叉)，为防止列车冒进，两侧宜各设置一条安全线，接岔点位于站台端部和折返线之间，使得站台端部与折返线间的距离加大. 上述配线形式和折返作业安排均严重制约着列车折返能力，进一步影响系统能力.

图6 独立交路下的车站配线方案

分析工程功能及经济性，注意到该配线形式下，坪山高铁站和六馆一城站站后均预留线路延伸条件，工程延展性较好. 但考虑站台为双层、配线形式十分复杂，该方案工程量大，工程经济性不佳.

2.4 Y字形交路方案

1)方案特点

按图7运营示意图所示，列车分内、外环运行. 经由坪山高铁站发出后，在六馆一城站分流，一支车流经坪山区委站、比亚迪站、松子坑站折回六馆一城站，回坪山高铁站；另一支车流经松子坑站、比亚迪站和坪山区委站，反向接入六馆一城站，回坪山高铁站. 值得一提的是，此方案下，列车仅在坪山高铁站办理站后折返，沿线所有去往坪山高铁站的客流均可不换乘到达. 在乘客理性决策出行的假定下，乘客可避免“舍近求远”.

图7 Y字形交路方案

从运输能力看，Y字型交路的列车折返能力受坪山高铁站折返能力制约. 考虑在六馆一城站存在分流，上、下行均衡服务的情况下，当坪山高铁站站后折返能力为30对/h时，内、外环最多可各开行列车15对/h，不能适应远期高峰小时断面客流.

2)车站配线设计

按图8所示，六馆一城站仅办理两种列车作业，即，自坪山高铁站发出列车，过岔线2经停六馆一城站发松子坑方向的列车到发；自松子坑站接入六馆一城站经停，过岔线1发坪山高铁站的列车到发. 岔线3、4同单一大交路方案下的1、2线，为加车线和回段(场)线，功能对应相同.

图8 Y字形交路下的车站配线方案

2.5 三种交路方案比选及分析

独立交路方案、Y字形交路方案下的车站配线设计均兼容满足基准方案要求. 在Y字形交路方案下，沿线前往坪山高铁站的客流均可不换乘到达，方案可提供更好的乘客出行体验；且车站配线规模与基准方案相差不大，满足工程经济性要求；行车组织方案在实际运营中可行，故相对于独立交路方案具有一定优势. 但受制于坪山高铁站折返能力，Y字形交路方案并不能满足本项目远期客流需求，故进一步探讨和优化坪山高铁站折返能力，以期优化和落实Y字形交路方案对本项目的适应性.

3 系统能力优化研究

以本项目可研阶段坪山高铁站配线方案为基础，辅以准移动闭塞条件下列车折返作业过程，构建基本方案，提出提前降速、增大岔前距离等优化方案，压缩列车在坪山高铁站的折返间隔，以期提高系统能力，使Y字形交路方案可以适应远期客流需求. 其中，提前降速方案是对已有研究[6-8]的补充.

3.1 基本方案

1)列车到达间隔

如图9中所示浅色(原方案)曲线为基本方案下，折返列车进站的速度- 距离曲线. 图中，F′为折返过程的起算点，列车在该点以最高运行速度紧急制动，停稳时，列车头部将处于进入车站保护区段的临界点E处. 实际上，为确保安全，打靶点E距车站保护区段的边界(计轴点G0)留有一定距离；在正常情况下，列车以正常运行速度v0经起算点F′匀速运行，列车运行至M点开始减速，当列车头端进入车站保护区段后，开始以不高于速度v1匀速运行，最后列车制动，在站台端部停稳. 列车清客完成后，起车进入折返线，直至尾部出清折返线，方可办理相邻下一列车接车进路. 若相邻列车以最小间隔追踪，办理接车进路完成后，则后行列车头部刚好到达起算点F′，至此为一个列车到达间隔.

图9 基本方案与提前降速方案下的列车进站过程

2)列车出发间隔

前行列车由折返线进入站台停稳，乘客上车. 而后起车出站，当列车尾部出清车站保护区段边界点E时，开始办理后行列车接车进路，办理完成后，后行列车即可开始由折返线进入站台，至此为一个列车出发间隔.

3)折返间隔计算

分别计算相邻两列车最小到达间隔和最小出发间隔，计其较大者为列车折返间隔. 经核算，到达间隔为各方案下列车折返间隔的控制因素，故在后续讨论优化方案时，着重对到达间隔进行检算. 本次研究，基本方案下相关作业过程及时间如表2所示.

表1 基本方案下列车折返作业过程

3.2 提前降速

为更加清晰地对比提前降速方案和基本方案下的列车到达间隔，说明提前降速方案压缩折返间隔的原理，在图9中，以黑色加粗曲线(提前降速方案)刻画提前降速方案下的列车到达过程：列车自起算点F以速度v′0开始制动，而后以速度v1匀速运行，最后制动停稳于站台端部. 相对基本方案，提前降速方案下，列车进站距离较短，体现在起算点F与闭塞分区打靶点E仅相距一个由速度v′0(v′0

假定列车进站的平均减速度为a，列车进站时间为t进站，l0为车站保护区段边界与站台端部距离，L站台为站台长度，则有，

(1)

当且仅当：

时，t进站可取得最小值. 此时，

(2)

按式(2)计算，起算点F位于车站保护区段边界点E外32 m处，列车自此以v1=28 km/h匀速运动，最后制动停稳于站台端部，进站时间可缩短约11 s. 列车折返间隔(即列车到达间隔)可压缩为95.54 s，折返能力约37对，内、外环可分别在高峰小时开行列车18对/h，可以满足远期高峰小时客流需求，可作为系统能力优化的一个方案.

3.3 增大岔前距离

基本方案下，岔前距离较短(L岔=16 m)，不满足准移动闭塞ATP系统折返线的安全防护距离，此时需将道岔区段CD，连同岔前区段A′C、站台区段AB和计轴区段BE共同组成一个车站保护区段，也即是仅当前车尾部出清折返线后，才能办理后车到达接车进路. 增大岔前距离，以满足安全距离要求，使道岔区段CD不在车站保护区段范围内，即列车尾部出清C点后，即可办理后行列车到达进路. 同时，注意到办理后行列车到达进路时，不再需要判断道岔区段位置状态，故不再考虑和计入道岔转换时间[6]，办理进路时间将进一步压缩.

经核算，岔前距离按50 m，列车折返间隔将压缩至87 s. 若区间追踪间隔按90 s，则此时系统能力受区间追踪间隔控制，内、外环高峰小时可分别开行列车20对/h，满足远期高峰小时客流需求，可作为系统能力优化的一个方案. 为使方案更具一般性，对实际设计工作有一定参考，进一步测算不同岔前距离下的列车折返间隔，如表2所示.

表2 不同岔前距离(L岔)下列车折返间隔

当L岔<80 m时，折返间隔小于区间追踪间隔，系统能力受区间追踪间隔控制，调整L岔对系统能力无影响；此后，折返间隔大于区间追踪间隔，系统能力受折返间隔控制，系统能力可通过减小L岔压缩折返间隔实现，但效果有限；当L岔=180 m时，系统能力处于满足客流需求的临界点.

4 结论

归纳在城市轨道交通网络中实现跨线OD的3种线路形态，米字型、多边形和环线. 分析勺型线在拓扑形态、拓扑性质上与环线、不闭合线路的区别和联系，梳理既有勺型线运营现状的特点与不足. 结合深圳坪山区规划中运量勺型线的背景，提出3种交路方案，设计各交路方案下车站配线形式. 进一步提出提前降速方案、分析增大岔前距离方案，提高系统能力，以期寻求适于本项目的合理运营方案. 主要结论有.

1)相比于米字型、多边形，环线可以最大程度地实现路网线路间的贯通，但在实际中，当规划环线难以实施、或在分期建设的环线贯通前的过渡时期，通常按勺型线运营.

2)在拓扑形态上，勺型线可被视作一个环线与由一条出入环线的射线的组合. 在拓扑性质上，勺型线继承环线在相关路网中的衔接换乘功能，但梳理既有线运营现状，“环线”部分前往射线端点站的客流可能需要换乘到达；勺型线继承不闭合线路性质，列车在端点站折返. 折返间隔可能制约系统能力，从而制约勺型线“环线”部分的列车开行对数.

3)结合深圳坪山区规划中运量勺型线的背景，提出单一大交路方案作为基准方案，提出独立交路方案和Y字形交路方案做为比选方案. 在乘客换乘体验、行车组织难度、车站配线规模及工程经济性等方面，Y字形交路可实现“环线”上前往坪山高铁站的客流的不换乘到达，行车组织可行，车站配线规模与基准方案相差不大，工程经济性较好，在上述方面综合最优.

4)提出提前降速方案，提高系统能力. 基于准移动闭塞，构建了列车到达间隔优化模型. 推导结果表明，最优进站速度与列车进站平均减速度、站台长度、保护区段边界计轴点位置有关. 对于本项目，最优进站速度下，可压缩折返间隔11 s. 在Y字形交路方案下，内、外环可分别开行列车18对/h，满足客流需求. 该方案亦可在已运营线路上实施，为之提高运营效率提供参考.

5)分析增大岔前距离方案，提高系统能力. 模拟计算不同岔前距离下的列车折返间隔，核算系统能力. 发现该方案至多可压缩折返间隔17 s. 在Y字形交路方案下，内、外环最多可分别开行列车20对/h.

6)进一步综合线路条件及工程经济性选择合理的运营方案，继续评估列车编组、站台长度和安全保护区段边界计轴点位置各因素对系统输送能力的影响，评估系统最大运能是今后的研究取向.

参考文献：

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