市域铁路列车运行组织探讨

杨智轩，韩宝明，赵 鹏

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044)

我国“十三五”期间城市轨道交通发展迅猛，截至2020 年12 月31 日，我国45 座城市开通运营轨道交通系统，总运营里程达到7 978.19 km，其中城市轨道交通客流超过210.7 亿人次[1]。随着经济的快速发展和城市规模的不断扩大，一些主要城市开始由单中心模式向多中心模式发展，引起客流特征和城市公共交通构成的变化。我国传统的以地铁为主的城市轨道交通系统，难以满足城市群发展过程中乘客对于城区与市郊之间、城市与城市之间的出行需求，这种需求需要一种能够有效衔接城市周边与城市中心地区、大运量、快速的城市轨道交通系统来满足。市域铁路是位于中心城区与其他城镇组团间、组团式城镇间或与大中城市具有同城化需求的城镇间，服务于通勤、通学、通商等规律性客流，具有高速度、公交化等特征的快速客运铁路[2]。市域铁路与城市发展息息相关，对城市政治、经济、文化发展都具有重要保障作用。随着京津冀、长三角、粤珠澳等城市群的发展，市域铁路发展越来越受重视。发展市域铁路，是促进都市圈城市协调发展、发挥中心城镇辐射带动作用的重要手段。研究不同等级列车条件下的市域铁路列车运行组织模式，可以有效减少铁路运营部门的成本、提升列车平均旅行速度、节省旅客出行时间，助力解决城市群与都市圈的通勤问题。

1 市域铁路运行组织现状及问题

1.1 国内外现状

根据中国城市轨道交通协会统计结果，截至2020 年年底，我国已经有10 座城市开通运营市域铁路，总长805.7 km。传统的城市轨道交通系统以地铁为主，对于市域铁路的运行组织模式研究较少。受传统地铁运营模式影响，我国尚没有形成体系化的适合市域铁路的运行组织模式。周庆瑞[3]总结了多种等级列车运行模式适用条件及我国城市轨道交通运营经验；张化难[4]以最小乘客出行总时间为目标，设计了算法并结合重庆地铁5 号线实例，得出了最优的多种等级列车停站方案；董树灿[5]通过对世界范围内的城轨系统开行不同等级列车案例分析，构建了高维0-1 规划模型来实现列车停站方案优化；Boyce 等[6]分别对区域停、跨站停、站站停等快慢车停站方案特征进行总结，分析其适用性，并进行运营效果评价；Goosens 等[7]指出可通过安排不同等级列车服务对应等级的车站，进而将多等级列车开行方案优化问题转化为单等级列车开行方案优化问题；Freyss 等[8]针对单条轨道交通线路的跨站停车问题进行研究，结合实际线路条件，讨论和验证快慢车运营的适用条件，即当站间距较小时不宜采用快慢车；Mignone 等[9]建立了在维持线路时刻表准确性前提下不同时段开行快慢车的跨站停车方案，满足了沿线乘客不同的出行需求。

一般而言，市域铁路采取开行不同等级列车的运行组织方法，能够显著提升列车旅行速度，缩短乘客旅行时间，满足旅客不同的出行需求，提高列车运营效率，降低运营成本。但同时，在列车开行密度较高的情况下，列车越行会导致线路的通过能力降低；同时，一些等级较低的列车在实际运营中，也会出现由于被越行而导致乘客平均等待时间增加、满意度下降。部分国外城市已有较为完善的市域铁路网络，并形成了体系化的技术标准和运营管理手段，国外市域铁路开行不同等级列车现状如表1 所示。

表1 国外市域铁路开行不同等级列车现状Tab.1 Current status of suburban railway under different train classes in overseas cities

市域铁路覆盖范围较广，客流分布不均，且多数乘客以通勤为主要目的。我国传统的地铁运营模式为开行单一种类的站站停列车，这种模式具备运量大、运营组织便捷的优点，但很难满足乘客长距离出行过程中减少旅行时间的需求。在这种情况下，开行多种等级列车的运营模式在市域铁路线路中应运而生，这种模式主要体现在开行多种具有不同停站方案和速度等级的列车。

为了适应全线乘客的出行需求，市域铁路都会选择开行站站停列车和一种或多种跨站停列车，简称为快慢车模式，其中每一站都停车的列车称为慢车，跨站停车、部分车站停车及直达列车等形式的列车统称为快车。市域铁路快慢车停站示意图如图1 所示。

图1 市域铁路快慢车停站示意图Fig.1 Schematic diagram of stop stations for suburban railway of express /slow train

1.2 存在的问题

1.2.1 多等级并存影响运输能力

市域铁路线路通过能力的计算方法为

式中：T为前后行列车的最小运行间隔时间，s；N为线路通过能力，对/h。

开行多种等级列车会产生额外的越行时间，同时也会导致追踪列车间隔时间延长，从而对线路能力产生一定程度的影响。

对站站停模式、高等级列车不停站越行模式、高等级列车停站越行模式的线路通过能力进行计算，站站停、不停站越行、停站越行追踪运行图如图2 所示。

由图2 可知，站站停模式下，前后列车最小运行间隔时间T1与列车停站时间及列车追踪时间有关；高等级列车不停站越行模式下，列车最小运行间隔时间T2需要考虑车站的配线设置、不同等级列车开行比例和列车运行时间等因素的影响；高等级列车停站越行模式下，前后列车最小运行间隔时间T3在T2的基础上还需要考虑列车的停站时间。因此，列车最小运行间隔时间T1N2>N3。

当开行更多种等级的列车时，由于列车之间旅行速度、停靠车站不同，运行图上会出现大量空隙，从而导致线路通过能力减小。相较于开行站站停模式列车，开行多种等级列车会对线路的通过能力产生较大影响，尤其是对于运营里程长、开行列车种类多的线路。因而，选择开行不同等级的列车运行模式的前提为当前线路的运输能力大于当前乘客的需求且运力相对充足。

图2 站站停、不停站越行、停站越行追踪运行图Fig.2 Diagram of train stopping at all the stations, overtaking without stopping at station, and overtaking and stopping at station

1.2.2 慢车乘客出行时间长

市域铁路不同等级的列车可简单概括为站站停列车(慢车)与跨站停列车(快车)，将既接发慢车也接发快车的车站统称作A 型站，将只接发慢车的车站称作B 型站。在开行不同等级列车的情况下，可以将乘客根据始发站和终到站的类型分成4 类：①始发站终到站均为A 型站的Ⅰ类乘客；②始发站为A 型站、终到站为B 型站的Ⅱ类乘客；③始发站为B 型站、终到站为A 型站的Ⅲ类乘客；④始发站、终到站均为B 型站的Ⅳ类乘客。

市域铁路乘客的出行时间由候车时间、旅行时间以及换乘时间3 部分组成。在开行不同等级列车的情况下，乘客在车站候车时会根据不同需求选择不同等级的列车。对于Ⅰ类乘客，通常会选择乘坐花费时间最短的直达快车，由于列车种类增多，乘客在站台等待对应快车的平均时间会有少量增加，Ⅰ类乘客的出行时间总体得到减少。对于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类乘客，选择乘坐列车时有2 种选择：①只乘坐慢车；②乘坐慢车与快车，并在中途进行换乘。由于慢车待避快车会导致延迟发车，慢车乘客的等待时间会有所增长。同时对于选择换乘方案的乘客，还需要考虑额外的换乘时间，换乘时间则受到换乘站换乘流线设计、线路列车开行方案等多种设计因素的影响。可知在开行不同等级列车情况下，快车乘客的出行总时间会大幅减少，而慢车乘客的出行总时间会有所增长，因此为了最大程度地减少乘客平均出行时间，需要优先考虑在有较多乘客出行需求的车站之间设置开行快车。

2 运输组织优化方案

2.1 减少不同等级列车速度差

市域铁路最为核心的任务应是保障高峰时刻通勤能力，因而规划不同等级列车运行组织模式时，首先需要考虑线路的输送能力即列车开行密度，其次才是列车运行速度。而当不同等级列车之间速度差过大时，往往会导致线路的通过能力大幅下降。

为便于计算快慢车运行速度差对于线路通过能力的影响，将研究范围确定为2 个A 型站及中间1 个B 型站，假定快慢车的开行比例为1 : 1，忽略起停车附加时分，快慢车模式下区间通过能力示意图如图3 所示。

区间通过能力的计算公式为

式中：Imin为列车最小追踪间隔时间，s；Is为慢车在区段中所有经停站的停站时间之和，s；Δt为快慢车运行时间之差，s。

易知在列车追踪间隔时间与慢车停站时间固定不变的情况下，快车速度比慢车速度相对值增大时，快慢车运行时间差Δt就会增大，由公式(2)可知此时线路的通过能力就会减小，即区间内相邻的2 列车速度差越大，运行图上存在的空隙越大，线路通过能力就越小。当处于客流低峰时刻时，提升快车速度可以有效缩短快车乘客的旅行时间，而当处于客流高峰时刻时，为了保障线路的载客能力，快慢车速度差不应过大。

图3 快慢车模式下区间通过能力示意图Fig.3 Schematic diagram of section carrying capacity under express/ slow train mode

2.2 采取灵活的列车开行方案

由上文可知，当市域铁路快慢车开行数量为1 : 1 且采用轮流发车时，运行图中的空隙将达到最大，对线路通过能力的限制也达到最大。因而如何安排合适的快慢车的连续发车比例[10]，在满足乘客出行需求的前提下，实现乘客平均等待时间最小是市域铁路运营部门需要解决的主要问题。

在市域铁路的实际运营中，乘客的出行需求是多样化的，因此需要灵活的不同等级列车开行方案[11]。为减轻不同停站列车对通过能力的影响，应通过调整不同列车比例的方式来改善能力利用，以适应不同时期客运需求。运营部门应以提供符合群众出行规律和客流特征、更加便民惠民利民的市域铁路运输服务为目的，严格落实城市公交化服务的各项要求。制定开行方案时明确：在早晚高峰时段，将发车间隔控制在十分钟或更少，同时在满足客运需求的前提下应尽量保证站站停与跨站停交替发车；在平峰时段，稳定列车发车时间和停站方案；在节假日或其他高峰时段根据情况灵活调整，但等待时间不宜过长。此外旅客列车编组也需要灵活控制，可以四节短编组也可以八节编组，根据不断发展的客流进行适当调整，不浪费资源也不能使运力不足，为群众切实提供全程安全、便捷、贴心的运输服务。

2.3 构建方便快捷的换乘体系

市域铁路换乘体系需要考虑快慢车间的换乘优化及同其他交通方式之间的换乘优化。

（1）实现快慢车之间同站台换乘。目前，市域铁路进出站、换乘模式与国铁车站类似，换乘的环节、流线都不尽便捷流畅。为了实现市域铁路同站台换乘，减少乘客走行距离，市域铁路的运营方式要以公交化运营模式为导向，实现对市域铁路站台设计与刷卡进出站台模式的优化，允许乘客在站台等待换乘后续列车。通过天桥或地下通道的方式修建岛式站台，实现不同等级的列车同时停靠在站台两侧，方便乘客同站台换乘。

同站台换乘可以有效的减少因换乘产生的走行时间。市域铁路同站台换乘示意图如图4 所示。假设A 车为被越行慢车，B 车为越行快车，乘客同站台换乘的过程为：①A 车驶入车站越行线停车，换乘到B 车乘客下车进入站台等候；②B 车驶入车站，在换乘站台另一侧停车，需要换乘到A 车的乘客下车乘坐B 车，A 车乘客换乘到B 车；③完成准备工作后，B 车出发，A 车等待1 个最小发车间隔时间后出发。

图4 市域铁路同站台换乘示意图Fig.4 Schematic diagram of one-platform transfer of suburban railway

（2）构建与其他城市交通系统之间的专用换乘通道。市域铁路的优势覆盖范围为市郊—城市中心区域，当运行到了城市内部之后，市域铁路的覆盖率以及便捷程度远不如地铁系统。同时，市郊通勤人员很少能够通过市域铁路直达目的地附近，需要换乘地铁、公交等其他城市公共交通方式。为充分发挥市域铁路的通勤功能，城市中心区域的市域铁路车站在设计时就要充分考虑和其他交通系统之间的衔接。对于已经建成的市域铁路车站，则可以通过设计换乘专用流线或特殊指示牌如地标设置等引导乘客快速换乘。

2.4 案例分析

以北京副中心线(良乡—乔庄东，以下简称“副中心线”)为例，研究市域铁路不同列车等级条件下运输组织优化。市域铁路正成为解决北京及其周边地区通勤方式的重要手段，但副中心线目前存在客流少、车站少、换乘不便等诸多问题。结合副中心线的实际运行情况，提出以下建议。

2.4.1 列车开行方案优化

目前，副中心线每天开行6 对列车，开行频率较低，列车最小追踪间隔时间没有对线路通过能力产生限制，线路能力还存在一定富裕。但是从发展规划的角度分析，随着副中心线的不断发展建设以及通州—北京主城区之间客流交互的不断增长，副中心线承担的通勤压力将越来越大，这也对副中心线的运输能力提出新的挑战。

当前副中心线的通勤客流主要由3 部分组成：①北京市政府迁入通州区后，主城区前往通州地区通勤人员；②通州及燕郊地区前往北京主城区工作的通勤人员；③2020 年6 月底西延线建设完成后，房山区前往北京主城区的通勤人员。

因此，在未来对副中心线进行开行方案优化时，应当充分考虑到副中心线的客流时空分布特征。在早晚高峰时段，主要满足乘客的通勤需求，除既有的站站停列车外，可以在乔庄东—北京西、乔庄东—北京、北京西—乔庄东、北京—乔庄东之间开行直达快车，以满足乘客对于减少通勤时间的需求。在平峰时段，主要满足乘客的日常出行及旅游需求，稳定列车的发车时间及停站方案。其他节假日及特殊活动期间，则根据客流预测进行适当调整。

2.4.2 换乘体系优化

（1）北京西站实现和地铁系统的便捷换乘。北京西站是副中心线换乘的主要站点，北京西站地铁站乘客换乘量大，但地铁与市域铁路之间距离较远，且需要进出站二次安检，导致乘客换乘时间延长，影响了市域铁路的竞争力。当前北京西站地铁和市域铁路站台都已建造完成并投入使用，不适宜进行大规模的改建，可以选择在通勤(早晚)高峰时段，通过设置围栏等方式设计专门的换乘流线，供地铁与市域铁路系统的乘客换乘，同时推行地铁与市域铁路系统的安检互认，减少换乘时间。

（2）乔庄东站和良乡站实现和公交系统的便捷换乘。乔庄东站和新建成的良乡站位置都比较偏远，且周围无其他轨道交通线路，乘客主要通过公交车摆渡。公交系统没有乘车前的安检流程，因此不能和地铁系统一样实现与市域铁路之间的互认安检换乘。在通勤高峰时段，乔庄东站和良乡站可以在保障车站正常运作的前提下设立市域铁路临时安检通道。此外，市域铁路应与公交系统在时刻表实现衔接，便于乘客更好地掌握出行时间。

（3）北京东站、通州站实现不同等级列车同站台换乘。当前副中心线客流主要集中在乔庄东—北京西之间，其中北京东站、通州站的站台设置均为2 台4 线，且不承担其他线路主要车次的接发任务，较为适合进行车站改造作为副中心线的越行(换乘)站，实现同站台换乘。

3 结束语

市域铁路是解决城市群以及大城市通勤问题的有效手段，通过开行不同等级的列车，可以更好地发挥市域铁路在满足多样化出行需求、衔接各种交通方式中的作用。选择开行不同等级列车的运输组织模式，需合理设置不同等级列车的运行速度差、采取灵活的列车开行方案、优化换乘体系等，减少对通过能力、旅行时间的影响。