基于技术特征分析的市域轨道交通车型选择方法

刘心露，崔 莹

（1. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2. 南京市规划和自然资源局，江苏南京 210005）

1 研究背景

近年来，我国城镇化已进入以都市圈、城市群为主体形态的新阶段，急剧扩张的城市空间、功能重组的城市结构和高质量的城市活动都对各城镇组团间的时空可达性提出了更高的要求，传统城市轨道交通系统及铁路运输系统已难以满足日益增长的长距离通勤出行需求。2017年以来，国家相继颁布了《关于促进市域（郊）铁路发展的指导意见》[1]《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》[2]《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》[3]等文件；同时，《市域快速轨道交通设计规范》（TCCES 2-2017）[4]、《市域快速轨道交通规划与设计导则》（RISN-TG 032-2018）[5]等行业规范相继出台，以培育、指导各地市域轨道交通科学地发展。各大城市在规划、建设市域轨道交通的过程中，逐渐对其有了更为深入的认识，但线路的功能定位、客流需求、车站分布、时间目标、互联互通、车辆制式等重要技术特征的研究尚处于起步阶段，受到了业内人士广泛的讨论与关注；其中，车型的选择对市域轨道交通功能的实现、经济合理性有较大的影响，是国家、地方相关部门的决策要点之一。本文就市域轨道交通的若干重要技术特征及其相互关系进行详细分析，并通过案例解读车型选择的研究及决策过程，可为其他市域轨道交通线路前期工作提供参考。

2 市域轨道交通技术特征分析

市域轨道交通主要是指连接中心城区与周边城镇组团、都市圈毗邻城镇间的中长距离、大容量、公交化的快速轨道交通系统[6-7]，其速度、平均站间距、客流强度及通勤客流占比等指标一般介于城市轨道交通与城际铁路之间。类似的名称还有“市郊铁路”“通勤铁路”“都市圈城际”等，主要是从功能或空间的角度出发对市域轨道交通进行的定义，本文统称为“市域轨道交通”，并将其各项基本技术特征分为以下4个部分。

2.1 功能定位分析

市域轨道交通的功能定位一般为连接中心城市与都市圈的通勤圈内其他城市、城镇、组团，为沿线的重要客流集散点提供快速、公交化的出行服务，从而支撑和引导都市圈的发展；穿越中心城市主城区的长大线路往往还肩负着城市客流快速向心直达的功能。其中，服务通勤客流是市域轨道交通的主旋律。

市域轨道交通的客流特征及车站分布应当与其功能定位相符，其相互关系如图1所示。在立项阶段，国家有关部门对市域轨道交通的批复一般包含“深入城镇中心”“覆盖5～10万人以上的组团”等类似要求，用以约束线站位研究。车站分布应充分以功能定位为导向，串联重要的组团、园区、景点，最大限度地收集客流。而客流特征应当与功能定位相呼应，以客流预测数据为凭，力证车站分布的合理性及功能定位的可实现程度。对于没有用地支撑、客流预期较小的车站，应予以删减；对于位于城镇或组团边缘、仅有单边客流的路由，应予以舍弃；对于以弹性客流为主、潮汐性不明显的廊道，应慎重研究建设市域轨道交通的必要性。

图1 功能定位、客流特征、车站分布相互关系

2.2 车辆制式分析

市域轨道交通快线的时间目标一般由居民通勤及商旅出行时间感受、驾驶员运营工作时长，以及上位规划中的相关时间目标决定，一般不超过1 h。在时间目标确定后，列车从始发站到达折返站时的最低旅行速度得以确定。如何据此选择合理的最高运行速度，主要取决于速度效率。

速度效率是旅行速度与最高速度的比值，是体现车辆运行最高速度发挥效率的评价指标。一般来说，速度效率在50%～60%时，速度效率增长曲线基本呈直线递增，此时能达到最佳速度效率状态，因此市域轨道交通应将速度效率为 50%～60%作为选择最高速度的基准[9]。基于此，可以确定市域轨道交通的最高速度一般在100～160 km/h，分为100 km/h、120 km/h、140 km/h、160 km/h 4个速度等级。

100 km/h、120 km/h的车辆动力及密闭性要求接近城市轨道交通车辆，一般采用DC1500V的供电制式；140 km/h及以上的的车辆动力及密闭性要求较高，一般采用AC25kV的供电制式；长大线路上分段采用不同的最高运行速度及相应供电制式时，可以考虑采用双流制式，即为车辆配置交直流双用受电弓。市域轨道交通常用车型具体如表1所示。

表1 市域轨道交通常用车型概况

2.3 线网互联互通分析

互联互通的需求一般源于客流运营组织或线网资源共享分析。

运营组织模式直接由客流需求决定，也受工程实施性制约（配线的设置条件）。与城市轨道交通线路相比，市域轨道交通穿越的区域更为多样化，沿线客流组成复杂，一般采用多种运营模式来满足沿线的多样需求。

（1）越行。提高旅行速度，为长距离客流提供便捷直达服务。

（2）贯通。进城客流较多时，市域轨道交通开进城区线，从而减少换乘、提高效率。

（3）支线。线路末端客流量级不大时，考虑设置支线深入不同的市域郊组团。

线网层面资源共享主要是主变电所和车辆基地的共享，其中，车辆基地造价高昂且检修设备使用率不高，应尽可能多条线路间共同使用。共享的前提是不同线路的车辆可以不受限界制约通行至同一车辆基地内，且供电制式相同。

2.4 线路敷设方式分析

城市发展成熟区一般对新建轨道交通线路占用的地下空间十分敏感，主要由于既有的各类隧道、管线、桥梁、建筑物等已挤占了绝大多数的空间资源，这些都对新建轨道线路的建筑限界、转弯半径、震动及噪声提出了较为严苛的要求，因此，线路一般以地下敷设为主。城市发展新兴片区则有较为宽阔的街道可敷设高架市域轨道。针对《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展意见的通知》[3]中有关技术标准的说明，笔者认为可重点领会“从严控制工程造价”的要求，在适当的区间采用地面敷设，不宜完全“以地面建设为主”。对有客流聚集潜力、值得市域轨道交通深入并设站的片区及组团，应尽量避免设计过长的地面段，否则将对片区的空间造成较大的切割和阻隔，不利于片区发展。

3 车型选择方法

基于上述市域轨道交通技术特征分析，本节将以南京都市圈轨道交通S6线（宁句线）为例，论述车型选择方法，主要分为4个步骤，详细技术路线如图2所示。

图2 市域轨道交通车型选择技术路线

3.1 步骤 1

步骤1主要任务为：解读好上位规划，根据客流预测，确定功能定位和线站位，保证本线的功能定位合理且可实现。上位规划包括但不限于国土空间总体规划、都市圈发展规划、城市轨道交通线网规划、都市圈轨道交通线网规划、综合交通规划、建设规划。

S6线起于南京市东部的马群枢纽，终至句容市，是《江苏省沿江城市群城际轨道交通网规划（2012-2020年）部分项目提前实施方案》[8]中批复的一条线路，线路走向如图3所示。中华人民共和国国家发展和改革委员会对该线批复要求包括：准确把握功能定位和技术标准，尽量覆盖规划人口10万人以上的城镇并深入城镇中心，工程建设以经济适用为原则。根据南京市国土空间总体规划相关文件可知[9]，句容市处于南京都市圈的30～50 km圈层（图4），规划通过市域轨道交通或城际铁路实现句容市至南京市主城片区的1 h通勤、生活联系。

图3 南沿江铁路、S6线及地铁13号线示意图

图4 句容市在南京都市圈中的位置示意图

根据上位规划及批复要求，初步拟定本线功能定位：快速连接南京市、句容市，服务宁句廊道沿线的客流。论证过程中考虑了2个方案并进行深入的客流分析。S6线方案比选示意图如图5所示，方案1强调快速进城，城际功能为主，长35.8 km，设站8座，平均站间距5.1 km；方案2强调深入组团，服务通勤为主，长43.6 km，设站13座，平均站间距3.6 km。方案1中，站点位于组团边缘，其城际功能与南沿江城际铁路（见图3）重复，而速度无法超越后者350 km/h的最高速度，且沿线的人口岗位覆盖率仅有方案2的60%。经过深入客流分析可知，S6线客流呈以南京主城为核心的单向吸引，各组团内部出行以及跨组团出行均以线路西侧马群站—东郊小镇站为主；其早高峰系数、周末/工作日出行比例与南京市已运营的城区线接近，体现了较强的城区外围组团向主城的通勤功能；而早高峰期间通勤客流则更接近南京市已运营的市域线，体现了市域线服务弹性客流的特征，详见表2。

图5 S6线方案比选示意图

表2 S6线客流特征指标表

经过多轮线站位、客流预测的调整和修正，最终明确S6线为兼具城市、城际复合功能的都市圈轨道交通，承担句容市至南京市间的通勤客流及弹性客流，采用方案2。基于此，进一步深化敷设方式及车站方案，最终方案为6座高架站，高架段占比约62%。

3.2 步骤 2

步骤2主要任务为：梳理线路所在的廊道、圈层、其他竞争性交通工具的出行时长，同时基于本线的功能定位，确定合理的最高运行速度。

根据南京市的总体规划和综合交通规划，S6线须实现南京、句容两市1 h的通勤联系。目前，S6线马群站—句容站公交出行时间为1.5 h，大巴出行时间50～60 min，小汽车出行时间45 min左右；在建南沿江铁路可实现11 min联系句容高铁站、南京南站。因此，S6线首末站旅行时间宜控制在40 min以内，优于公交、大巴、小汽车。乘客可通过S6线马群站换乘南京地铁2号线到达南京市中心（新街口），交通出行时间为1 h，满足总体规划及综合交通规划的要求，亦与本线的功能定位相符。

根据40 min出行时间目标，推算最低旅行速度为65.4 km/h，按照50 %～60 %的速度效率推算，最高速度在109～130 km/h较为合理，可进一步比选接近该速度范围的3种最高速度100 km/h、120 km/h、140 km/h。经牵引计算，3种最高速度模式下，S6线均可实现首末站之间40 min内抵达的时间目标。

3.3 步骤 3

步骤3主要任务为：分析线网互联互通需求、沿线客流运营组织需求，结合步骤2的速度需求，确定备选车辆制式及远期编组。

（1）线网互联互通需求。根据《南京市城市轨道交通线网规划修编》[10]，S6线规划向西延伸，与规划13 号线在南农大站衔接、贯通，直达市中心；同时，S6线与12号、13号线（规划采用地铁B型车）共享大架修基地，提升线网效率。

（2）客流运营组织需求。经核算，全线开行马群站—黄梅站的小交路、马群站—句容站的大交路，采用4～6节编组的市域轨道交通A、B、D型车均可满足初期至远期的运营组织需求。

在步骤2已知，S6线应重点比选最高速度为100 km/h、120 km/h、140 km/h的车辆。针对直流供电制式的车型：在直流B型车满足远期运能的情况下，直流A 型车不具备经济优势；直流B型车选择最高速度100 km/h或120 km/h对工程造价影响较小，仅车辆购置费有少量差别；因此，直流车中最高速度120 km/h的B型车最适合S6线。针对交流供电制式的车型：在S6线工程可行性研究阶段，长三角地区最高速度140 km/h以上的轨道交通线路均采用了D 型车，尚无成熟应用的交流A型车。因此，交流车中最高速度140 km/h的D型车成为了唯一选项。

本步骤中，确定了最高速度120 km/h的B型车（直流）、最高速度140 km/h的D型车（交流）为重点比选车型，远期均需采用6节编组。

3.4 步骤 4

步骤4主要任务为：综合前3个步骤的成果，对比不同车型从开工建设至运营30年的综合经济成本。

对于地下敷设比例较高的线路，车辆的尺寸越大、速度越高则地下隧道及车站的土建规模越大，车辆购置成本越高，因此直接工程投资成本越高。对于最高速度目标值较高的、站间距大的线路而言，交流供电制式线路设置所需设备更少，故而供电系统造价相对较低；但交流制式车辆需增加车载变压器和变流器等设备，导致交流车辆轴重大、能耗高。不同尺寸、轴重、供电制式的车辆，在不同条件下各具优势，需要实事求是、因地制宜地选择。

3.4.1 土建工程

针对S6线，直流B型车（120 km/h）与交流D型车（140 km/h）地下盾构区间每双线延米造价指标估算值约差5.4万元；对于标准地下站，D型车比B型车的车站建筑面积增加约1 300 m2，车站埋深和高度各增加1.9 m；对于标准高架站，D型车比B型车的车站建筑面积增加约1 000 m2，车站雨棚加高1.9 m[11]。具体见表3。

表3 6节编组B型车与D型车相关参数对比

合计全线的土建规模变化量，可得交流D型车比直流B型车增加造价约13.04亿元，其中车站增加约2.83 亿元，区间增加约9.84亿元，轨道增加约0.37亿元。

3.4.2 供电系统

核算全线的供电系统，可得交流D型车比直流B型车减少设备系统费用约1.36亿元。

3.4.3 车辆购置

核算初期购车费用，可得交流D型车比直流B型车增加初期购车费约4.4亿元。

3.4.4 30年运营期能耗

供电系统中的电能损失主要包括：主变压器、中压环网、整流机组和牵引网电能损失等，经初步估算，交流D型车的全生命周期能耗比直流B型车增加约12.2%。

3.4.5 车辆基地

核算句容车辆段的工程费用，可得交流D型车比直流B型车增加车辆基地工程费约0.9亿元。同时，若S6线为交流制式，则不具备在线网中与其他线路共享大架修基地的条件，因此线网须另寻车辆段升级为车辆基地，需要增加费用约3亿元。

3.4.6 小结

综上所述，与交流D型车（140 km/h）相比，采用直流B型车（120 km/h）可减少全网总投资约19.98亿元，运营期能耗降低约12.2%，因此，在满足全线的运营组织及速度需求的前提下，最高速度120 km/h的直流B型车应作为推荐车型。

采用上述市域轨道交通技术特征及车型选择方案分析南京都市圈市域轨道交通宁扬线（S5线）、宁马线（S2线），可分别得出推荐车型为直流B型车（120 km/h）、交流D型车（160 km/h），与两线在2020年完成的相关研究报告[12-13]结论一致。值得注意的是，若将交流制式的市域A型车纳入比选范围，对于最高速度要求大于等于140 km/h的市域轨道线路而言，结论或有所不同。

4 结语

市域轨道交通的车辆选型需考虑诸多因素，应根据实际情况综合、全面地进行分析。功能定位是市域轨道交通线路前期研究的核心，线路客流特征及车站分布应当与其功能定位相符；最高速度取决于上位规划赋予线路的通达性要求，也受线路条件制约；运营组织方案应基于本线的客流需求和网络的互联互通需求。车型选择应在透彻地剖析基本技术特征后，通过全生命周期经济比选来得出结论，可参考本文提出的4步骤法进行，也可结合实际情况具体分析。

市域轨道交通兼具城市、市郊、城际等多种客流特征，沿线居民、相关政府部门、业内人士针对某一条市域轨道交通的观点和期许往往不甚相同，需要轨道交通、城市规划的从业者把握好市域轨道交通最重要的功能和需求，将其打造为真正服务都市圈通勤的公交化、快速度、大运量的轨道交通系统。