城市轨道交通增购列车时机及方案研究

房霄虹

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

近年来，我国城市轨道交通发展迅速。截至2020年底，中国大陆地区共有45 个城市开通城市轨道交通，运营线路244 条，运营线路总长度7 969.7 km。已开通轨道交通的城市中，拥有4 条及以上运营线路，且换乘站有3 座及以上的城市22 个，占运营城市总数的49%[1]。

线路设计阶段的客流预测是在当时的交通现状和交通规划条件下做出的科学判断，但随着城市化进程的不断加快，很多预测的基础条件都在不断发生变化。此外，根据北京、上海、广州等城市的运营经验，轨道交通网络形成后，其可达性进一步提高，客流网络集聚及叠加效应更加明显，实际客流与线路建设立项时的客流预测相比，也会产生较大的变化，进而现状运输能力越来越不能适应客流增长和网络化运营需求的情况时有发生。

考虑到城市轨道交通列车的购买需要一定的时间和程序，下单后制造还需要一定的周期，所以必须提前制定增购计划。而采购的规模需要与实际运营需求相匹配，才能有效避免资源的闲置和浪费，因此增购列车的时机和方案都是非常值得研究的问题。同时，考虑增购工作的重要性和复杂性，系统地开展增购列车的时机和方案研究十分必要，建议技术路线如图1所示。

图1 增购列车技术路线 Figure 1 Outline of additional procurement of vehicles

1 增购列车的时机研究

列车增购的根本原因，除按原计划阶段性(近期/远期)采购外，绝大多数都是由于客流的超预期增长和需求的重大变化造成的。因此，必须在准确判断未来发展趋势和需求的基础上，充分论证既有车辆资源的适应能力，再结合增购列车的程序和采购周期，确定增购列车的目标年度，明确增购列车工作启动的时机和增购计划。

1.1 目标年确定

1.1.1 客流发展趋势判断及客流预测

客流预测工作是车辆采购的基础性工作，必须合理确定预测年限，一般可采用3～5 年[2]。由于预测年限一般较近，利用类比法和增长趋势法可信度高，所以可与模型法配合使用，以提高客流预测的准确性。

1) 同类城市对比法。研究国内与对象城市相类似的城市轨道交通的客流增长趋势，分析影响城市轨道交通客运需求生成和演化的因素，分析线网结构与客流之间的关系。研究既有线延伸段所引起的客流突变、新线引入对既有线路客流量的影响，以及轨道交通的网络客流叠加效应等，总结轨道交通客流特点和发展趋势。

通过研究，轨道交通的客流增长情形一般可分为自然增长、既有线延长增长、新线接入增长以及客流培育增长4 种。以北上广为例，对此类城市轨道交通的客流增长率进行统计，如表1 所示。

表1 北上广各城市线路年客流增长情况分析 Table 1 Passenger flow growth of Beijing, Shanghai and Guangzhou

对各类增长率之间的量级关系进行分析，可以初步得出：①客流培育增长率与自然增长率之间，成熟地区约为2 倍关系，如北京地铁5 号线；而正开发地区则约为3 倍关系，如北京地铁13 号线、八通线。②新线接入增长率与自然增长率之间则约为2 倍关系，如北京地铁1、2 号线，上海地铁1、2、3 号线，广州地铁1、2 号线，都显示出这一比例关系。

2) 同城发展趋势推演法。研究对象城市已运营线路的客流变化特征和增长趋势，尤其重点关注与对象线路所在区位、功能定位、系统制式、发展阶段等均较为接近的线路客流特征及变化趋势，既有线延伸的重点是关注既有线原客流特征和变化趋势，并以此为基础，对目标年客流进行发展趋势推演。

3) 模型法。通过建立现状社会经济、土地利用、人口、车辆拥有、交通网络等与现状交通需求及特征之间的定量关系，并结合规划前景的假设与输入，获得预测年的交通需求与特征，包括轨道交通客流需求与特征数据。在轨道交通客流需求的基础上，通过客流分配，得到研究线路的客流详细指标。交通模型框架如图2 所示。

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

1.1.2 基于能力适应性及经济性的目标年确定

1) 既有配属车能力适应性分析。增购车辆必要性和目标年的论证，重点针对现状客流和运能匹配性。在详细分析客流增长趋势并取得系列年度客流预测结果的基础上，基于现状运营组织方案及其与现状客流需求的匹配性，通过多方案比选、综合性分析，充分论证现状运营方案及既有配属车数对未来需求的能力适应性。在契合客流需求前提下，以最大可能充分利用既有资源，将适应性仍存在问题的年份作为增购列车预计目标年进行研究。

2) 经济性分析。城市轨道交通列车生产周期较长，价格浮动较大。如果按每年的车辆缺口逐年增购，不但车辆上线周期较长，增购费用较高，而且每年进行车辆调试还会增加运营成本。合理安排购车计划，一方面，能够满足线路运营的需求，简化手续；另一方面，还能够节省购置成本，提高运营效率。

因此，基于以上考虑，增购列车的目标年一般从既有配属车辆资源能力适应性出现问题的年度算起，基于增长可控和经济性向后扩展2～3 年。

1.2 工作时机选择

地铁车辆专用性强，不能随意采购[2]，根据国家规定，除新线初期购置车辆随可行性研究进行批复外，运营线路的车辆增购都需专题上报国家、省市，审批通过后方可采购。因此，从项目启动、审批、招投标到列车生产下线，再到列车调试好上线运营，周期至少2～3 年。

以西安地铁2 号线列车增购计划方案[3]为例，时间轴线如表2 所示。从项目报省发改委立项起，至全部采购列车到场，历时3 年10 个月。因此，必须在明确增购计划目标年的基础上，提前3～5 年启动增购列车的专题研究和采购流程，以确保列车能够按计划到场并投入运营。

表2 西安地铁2 号线列车增购方案 Table 2 Additional procurement scheme for Xi’an Metro Line 2

2 增购列车规模及方案

2.1 目标年拟采用运营组织方案

2.1.1 运营组织方案设计的影响因素分析

1) 客流需求。根据国内轨道交通线路的客流发展变化的一般特征：线路开通初期是客流培育期，一般增长较快；之后若无新线开通，则进入较为平缓的自然增长时期；直到延伸线和新线的开通打破这种自然增长，出现跳跃式变化；而网络化运营条件的具备，则会为全网带来客流叠加效应，促进全网客流的又一次快速增长。

因此，研究线路的客流需求，要在已开通运营线路的实际数据基础上，根据客流发展变化的一般规律，结合所在城市、所在区位、线路功能、客流特性等，做出科学、客观的判断。同时，要对客流需求量级、断面形态、OD 分布和客流风险进行详细分析，以作为运营组织方案设计的基础。

2) 服务水平需求。随着人们生活水平的提高和出行频率的增加，乘客对出行的需求已不仅仅是空间位置的改变，对便捷、快速、舒适等方面均有更高的要求[4]。比如，候车等待时间和乘车舒适度是轨道交通服务水平的重要体现。当乘客的候车等待时间达到无法容忍的程度时，乘客会认为其乘坐该线路列车极为不便，从而会去寻求其他替代的交通方式；而当某线路列车的满载率过高，致使列车过分拥挤或无法登乘列车时，同样会引起乘客的不满而造成客流流失。因此，为了提高轨道交通服务水平，减少轨道交通乘客候车等待时间，提升轨道交通乘客候车和乘车的舒适性，需要在满足需求、节约成本、保证效益的前提下，尽可能缩短列车发车间隔(见图3)。

图3 列车发车间隔、满载率及舒适度的关系 Figure 3 Relation of train departure intervals, full load rates and comfort

3) 网络化协调匹配要求。各条线路的高峰小时列车开行对数是根据该线路的客流需求制定的，仅从线路本身而言，方案基本合理。但网络化运营后，由于各线路列车编组、发车间隔与车型的差异，会造成线路之间运能不匹配的问题，这些问题会集中反映在换乘站上，可能出现客流拥堵、秩序混乱等现象，降低轨道交通的运营效率，并带来安全隐患[3]。为避免两条线路因列车开行密度差异过大而使得换乘乘客滞留车站站台，并导致车站节点堵塞、网络客流疏散不畅，或者乘客的换乘等待时间过长影响服务水平，需要制定与网络化匹配的列车开行计划。这种特殊的网络化匹配要求，使原来各线独立确定的高峰小时列车开行对数在网络上未必合理，也使由高峰小时列车开行对数主要制约的各线车辆配置数量发生变化。

2.1.2 运营组织方案设计

增购列车研究的运营方案设计，主要指列车在规定运行线路上往返开行的方式和数量，直接关系到客流需求满足程度、服务水平、车辆配属数量等，对增购列车规模和投资有很大影响。采用合理的列车运行交路，能够在满足客流需求、服务水平的同时，提高列车运用效率，避免运能浪费，使行车组织经济合理。

因此，在运营方案设计中，交路折返点的选取以及开行比例应结合全线整体考虑，根据线路各设计年限客流断面形态、乘客出行特征，并考虑工程条件、增购投资等因素进行综合比选确定。列车开行对数设定既要满足客流需求，同时还要考虑服务水平、乘客舒适度和网络化协调匹配。上下行非对称客流在高峰时段差别较大的，建议应充分利用单向加车的方式应对。同时，应努力提高车辆运行速度，减少车站停车时间，改善车站管理，以提高平均旅行速度，减少配车数。

2.2 增购列车数量及增购计划

地铁的配属车辆数量由运用车、检修车和备用车合计而成[5]。首先，根据目标年运营组织方案，计算为完成日常运输任务而必须配备的运用车数；再根据检修和备用的数量要求，计算获得检修和备用车数量。一般情况下，检修和备用车数量在设计中通常按运用车数的15%～25%考虑。

合理安排购车计划，能够满足线路运营的需求，简化手续；同时还能够节省购置成本，提高运营效率。结合审批程序及采购周期，列车增购计划一般设定为2～3 年，如采购数量较少，也可一次性完成采购。

3 相关系统的能力分析

轨道交通线路各设备系统按照系统能力设计，增购列车运营组织方案一般也不会超过系统能力限制，对各系统的正常运作影响不大。若目标年预测客流超过系统能力所能承担的客流需求时，需谨慎论证全线通信、信号、供电、通风系统等相关工程的承载能力，在承载能力允许范围内，设计运营组织方案并增购列车，或必要时对相关系统进行扩容，以满足运营需要。

轨道交通线路的车辆段、停车场一般分期实施，增购列车方案的制定必须对原设计和实施的车辆段、停车场的停放和检修能力进行分析检算[6-7]。首先，需明确既有的段、场能否满足增购列车后全部列车的停放需求，若不能满足则需进行同步改造。其次，对检修能力进行具体分析：若检修列位需求大于供给但差距较小，建议提高检修工作效率，压缩检修停时，从而提高维修列位的周转率，使得供给满足需求。若检修列位需求无法满足线路大架修的要求，建议提前研究适当规模的大架修基地新建或扩建问题，尽快落实新的大架修基地的选址和建设，或扩建的大架修列位的建设，以满足各线的大架修能力需求。

4 增购列车的案例研究

4.1 工程项目概况

郑州市轨道交通1 号线是一条东西方向的直径线[8]，贯穿城市东西发展主轴，2013 年12 月线路开通运营以来，客运量呈现逐渐上升的趋势。随着郑州市轨道交通网络的进一步扩大，轨道交通客流增长必然超过预期，现状行车计划和运力配置已不能适应新的客流增长规律和客流培养周期。

4.2 工作时机选择

随着郑州市经济、人口的增长以及后期轨道交通线路的开通，1 号线的客运量逐年上升。预测到2023年，6、10 号线已开通运营，1 号线高峰断面客流量达2.87 万人次/h，现状配属车将无法满足运营需求；2025年本期建设规划批复线路全部建成，线网阶段性趋于稳定，1 号线高峰断面客流量将达3.43 万人次/h(见图4)。

图4 预测1 号线高峰小时客流断面 Figure 4 Forecast of passenger flow in peak hours of Line 1

考虑批量增购能够降低单车采购价格，节省列车购置费用，因此目标年不宜过长。同时，根据国内地铁采购列车的经验，推算1 号线增购列车进程时间，按照1 号线增购车2021 年获发改委批复，全部列车到齐也需要到2024 年。因此，建议2021 年即启动增购列车的专题研究，综合考虑本次增购列车年限为2025 年。

4.3 增购列车方案

4.3.1 目标年客流预测

根据2025 年早晚高峰客流分布，1 号线早晚高峰客流断面呈现单峰趋势分布，断面量由最大断面区间向两端逐渐减小，高峰集中在五一公园农业南路区段，如图5 所示[9]。

4.3.2 运营交路方案

根据预测客流情况，1 号线非对称客流特征明显，组织对称的成对列车开行方案会造成单侧运能浪费、运营成本增加，且现状1 号线早高峰即开行大小交路8+8 对/h，超高峰时段采用单向不均衡运输，西流湖—市体育中心方向单向加车6 列次/h。

因此，结合客流特征和单向加车条件，本次增购车推荐采用大小交路套跑，小交路折返点为西流湖站、市体育中心站，开行12+12 对/h；同时，单向加车2 列/h，如图6 所示。

图5 2025 年早高峰断面客流分布 Figure 5 Section passenger flow distribution in the morning peak of 2025

图6 运营交路方案 Figure 6 Operation routing scheme

4.3.3 运营方案分析

1) 舒适度分析。经计算，1 号线远期高峰小时车厢内最大站立密度为5.3 人/m2，且超过5 人/m2的仅有3 个区间，占全线区间总数的10.3%，舒适度相对较高，如图7 所示。

图7 早高峰区间站立密度 Figure 7 Standing density in the morning peak

2) 网络协调性分析。至2025 年，郑州轨道交通网络将从目前的运营7 条线路增加至11 条线路，1 号线的换乘车站由目前的6 座增加到11 座，换乘线路的行车间隔范围为2～3 min。1 号线增购列车后开行列车26 对/h，最小发车间隔2.3 min，与换乘线路的发车间隔匹配性良好。

4.3.4 增购列车计划

如表3 所示，计算配属数量为65 列。目前1 号线配属车55 列，因此本次1 号线需增购列车10 列，增购计划安排如表4 所示。

表3 2025 年各交路运用车计算 Table 3 Calculation of operating vehicles of each route in 2025

表4 郑州1 号线列车采购进程安排 Table 4 Schedule of vehicle procurement for Zhengzhou Line 1

4.4 段场停车能力

1 号线全线设置一段一场，分别为郑东车辆段和凯旋路停车场。

1) 郑东车辆段。本次增购车工程结合郑东车辆段运用库扩建，扩建后的郑东车辆段总平面图如图8所示。

郑东车辆段总规模为停车列检38 列位，周月检3列位，定修1 列位，室外停车股道2 列位，停车能力共44 列位。

2) 凯旋路停车场。该停车场总规模为停车列检26 列位、周月检2 列位，停车能力共28 列位。

3) 段场停车能力汇总分析。1 号线扩建后，郑东车辆段和凯旋路停车场的停车能力为72 列位。本次增购车后，1 号线总配属车65 列，满足能力需求。

图8 郑东车辆段运用库扩建总平面图 Figure 8 General expansion plan of Zhengdong depot

5 结语

轨道交通车辆采购必须经过特定的审批程序，且车辆生产周期长，价格昂贵，必须本着节约成本和提高效率的原则，合理确定购车时机和方案。本研究充分考虑增购列车的必要性和迫切性、审批程序和采购周期、能力适应和经济效益，首先提出了增购列车目标年和工作时机的确定方法，进而明确了增购列车规模计算及方案设计研究的方法和注意事项，并提出方案必须经既有段、场停车及检修等相关系统验算方可成立。最后，以郑州市轨道交通1 号线为例，验证了该论证方法的系统性和完整性。