智能轨道快运系统运输能力研究

雷 强 谢丽平

(1. 中铁第四勘察设计集团有限公司， 430063， 武汉；2. 武汉地铁集团有限公司， 430030， 武汉∥第一作者， 工程师)

智能轨道快运系统(以下简称“智轨系统”)是采用虚拟轨迹跟随、全电力驱动及智能综合管理系统技术的新型胶轮运载工具[1]，为最新型的交通制式。智轨系统的列车(以下简为“智轨列车”)采用胶轮替代传统的钢轨钢轮，通过轨迹跟随控制技术对列车实行电子控制，进而实现列车在路面虚拟轨道上的运行,并采用多轴转向技术以确保每节车厢能按预设轨迹行驶。智轨系统兼具了有轨电车快速、环保、大运量的特点，以及传统公共汽车运行灵活的特点。智轨系统的运输能力是界定其运量等级及判定适用范围的基础，对智轨系统的规划设计具有重要的指导意义。

1 运输能力及其构成

1.1 运输能力的概念

运输能力是轨道交通系统基础设施及固定设备在单位时间内所能运输的乘客人数，是评判系统技术水平和服务水平的重要指标。

目前常见的公共交通系统中，地铁列车采用独立全封闭形式，运输能力可以达到4.0万～5.0万人/h，有轨电车一般采用半独立路权，运输能力可以达到0.6万～1.0万人/h，采用混合路权的BRT(快速公交系统)和公交车运输能力为0.2万～0.4万人/h。常见不同公共交通方式的运输能力统计如表1所示。

表1 常见公共交通运输能力表

1.2 运输能力的构成

智轨系统运输能力是单位小时内智轨系统能够运输的乘客人数，不但与列车载客量有关，还与智轨系统的通过能力有关。运输能力等于通过能力与列车载客量的乘积。

1.2.1 通过能力

影响智轨系统整体通过能力N通过的主要因素有线路通过能力、设备服务能力和车站折返能力，即：

N通过=min (N设备，N折返，N线路)

(1)

式中：

N设备——信号、供电等设备的服务能力；

N线路——线路通过能力；

N折返——车站折返能力。

1.2.2 列车载客量

智轨系统的列车额定载客量计算应包括坐席和站席。根据智轨列车技术标准，3模块和5模块的列车额定载客量分别为240人/列和360人/列。

1.2.3 运输能力

在确定通过能力和列车载客量的条件下，系统运输能力为：

P=N通过MC车

(2)

式中：

P——单位小时内单向最大运输能力；

M——列车编组数量；

C车——列车载客量。

2 智轨系统通过能力计算

2.1 智轨列车主要参数

智轨列车编组形式较为灵活，目前主要的编组形式有3模块和5模块两种。本研究以3模块智轨列车为例，其主要参数如表2所示[1]。

表2 3模块智轨列车主要参数表

2.2 设备服务能力

与地铁相比，智轨系统的设备较为简单，主要为通信、信号及供电等专业的设备。智轨列车的通信及信号设备只对列车运行进行监视而不控制，列车根据路面虚拟轨迹导向行驶，由司机控制列车运行速度。可见，智轨列车通过能力不受通信及信号设备的服务能力限制。

智轨列车运行动力由车载蓄电池提供。列车一般在线路首末端为蓄电池集中充电，且完成1次充电需要10 min(含准备时间)，即单个充电位的服务能力为6列/h。智轨线路的末端车站一般坐落于城市外围区域，有充裕的土地资源用于设置充电位。充电位通常采用横列式或纵列式布置，如图1所示。不同充电位数对应的充电服务能力见表3。

a) 横列式

b) 纵列式图1 充电位布置示意图Fig.1 Charging position layout

表3 不同充电位数的服务能力表Tab.3 Service capability of different charging bits

由表3可见，设置多个充电位可缩短发车间隔，提升充电站的服务能力。根据工程设计经验[2]，一般设置4个充电位时，占地规模小，对周边道路等影响小，相应的工程投资比较经济，并能满足一般项目的充电需求。因此，项目多按4个充电位设计，相应充电服务能力为24列/h。

2.3 线路通过能力

智轨列车采用半独立路权，在道路平交路口与社会车辆混行。其运行方式类似于专用道的有轨电车或BRT，线路通过能力受限于平交路口的通过能力，可采用道路信号控制平交路口1条直行车道通过能力的计算方法[3]，即：

(3)

式中：

t1——统计时间，本文取1 h；

T——信号周期；

tg——智轨列车绿灯信号相位时间；

t0——绿灯亮后第1辆智轨列车起动通过停车线的时间；

h——智轨列车通过停车线的平均时间；

a——折减系数。

常见的平交路口信号控制策略有定时信号控制策略、信号相对优先策略和信号绝对优先策略[4]。为提高平交路口处通过能力，智轨列车借鉴有轨电车或BRT的经验，采用信号相对优先策略，即延长绿灯相位时间或缩短红灯相位来实现信号相对优先[5]。本研究中，平交路口绿信比(1个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比)取0.25～0.30，智轨列车过路口的运行速度为30 km/h，智轨列车通过路口清空时间为10 s，反应时间为5 s。经计算，最小发车间隔及通过能力如表4所示。

表4 智轨列车最小发车间隔及通过能力表

通过理论计算可得，智轨列车通过交叉口的最小发车间隔为2.6～2.9 min，通过能力为23.1～20.7列/h。综合考虑实际道路宽度、运营中司机操作等不确定因素，并考虑一定的设计余量，智轨列车线路最大通过能力按20对/h考虑。

2.4 折返能力

根据车站折返线的布置形式，通常有站前折返和站后折返两种方式[5]。列车的站后折返不影响对向运行线路，且站后折返能力较站前折返能力大。结合智轨列车运营灵活的特点，本研究重点对智轨列车通常采用的站前折返能力进行计算。站前折返示意图及作业流程如图2及图3所示。

图2 列车站前折返示意图Fig.2 Turn-back before the station

序号作业项目作业程序1列车侧向进站到达站台2列车停站上下客3列车换端4折返列车确认发车5列车直向出站6折返间隔

根据列车折返作业流程和智轨列车基本性能参数，智轨列车进站耗时为38 s，出站耗时为20 s，司机换端走行时间为50 s，确认时间为10 s，停站时间按40 s计，折返间隔时间为118 s，折返能力为30列/h。

2.5 运输能力

将设备服务能力、线路通过能力、折返能力分析计算结果代入式(1)计算，则智轨列车通过能力为不同影响因素能力的最小值，即线路通过能力决定了智轨系统的最大通过能力。采用半独立路权的智轨系统在平交路口的通过能力取决于路口信号控制方式。按常见的信号相对优先策略，智轨列车最小发车间隔基本可满足3.0 min要求，最大通过能力达20列/h。

根据上述计算分析，综合考虑现代城市道路交通组织方式和运营安全等因素，3模块智轨系统运输能力为0.5万人/h，5模块智轨系统运输能力为0.7万人/h。

3 结语

本文对智轨快运系统的运输能力进行研究。通过对影响运输能力因素的计算分析，确定智轨系统运输能力受限于线路通过能力。考虑实际运营场景的复杂性，确定智轨系统最大通过能力为20对/h，运输能力为0.5万～0.7万人/h，属于低运能轨道交通系统。研究结果明确了智轨系统运输能力，对指导实际项目设计和推广系统应用具有重要意义。