地铁重联编组运营组织 综合效益分析

0 引言

固定编组模式难以解决地铁高峰期运力不足、平峰期运力虚糜的问题，而灵活编组运营模式可以提高地铁运能的利用率，优化运力资源配置，还可以实现地铁运营效益及系统服务水平的最佳协同。然而，灵活编组运营需要技术和基础设施的支持，不可避免地会增加建设期工程投资。

近年来，相关学者就地铁灵活编组运营组织模式及其相关问题开展研究。王冬海等[1]、雷晓瑜等[2]通过对比分析固定编组与灵活编组运营组织模式，分析地铁灵活编组相比于固定编组的优越性；陈斌等[3]研究同等运营服务水平条件下，固定编组和灵活编组的车辆购置费用及运营费用的差异性；李正洋等[4]通过综合考虑运营企业成本与乘客等待时间成本等相关要素，建立多交路多编组运营模式下地铁列车交路计划优化的混合整数非线性规划模型；方开莎等[5]建立多交路多编组运营模式下城市轨道交通大小交路的多目标优化模型；郑亚珺[6]通过对比分析城市轨道交通固定编组和多编组运营组织模式，分别建立以乘客出行成本和运营成本最小为目标的固定编组方案优化模型和多编组方案优化模型及其求解算法，对比分析了2种运营模式下的经济效益；伍勇等[7]剖析城市轨道交通客流的特性，提出采取不同编组的运营方案，分析不同满载率情况下列车牵引耗能；文妮[8]从扩编技术、客流风险分析、车辆购置费用、屏蔽门系统和信号系统等指标，对比分析A型车的2种编组方案；唐玉川[9]分析城市轨道交通客流的特点，提出城市轨道交通灵活编组的运营方案及其关键技术；禹丹丹[10]研究分析灵活编组运营模式的特点及牵引能耗与满载率的关系，构建灵活编组条件下城市轨道交通列车开行方案优化模型及其求解算法。

上述研究成果对城市轨道交通灵活编组运营组织具有一定的参考价值，但仍有需要进一步论证的问题，主要表现在：①既有大多研究成果主要聚焦于城市轨道交通灵活编组运营组织方案的研究，缺乏对固定编组和灵活编组运营模式经济性的综合对比分析；②部分研究成果在研究灵活编组运营方案的同时，虽分析了灵活编组的部分经济指标，但主要以初期采用4辆或6辆编组，近远期采用6辆或8辆编组为主，很少系统性地研究重联编组运营模式的经济性，且未考虑重联编组产生的社会效益。基于此，以平峰期3辆编组、高峰期6辆编组(以下简称“3/6A重联编组”)为例，从3/6A重联编组与6A固定编组的主要成本指标对比、3/6A重联编组运营模式下所需的新增投入2个方面，对比分析6A固定编组与3/6A重联编组运营模式的经济效益性；从节约候车时间、减少碳排放2个方面，分析3/6A重联编组运营模式的社会效益性。

1 地铁重联编组运营的经济效益分析

重联编组运营模式是运用具有快速解编重联功能的小编组地铁列车，依据地铁客流的时空特性，在满足运能需求的前提条件下，合理调配高峰、平峰等时段的编组大小，非高峰期采用小编组列车运营方案，高峰期通过重联采用大编组列车运营方案，实现高峰、平峰时段内运力与客流相匹配的运营组织模式。重联编组是灵活编组运营的类型之一，能够有效适应地铁客流时空分布不均匀的特点。3/6A重联编组运营方案示意图如图1所示。3/6A重联编组各阶段主要成本指标变化和新增投入如图2所示。

图1 3/6A重联编组运营方案示意图Fig.1 Schematic diagram of the 3/6A reconnection marshalling

图2 3/6A重联编组各阶段主要成本指标变化和新增投入Fig.2 Changes in key cost indicators and new inputs in each phase for 3/6A reconnection marshalling

1.1 重联编组与固定编组的主要成本指标对比分析

1.1.1 站台建设费用

地铁站台长度根据车辆选编的情况计算设置，计算公式如公式 ⑴ 所示。

式中：L为站台长度，m；l为单个车辆长度，m；m为车辆编组数，辆；E为停车误差，有站台门时取±0.3 m以内，无站台门时取1 ～ 2 m。

由于带司机室的车辆长度与不带司机室的车辆长度不同，3/6A重联编组后的列车长度与普通站台长度无法匹配，需要增加站台长度或减小车辆的长度，以适应3/6A重联编组运营组织模式。3/6A重联编组与6A固定编组条件下的站台长度对比如图3所示。

图3 3/6A重联编组与6A固定编组条件下的站台长度对比Fig.3 Comparison of station length between 3/6A reconnection marshalling and 3/6A fixed marshalling

经测算，以兰州地铁1号线为例，3/6A重联编组列车比6A固定编组列车长约3.2 m，考虑一定的安全余量及停车误差需求，车站站台部分及通道长度土建工程按增长4 m计算。兰州地铁1号线主要以12 m岛式站台为主，以东方红广场站为例，若采用3/6A重联编组运营模式，站台面积需在普通岛式站台基础上扩建38.4 m2，增加投资约30.72万元。同时站台扩建导致车站面积整体增加132.16 m2，增加投资152.34万元。兰州地铁1号线共设置20个车站，经测算，20个站点土建工程共增加投资约2 000万元。站台区计轴设备、信号机按照3/6A重联编组列车长度及站台长度调整位置，设置数量与6A固定编组一致，无需增加成本。

1.1.2 车辆购置费用

地铁列车总配置数按高峰小时最大断面客流量进行计算，目前铝合金材质A型车平均购入成本约800万元/辆。为满足3/6A重联编组需求，车辆采购招标时，需要强调设备商为列车自动运行系统(ATO)配置列车解编及识别功能。列车空气压缩机和SIV辅助电源的容量需要按6A固定编组设计，预计每辆车平均价格增加2.5% ～ 3%，约20万元左右。

以兰州地铁1号线为例，运营初期高峰小时最大断面客流量为1.67万人次，按高峰期开行12对/h、最小发车间隔为5 min的前提下使用运用车计算初期车辆购置费。6A固定编组与3/6A重联编组的车辆购置费对比如表1所示。

由表1可见，在客流、发车时间间隔一定的条件下，采用3/6A重联编组运营方案初期车辆购置费增加约0.34亿元，重联编组运营方案相比固定编组方案车辆购置成本增幅不大。

表1 6A固定编组与3/6A重联编组的车辆购置费对比Tab.1 Comparison of vehicle acquisition costs between 6A marshalling and 3/6A marshalling

1.1.3 牵引耗电费用

地铁车辆的牵引耗电总额取决于列车走行公里、用电等级及电力单价，计算公式如公式 ⑵ 所示。

式中：C牵引为牵引耗电费，元；d为一日内运营距离，km；n为每日运营的车辆数，辆；w为电力单价，元 /(kW ·h)；e牵引为牵引用电量，kW ·h/(车·km)，一般取2.2 kW·h/(车·km)。

采用3/6A重联编组方案，可以有效提高列车满载率，从而降低能耗，减少动力费支出。在平峰期开行3A固定编组达到100%满载率的客流条件下，采用6A固定编组的能耗相比采用3A固定编组增加69.8%[7]。

以兰州地铁1号线为例，1号线一期工程运营里程为25.55 km，电费取0.7元/(kW·h)，按照计算期30年(建设期4年、运营期26年)对牵引耗电费用进行折现可知，采用3/6A重联编组方案相比6A固定编组方案可以减少牵引耗电费约4.34亿元。

1.1.4 车辆维修费用

地铁车辆的修理费包括日常检修和定期检修。维修费用总额由运行车公里数与维修费率决定，采用重联编组节省的维修费用测算如公式 ⑶ 所示。

式中：C修为车辆维修费，元；n固定为固定编组方案下每日运营使用的车辆数，辆；n灵活为灵活编组方案下每日运营使用的车辆数，辆；e修为维修费率，元 /(车 ·km)。

3/6A重联编组方案下，低峰期开行小编组列车，产生的车公里数相比全日固定编组方案明显减少，在车辆使用寿命期限内可以减少相应检修工作量，有效降低运营成本。同样以兰州地铁1号线为例，维修费率按4.5元/(车·km)计算，在保持客流相同、发车间隔相同的情况下，按照计算期30年(建设期4年、运营期26年)对车辆维修费用进行折现可知，采用3/6A重联编组方案相比6A固定编组方案的车辆维修费可以节约8.88亿元。

假设兰州地铁1号线运营期内客流相同、发车间隔相同，对比6A固定编组与3/6A重联编组运营费用。6A固定编组与3/6A重联编组运营费用综合对比如图4所示。

图4 6A固定编组与3/6A重联编组运营费用综合对比Fig.4 Comparison of operation cost between 3/6A reconnection marshalling and 6A fixed marshalling

由图4可知，3/6A重联编组运营模式下，由于投产的车辆数量下降，牵引耗电费用和维修费用大幅度降低，能带来更高的经济效益。

综上，按照计算期30年进行折现测算，采用3/6A重联编组运营模式牵引耗电量为2.58亿元，车辆维修费用为5.27亿元；采用6A固定编组运营模式的牵引的耗电量为6.92亿元，车辆维修费用为14.15亿元。不同运营组织方案能耗费用及车辆维修费用综合比选如表2所示。

表2 不同运营组织方案能耗费用及车辆维修费用综合比选Tab.2 Comprehensive comparison of energy consumption cost and vehicle maintenance cost of different operation organization schemes

从表2可以看出，采用3/6A重联编组运营方案较6A固定编组运营方案在牵引能耗和车辆维修费用2项指标上可节省投资13.22亿元，占6A固定编组运营方案中牵引能耗和车辆维修费用的62.7%。

兰州地铁1号线一期工程(东岗—陈官营)总投资约为199.9亿元，若土建投资按照一次性支出，采用3/6A重联编组运营模式较6A固定编组运营模式车站投资增加约2 000万元，车辆购置费按初期配属车数一次性购置增加约3 360万元，而计算期牵引耗电量及车辆维修费用现值节省约13.22亿元，投资效益显著。

1.2 重联编组运营模式下新增投入分析

（1）信号系统及站台门的改造费用。3/6A重联编组运营模式下，不仅需要升级改造传统的信号系统，而且还要解决站台门与车辆门不对位的问题，需增设一套停车定位系统，同时信号系统需要向站台门系统提供到站列车的编组信息、停站位置的提示功能。如深圳地铁5号线对信号系统与站台门设备的升级改造投入，站台门系统与信号系统接口的设计及硬件改造费用，主控机及站台端头控制盒硬件及控制软件的改造费用60万元/站；主控机及站台门操作指示盘监控软件的改造费用60万元/站，共计120万元/站。

（2）列车自动防护子系统(ATP)升级费用。3/6A重联编组运营模式下，要求地面ATP设备对3A编组和6A编组列车均能进行防护，并满足不同编组列车混跑的追踪运行和折返能力需求，预计增加成本为ATP软件费用的5%[8]，如深圳地铁5号线进行ATP设备功能升级工程的投入大约300万元。

（3）增设站线费用。3/6A重联编组运营模式下，列车的解编、重联等作业过程需要通过在线解编或离线解编来完成。在线解编相比离线解编，其土建费用较高，会与正线存在行车干扰；但列车空走少，牵引动力费、维修费相对较低。离线解编条件下土建投入低，安全性较高；但会额外增加进出车辆段的牵引费和维修费。

在线解编需要设置一个或多个车站，要求每个车站具备解、编车能力以及存车条件。这就要求在正线区间除了设置日常使用的常规配线外，还需相应增加满足解、编和停车功能的配线[9]。到发线解编配线示意图如图5所示。

图5 到发线解编配线示意图Fig.5 Schematic diagram of receiving departure track unmarshalling line

由图5可见，3和4两条解编线为新增站线，由于解编列车的需要，每条站线均需要具备上下客功能，且车站配线需要延长来满足重联运营作业的需求，工程投资较大。若采用多站解编方案，增设多个这样的解编站，工程投资进一步增加。

当车站不具备设置解编线条件时，可以在除道岔区、ATP防护区域外的线路上进行解编，常见于车站存车线，但该方式解编效率较低，增加了列车在车站的调车作业[10]。存车线解编配线示意图如图6所示。

图6 存车线解编配线示意图Fig.6 Schematic diagram of storage line unmarshalling line

除此之外，若运营初期采用全线大交路，可根据客流空间分布的不均衡性，采用分交路混跑运营模式，且运营初期没有考虑预留或折返能力不足的情况下，在折返站点需要增设折返线或渡线。

设计部门在全线配线设计时，一般都会在部分站点设置具有折返功能的故障列车停车线来应对不同的交路方案。在实际运营中，可以根据停车线设置情况灵活选取小交路的折返点。

3/6A重联编组运营模式下，在折返站需增设折返线或折返渡线，此时，需要考虑折返线的设置位置及其长度。尽端式站后折返站的折返线最佳长度为远期列车长度附加52 m防护制动距离[11]，以6A编组为例，折返线设置187.2 m为最佳，增设费用约为188万元，具体的设置长度需要根据车站实际情况确定。

（4）重联解编费用。重联解编费用包括在线解编方案线路通过能力的折损和离线解编方案出入车辆段新增的费用。线路通过能力计算公式如下。

式中：n线路为线路通过能力，对 /h；t追踪为追踪列车间隔时间，s。

若采用在线解编方案，列车进行解编作业会对正线行车产生一定干扰，从而造成通过能力的折减。根据实际调研，目前地铁列车的解编作业1 min内即可完成，连挂作业3 min内即可完成。假设高峰期线路通过能力为24列/h，采用在线解编方案的同时为保证正线行车安全，线路通过能力上限为20列/h。

离线解编模式下，列车进出车辆段进行解编连挂会产生额外的空走里程，需要额外支出牵引费和维修费，每日新增费用计算公式如下。

式中：C解为每日列车进出车辆段空走费用，元；e空为空走时每车公里支出的费用，元/(车·km)。

以兰州地铁1号线为例，列车进出车辆段单程距离约为1.598 km，供电费取0.7元/(kW·h)，维修费率取4.5元/(车·km)。假设每日集中3次对12列车在车辆段进行解编作业，每年额外支出费用152.19万元。

2 地铁重联编组的社会效益分析

地铁的开行会带来较大的社会效益，包括地铁沿线土地增值，乘车时间减少，乘车舒适度提高等，相比于6A固定编组，采用3/6A重联编组能在节约候车时间与减少碳排放方面取得更高的社会效益。

2.1 节约候车时间效益

3/6A重联编组运营模式下，在客流规模显著下降的平峰期间，以较小间隔开行小编组列车的运输组织模式，不仅可以减少运用车辆数量，也可解决传统固定编组条件下增大平峰期开行间隔时间而增加乘客候车时间的问题，可减小乘客的在站等待时间[12]。

假设客流均匀到达站台，乘客的平均候车时间为发车间隔的一半[13]，计算公式如下。

式中：T候车为乘客的平均候车时间，min；f为列车的发车频率，对/h。

乘客的平均候车时间，在6A固定编组方案中，由高峰小时最大断面客流量及列车选编方式决定；在3/6A重联编组运营组织方案中，还与大小编组列车发车比例有关，发车频率为大小编组列车的发车频率之和。

节约候车时间的效益可以用当地城市的人均出行时间价值来测算。地铁乘客一般都在非工作时间出行，时间效益只有工作时间效益的50%。3/6A重联编组方案下节约候车时间效益测算公式如下。

式中：B候车为节约候车时间产生的效益，元；Q年为地铁年客运量，万人次；t节为3/6A重联编组开行方案相比6A固定编组开行方案，旅客单次出行节约的时间，h；G人为该城市人均出行时间价值，元/h。

以兰州地铁1号线运营初期为例，在客流相同的前提下，3/6A重联编组运营模式下平均每人每次出行节约候车时间0.65 min，1号线运营初期客运量为32.01万人/d，人均出行时间价值为24.6元/h。经测算，采用3/6A重联编组相比6A固定编组每年产生的节约候车时间产生的效益达到1 552.1万元，随着运营后期客运量增长和收入水平提高，效益会更加可观。

此外，由于3/6A重联编组方案下候车时间的缩短能提升系统服务水平，吸引更多沿线客流选择地铁作为出行方式，从而进一步带动地铁经济效益提升。

2.2 减少碳排放效益

从低碳效益来看，地铁相比其他运输方式具有明显的节能减排优势，而在3/6A重联编组运营模式下，平峰期小编组运营更可以充分利用运能资源，进一步减少碳排放。

不同行业关于碳排放的计算方法不同，自上而下法和自下而上法适用于交通运输领域，由于自上而下法所需的能源消耗总量需要从实际运营数据获取，无法用来测算3/6A重联编组方案下的碳排放，因此采用自下而上法计算3/6A重联编组运营方案下的碳排放，计算公式如下。

式中：C为碳排放总量，kg；N为开行辆数，辆；S为走行公里，km；vi为单位公里燃料消耗，kW·h；ei为碳排放因子，我国城市电力碳排放因子为 0.95 kg/(kW ·h)[14]。

每吨CO2排放造成的温室效应需要治理费用约607 ～ 1 498元，据此可以测算减少碳排放的效益。同样以兰州地铁1号线运营初期为例，碳排放治理费用取平均值1 052元/t，在客流特征相同的前提条件下，与6A固定编组相比较，3/6A重联编组运营方案全年可节约的碳排放效益约682.59万元。6A固定编组与3/6A重联编组的社会效益综合对比如图7所示。

图7 6A固定编组与3/6A重联编组的社会效益综合对比Fig.7 Comprehensive comparison of social benefits reconnection marshalling and fixed marshalling

由图7可见，不论是候车时间效益，还是碳排放治理费用，3/6A重联编组运营方案均小于6A固定编组运营方案。由此可见，3/6A重联编组运营方案可以带来更高的社会效益。

3 结束语

地铁灵活编组运营组织模式通过变更不同时段的列车编组长度合理优化运力资源配置，有效解决平峰期运力虚靡、系统服务水平低下的问题，能够更好地适应企业和乘客的需求。以3/6A重联编组为例，对比分析了地铁固定编组与重联编组运营模式的经济效益性和社会效益性。分析结果表明，采用重联编组运营模式需要增加建设期的建设规模及投资，付出比固定编组运营模式更多的建设成本，但与此同时，采用重联编组运营模式可以缩减地铁的牵引耗电及维修费用支出，从而降低运营期的运营成本，并且能减少乘客候车时间，减少碳排放，带来更高的社会效益。后续研究中，可以考虑重联编组实施的运营组织难度及人力成本的变动。