首条成环的无人驾驶智慧环线运营组织研究——以西安地铁8号线为例

武 静

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

随着城市化进程加快，国内越来越多的特大型城市在构建城市轨道交通线网过程中，通过规划建设环形线路以打造线网的核心骨架[1]。

据统计，全世界共建有40多条地铁环线。国内目前已运营的环线共包括8条线路，分别为北京地铁2、10号线、上海地铁4号线、哈尔滨地铁3号线、成都地铁7、9号线、重庆地铁环线、郑州地铁9号线。其中，重庆地铁环线为互联互通模式，其他线路均为独立运营模式。另外，有9座特大城市规划了10条独立环线，7座城市规划了7条组合环线[2]。

通过对国内外主要城市的环线进行分析，大多数环线串联城市二环、三环快速路。但城市快速路服务的对象为对外客流，不应和公交走廊重合，两者功能应区分开来[3]。西安地铁8号线作为线网唯一环线，路由选线尤为重要。二环路地下为排洪渠，施工条件差，同时三环周边发展规模有限，客流强度不大。因此，8号线路由选线避开了二、三环路，充当了地下2.5环的重要角色，串联最多主城区域，并与线网中多条线路换乘，其运营组织方案是前期研究的重点和难点。因此，针对速度目标值、站立标准、车辆选型及编组、运输组织模式、行车组织方案、运营管理等方面进行了分析研究。

1 环线功能及特征

环线的功能主要分为串联沿线客流和外围分流截流两方面。实现周向联系，承担城市周围的客流集散；截流功能，为市郊与中心区的客流提供更多的换乘路径，减轻中心区换乘压力[4]。

环线全线客流量往往高于放射形线路，可包容线网中心区的所有换乘点。一般选在城市中心区边缘，串联了较多的大型商场、交通枢纽等大型客流集散点，形成了基本客流源和支撑点，并形成环线自身的客流走廊。

国内外环线运营模式可分为5种，如图1所示[2]。分别为独立环线运营、勺形环线运营、共线环线运营、组合环线运营、大小环线运营。其中，独立环线运营占已运营环线总数的一半以上[3]。

图1 环线常用运营模式

2 西安环线概况

西安地铁8号线是都市区轨道交通线网中的骨干线，线网中唯一环线，重要的换乘线路。贯穿雁塔区、新城区、灞桥区、未央区、莲湖区等5个行政区以及高新区、曲江新区、浐灞生态园区、经开区等4个开发新区[5]。形成主城区内二环至三环之间的一条最主要的客运交通走廊，充当地下2.5环的重要角色，在整个线网中起到主骨架作用。

全线长约49.9 km，均为地下线，设站37座，平均站间距1.35 km。全线设1段1场。新建1座主变电所。在车辆段内设控制中心1座。地铁8号线线路走向示意见图2。

图2 西安地铁8号线线路走向示意

3 功能定位及客流特征

地铁8号线途经丈八东路、万寿路、凤城二路、朱宏路等道路，周边分布密集居住用地，途经的西二环道路两侧主要为金融商贸及居住用地，唐延路为西高新中心区，分布金融商贸、酒店会所、写字楼等，线路沿线客流需求大。建设8号线，缓解沿线交通压力，将城市市区各个片区紧密地连在一起，为各片区提供便捷、快速的地铁。

地铁8号线的建设能够很好地服务于环线两侧大型客流点集散及交通换乘，同时为市域线路进入主城区创造良好的接驳条件，可实现各交通走廊之间的快速转换，分散中心区换乘站的负荷压力，优化主城区与外围区域联系[6]。

8号线共有换乘站18座，换乘站全日客流占全线客流的73.62%；初、近、远期最大断面均出现在早高峰时段，分别为2.54，3.23，3.90万人次/h。初、近、远期早高峰断面流量见图3。

图3 初、近、远期早高峰断面流量

8号线高峰断面客流量呈现出以下特点。

(1)同区间上下行方向断面客流量不均衡性较小，基本呈对称分布：为城市提供沿环周切向客流快速通道的同时，也满足各条径向线路之间的换乘需求，兼具客流集散和换乘功能[7-11]。由于其环线特征，上、下行客流断面基本呈对称分布，没有明显的错峰现象。

(2)分区段客流断面呈现出明显的不均衡性：8号线位于西安市二、三环之间，沿线区域用地开发较成熟，但环线四周用地各有分工，西南部主要为高新产业和居住区，东北部主要为居住区，客流的集散量均很大，东南角与西北角由于受三环阻隔和文物保护影响，客流的集散量较小。早高峰时段主要以通勤客流为主，受到沿线用地性质及网络换乘关系的影响，环线客流断面呈现出明显的不均衡性，局部高断面客流量是低断面客流量的3倍多。

4 运营组织方案

4.1 速度目标值

地铁8号线全长49.9 km，共设37座车站，由于该线为环线，乘客可视车厢内乘客的拥挤度和自己的急切程度任意选取乘坐的方向，均可到达目的地。当较为急切时，可选取较近的方向乘坐，对于乘客来讲，本线长度仅相当于整个环线长度的一半，约为25 km，并不属于超长线路。

全线范围内站间距小于1.5 km的区间共28个，占总区间数的75.7%。单从站间距与速度的适应性方面看，80 km/h速度目标值能够较好地适应本线站间距离的特点。地铁8号线与线网中大部分线路均有1～2次换乘，换乘功能突出，发挥着调节网络中各线客流的作用，主要解决外围区域快速进入中心区的客流需求，客流以通勤客流为主，乘客出行平均运距较小，仅为6.9 km，对旅行速度目标值要求不高，因此，采用80 km/h。

4.2 车辆选型及编组方案

地铁8号线发挥着调节网络中各线客流的作用，换乘功能突出，与线网中大部分线路均有1～2次换乘，1、2、4号线连接了西安市老火车站、北客站、城东客运站等主要的铁路、公路对外交通枢纽，对外客流将占较大比重，不乏携带大件行李的乘客会通过本线换乘，应考虑较为宽松的站立标准。8号线远期高峰小时客流为3.90万人/h，全日客流高达176.39万人，全日客流高。因此，建议车辆选型时采用较为良好的拥挤度，采用5人/m2站立标准。

在《关中城市群都市区城市轨道交通西安网规划》中，1～8、11号线为都市区骨干线，均考虑采用普通轮轨系统。从建设规划的实施情况来看，目前已建、在建线路及同步实施地铁8号线部分换乘节点也在按照普通轮轨系统进行设计、施工[5]。8号线应采用普通轮轨系统。

我国城市化进程还在不断加快之中，8号沿线尚有部分未开发的建设用地，城市规划的不确定性是客观存在的，很难对客流进行较为准确的预测；同时，远期网络形成后，换乘客流增大也会刺激全线客流的增长。保留充裕的运能余量对于以换乘客流为主的环线非常有必要。同时，地铁8号线均为地下线路，地下空间受地面构筑物、地下管线、地质构造影响较大，要进行建筑物拆迁、到路改移、管线迁改、桩基托换、不良地质处理，建设难度巨大，且具有不可逆性，一次建成后不具备改扩建的条件，因此，在车辆选型时也应考虑此因素，为未来留有足够的空间。因此，采用A型车6辆编组。

4.3 采用全自动无人驾驶独立运营模式

对国内外的环线运输组织模式进行分析，应重点考虑以下几方面：①要有足够的线网规模；②在主要市中心区促进形成互联发展的节点环；③把主要的轨道枢纽和走廊连接起来；④增强环线和放射线方向乘客的轨道通达性；⑤降低市中心放射线之间换乘压力。国内已运营环线中，仅重庆环线为互联互通模式，其他线路均为独立运营模式[12]。

结合地铁8号线线路走向、功能定位、客流特征分析，适宜的运输组织模式为独立运营。同时，无人驾驶技术能使列车实现全自动控制，避免人为操作导致的运营故障，因此，8号线也紧跟趋势。地铁8号线运营后将成为全国首条无人驾驶环线，也将为西安后续无人驾驶地铁线路起到指导作用。

4.4 行车方案

4.4.1 交路

地铁8号线全线共有18座换乘站，占全线车站总量的48.6%，高峰小时客流上下行基本均衡；换乘站数量多且客流集散量及换乘客流量大；高低段面交错分布，低段面区段高峰客流并不低，且低段面区段存在多处乘降量较大的换乘站，很难选出合适的小交路折返点。因此，采用一个大交路。结合高峰小时断面客流，同时考虑到网络化运营需求，内、外环均开行一个大交路，初、近、远期高峰开行对数分别为22，24，28对/h。交路见图4。

图4 交路

针对8号线的客流断面呈现明显不均衡性特征，可考虑利用场段出入线和停车线，组织单方向加车，对高断面区段实行削峰作业。

4.4.2 配线

地铁8号线为环线，有双向收发车需求，同时车辆基地停车列位较多，对收发车能力要求较高，场段接轨均采用收发车能力最大的方案1，即“八”字线接轨[13-19]。场段接轨方案见图5。

图5 场段接轨方案

东仪路站位于线路的西南角，丈八东路与东仪路交叉口，车站两侧均具备设置配线条件。东仪路为8号线与11号线的换乘站，同时与11号线共享大架修基地。本段配线从工程投资、实施条件及功能上综合研究分析，采用方案2。方案比选见图6。

图6 电子城—东仪路站配线型式方案(单位：km)

全自动无人驾驶模式故障状态救援时，需采用人工驾驶救援，人工驾驶模式需考虑司机上车时间，即到达故障现场后连挂、推进时被救援列车司机到达被救援车辆前端(牵引时救援列车司机到达救援列车的前端)的时间，停车线距离应适当缩短，才可满足救援需求。目前，国内尚无针对全自动运行的规范，故障停车线间距还没有明确规定，还需要进一步探讨明确。另外，国内正在研制无司机情况下两列车自动连挂功能，随着科技的发展，此功能如能应用，无需考虑司机登车时间。

地铁8号线运营初期，采用有人值守的自动驾驶DTO，处理故障车下线时，无需考虑司机登车时间。待近远期时期成熟后采用无人值守的全自动驾驶UTO，处理故障车下线时，需额外考虑司机登车时间[20]。

全线配线图见图7。本线停车线间距超过9 km的仅有1处：东仪路站—新植物园站长9.4 km，新植物园站为场段接轨站，东仪路站设置单线双列位停车线，均无需进行救援列车摘钩和救援列车退出停车线至车站的作业，可节省部分时间，抵消掉司机登车耗费的时间。可把总救援时间控制在30 min之内，满足规范要求。

图7 西安地铁8号线全线配线(单位：km)

4.4.3 备用交路

为应对不同的客流预测，结合全线配线方案，在实际运营中可根据客流实际情况及运营需要灵活调整开行比例、组织不同交路运行。备用交路见图8。

图8 备用交路

4.4.4 配线能力核算

以长鸣路车辆段出入线为例进行核算。采用八字线型式，分别接轨于新植物园站和东月路站，均为地下岛式车站，远期停站时间均为30 s。

(1)新植物园站

新植物园站出、入段作业过程及时间见图9、图10。

图9 新植物园站出段作业过程及时间

图10 新植物园站入段作业过程及时间

(2)东月路站

东月路站出、入段作业过程及时间见图11、图12。

图11 东月路站出段作业过程及时间

图12 东月路站入段作业过程及时间

由图9～图12可知，新植物园站、东月路站出入段最大间隔均为112 s，可满足120 s系统能力要求。

4.4.5 全自动无人驾驶的运营管理

全自动无人驾驶系统正常情况下运行模式是一种将列车驾驶员执行的工作，完全由自动化的、高度集中的控制系统和调度人员所替代的列车运行模式[21]。

控制中心为确保线路正常运营而计划并执行每日运营操作，下达运营指令。在正常运营情况下，由中心调度员在该日运营开始时激活运营程序，系统根据具体运营日的时刻表要求安排列车进入运营模式。运营从出库开始至入库结束，中心调度员通过列车表号识别每一列列车及其交路，以监控列车运行。到晚间运营结束，系统按照时刻表让列车退出运营。列车将根据运行图和存车表的指示，返回车场。

全自动无人驾驶系统与有人驾驶的本质区别在于是否有司机参与控制日常状态下的列车运行。正常情况下，由调度人员在控制中心代替司机完成相关行车控制、乘客服务及车辆设备状态的监控，因此，全自动无人驾驶线路运营管理模式仍可沿用两级管理、三级控制的模式，只是在各级管理机构组织与实现手段上存在一定调整。

5 结语

地铁8号线是西安都市区轨道交通线网的骨干线，是线网中的唯一环线，重要的换乘线路。作为国内第三长度环线，充当西安地下2.5环的重要角色，串联西安最多主城区域、未来可能最大客流量的地铁线路，首次采用更大运量的A型车，建成后将成为国内首条成环运营的无人驾驶智慧环线。

经分析研究，西安地铁8号线为最高速度80 km/h、A型车6辆编组、全自动无人驾驶、独立运营的城区骨干线。前期研究过程中，在明确全线功能定位、客流特征的前提下，提出速度目标值、车辆选型及编组、运输组织模式、行车组织方案、运营管理等进行了研究，为类似地铁环线的运营组织方案提供了借鉴。建议后续城市应结合自身城市空间结构、线网规模、线网形态、客流预测、用地条件、道路路由等方面因素，予以综合研究确定地铁环线的运营组织方案。