广州市域快速轨道交通18号线和22号线快慢车及共线运营下的线路通过能力分析

蔡涵哲 马 鹏 江志彬 邹晓磊

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司， 510010， 广州； 2.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，201804， 上海； 3.同济大学交通运输工程学院， 201804， 上海∥第一作者, 高级工程师)

市域快速轨道交通(以下简称“市域快轨”)是一种主要服务于城市郊区和周边新城、城镇与中心城区联系，并具有通勤客运服务功能的中、长距离的大运量城市轨道交通系统。市域快轨服务以城市客流为主，满足通勤、通商、通学、旅游休闲等客流需求。通勤客流作为市域快轨的主要客流，期望提高郊区到市中心之间的旅行速度，因而市域快轨通常具备开行快慢车的线路条件和客流需求[1]。

快慢车运营组织是根据线路的长、短途客流特点和通过能力利用状况，在开行站站停慢车的基础上，同时开行跨站快车，从而使运输组织适应客流特征的一种网络化运营组织技术[2]。针对市域快轨线路的客流特征和服务需求，最常用的运营组织方式有快慢车运营和多交路运营两种[3]。但市域快轨线路配线复杂，尤其是在多线互联互通的条件下，开行交路与停站方案较多，且存在多个限定条件的越行站。多线路、多交路快慢车组合开行方案下的线路通过能力受不同共线交路的开行比例、快慢车开行比例、越行地点等因素的综合影响[4-5]。传统的解析法能力评估在精确性上有一定的局限性，计算机仿真方法可以有效精确评估不同开行方案条件下的能力。本文以广州市域快轨18号线和22号线为例，以同济大学研发的城市轨道交通列车运行图计算机编制系统(TPM)为工具[6]，研究限定越行站条件下不同越行地点、不同快慢车开行比例及不同共线交路开行比例对线路通过能力的影响规律和不同运营方案条件下的线路最大通过能力。

1 广州市域快轨18号线和22号线开行方案

1.1 线路概况

广州市域快轨18号线(以下简称“18号线”)与22号线(见图1)串联南沙副中心、花都、白云及广州中心区，实现广州中心区与南沙副中心、白云城市中心、花都城区及白云机场的快速轨道交通联系。两线打通广州南北走廊，快速连接万顷沙站、广州南站、广州东站、白鹅潭站、白云站、白云机场站等主要交通枢纽，实现南沙新区至广州东站及广州南站30 min，以及南沙新区至白云机场45 min通达的时空目标。

两线设计速度均为160 km/h，车辆选型为8辆编组市域D型车，采用快慢车运营模式。此外，两线为互联互通设计，在线路南段有3个共线车站：万顷沙站、横沥站、番禺广场站。白云区段的白云城市中心站和空港经济区站亦具备跨线运营条件。

1.2 开行方案概况

基于线路的功能定位和客流交互需求，18号线和22号线考虑两种运营模式：独立运营和共线运营。本文重点研究不同运营模式下不同列车开行数量以及快慢车开行比例对通过能力的影响。

独立运营模式为：18号线开行万顷沙站—广州东站—天贵站的独立交路，22号线开行番禺广场站—广州南站—白云机场站的独立交路(见图2)。共线运营模式为：开行万顷沙站—广州东站—天贵站和万顷沙站—广州南站—白云机场站两个交路(Y型交路)，在万顷沙站—番禺广场站区段共线运营(见图2)。

2 线路通过能力计算仿真方案

2.1 线路通过能力的分析方法

根据列车的运行方式，将列车运行图分为平行运行图和非平行运行图。对于站站停列车的平行运行图，其通过能力的计算公式为：

n=3 600/T周

(1)

式中：

n——线路小时通过能力,列/h;

T周——运行图周期，s。

对于非平行运行图，由于列车的停站方式不同导致区间的运行时分不同，它的通过能力需要根据列车的越行方案和快慢车开行比例单独确定。相应地，其运行图周期需要单独确定,见图3。

非平行运行图线路通过能力的计算方法：先确定单位时间内可以铺画运行周期的数量，然后乘以该类型运行周期内所包含的列车数。其计算公式如下：

(2)

式中：

n周——1个运行周期内所包含的列车数，列。

非平行运行图线路通过能力的分析方法有扣除系数法、试验绘图法及计算机仿真方法等。计算机仿真方法是通过模拟铺画给定开行方案条件下线路的最大通过能力运行图，可得到线路的最大通过能力。该方法具有精度高、运算快等优点。本方案采用TPM系统进行仿真分析。

2.2 仿真方案的设计原则

结合18号线和22号线的开行方案和配线条件，通过计算以及考虑一定冗余，同向发车间隔时间I发发不小于140 s，同向到站与通过间隔时间I到通不小于90 s，同向通过与发车间隔时间I通发不小于35 s。快车仅在限定的车站越行慢车，18号线的限定车站为南村万博站、沙溪站、石榴岗站、琶州西区站和白云城市中心站，22号线的限定车站为祈福站、陈头岗站和白云城市中心站。

仿真分析的目的为：①分析不同越行地点对线路通过能力的影响；②分析不同越行次数对线路通过能力的影响；③分析不同快慢车开行比例和共线交路开行比例对线路通过能力的影响。

仿真方案的设计原则如下：①快慢车呈组合周期化开行；②快车优先且尽量保证慢车的旅行速度最大；③慢车被越行的次数尽量少(单程不超过2次)。

2.3 仿真方案设计

本次研究主要仿真3种运营模式，共16个方案，见表1。

3 线路通过能力仿真结果分析

基于TPM系统，对上述方案中的最大线路通过能力进行计算，得到的结果见表2。方案3-2的线路通过能力仿真运行图见图4。

表1 18号线与22号线运营方案表

表2 18号线与22号线运营方案线路通过能力汇总

3.1 18号线独立运营时的线路通过能力分析

在单列慢车被越行1次的情况下，快慢车开行比例为1∶1、1∶2对应的线路最大通过能力分别为11.43列/h、15.10列/h；单列慢车被越行2次的情况下，快慢车开行比例为1∶1时的线路通过能力为12.41列/h。不难发现，在单列慢车被越行1次时，快慢车开行比例越大，线路通过能力越大。而在快慢车开行比例均为1∶1时，单列慢车被越行2次的通过能力(12.41列/h)大于被越行1次的通过能力(11.43列/h)。

3.2 22号线独立运营时的线路通过能力分析

在单列慢车被越行1次时，快慢车开行比例为1∶1、1∶2对应的线路最大通过能力分别为15.00列/h、17.85列/h；单列慢车被越行2次时，快慢车开行比例为2∶1时的线路通过能力为15.88列/h。不难发现，在单列慢车被越行1次时，快慢车开行比例越大，线路通过能力越大。

3.3 两线共线运营时的线路通过能力分析

列车在共线区段时，快慢车停站方式均相同，18号线和22号线的列车到达番禺广场站的间隔越均匀，相应的线路通过能力越大。两交路开行比例不同时，越行的地点会有所变化，且非共线段的均衡性亦有较大差异。当18号线快慢车开行比例为1∶1(琶洲西区站为越行站)、22号线快慢车开行比例为1∶2(白云城市中心站、祈福站为越行站)时，共线段线路通过能力最大，为24.83列/h。

3.4 综合分析

基于上述不同方案，可以得出以下结论：

1) 单列慢车被快车越行相同次数(本案例中为1次)时，同一周期内快车与慢车之间的开行数量相差越大，线路通过能力越大。由于快慢车混合开行，线路通过能力会有所下降；但同等级列车追踪铺画得越多，线路上列车运行速度差有所降低，线路通过能力损失得亦越少。

2) 快慢车开行比例相同时，随着单列慢车被越行次数增加，线路通过能力亦随之增加。例如，方案1-8与1-4、1-5相比，同样是快慢车1∶1开行，但方案1-8中单列慢车被越行2次，且越行地点与方案1-4、1-5相同，但线路通过能力明显增加。因此，可以考虑在快慢车运行的线路上通过增加慢车被越行次数来增加线路通过能力。但慢车被越行的次数不能过多，否则慢车旅行速度会明显降低，从而降低了乘客服务水平，同时其线路通过能力的增长亦较为有限。

3) 独立运营时，受快慢车运行速度差的影响，18号线列车进入共线段(番禺广场站—万顷沙站)的间隔时间被延长，导致共线段能力利用率较低。共线运营时，由于共线段的列车由18号线和22号线两条线汇入(出)，可以充分利用独立运营时的富裕能力，使得共线段的能力利用率得到提高(见图4)。

4) 两线共线运营时，非共线段的能力利用率较低，平均服务间隔较大。可根据实际客流需求和非共线段的能力利用情况，考虑在非共线段增加小交路，以提升非共线段的服务水平。但小交路开行需要重点考虑快慢车的越行地点选择和折返站能力的适应性等问题。

上述计算结果为不考虑列车延误情况下所得到的线路通过能力理论值。为了提高运营的安全可靠性，应对客流需求动态变化，同时考虑到列车延误等特殊情况，实际运营需要留有一定的能力冗余。

4 结语

市域快轨是我国未来交通发展的重点。针对多线共线运营、快慢车组合开行方案的理论仍有待进一步完善。本文探讨了越行地点和越行次数、快慢车开行比例、共线交路的开行比例等因素对于线路通过能力的影响。并基于计算机仿真方法，以广州市域快轨18号线和22号线为例，得到了不同运营方案条件下的线路最大通过能力。相对于传统站站停模式，快慢车开行对于线路最大通过能力有一定的损失。因此，如何基于客流需求特征，在满足线路通过能力要求的条件下，选择合理的开行方案是运营实践中需要考虑的关键问题。列车开行方案的组合众多，本文主要提出了一种分析的方法与思路，可为轨道交通线路的开行方案优化与能力评估提供参考。