北京市中心城区外地铁线路开行快慢车对策研究

王少楠，陈 炎，叶 轩，李晨曦，孟俊威

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037; 2.北京市地铁运营有限公司,北京 100044; 3.地铁运营安全保障技术北京市重点实验室,北京 100044)

1 概述

近十年来,北京市新增轨道交通覆盖了包括南苑、垡头和东坝等近郊组团,以及平谷、门头沟、怀柔、密云等外围新城[1]。至二期建设规划期末,轨道交通(包括市郊铁路)覆盖了30 km圈层内所有近郊组团和近郊新城。轨道交通在中心城功能疏解和新城建设方面发挥了重要作用[2]。

目前,北京市已形成多个通勤联系通道,早高峰外围与中心城联系通道出行总量已经达到70.5万人次/h。但大部分进城通道的轨道交通分担比都在30%以下[3],与伦敦、巴黎、东京等国际性大都市均有较大差距,轨道交通在外围进城廊道中仍然未占据主导地位。轨道交通速度慢、用时长是主要原因之一。根据2021年北京交通发展年报数据[4],工作日高峰时段地铁出行时间指数2.18 min/km;工作日高峰时段小汽车出行时间指数2.71 min/km,对于运距较长的地铁线路,和小汽车相比没有明显的竞争优势。2020年,地铁运营公司对13条地铁线路进行超强超长运行图的改造,全网提速仅为2%[5]。对比公交提速,2020年工作日全市公共汽(电)车高峰时段运行速度为18.09 km/h,较2019年同期17.02 km/h增长6.29%[6]。可见,地铁在公共交通中虽平均旅速较高[7],但随着其他交通方式的优化、道路条件的改善,这种优势有下降的趋势。

综上所述,轨道交通线路速度提升显得日益迫切。为尽量减少投资,在既有线路上开行快慢车来提升速度不失为一种经济可行的方案[8]。一方面,可通过快车提升进城的时效性,提升地铁的服务水平,也有助于提升轨道交通的吸引力,引导乘客选择轨道交通出行,提升地铁的客流效益[9];另一方面,可通过慢车在沿线站点收集客流,带动沿线周边发展。如在北京地铁6号线建设时,考虑6号线延伸到中心城东部副中心后会有大量进城的需求,因此,预留了常营站、通运门站的越行线[10]。目前结合副中心行政办公区的搬迁,已经开行了早高峰出城、晚高峰进城的快慢车,快车节约时间约7 min。但目前中心城区外围的其他既有线路建设之初并没有越行站的预留,如何在这些线路上开行快慢车是本文研究的重点。

2 开行快慢车必要性分析

通过对北京既有外围轨道交通沿线用地、人口、岗位分布进行调研,分析轨道交通的客流特征[7],包括客流来源及客流目的的分析,可以看出,北京外围新城的早晚高峰出行仍旧以进出城的通勤客流为主,体现在轨道交通上是早晚高峰通勤客流占到全日客流的50%左右[8]。因此,在这种中心城外并对出行时效有明显要求的通勤为主线路开行快慢车有其必要性。

2.1 开行快慢车能够匹配不同客流需求,提供精准服务

以北京地铁为例,地铁15号线是连接中心城与顺义组团的一条外围快线,串联了海淀区、朝阳区、顺义区,服务顺义组团、后沙峪组团、望京组团,见图1。

图1 北京地铁15号线沿线组团分布示意Fig.1 Distribution of clusters along Beijing Metro Line 15

根据既有客流分析,15号线早高峰进站客流主要集中在顺义组团和后沙峪组团,顺义组团进站客流占全线总进站客流的41%,进站量最大的车站为顺义、石门站,总体占比约为30%;后沙峪组团进站客流占全线总进站客流的23%,进站量最大的车站为后沙峪站,总体占比约为10%。

出站客流主要集中在望京酒仙桥区域和CBD区域(图2),出站量最大的是望京东站(表1),主要为进城方向下客量,约1.0万人次/h,占总到达客流比例的33%。

表1 北京地铁15号线早高峰小时进出站客流 人次/hTable 1 Passenger flow in and out of Beijing Metro Line 15 during morning peak hour person

图2 北京地铁15号线进站客流去往车站和区域分布Fig.2 Distribution of inbound passenger flow to stations and areas of Beijing Metro Line 15

由图2可知,15号线片区化出行特征明显,顺义—后沙峪—望京为本线最核心的客流节点,15号线东段(顺义片区)早高峰客流目的地排名第一的区域为望京酒仙桥区域,主要体现为直达望京东、望京南、望京及望京西站,或通过望京西及望京站换乘去往CBD等区域,具有点对点、向心性的出行特征,但出行时间普遍高于60 min。因此,15号线东段进城客流有开行快车的需求,有必要研究快慢车运营方案。

通过开行快车,提高轨道交通供给与客流需求的匹配程度,可实现顺义组团及后沙峪组团客流快速到达目的地,极大地节省旅客的出行时间,提高轨道交通客流吸引力[11],增强乘客出行时效性,提升线路服务水平。

2.2 快线吸引客流,提升轨道交通分担率

北京西南廊道联系了燕房组团、房山组团和中心城区,目前仅有燕房线、房山线和9号线。分析沿线全方式出行特征,燕房线沿线全方式客流主要前往良乡、9号线沿线等区域,早高峰前往良乡约1.1万人次/h,前往9号线沿线约0.6万人次/h。但从燕房线、房山线本身客流特征分析,早高峰燕房线前往良乡区域轨道交通站点客流量仅为435人次/h,前往9号线沿线轨道交通站点客流量仅为308人次/h,轨道交通占全方式分担比例仅为7.3%和6.1%。

从全方式出行特征来看,西南廊道有进城的需求,但是轨道交通分担率过低。分析其原因:燕房线、房山线现状从燕山—东管头南全线运营长度为44.4 km,同时燕山地区居民进城需在阎村东站及郭公庄站经过两次换乘,以燕山站到丰台科技园站为例,轨道交通需换乘两次,耗时67 min(不考虑接驳时间),小汽车则仅需45 min。轨道交通时间竞争性明显较差,导致地铁吸引力不足,客流效益较差。

因此,该廊道有必要开行快慢车,通过快线的设置来提高对小汽车的竞争力,增加沿线客流的吸引,可有效提高轨道交通的客流效益。

3 日本开行快慢车经验

东京轨道交通受其建设的历史原因,外围郊区线大多是在铁路的基础上改造而来的[12]。因此,多为地面或高架线,具备较好的改造条件。随着通勤圈的不断扩大,为提高旅行速度,东京轨道交通通过建设越行线,开行不同类型的快慢车,提供多种出行服务。例如日本东京的筑波快线[13],采用不同的越行方案,设置了快速、通勤快速、区间快速和普通4种不同模式的快慢车(图3),满足乘客不同的停站及旅速需求。

图3 日本筑波线快慢车开行方案Fig.3 Operation plan for fast and slow trains of the Tsukuba Line in Japan

羽田机场线是连接东京中心部与东京国际机场的线路,也是为临海地区通勤交通服务的线路[14]。羽田机场线在1997年巅峰期的客运量最高达6 500万人次,而在京急线引入后客流减少三成。为提升客流吸引,羽田机场线不断进行改造,通过增加车站、设置越行线、优化运营组织来缩短运行时间,提升服务水平。

昭和岛站是羽田机场线的一个普通车站,刚投运时为2台2线的侧式车站。2007年增加开行快车后,为满足“空港快速”和“区间快速”的行车要求,进行了越行线的改造,在两个侧式站台外侧分别增加1条越行线,见图4。

图4 昭和岛站增设越行线方案Fig.4 Scheme for adding overtaking lines of Showa Island Station

改造后,空港快线运行18 min,旅行速度约为60 km/h;区间快速车运行21 min,旅行速度约为50 km/h;普通(慢车)运行24 min,旅行速度为40～45 km/h。开行空港快车较普通慢车,运行时间缩短约6 min,见图5。

图5 羽田机场线快慢车开行方案Fig.5 Operation plan for fast and slow trains of Haneda Airport Line

4 开行快慢车需要考虑的几个问题

借鉴日本案例,考虑既有轨道交通自身特点,组织开行快慢车应具备以下条件。

(1)不影响既有线运营

开行快慢车若涉及对既有土建或设备系统的改造,应尽量避免对既有线的正常运营产生影响[15],避免因改造造成中断运营时间过长,给社会带来一定影响。

受地下线实施难度影响,建议越行线的加设应尽量在高架线或者地面线上实施,保证对既有线运营的影响降到最低。参照日本案例,通过精细化施工[16]、采取先进的施工手段、对既有线采取降速或增大行车间隔等措施,可不中断运营进行改造。目前,借鉴北京地铁13号线清河站加站对线路拨线的实施[17],可做到中断运营时间仅7 d。

(2)应满足既有线客流需求

快慢车模式下系统能力与快车开行对数、不停站节约时间及系统最小行车间隔有关。快车开行对数越多,对系统能力的影响越大。为保证客流吸引,往往希望增加快车开行的对数,但会造成系统能力的损失。

因此,在组织开行快慢车时,应对系统能力进行校核,使之能够满足既有线的客流需求,不能一味地增加快车对数。但同时也应注意,如果快车对数过少,快车间隔过大,对乘客的吸引也会减弱。

(3)快车停靠站点的选择应结合实际客流

既有线随着线路开通已经逐渐形成了固定的客流特征[18],因此,快车停靠站点的选择应从既有线客流特征入手,根据快车需求、车站乘降量、轨网换乘关系等因素,尽量将组团中心站、重要客流集散点、重要换乘站确定为快车停靠站。

同时,也应当考虑周边地块未来的开发程度、一体化的建设情况、微中心发展情况,结合现状客流,合理判断是否应作为快线站点的选择。

5 开行快慢车方案设计

结合北京市中心城外的既有线特点,提出两种快慢车开行方案。

5.1 利用大行车间隔开行快慢车

(1)线路概况

燕房线是一条联系燕房组团、良乡组团,服务于房山西部地区的中运量等级郊区线;燕房线起点为燕山站,终点为阎村东站,共14.4 km,设置9座车站,设计速度80 km/h,采用4辆编组,全自动运行,见图6。

图6 燕房线、房山线、9号线线路示意Fig.6 Schematic diagram of Yanfang Line, Fangshan Line, and Line 9

北京地铁房山线是北京地铁线网中郊区轨道交通骨干线路,途经房山区、丰台区,终点至郭公庄站与9号线换乘。全线共32 km,设置16座车站,设计速度100 km/h,采用6辆编组,目前燕房线、房山线两线在阎村东站同站台换乘,房山线、9号线在郭公庄同站台换乘,三线具备物理联通条件。

燕房线日客运量2.3万人次/d,高峰断面0.38万人次/h,早高峰开行燕山站—阎村东站的单一交路,开行12对(图7),运营里程13.25 km,高峰满载率37%。

图7 既有燕房线、房山线开行交路Fig.7 Existing Yanfang Line and Fangshan Line operation routing

房山线日客运量21.5万人次/d,高峰断面3.7万人次/h,早高峰开行大小交路,阎村东—东管头15对/h,运营里程31.46 km,篱笆房—郭公庄15对/h(图7),运营里程14.10 km,高峰满载率84%。

(2)利用大行车间隔开行快慢车方案

根据现状运营数据,燕房线、房山线在外围运营并未用到系统能力2 min。因此,可考虑在客流少、开行交路上未到系统能力的区域,利用大行车间隔开行快慢车。

结合燕房线、房山线的客流特征,可考虑在燕房线停靠燕山、房山城关、星城、紫草坞、阎村东;在房山线大交路区段(阎村东—篱笆房)停靠良乡大学城西、良乡大学城、篱笆房客流较大的车站。同时,因燕房线、房山线在阎村东具备物理贯通,可通过局部改造设备系统,开行燕房线、房山线两线的跨线快慢车列车,实现燕房线乘客无换乘直达郭公庄。燕山—郭公庄可节省9.5 min(含换乘节约),开行方案见图8。

图8 燕房线、房山线快慢车开行方案Fig.8 Operation plan for fast and slow trains of Yanfang Line and Fangshan Line

利用大行车间隔开行快慢车方案的原理在于利用区间富裕通过能力实现,即将行车间隔调整为不均衡状态,将原本的大间隔列车压缩至区间最大间隔,即2 min,快车利用空余出的大行车间隔实现甩站提速。

该模式下快车开行能力受区段常规列车开行对数以及快车不停靠站点的数量确定。设定快线区段常规列车开行对数为n1,快车不停靠站点数量为n2,线路最小行车间隔2 min,每不停靠一座车站可节省1 min行车间隔。快线开行能力S=(60-2n1)/(n2+2),其中,为防止慢车追上快车,快慢车之间的间隔应为n2+2。

房山线快线方案,阎村东—篱笆房区段大交路开行间隔15对/h,结合客流特征,快线需越行苏庄、良乡南关、良乡大学城北、广阳城4座车站。通过计算快车开行能力S=(60-2×15)/(4+2)=5对/h。该方案运行如图9所示。

图9 燕房线、房山线快慢车运营Fig.9 Operation of fast and slow trains of Yanfang Line and Fangshan Line

利用大行车间隔也存在一定问题,在编制运行图中,原本是等间隔的慢车会因快线将原本的间隔拉大。如燕山—阎村东原5 min间隔调整为4 min,受不均衡间隔影响,存在2次8 min间隔;阎村东—篱笆房区段原4 min间隔调整为2 min,受不均衡间隔影响,存在2次8 min间隔。导致部分乘客因开行快慢车而等待时间加长。可考虑结合列车时刻表,让乘客在固定时间乘坐,减少乘客等待时间。

此种快慢车开行方式只需要对运营图进行优化设计、调整既有的运营组织方案,投资较小,可作为快慢车小改造方案先期实施,起到示范作用。

5.2 设置越行线开行快慢车

(1)线路概况

北京地铁15号线是联系顺义新城与中心城的一条快线,西南起自海淀区清华东路西口站,途经朝阳区,东北止于顺义区俸伯站,服务于学院路、北京奥林匹克公园、望京等地。线路长度为41.4 km,孙河—后沙峪为高架段(图1),其余为地下段。共设20座车站,4座高架站。列车最高速度为100 km/h。

(2)快慢车开行方案设计

考虑15号线顺义组团及后沙峪组团进入中心城区有着点对点的出行特征,同时中部采用高架线敷设方式,可通过增加越行线开行快慢车,减少工程代价和对周边地块的影响[18]。

设置越行线开行快慢车的思路在于:首先根据车站周边现状及规划情况对客流需求进行分析,确定对提速需求最为迫切的区段;同时结合线路敷设情况[19],拟定初步的快慢车开行方案,确定需要增加越行线的车站,对增加越行线的工程难度及代价进行综合研究;最后根据提出的快慢车开行方案,对客流进行复核检验,检验开行快慢车后的系统能力是否能够满足远期的客流需求。

根据目前15号线的进出站客流情况(图10),顺义组团选择进站量较高的俸伯、顺义、石门站作为快线停靠站点,后沙峪组团选择进站量较大的后沙峪站作为快线停靠站点。

图10 15号线早高峰客流OD分析Fig.10 OD Analysis of morning peak passenger flow of Line 15

快车开行对数与本线最大断面的运能相关。根据客流预测,远期15号线需开行27对/h可满足客流需求。结合运行图,快车开行4对/h时,本线最大运力满足远期15号线的客流需求。

因此,本线的快慢车开行方案是越行南法信、花梨坎、国展、孙河、马泉营、崔各庄6座车站,开行4对/h快车(图11),全线旅行时间节省约5.4 min。

图11 15号线快慢车开行方案Fig.11 Operation plan for fast and slow trains of Line 15

南法信—俸伯站区段,客流规模小,远期开行对数低于30对/h,可以利用大行车间隔开行快车,并且该段为地下线,设置越行线条件困难,因此增设越行配线的必要性不强。南法信以南,结合既有工程条件和客流规模分析,马泉营站既有配线具备越行条件,不需进行改造;花梨坎站客流规模小,快车通过不停车,慢车待避增加的时间较小,适宜作为越行站,同时作为高架站,适宜改造。

因此,结合客流及工程情况,建议在花梨坎站改建跨车站的越行线,新建线路约1.2 km(双线),如图12所示。

图12 15号线越行线设置方案Fig.12 Setting plan for overpass line of Line 15

通过越行线设置快慢车的要点如下。

(1)通过越行线开行快慢车,会影响线路运能,在保证快车开行对数及快车时间竞争性的前提下,应尽可能减少对本线最大能力的影响。

(2)为避免产生车辆在区间停车对乘客造成心理恐慌情况的发生,减少运营风险,不建议在区间增加避让线的方案。

(3)越行线的设置应结合既有线路情况,选择实施难度小、工程规模小的高架或地面车站,同时结合客流情况合理设置。

(4)设置越行配线后,快车相邻的慢车需停在站内等待快车通过,相应会增加慢车的旅行时间,带来慢车出行时间加长的问题。因此,应平衡快慢车对数,对相应受益受损人群进行对比分析,合理设置开行方案。

6 结语

城市外围轨道交通作为联系中心城和外围组团的骨干线路,提速已经成为未来既有线改造的重要方向。结合目前北京既有外围轨道交通的客流特征,从问题导向出发,提出中心城外围线路开行快慢车的必要性。根据区域需求及客流特征分析,提出了利用大行车间隔和增设越行线两种不同的开行快慢车的思路,并结合案例提出不同方式的特点及实施要求。后续在具体实施层面仍应有进一步研究。如应结合站点一体化、用地集聚的情况合理选择快车停靠站点;合理确定快车开行对数和线路系统能力的匹配;增设越行线应考虑实际工程条件等,进行方案比选研究。