於岳亮 上海穩(wěn)得科技交通能源研究所
0. 傳統(tǒng)地鐵的痛點(diǎn)
世界上首條地下鐵路系統(tǒng)是1863年英國開通的“倫敦大都會鐵路”，當(dāng)時只能用蒸汽機(jī)車牽引，1906年倫敦市才采用電機(jī)驅(qū)動，成了當(dāng)今現(xiàn)代地鐵的雛型。經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，今天的地鐵輕軌已成為城市交通的主角、現(xiàn)代化大都市不可或缺的標(biāo)配。
地鐵運(yùn)量大、能效高、速度快、節(jié)能環(huán)保，且具有獨(dú)立的路權(quán)，是城市地面交通嚴(yán)重阻塞后最理想的替代交通手段。成為我國大城市內(nèi)交通的主干線，地鐵織就一張立體快捷的交通網(wǎng)絡(luò)，克服平面公交的不足，為人們的衣食住行提供最大的便捷。
我國是當(dāng)今全球地鐵大國，上海北京地鐵運(yùn)營里程為全球冠亞軍，并還在不斷建設(shè)新線，更不要說二線三線城市建設(shè)地鐵的積極性了。
但問題是，花了幾百億元巨款，數(shù)年動遷封路改造艱辛建成的多條線路，10年20年過后紛紛發(fā)現(xiàn)運(yùn)力不夠，高峰時段列車擁擠不堪，嚴(yán)重影響到上班族乘客的工作休息，值得社會深度關(guān)注。
圖1 拆遷占路、轟轟烈烈的地鐵建設(shè)現(xiàn)場
也就是說，地鐵建設(shè)的高成本，與所建成地鐵運(yùn)力不足、列車擁擠不堪，這對矛盾糾結(jié)纏繞，很難解決，已成為當(dāng)今地鐵建設(shè)的技術(shù)難點(diǎn)和社會痛點(diǎn)。
圖2 北京地鐵擁擠的局面、不忍目睹
這個痛點(diǎn)揭示著一個業(yè)內(nèi)人士也許還不敢承受的現(xiàn)實(shí)：傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)運(yùn)行還跟不上現(xiàn)代城市快速發(fā)展的巨大需求。
這一社會痛點(diǎn)促使我們?nèi)ヌ剿鞲赂行У慕鉀Q方案，超級地鐵系統(tǒng)呼之欲出。
圖3 擁擠地鐵的慘象，享受還是受罪？
1. 超級地鐵系統(tǒng)的定義和特征
超級地鐵系統(tǒng)是載客運(yùn)量遠(yuǎn)大于現(xiàn)有地鐵、并由超編列車擔(dān)綱客運(yùn)任務(wù)的另一種城市快速客運(yùn)地鐵體系。它不屬于將現(xiàn)有地鐵運(yùn)量按投資比例簡單增加的技術(shù)體系，而是一種從量變到質(zhì)變，突破原有技術(shù)束縛，解放生產(chǎn)力的新系統(tǒng)模式，但又能與現(xiàn)有傳統(tǒng)地鐵友好兼容的新技術(shù)體系。
超級地鐵系統(tǒng)以其比現(xiàn)有傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)為低的單位公里和單位運(yùn)量建設(shè)成本，建成一條接近于傳統(tǒng)地鐵二倍運(yùn)力的新線路；或者以非常簡要的間接成本，改造運(yùn)力緊張的傳統(tǒng)線路，使運(yùn)能最高增加到85%左右的新體系。
超級地鐵系統(tǒng)與傳統(tǒng)地鐵不同的顯著特征是，現(xiàn)有傳統(tǒng)地鐵的列車不能超過站臺長度，這就是傳統(tǒng)地鐵無法擴(kuò)大運(yùn)量的機(jī)制性約束。而相反的是，超級地鐵系統(tǒng)的特征，正是采用了超過站臺長度的超編列車。超編列車的長度在傳統(tǒng)地鐵列車最大編組長度的一至二倍范圍內(nèi)。因此，超級地鐵系統(tǒng)的載客量可高達(dá)傳統(tǒng)地鐵的120%-185%之多，超級地鐵系統(tǒng)標(biāo)志著傳統(tǒng)地鐵技術(shù)生產(chǎn)力在新系統(tǒng)中的解放突破。
今天，地鐵以其高效快速大運(yùn)量，節(jié)能環(huán)保準(zhǔn)時的特點(diǎn)，已然成為現(xiàn)代化城市的標(biāo)配，我國一線城市公共交通的主角。
圖4 舒適漂亮的地鐵列車
我國地鐵的現(xiàn)狀
截至2017年底，中國內(nèi)地累計(jì)有34個城市建成投運(yùn)城軌線路5021.7公里。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國城市軌道交通地鐵的通車?yán)锍套铋L的城市為上海，地鐵里程總計(jì)長度為636.37公里，位居全球榜首?？傆?jì)通車?yán)锍坛^100公里的還有北京、廣州、深圳、武漢、南京、成都、重慶、蘇州、天津和杭州等11個城市。。
2017年新增石家莊、珠海、貴陽、廈門4個運(yùn)營城市；新增33條運(yùn)營線路，868.9公里運(yùn)營線路長度。新增線路再創(chuàng)歷史新高，比2016年新增線路534.8公里增加334.1公里，增幅達(dá)62.5%，可見地鐵有很大的發(fā)展需求。至于輕軌，由于造價(jià)低、經(jīng)濟(jì)性高，今后在三線城市的發(fā)展更快。
據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，北京2017年總客流量達(dá)到45.3億人次，日平均高達(dá)1241.1萬人次；上海2017年總客流量達(dá)到39.54億人次，日平均高達(dá)1083.3萬人次。北京、上海地鐵運(yùn)量已超過城市公交汽車運(yùn)量。此外，廣州地鐵日均883.2萬人次，深圳540.49萬人次，在許多城市中都發(fā)揮了重要作用。
但是，在一些早期建設(shè)的地鐵中，高峰時段地段人滿為患、列車嚴(yán)重超載的情況屢見不鮮。雖然運(yùn)營部門通過增加列車編組、縮短停站時間、加密列車數(shù)量取得一定效果，但是還不足以從根本上扭轉(zhuǎn)上下班高峰時列車擁擠狀況，給上班族的工作學(xué)習(xí)帶來不便。
圖5 富麗堂皇的地鐵車站
2. 傳統(tǒng)地鐵的規(guī)劃設(shè)計(jì)
在提出解決傳統(tǒng)地鐵運(yùn)力不足問題之前，有必要探討造成當(dāng)今地鐵高價(jià)低效問題的根源。
地鐵的客運(yùn)量通常是隨城市發(fā)展逐步連續(xù)增長的，為保證地鐵在建成后不致長時期欠負(fù)荷運(yùn)營或短期內(nèi)頻繁擴(kuò)容改造，并節(jié)約初期的建設(shè)投資，地鐵通常應(yīng)按經(jīng)濟(jì)合理原則分階段進(jìn)行投資建設(shè)。
地鐵的設(shè)計(jì)年限分為初期、近期、遠(yuǎn)期三個階段，我國采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是：初期為建成通車也就是交付運(yùn)營后第3年，近期為第10年，遠(yuǎn)期為第25年。分期的目的主要為在通車的初期階段少配車輛，以減少初期投資。
設(shè)計(jì)使用年限是指在一般維護(hù)條件下，能保證主體結(jié)構(gòu)工程正常使用的最低時間。與主體結(jié)構(gòu)相聯(lián)的構(gòu)件，如車站內(nèi)部的鋼筋混凝土樓板、站臺板、樓梯等，當(dāng)維修或置換會影響正常運(yùn)營時，其設(shè)計(jì)工作年限也宜采用100年的長時限。
由于地鐵系統(tǒng)屬大型建設(shè)工程，投資大、建設(shè)周期長，為節(jié)省初、近期投資和避免一些后期才使用的設(shè)備長期閑置，對于諸如有的地面和高架車站結(jié)構(gòu)以及車輛、供電、行車自動化系統(tǒng)等設(shè)備的配備，可以以分期建設(shè)的工程及設(shè)備，應(yīng)分期擴(kuò)建、增設(shè)。但對于后期擴(kuò)建困難很大或再次施工時對周圍環(huán)境會帶來極不利影響的工程，以及行車需要一次建成的工程，如地下車站及各種地下大型工程、區(qū)間隧道及橋梁、路基、軌道等土建工程，應(yīng)予一次建成。
按照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50157－2003）3.2.1的規(guī)定“地鐵的設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力應(yīng)滿足預(yù)測的遠(yuǎn)期單向高峰小時最大斷面客流量的需要”和8.3.1“站臺計(jì)算長度應(yīng)采用遠(yuǎn)期列車編組長度加停車誤差”。這兩個“應(yīng)”已成為地鐵設(shè)計(jì)的金科玉律。
殊不知，正是這一金科玉律的約束限制了列車運(yùn)能的增加，造就了地鐵的極度擁擠。因?yàn)橹挥械罔F的設(shè)計(jì)運(yùn)能正確充分預(yù)測到將來最大客流量的需求，才能確定列車最大編組和站臺長度的數(shù)據(jù)，但問題是預(yù)測是個不確定數(shù)，而車站和站臺一旦建成，卻已成定局，很難改變。于是乎，列車的長度也被限制在建成站臺內(nèi)，列車再也無法通過增加編組而擴(kuò)大運(yùn)力。
3.傳統(tǒng)地鐵的停站方式
之所以在地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范中強(qiáng)條規(guī)定，站臺長度應(yīng)超過列車編組長度，這是因?yàn)榈罔F站距短、乘客數(shù)量大、上下車頻繁，為列車在停站時，能保證乘客方便快捷地上下車，必須將列車的編組限制在站臺長度以內(nèi)。這就牽涉到傳統(tǒng)地鐵列車停站的經(jīng)典模式。
教科書概括的軌道交通列車停站方案一般有站站停、區(qū)段停車、跨站停車、部分列車跨多站停車四種①。
1)站站停車：列車在全線所有車站均停車。與其他停車方案相比，線路上開行列車種類簡單、不存在列車越行，乘客無須換乘、也無須關(guān)注站臺上的列車信息顯示。目前，城市軌道交通大多數(shù)采用這種方式。
這種停站方案，在跨區(qū)段、長距離出行乘客比例較大時，在車輛運(yùn)用與乘客服務(wù)水平方面效果較差。
2)區(qū)段停車：區(qū)段停車在長短交路情況下采用，長交路列車在短交路區(qū)段外每站停車，但在短交路區(qū)段內(nèi)不停車通過；而短交路列車則在短交路區(qū)段內(nèi)每站停車，短交路列車的中間折返站同時又是乘客換乘站。
采用區(qū)段停車方案有利于壓縮長距離出行乘客的乘車時間和減少車輛運(yùn)用、降低運(yùn)營成本。但在行車量較大的情況下可能會產(chǎn)生越行，需要修建測線；且在不同交路區(qū)段上下車的乘客會增加換乘時間，而在短交路區(qū)段上下車的乘客會延長候車時間。
3)跨站停車：跨站停車是在長交路情況下采用，線路上運(yùn)行A、B兩種停站方式的列車，A、B、C為線路上三種類型的車站，A類列車僅停A型、C型站，在B型車站通過；B型列車僅停B、C站，在A型車站通過；C型站作為兩類列車的換乘站。
由于A、B兩類車站的列車到達(dá)間隔加大，在A、B兩類車站上車乘客的候車時間有所增加；此外，在A、B兩類車站間上下車的乘客需要在C類車站換乘，會增加換乘時間及帶來不便。
跨站停車方案比較適用于C類車站上下車客流較大，并且乘客乘車距離較長的情況。
4)部分列車跨多站停車：部分列車跨多站停車是指線路上開行兩類長交路列車，即普速、站站停列車和快速、跨多站停列車，快速列車只在線路上的主要客流集散站停車，而在其他站則不停站通過。
上述諸停站方案中，方案1）是最常見，也是用得最多的。方案2)相當(dāng)于地面公交的區(qū)間車，在地鐵的繁忙區(qū)段經(jīng)常采用。而方案4）相當(dāng)于地面公交的大站車，但因其軌道設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高，所以沒有廣泛采用，上海地區(qū)地鐵16號線有此運(yùn)行功能。而方案3）國內(nèi)尚少采用，據(jù)稱北京地鐵1號線已考慮在高峰時段采用。
4.超級地鐵是如何打破規(guī)范對列車編組約束限制的
首先必須明確，增加地鐵運(yùn)力，將消除城市交通的一個巨大痛點(diǎn)，滿足包括高峰時段在內(nèi)乘客大運(yùn)量出行需求，具有廣泛的社會價(jià)值，也有巨大的經(jīng)濟(jì)利益，值得我們?nèi)パ芯柯鋵?shí)解決。
同時，我們也應(yīng)看到，像所有的好事一樣，也得付出一定的社會代價(jià)和經(jīng)濟(jì)成本。例如列車運(yùn)行模式和組織形式的改變，需要地鐵運(yùn)營管理部門一定的付出，線路車站不適應(yīng)的局部設(shè)施有微小的調(diào)正，需要一定的改造成本。乘客乘車習(xí)慣的任何變化、開始的時候需要有個適應(yīng)過程，會帶來一定的不便。但這些代價(jià)和成本與新系統(tǒng)帶來的社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)利益相比較，非常地小。
超級地鐵增加運(yùn)能的最起始的方法，就是列車法，即增加1~2節(jié)車廂的列車編組，適當(dāng)改變增加車廂車門結(jié)構(gòu)，采取車門控制的方式，使超編車廂內(nèi)的乘客可以直接或間接上下車，這是第一種超編列車。
這種超編列車的實(shí)施要點(diǎn)之一是，最大限度保證超編車廂內(nèi)縱向通道的通暢流動，使乘客盡最大的方便上下車，這就牽涉到列車結(jié)構(gòu)的改變和重新設(shè)計(jì)。
另一要點(diǎn)是盡量采用節(jié)能型列車的設(shè)計(jì)，使得超編列車在保持原有運(yùn)行速度的前提下，減少能耗，消除牽引供電網(wǎng)擴(kuò)能改造的附加成本。
采用列車法超編列車，隨著超編車廂的增多，乘客上下車的距離越來越大，所以其增加的運(yùn)能受到很大的局限。
超級地鐵的第二種方法是采用稱為合分聯(lián)運(yùn)模式的超編列車。即多編組列車聯(lián)合運(yùn)行分段停站的方法。
5.超級地鐵的合分聯(lián)運(yùn)模式
軌道交通合分聯(lián)運(yùn)方法②，開始時是為解決高鐵的快速性與停站所產(chǎn)生的時間上的沖突矛盾而產(chǎn)生的一項(xiàng)突破性技術(shù)方法。
軌道交通的基本特征是鋼輪在鋼軌上滾動，其摩擦損耗小、驅(qū)動效率高，節(jié)能綠色，輪軌地鐵的鋼輪和鐵軌的滾動摩擦系數(shù)通常在0.002左右，而汽車橡膠輪胎與路面間的膠地滾動摩擦系數(shù)通常在0.01左右，因此地鐵與汽車驅(qū)動能耗之比為1:5。易于實(shí)現(xiàn)高能效高速大運(yùn)量運(yùn)輸，這是其最大的優(yōu)勢，但是，其劣勢也是很明顯的，那就是軌道交通的機(jī)動性特別差。
軌道交通合分聯(lián)運(yùn)，就是通過“合”操作，更好地發(fā)揮其長處，將更多車廂合在一起運(yùn)行，既增加了運(yùn)力，又降低了能耗，更提高擴(kuò)大了線路利用的效率；而遇到行和停的矛盾時，則采用“分”操作，使該走的不停，該停的不走，則解決了停與行的機(jī)動性問題。創(chuàng)造出停站比慢車多、旅行速度比快車還快的理想模式，顛覆了鐵路系統(tǒng)“停站多必成慢車”的公認(rèn)規(guī)律。
合分聯(lián)運(yùn)同樣以其“合”或“分”的不同操作運(yùn)用于地鐵系統(tǒng)中發(fā)揮更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效能，是一種能實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)力大幅提高的方法論。當(dāng)然，由于地鐵與高鐵的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作方式存在的巨大差異，在地鐵中，具體怎么合、怎么分與高鐵合分的差異也非常大，而且地鐵合分是多元的，遠(yuǎn)比高鐵復(fù)雜。
舉一個最簡單的例子，如果采用類似高鐵的重聯(lián)方式將兩列8編組地鐵列車A車和B車合在一起聯(lián)合運(yùn)行，就可以參照傳統(tǒng)地鐵停站方式中的3）—— 跨站停車方案的站站停運(yùn)行，列車分前后兩段?？空九_，使線路運(yùn)能幾近翻倍。
6．超級地鐵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用
超級地鐵系統(tǒng)由列車制造技術(shù)、線路牽引供電技術(shù)和列車運(yùn)行技術(shù)等技術(shù)群所集成，所以涉及地鐵運(yùn)行管理、政府規(guī)劃、設(shè)計(jì)建設(shè)、列車制造等眾多產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋地鐵全產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
1)既有線運(yùn)能提高，即對運(yùn)力不足、高峰時段擁擠不堪的既有線路作擴(kuò)能升級，以客戶提能要求為目標(biāo)，結(jié)合每一條地鐵線路的實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況，選擇最佳運(yùn)能增幅且合適經(jīng)濟(jì)投入的方案，進(jìn)入設(shè)計(jì)施工階段，經(jīng)運(yùn)行一定時間合格驗(yàn)收后進(jìn)入常規(guī)運(yùn)行階段。超級地鐵系統(tǒng)可能為面條線路創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)利益等級在億元至十億元級。
2)采用超級地鐵新系統(tǒng)對新建線路作規(guī)劃設(shè)計(jì)，首先可以消除設(shè)計(jì)師對線路未來遠(yuǎn)期最大運(yùn)量不確定性預(yù)測的擔(dān)憂，也就可以在有確保運(yùn)能托底的條件下適當(dāng)降低站臺長度，在同樣的最大載客量定值下降低約2%-5%的建設(shè)投資。相當(dāng)于買一個保險(xiǎn)的費(fèi)用。目標(biāo)市場可能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益的等級在億元至幾十億元級。
3)對于政府層面來說，超級地鐵系統(tǒng)可以通過擴(kuò)大既有線路運(yùn)能的新途徑，減少建設(shè)新線的成本，例如，化很小的改造成本，將一條成熟老線的客運(yùn)量提高85%，接近于建造一條新線的水平，可能省下接近建設(shè)一條新線的投資?？晒?jié)省幾百億元的新線投資、縮短幾年的建設(shè)期。這將對城市地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)布局產(chǎn)生重大影響，節(jié)約大量投資成本，減少政府債務(wù)壓力。同時，也為國家發(fā)改委批準(zhǔn)項(xiàng)目立項(xiàng)提高通過概率，為壓縮地鐵建設(shè)期和對城市交通、拆遷工作的壓力創(chuàng)造條件。目標(biāo)市場可能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益的等級在百億元（一條線）至千億元級（多條線）。
4)對于列車制造產(chǎn)業(yè)來說，本項(xiàng)目的節(jié)能型超編列車技術(shù)可向列車制造廠提供高載量節(jié)能列車的研發(fā)制造技術(shù)支持，按創(chuàng)收的經(jīng)濟(jì)利益，收取1%-2%左右的專利使用費(fèi)。目標(biāo)市場可能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益在數(shù)億元至數(shù)億元的等級。
7. 結(jié)論
超級地鐵是由超過站臺長度的超編列車③擔(dān)負(fù)客運(yùn)業(yè)務(wù)的一種新穎軌道交通系統(tǒng)，首先是由超過規(guī)范規(guī)定的最大編組長得多的列車大幅度增加了系統(tǒng)的運(yùn)能，其次較短的站臺降低了地鐵的建設(shè)投資，所以超級地鐵已從量變到質(zhì)變，成為遠(yuǎn)超現(xiàn)有傳統(tǒng)地鐵單向最大客流量5~7萬人次/小時的、更高運(yùn)量標(biāo)準(zhǔn)的新系統(tǒng)。將有效降低新線建設(shè)的成本。
由于超級地鐵能與現(xiàn)有傳統(tǒng)地鐵系統(tǒng)友好兼容，所以適合采用超級地鐵系統(tǒng)的理念改造現(xiàn)有運(yùn)能不足的擁擠線路，改善乘車條件，造福社會。
對這么一種廣領(lǐng)域的技術(shù)業(yè)務(wù)，我們所能做的僅僅是提供具體解決方案和技術(shù)支持，而大量工作還有賴于政府和地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造運(yùn)行管理全社會力量共同參與努力，方可達(dá)至完美目標(biāo)。
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