提高地铁轻轨运能，缓解高峰时段拥挤

本文从地铁在城市交通中的重要地位出发，阐述产生地铁超载拥挤的原因，提出以改进的超编列车，以及合分联运方法的应用二个途径，以期克服这一城市通病。超编列车可增加载客量15%-60%，而合分联运方法更可提高运能50%-85%，同时排除了对线路和基础设施作改扩建。文章对既有地铁轻轨的增运增能，以及降低规划建设中地铁的成本都有实用意义。

0 地铁在城市交通中的重要地位

城市轨道交通运量大、能效高、速度快、节能环保，是城市重要公共交通设施，也是城市地面交通严重阻塞后最理想的替代交通手段。目前地铁已成为我国大城市内交通的主干线，地铁织成一张立体快捷的交通网络，补充平面公交的不足，为人们的衣食住行提供最大的便捷。

截至2017年底，中国内地累计有34个城市建成投运城轨线路5021.7公里。据统计，目前中国城市轨道交通地铁的通车里程最长的城市为上海，地铁里程总计长度为636.37公里，位居全球榜首。总计通车里程超过100公里的还有北京、广州、深圳、武汉、南京、成都、重庆、苏州、天津和杭州等11个城市。

2017年新增石家庄、珠海、贵阳、厦门4个运营城市；新增33条运营线路，868.9公里运营线路长度。新增线路再创历史新高，比2016年新增线路534.8公里增加334.1公里，增幅达62.5%，可见地铁有很大的发展需求。至于轻轨，由于造价低、经济性高，今后在三线城市的发展更快。

据最新统计，北京2017年总客流量达到45.3亿人次，日平均高达1241.1万人次；上海2017年总客流量达到39.54亿人次，日平均高达1083.3万人次。北京、上海地铁运量已超过城市公交汽车运量。此外，广州地铁日均883.2万人次，深圳540.49万人次，在许多城市中都发挥了重要作用。

1 地铁的规划设计

地铁建成后，其客运量通常是随城市发展逐步连续增长的，为保证地铁在建成后不致长时期欠负荷运营或短期内频繁扩容改造，并节约初期的建设投资，地铁通常应按经济合理原则分阶段进行投资建设。

地铁或轻轨的设计年限分为初期、近期、远期三个阶段，我国采用的设计标准是：初期为建成通车也就是交付运营后第3年，近期为第10年，远期为第25年。分期的目的主要为在通车的初期阶段少配车辆，以减少初期投资。

设计使用年限是指在一般维护条件下，能保证主体结构工程正常使用的最低时间。与主体结构相联的构件，如车站内部的钢筋混凝土楼板、站台板、楼梯等，当维修或置换会影响正常运营时，其设计工作年限也宜采用100年的长时限。

由于地铁系统属大型建设工程，投资大、建设周期长，为节省初、近期投资和避免一些后期才使用的设备长期闲置，对于诸如有的地面和高架车站结构以及车辆、供电、行车自动化系统等设备的配备，可以以分期建设的工程及设备，应分期扩建、增设。但对于后期扩建困难很大或再次施工时对周围环境会带来极不利影响的工程，以及行车需要一次建成的工程，如地下车站及各种地下大型工程、区间隧道及桥梁、路基、轨道等土建工程，应予一次建成。

按照地铁设计规范（GB 50157－2003）3.2.1的规定“地铁的设计运输能力应满足预测的远期单向高峰小时最大断面客流量的需要”和8.3.1“站台计算长度应采用远期列车编组长度加停车误差”。这两个“应”已成为地铁设计的金科玉律。

殊不知，真是这一金科玉律的约束限制了列车运能的增加，造就了地铁的极度拥挤。因为只有地铁的设计运能正确充分预测到将来最大客流量的需求，才能计算出站台长度，但问题是预测并不正确，而车站和站台一旦建成，却已成定局，很难改变。于是乎，列车的长度也被限制在站台内，列车再也无法增加编组而扩大运量。

图1  地铁建成后25年内的理想运量关系示意图

图中，横坐标是时间（年份），纵坐标是地铁运量，设计运量P是一条阶跃曲线，年份3、10、25标明初期、短期和远期三个时间节点。而实际运量Q通常表现为一条连续的缓升曲线。在时间点y1、y2上对应的运量c1、c2，称为运量平衡点，这时，实际运量刚好与规划运量重合。但在时间段y1-3，y2-10之间，均会发生实际运量大于规划设计运量的情况，引起不同程度的列车超载拥挤。

但由于地铁大量乘客为上班族，他们都集中在上下班高峰时段，且站际乘客分布集中在办公区和住宅区，时段区段集中度严重不平衡，即使实际运量Q低于设计运量P，但高峰时段和高峰地段仍会频繁出现列车严重超载拥挤的现象。

2 造成地铁列车超载拥挤的表因和深层次原因

从表现上看，地铁超载拥挤的大体原因有以下几项：

2.1地铁列车超载拥挤的原因之一是由于地铁列车扩载增容是突变的，而地铁实际客运量的变化是缓慢而渐进式的。从图1的第3年、10年时间点上可以看出列车所能提供的运量，会因加密发车班次（缩短运行列车间隔时间）和/或增加列车车辆数（增加编组）的改变，有一个运能突变，但是实际运量并不会因运能的增加而突然暴增。那么当列车长度达到站台长度时，且列车运行间隔时间达到安全闭塞规定的极限时，列车拥挤就成为不可避免。

2.2原因之二是，在我国刚开始地铁规划建设的早期，当时国家的经济发展水平还较低，资金还不很充裕，使建设标准偏低。例如，北京地铁1号线、上海地铁1号线和2号线都是在我国经济尚不富余的经济态势下规划设计兴建的，所以规格低、容量小，造成今天的运能严重不足。

2.3原因之三是在地铁建设早期，政府和地铁营运部门对城市化超速发展、城市人口的爆炸性增长估计不足，所以当初没有考虑到地铁今后会出现如此严重的超载情况。例如，上海6号线由于当时对外高桥地区商品房建设的增幅估计不足，采用运量较小的C型车，造成今天列车高峰时间、局部车站经常性超载拥挤。

2.4即使线路的平均载量未超过规划值，但是地铁每天早晚上下班高峰时段的实际最高载客量往往超出平均载量相当大的幅度，列车人满为患、往往挤得不能动弹。为此，管理部门不得不调动大量人力物力将车站乘客阻隔缓放，是整个地铁线路难以承受之痛，严重影响到大量职工的正常上下班，极须改善解决。

可见，地铁列车拥挤超载的原因是多方面的，既有地铁设计建造方面的原因，也有列车选择配置方面的原因，更大的原因是城市的高速发展所致的交通量暴增。在解决超载拥挤问题前，有必要对各自线路产生超载的不同原因和程度作详细分析研究，以便找出各不同城市不同线路最经济可行的增容解决方案。

从深层次观察，地铁超载拥挤的根本原因在于规划设计中，是以一个不确定的“远期单向高峰小时最大断面客流量”决定了所选列车和站台长度，而站台长度一旦确定，那就再也不可能改变，因此，造成列车无法扩编增加运能。

3 地铁列车超载拥挤的解决方法

增加列车运能是改善超载拥挤的最基本的方法，例如增加列车编组数量，例如缩短列车运行间隔时间都是传统采用的措施。

本课题研发的前提，首先是必须打破站台长度对列车编组的约束，唯此才可能有列车运能的增加，所以第一种方法是采用适合短站台的超编列车。

按传统的习惯，地铁建成后，为节约投资，降低成本，先购置小编组列车，随着运量的增加，再逐步提高列车编组数量，但是编组不能无限增加，习惯上永远不能超过车站月台长度；最后是缩短列车运行间隔时间，但这也受到列车安全闭塞距离和停站时间的约束，无法进一步增加列车班次。这时，运能也就达到了极限。

通过线路或车站的改扩建能够最终大幅增加地铁运能，但是改扩建的费用巨大，且施工期长、还会对正常运行带来严重干扰，所以不能采用线路车站设施的改扩建来提高运能。

剩下的比较经济可行的解决方法当属通过替换高运能列车来解决拥挤超载的问题，这就是本项目推荐的高运能超编系列列车和合分联运系列列车。

4 高运能超编列车

所谓高运能超编列车，是指列车的载客量最低超过原有最高载量的15~20%，而最高可能超过原有最高载量的40~50%，且其长度超过站台长度的新型超载量列车。

高运能超编列车不是传统列车的升级版，而是一款突破传统概念的新思路创新版车型。

高运能超编列车首先需要解决的问题是，如何让超过站台的车厢有侧门直接上下站台。这样，乘客就比较容易进出列车，这是对高运能超编列车提出的第一个要求。

对高运能超编列车的第二个要求是，由于载客量增加是建立在列车编组扩大的基础上，所以，为了保证超编列车与原有列车相同的运行速度，超编列车的牵引驱动功率必然增大，如不对其作节能改造，新列车易造成牵引供电网超负荷运行。为此，超编列车必须作节能设计，即在列车超编后的耗电与原有替代列车相比较，人均耗能应有所下降。正因为高运能超编列车有节能降耗的措施，所以采用超编列车后，牵引供电网毋须改扩建，这就为超编列车的推行扫除了两大基础技术障碍。

对高运能超编列车提出的第三个要求是，采用超编列车中的深巷车厢来提供更大的载客量后，如何增加乘客在车厢中的流动性和乘客在车厢中的均衡分布问题，这也是关系到高运能超编列车运行合理性和方便性的基本要求。

只有解决了以上三大技术难点，超编列车才能通过替代置换现有传统列车提高地铁运能。

5. 合分联运列车法

轮轨轨道交通的基础是高硬度钢轮在高硬度轨道上滚动，其摩擦损耗小，驱动效率高，所以其高速下的单位重量耗能小、运量大，这是其优势所在。其缺点是机动性差，不能像汽车那样可任意在几乎所有路面行驶。

合分联运就是通过“合”操作，增加更多的运能并降低能耗，更好地发挥其优势，而通过“分”操作，减少其机动性差的缺点。

合分联运起先是为高铁列车服务的，但用其解决地铁运能不足、克服短站台的限制方面，却有更好的发挥，因为采用合分联运技术方法，不但地铁线路站台无须改扩建，连列车也可能采用原有传统车辆，只要简单增加车辆数量，就可以将运量提高到50%-85%，甚至超过100%，相当于新建一条线路的客运量。所以其社会经济效益更高。

合分联运的大方法有两大运行模式，称为三段停靠法和交叉轮流法。

三段停靠法就是将长编组列车像电梯群中的电梯分成单数层、双数层和层层停三大类运行的方式那样，作逆向操作，相当于将三类电梯合并在一个电梯井中一样操作，否则就必须铺设三根轨道。

交叉轮流法就是采用合分联运列车与传统列车交叉运行的模式，既能大幅增加运量，又符合传统的乘车习惯的一种混合开行模式。

当然，谈到增加运能后的好处毋庸多言，但现有设施很可能对新技术的设施构成小小障碍，例如折返线的长度、车库长度，还有辅助线的曲率半径，信号灯位置等，都必须满足长编组列车的条件，为大幅增加运能总得有一定的付出，这些辅助设施可能动点小手术，这些小手术的工程量和成本都很低，且对正线的正常运行，影响不大。

6. 结论

综上所述，采用高运能超编列车和/或合分联运方法，基本上都可避免地铁主线路和站台的改扩建，而迅速扩大地铁运量，是解决当前大城市地铁超载拥挤的有效手段。高运能超编列车可以用于高峰时段代替普通列车增加运量，而在低峰时段撤下。也可以在运量持续超载拥挤的线路中完全替代普通列车，例如投入北京地铁1号线、上海地铁6号线等繁忙线路中运行以降低列车拥挤程度。

超编列车和合分联运方法的关键特点是可以不受站台长度的局限而增加载量，这是对技术束缚的解放。因此，从另一个侧面本项目向我们展现，如果按经济可行性规划设计地铁或轻轨，也可能适当缩减站台长度，以节约地铁或轻轨的建设费用，减轻政府投资，以较少的费用建成地铁线路为城市交通服务。从这个角度出发，本项目的技术在我国今后的地铁规划设计和建设运营中，将产生四两拨千金的作用。

附页为合分联运的发明专利证书

於岳亮   上海稳得交通能源研究所