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地鐵列車編組分期實施的合理及擴(kuò)編分析

   2008-08-15 中國路橋網(wǎng) 佚名 10240
地鐵列車編組分期實施的合理性及擴(kuò)編的可行性分析探討 長春軌道客車股份有限公司 徐錦帆北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 梁廣深內(nèi)容摘要:本文通過分析某城市軌道交通1號線可研報告方案,指出該線列車初期采用6編組不經(jīng)濟(jì),采用4輛編組更有優(yōu)勢。分析了列車由4輛編組擴(kuò)編為6編組的可行性,提出了兩種擴(kuò)編方法,計算了各擴(kuò)編方案的經(jīng)濟(jì)成本。驗證了該線初、近期列車采用4輛編組較經(jīng)濟(jì)合理。關(guān) :四輛編組、六輛編組、運營初期、近期、車輛配置、運營成本費用一、引言 新編制的國家“十一五” 規(guī)劃,已把大力發(fā)展城市軌道交通列入了議事日程。我國的城市軌道交通迎來了大發(fā)展時期。目前已有北京、天津、上海、廣州、長春、大連、武漢、重慶和南京等9個城市建成了軌道交通。還有青島、沈陽、哈爾濱、杭州、寧波、成都等城市正在籌建軌道交通。 多年的實踐證明,城市軌道交通在建成后一段時間內(nèi)客運量不大。為了提高服務(wù)質(zhì)量和運營效益,城市軌道交通的列車編組應(yīng)該隨著客運量的增長逐漸擴(kuò)編。北京地鐵的1號線、2號線、13號線和八通線,天津軌道交通濱海線等均采用初、近期列車4輛編組,遠(yuǎn)期為6輛編組。 北京地鐵1、2號線的4輛編組列車在長達(dá)十幾年的運營期間,車輛全日平均滿載率在50%—55%之間,車輛利用率和運營效益很好。 當(dāng)前軌道交通行業(yè)圍繞著初期、近期、遠(yuǎn)期列車編組方案問題存在著較大的分歧。 一部分專家主張初、近期列車采用4輛編組,近期和遠(yuǎn)期采用4輛、6輛編組混跑。另一部分專家主張初、近期列車采用4輛編組,遠(yuǎn)期改編為6輛編組,以提高運營效益,降低成本。還有一些專家認(rèn)為列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組難度很大,代價很高,主張初、近、遠(yuǎn)期列車均采用6輛編組。 最近經(jīng)過評審的沈陽、杭州和重慶3條軌道交通線的可行性研究報告(采用B型車),經(jīng)過評審全部否定了初、近期4輛編組方案,改為一次上6輛編組。 對此,筆者想對B型列車編組分期實施的合理性,及遠(yuǎn)期擴(kuò)編的可行性進(jìn)行一些分析研究,以期得到一個正確的結(jié)論,提高地鐵列車編組決策的科學(xué)性。促進(jìn)我國軌道交通建設(shè)事業(yè)健康發(fā)展。 本文將重點研究三個問題:一是列車由4輛編組改編為6輛編組究竟要花多大代價?二是列車一次上6輛編組每年要多花多少運營費?三是列車4輛改6輛所花的費用,和一次上6輛編組多支出的運營費相比哪個大哪個小?二、國產(chǎn)B型車輛簡介1. B型車的發(fā)展概況 我國從1968年開始批量生產(chǎn)B型車輛。目前北京、天津、武漢和大連的軌道交通都采用B型車輛。正在籌建軌道交通的城市沈陽、哈爾濱、青島、杭州、成都、重慶等城市也采用B型車輛。因此探討B(tài)型車的合理編組方案,具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 B型車車體寬2.8m,長度19m。不帶司機(jī)室的車輛定員為245人, 帶司機(jī)室的車輛定員為230人。系統(tǒng)單向運輸能力為3—5萬人次/h,。適合大運量的軌道交通線路。2. B型車的編組方案 目前已投入運營的B型車,大多采用初、近期列車4輛編組,遠(yuǎn)期6輛編組模式。北京地鐵1、2號線是最早采用4輛編組的線路,后來改為6輛編組。 新建的北京地鐵13號線和八通線也采用初、近期4輛編組,遠(yuǎn)期6輛編組: 初、近期: = Mc―T―T1―Mc = (Mc ?????? 帶司機(jī)室的動車) 遠(yuǎn)期: = Mc―T ―M―T2―T1―Mc = 在建的北京地鐵5號線采用6輛編組: = Tc―M―T―M′―M ―Tc = 天津地鐵1號線 初期4輛、6輛編組混跑運行: 初期: = Tc―M1 = M2―Tc = (Tc ?????? 帶司機(jī)室的拖車) = Tc―M1 = T―M1 = M2―Tc = 遠(yuǎn)期:= Tc―M1 = T―M1 = M2―Tc = 武漢輕軌1號線永久4輛編組:= Tc―M1―M2―Tc = 天津軌道交通濱海線 (DC1500V架空線受電)初、近期: = Mcp―T = T―Mcp = (Mcp帶司機(jī)室和受電弓的動車) 遠(yuǎn)期: = Mcp―T = M―T =T―Mcp = 大連快速軌道交通線永久4輛編組:(DC1500V架空線受電) = Tc―Mp =Mp―Tc = (Mp — 帶受電弓的動車) =……半自動車鉤 —……半永久牽引桿 目前B型車輛的編組方式為,一輛動車(M)和一輛拖車(T)構(gòu)成一個動力單元車組。列車4輛編組由2個單元車組 (2動2拖) 構(gòu)成,6輛編組由3個單元車組(3動3拖)構(gòu)成。3. B型車的電氣設(shè)備與安裝布置 (1) 在動車上安裝的電氣牽引設(shè)備 主要包括以下設(shè)備:主牽引電動機(jī)、VVVF逆變器、濾波電抗器、主牽引電路中斷路器及開關(guān)保護(hù)設(shè)備、制動電阻器、齒輪傳動設(shè)備及聯(lián)軸節(jié)、三軌受流器(或受電弓)等。 (2) 在拖車上安裝的設(shè)備 主要包括以下設(shè)備:列車輔助電源靜止逆變器(SIV)及隔離開關(guān)、熔斷器、母線高速斷路器等配套電氣設(shè)備。 空氣壓縮機(jī)組及配套的隔離開關(guān)、熔斷器、電氣控制箱、干燥器等,一般安裝在拖車上,但也有安裝在動車上的,例如北京13號線。 蓄電池箱、充電整流裝置。另外當(dāng)設(shè)有三軌受流器時,列車在線路上運行按特殊需要來定的,即斷電區(qū)過長的條件。 (3) 列車各車輛上都裝有客室空調(diào)設(shè)備或通風(fēng)設(shè)備、電熱采暖設(shè)備、客室照明、廣播報警設(shè)備等。 (4) 司機(jī)室的設(shè)備 每列車設(shè)2個司機(jī)室,其主要設(shè)備有:列車駕駛司機(jī)臺、車載ATC設(shè)備、無線電臺、廣播報警設(shè)備主機(jī)、操作列車的左、右側(cè)屏的開關(guān)、儀表監(jiān)視設(shè)備和電氣控制屏柜、刮雨器裝置、供司機(jī)的空調(diào)或通風(fēng)設(shè)備等。4. B型車輛的傳動控制方式 (1)目前B型車的供電方式有兩種: DC1500V架空接觸網(wǎng)供電和DC750V第三軌供電。 (2)目前B型車的電氣傳動控制方式,均為調(diào)頻調(diào)壓控制(VVVF逆變器)。為增加車輛的可靠性,牽引系統(tǒng)采用雙單元控制。每輛動車設(shè)兩套VVVF逆變器,每套逆變器控制兩臺牽引電機(jī)。例如:北京地鐵13號線、天津地鐵1號線、天津濱海線,每輛動車的兩臺逆變器,一臺控制1—2號電機(jī),另一臺控制3—4號電機(jī)。 武漢輕軌,每輛動車的兩臺逆變器,一臺控制1—3號電機(jī),另一臺控制2—4號電機(jī)。 采用這種控制方式,在4輛編組的列車中,如果一臺VVVF逆變器發(fā)生故障,列車只損失1/4的動力。大大提高了車輛的可靠性和應(yīng)對故障的能力。 (3) 列車在制動過程中,電力再生制動與空氣制動進(jìn)行混合運算。并采用T車空氣制動優(yōu)先補足的控制方式。三、初、近期列車編組方案比選 某城市軌道交通1號線,初期預(yù)測高峰小時最大斷面客流量為1.68萬人次, 近期為2.36萬人次,遠(yuǎn)期為3.4萬人次。采用B型車輛??尚行匝芯繄蟾娲_定列車初、近、遠(yuǎn)期均為6輛編組。筆者認(rèn)為這套方案的最大問題車輛利用率低,運營成本高,不經(jīng)濟(jì)。 我們想以該線路為例,對其初、近期列車編組方案進(jìn)行多方案比較,更有說服力。現(xiàn)提出三個比較方案:方案一,初、近期列車采用4輛編組。方案二,初期列車4輛編組,近期采用4輛、6輛編組混跑。方案三,初、近、遠(yuǎn)期均為6輛編組。經(jīng)計算各方案的運營指標(biāo)匯于表3—1。 方案比較采用的費用指標(biāo),車輛購置費,四輛編組平均每輛車為600萬元人民幣、六輛編組平均每輛車為585萬元(不包括無線電臺和車載ATC設(shè)備)。每1車公里的運營成本按10.5元計算(包括固定資產(chǎn)中車輛購置折舊費)。 列車編組方案比較表 表3—1
方案 工期初期(2012)近期(2019)
高峰最大斷面客流量(萬人次)1.682.36
方案一列車編組輛數(shù)44
高峰小時開行列車對數(shù)1825
列車間隔時間(分)3.32.4
配屬列車數(shù)(列/輛)24/9630/120
全日開行列車數(shù)(列)322408
全年走行車公里數(shù)(萬)8341056.74
全日平均滿載率(%)4550
車輛購置費(萬元)5760072000
每年運營費(萬元)875711095.77
方案二列車編組輛數(shù)44、6
高峰小時開行列車對數(shù)1819
列車間隔時間(分)3.33.16
配屬列車數(shù)(列/輛)24/9612/72+12/48
全日開行列車數(shù)(列)322366
全年走行車公里數(shù)(萬)8341179.13
全日平均滿載率(%)4550
車輛購置費(萬元)5760070920
每年運營費(萬元)875712381
方案三列車編組輛數(shù)66
高峰開行小時列車對數(shù)1217
列車間隔時間(分)53.53
配屬列車數(shù)(列/輛)17/10222/132
全日開行列車數(shù)(列)292356
全年走行車公里數(shù)(萬)1134.441383.08
全日平均滿載率(%)3033
車輛購置費(萬元)59670 77220
每年運營費(萬元)11911.6214522.34
從表3—1可以得出以下結(jié)論: (1) 方案一初期列車4輛編組,高峰期列車間隔時間短,服務(wù)水平高。 (2) 方案一、二配屬列車數(shù)量最少。與方案三相比,初期可減少車輛購置費2070萬元,近期可減少5220萬元和6300萬元。 (3) 方案一全年運行車公里數(shù)最少。初期每年比方案三可節(jié)省運營費3154.62萬元。近期每年可節(jié)省3426.57萬元。 (4) 方案一比方案三的全日平均滿載率高,車輛運用效益好。 由此可以看出,某城市軌道交通1號線列車,以初、近期采用4輛編組,遠(yuǎn)期6輛編組為最優(yōu)方案。其次是方案二,初期4輛,近期4輛、6輛編組混跑方案。 列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組的可行性分析 4.1 列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組的方法 目前4輛編組的B型列車,由2個動力單元車組組成。列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組有兩種可行方案: 4.1.1 利用4輛編組列車解體插編 本方案是把4輛編組的列車拆分為2個單元車組。分別插到2列4輛編組的列車中間,形成2列6輛編組的列車。采用這一改造方法,其他車輛都不動。只對插在列車中間帶司機(jī)室的車輛進(jìn)行局部改造。 本改造方案的特點是,每列車上有3臺空氣壓縮機(jī)組和3臺SIV輔助電源。 1 對帶司機(jī)室的頭車改造的內(nèi)容是: (1) 帶司機(jī)室的車前端為半自動車鉤,需更換為半永久牽引桿及增加列車風(fēng)管的連接。拆除頭車前端的排障器、裙板、車載ATC、電笛等設(shè)備。 (2) 帶司機(jī)室的車前端沒有108芯接線箱、交流電源電氣連接器與接線箱,需要在其前端增加各種電氣連接器和接線箱。須在車下前端增設(shè)各電氣連接器、接線箱以及車下配線配管的改造工作。 (3) 對帶有折棚車廂之間的通過臺,需加裝車門。如果用戶在車輛招標(biāo)文件中,明確遠(yuǎn)期采用此方案擴(kuò)編為6輛編組,廠家在車輛設(shè)計中做一些預(yù)留,列車擴(kuò)編改造時要容易一些。2 利用4輛編組列車解體插編改造方案的優(yōu)點: (1) 在4輛編組的列車中間插入同類型的單元車組容易實現(xiàn)。可不必打亂控制方案,電空混合運算不受影響。 (2) 這些車輛是同一批次的產(chǎn)品,其技術(shù)參數(shù)和性能無差異。 (3) 這些車輛的車輪直徑、運行的車公里數(shù)、車輛檢修時限和報廢時限也相同。便于車輛運用和檢修管理。 (4) 列車的另部件性能匹配一致,運行安全可靠。 (5) 列車改造無技術(shù)難度,所花代價較低。 3 利用4輛編組列車解體插編改造方案的缺點是: (1) 在6輛編組列車中間多一個司機(jī)室, 列車外觀效果梢差。 (2) 列車的前2輛貫通,后4輛貫通,對乘客疏散不利。 4.1.2 4輛編組列車中間增加一個新造的動力單元 本方案的改編方法是保持4輛編組的列車不動,在中間增加一個新造的動力單元車組,由此擴(kuò)編為6輛編組。新造的動力單元沒有司機(jī)室,因而可以保持全列車貫通,便于乘客疏散。 6輛編組的B型列車,一般設(shè)置兩臺空氣壓縮機(jī)組和兩臺SIV輔助電源。如果初近期4輛編組列車在采購時,其空氣壓縮機(jī)和SIV輔助電源的容量按6輛編組設(shè)計。預(yù)計每輛車的平均價格約增加2.5%~3%。由此可以減少將來列車擴(kuò)編時的工作量。否則,遠(yuǎn)期擴(kuò)編時有些設(shè)備需要擴(kuò)容,擴(kuò)編的難度大一些,所花的費用也多。目前北京地鐵13號線、八通線,天津濱海線4輛編組的列車,都是按上述方法設(shè)計預(yù)留的。 因為本方案中新造的動力單元車組沒有司機(jī)室,拖車上沒有空氣壓縮機(jī)和SIV輔助電源及其配套設(shè)備,車輛采購價格比四輛編組B型車要低7%~8%。 1 加入新造動力單元擴(kuò)編方法的優(yōu)點: (1) 原有的4輛車不動,在中間增加一個新造的動力單元,擴(kuò)編容易操作。 (2) 可不必打亂控制方案,電空混合運算不受影響。只需對列車監(jiān)控系統(tǒng)的液晶顯示器畫面分割等相關(guān)軟件做出調(diào)整。 (3) 全列車前后貫通,便于乘客疏散,列車外觀效果較好。 2 加入新造的動力單元擴(kuò)編方法的缺點是: (1) 在6輛編組的列車中有2輛新造的車輛。其新車和舊車的車輪直徑不同、走行里程不同、檢修時限也不一樣,為車輛運用和檢修管理帶來困難。 (2) 由于科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步,老的產(chǎn)品已被淘汰,存在新造的動力單元與原有車輛的技術(shù)性能協(xié)調(diào)配合一致的問題,因此有一定的風(fēng)險。 (3) 目前地鐵車輛的使用壽命為30年。擴(kuò)編前舊的車輛已經(jīng)運營了7~13年,到舊車報廢時,后加入的動力單元車組不得不提前報廢。造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。 4.2 列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組的時機(jī)和費用研究 4.2.1 列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組的時機(jī)選擇 由表3—1可知,列車采用4輛編組方案,初期配屬列車24列(96輛),近期配屬列車30列(120輛)。按照預(yù)測客流量估算,4輛編組列車可滿足近期后第3年的客運量需要(使用期13年)。此后為適應(yīng)客運量增長,應(yīng)將列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組。 方案一,初期、近期列車4輛編組運營,到近期后第3年,將30列4輛編組的列車,一次改為20列6輛編組的列車。 方案二,初期列車4輛編組,從初期以后,分批將4輛編組列車擴(kuò)編為6輛編組,實行4輛、6輛編組列車混跑運營。 4.2.2 列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組的費用分析 1 利用4輛編組列車解體插編方案 (方案一) 本方案是將30列4輛編組的列車,一次改編為20列6輛編組的列車。其方法是拆開10列4輛編組的列車,將帶司機(jī)室的頭車進(jìn)行改造,然后插到另外20列4輛編組的列車中間。預(yù)計每列車的改造費用約40萬元。本方案共需插編改造費800萬元。 因近期后本系統(tǒng)需配屬22列6輛編組的列車(132輛)。本方案還應(yīng)增購2列6輛編組的新車,購車費為7020萬元。因此,本方案的改造總費用為7820萬元。 2 在4輛編組列車中間插入新造動力單元擴(kuò)編方案 (方案二) 本方案分階段對4輛編組列車進(jìn)行擴(kuò)編:第一階段是由初期的96輛車,增加到120輛時。將新增加的24輛車,訂購12個新造的動力單元車組,插到4輛編組的列車中間,由此擴(kuò)編成12列6輛編組列車。 第二階段是由120輛車增加到132輛時。將新增加的12輛車,訂購6個新造的動力單元車組,插到4輛編組的列車中間,又完成了6列6輛編組的列車的擴(kuò)編。 本方案兩次擴(kuò)編后,系統(tǒng)`配屬18列6輛編組的列車,6列4輛編組的列車(待下階段擴(kuò)編),總計132輛。在運營中實行6輛編組與4輛編組列車混跑。 本方案采購的18個新造的動力單元車組(36輛),因沒有司機(jī)室及SIV、空壓機(jī)組等設(shè)備,其價格約為四輛編組B型車的92.5%,折合555萬元。故本方案的改造費用為19980萬元。 初、近期4輛編組與6輛編組方案經(jīng)濟(jì)比較 前已說明,評判初、近期列車采用4輛編組或6輛編組合理性的標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)濟(jì)成本。按照表3—1 中的運營數(shù)據(jù),分別計算出各方案的車輛購置費、車輛改造費,以及在計算期內(nèi)的運營費進(jìn)行比較,以三項費用之和最小為最優(yōu)方案。 根據(jù)預(yù)測客流量估算,方案一4輛編組列車的使用期限為13年,以此作為方案比較的計算期。各方案中的全日開行列車數(shù)量,是根據(jù)設(shè)計規(guī)范按服務(wù)水平?jīng)Q定的,客運量的些微變化對其影響不大。為簡化起見,各方案的運營費應(yīng)按列車年走行車公里數(shù)量進(jìn)行計算。初期按4年,近期按5-年,近期后按4年計算。各方案的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)匯入下表。 車輛擴(kuò)編、改造費用比較表 表5—1
方案比較項目方案一4輛編組列車解體插編方案二4輛編組列車中間插入新車組方案三永久6輛編組
初期配屬車輛數(shù)(列/輛)24/9624/9617/102
近期配屬車輛數(shù)(列/輛)30/12012/72+12/4822/132
初、近期車輛購置費(萬元)720007092079200
系統(tǒng)改擴(kuò)編列車總數(shù)(列/輛)20/12018/1080
改擴(kuò)編增購新車數(shù)(輛)12360
改擴(kuò)編后配屬車輛總數(shù)(列/輛)22/13218/108+6/240
車輛總購置費(萬元)79056 7758077220
車輛改造費(萬元)80000
13年累計運營費(萬元)129043 137397 171820
三項費用總計(萬元)208899 214977 249040
幾點體會 通過對某城市軌道交通一號線列車編組方案的分析和比較,我們有以下幾點體會: 1 從表3—1的運營指標(biāo)可以看出,方案一初期、近期列車采用4輛編組方案優(yōu)于方案三6輛編組方案。4輛編組方案的優(yōu)點:一是列車間隔時間短,服務(wù)水平高。二是配屬列車數(shù)量最少,初期可減少車輛購置費2070萬元,近期可減少5220萬元。三是全年運行車公里數(shù)少,初期每年節(jié)省運營費3154.62萬元,近期每年節(jié)省3426.57萬元。四是列車全日平均滿載率最高,運營效益好。 2 方案二的運營指標(biāo),略低于方案一,近期比方案三可減少車輛購置費6300萬元,每年節(jié)省運營費2141.34萬元。 3 本文提出的兩種列車擴(kuò)編方法,是切實可行的。經(jīng)過了北京地鐵的實踐檢驗和其他城市的肯定。說明列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組并無技術(shù)難度。 4 由比較表5—1可以看出,利用4輛編組列車進(jìn)行插編改造方案的經(jīng)濟(jì)成本最低。13年它比初、近期采用6輛編組方案可降低運營成本40141萬元。 在4輛編組列車中間加入新造動力單元擴(kuò)編方案,13年它比初、近期6輛編組方案可降低運營成本34063萬元。 由此說明初、近期列車采用6輛編組方案多花的運營費,遠(yuǎn)大于列車由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組的改造費用。 5 利用4輛編組列車進(jìn)行插編改造方案,除了列車前后不能貫通外,在經(jīng)濟(jì)上和管理方面都有優(yōu)勢。在中間增加新造的動力單元車組方案,具有容易擴(kuò)編,全列車前后貫通等優(yōu)點。但也存在新車和舊車的性能匹配,車輪直徑、走行里程和檢修時限不同,以及后加入的動力單元車組提前報廢等問題。 6 在4輛編組列車中間增加新造的動力單元擴(kuò)編方案,須分步進(jìn)行。在運營中實行4輛編組與6輛編組列車混跑,在技術(shù)上是可行的。 現(xiàn)代地鐵車站增加了屏蔽門,但信號設(shè)備可以解決不同長度列車的屏蔽門控制問題。天津地鐵一號線初期實行了4輛編組與6輛編組的混跑運營。初期預(yù)測高峰最大斷面客流量2.1萬人次/小時,近期為3.7萬人次/小時。初期列車輛編組的配置占總列車數(shù)量的2/3,已于2006年6月開通試運營。 上海地鐵1號線,2007年即將實行6輛編組與8輛編組列車混跑運營。 7 應(yīng)該根據(jù)每條線路的預(yù)測客流量大小,來確定列車的編組方案,不應(yīng)搞一刀切。如果4輛編組列車的使用期限不低于10年,則初、近期列車采用4輛編組較經(jīng)濟(jì)。如果4輛編組列車的使用期限較短,就應(yīng)該一次上6輛編組。 以上是筆者的一些淺見。愿作為引玉之磚,提出來與業(yè)內(nèi)同事和專家們共同探討,為我國城市軌道交通列車合理編組獻(xiàn)計獻(xiàn)策。由于水平所限,錯誤在所難免,歡迎大家提出寶貴意見。

 
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