城市轨道交通容量的影响因素研究

　　

摘 要 阐述了轨道交通容量的概念及其内涵，对影响轨道交通容量的因素进行了全面的分析，建议应该从系统和乘客两方面深入探讨容量问题，从理论上找出最佳容量。

关建词 城市轨道交通，容量，停留时间，发车间隔时间，信号系统，客流量

1 轨道交通容量的概念
城市轨道交通容量通常指轨道在单方向每小明经过某一点的所有列车营运的乘客总和，单位为人次/h。轨道交通容量可分为实际容量、潜在容量和最大（设计）容量。实际容量指在某一段时间内（如日、周、月、年）轨道交通实际所运载的乘客人数的总和；潜在容量指未来可能从其他交通模式转为轨道交通的客流量，可以作为规划建设线路的依据，但它受到许多不确定性因素的制约；最大容量轨道交通在高峰期内单向所能运载的最大客运量，也是设计容量。如果实际容量超过设计容量，就会出现严重超载现象。此种情况一般在高峰期或有重大活动时发生。
轨道交通的容量实际上包含两大部分：线路容量和列车/车厢容量。线路容量是指轨道交通单方向每小时经过某一点的车辆数，其影响因素包括发车间隔和车站停留时间等。轨道交通系统的容量与线路容量成正比。列车容量指列车能容纳的最大乘客数量，它主要与车厢尺寸、列车编组、车厢内座位布置等因素有关。
2 影响轨道交通容量因素分析
影响容量的因素众多，主要包括乘客因素和交通系统因素两个方面。它们的综合作用决定了轨道交通系统的容量。
2.1 发车间隔
发车间隔是一个反映发车频度的指标，理论上指一列车从车站出发到另一列车进入该站之间的时间。一般而言，发车间隔与系统容量成反比，发车间隔时间越短，每小时经过的列车数目越多，容量也越大。若发生间隔确定（如2min），则列车规格尺寸越大，容量也越大。最小发车间隔一般可由下式表示：
Hmin=Tc+Td+2Xmin/Vmin
式中：Hmin为最小发车间隔，；Tc为列车从离开站台到达正常运行速度所花时间，min；Xmin为司机操作延误时间，min；Td为车站停留时间，min；Xmin为列车相距最小距离，km；Vmin为列车运行速度，km/h。
从上式可知，影响发车间隔的因素有车站停留时间、列车速度、列车间距、司机延误等。由于“一果多因”，因子分析比较困难，特别是因子的权重常常难以确定。一般来说，即使在最糟糕的情况下，也不可能所有因素都同时起作用。由于绝大部分系统都在最大容量状态下运行，因此出现紧急情况时，如突然发现列车前方有事故或乘客、乘务员扳下紧急制动闸等，还要考虑紧急停车时间对最小发车间隔的影响。
2.2 车站停留时间
最小发车间隔可以看作是最小在线时间加上列车车间停留时间。车站停留时间是影响城市轨道交通容量的一个重要因素。停靠时间过长，不但直接影响列车流量，而且影响列车服务质量，降低吸引力和客运量，从而减少列车的容量。
影响停留时间的因素很多，主要有站台高度和检检票方式，次要的有轮椅通道、车门宽度和位置、乘客沿站台分布、车内拥挤程度、交通管理政策等。例如，加拿大卡尔加里市的轻九系统和多伦多交通委员会（TTC）管辖下的地铁系统，都要求在列车起运前延迟几秒钟关门，以策安全。市郊铁路的车站停留时间很大程度上受到国厢设计和国站设施的影响。美国新泽西洲的市郊铁路，根据线路和车站的状态，其列车停站时间定为0.88～8.00min。
站台高度影响乘客上下车的快捷程度。地铁和自动导轨系统已经普遍采用各具特色的高站台，使站台与车厢地板平齐，提高了乘客上下车的速度。轻轨和市郊铁路采用商低站台两用车门以及繁荣昌盛降阶梯的方式，以适应不同车站的需要。目前，西欧一些国家已经采用了低地板的新型轻轨列车，便于乘客们上下车，减少停留时间。据研究报道，在低载客量时每名乘客上车需2～3s，每名乘客下车需1.5～2.5s。
检票系统分为人工检票和自动检票两种方式，显然人工检票比自动检票系统耽搁时间更长。
人工检票有司机监视下的无人售票和售票员售票两种情况。例如美国克利夫兰的轨道交通红线采用司机在车上检票的方式，而在芝加哥市和其他市郊铁路中采用售票员在车上售票，此时检票并不影响停留时间。
所有新型轨道交通系统以及部分市郊铁路都采用磁卡自动检票系统，极大地降低了停留时间。另外，自动售票装置也加快了售票速度，增加了客流量。
轮椅乘客上下车对停留时间影响相当大，特别是需要升降装置时尤为明显。表1列出了北美部分轨道交通系统轮椅使用便利性情况。

表1北美部分轨道交通椅易达性统计

轨道交通类型线路数总计不方便一般很方便轻轨631019地铁38718市郊铁路29516自动导轨系统（单轨）0044总计11202657

从表1可见，北美有5/6的轨道交通线路方便轮椅用户使用，因而增加了残疾人的乘车量。
2.3 运行速度
运行速度指车站之间的行车速度，与站距和列车性能有关。运行速度一般通过影响发车间隔时间来影响轨道交通系统容量。运行速度一般在30～40km/h之间。当运行速度为44km/h时，最小发车间隔为71.2s，其中包括通常20s停站时间。
行车服务类型影响运行速度。跳站停车（大站快车）可以减少轨道交通发生间隔时间。
2.4 起始加速度
列车起动时间是构成最小发生车时间的一部分。在运行速度范围内，若加速度大，则从停车到正常运行速度所花的时间少，发车间隔时间短。但加速度必须符合一定的条件。加速度太高会使列车猛地向前冲，乘客站不稳，影响乘车质量，从而降低轨道交通的客流量。加速度太低，则列车起动到匀速行驶需要的时间长，增加了列车发车间隔时间。
2.5 线路类型
正线数目对系统容量的影响十分明显。假设有足够的乘客的话，双线系统比单线系统的客流量多一倍。线路类型一般可以分为：全封闭隔离专用线、大部分路封闭隔离以及少部分/无封闭隔离三种。显然，线路隔离程度越高，延误时间越少，轨道交通的容量越大。

车站的布局与设计影响乘客的易达性。完善的换乘设施有助于吸引客量。
终点站列车折返时间是最小发车间隔的重要影响因素之一。一般来说，若想获得最小折返时间，终点站的回路轨道必须足够长。车站在线或离线线设计对后续列车的进站产生影响。
2.6 信号系统
信号系统对轨道交通系统正常运行可谓是功不可没，而且是最小发车间隔的有力保证。目前普遍使用的信号系统有三示象信号系统、四示象信号系统、代码信号系统和可视化信号系统等。
对于信号系统，Barwell . F. T教授提出“快速反馈法则”。为了提高系统容量，四示象信号系统已经被西欧一些城市之间的快速交通系统所采用，但成本比三示象高。传统的交通信号系统简单，但又不适用于现代轨道交通系统。
2.6 调度控制
城市轨道交通系统在高峰期和非高峰期（平峰期）的容量相差悬殊。对比可以进行调度控制：在高峰期增加发车频率，以满足高峰期客流量大的需求；在非高峰期，由于客流量下降，为了减少系统运行成本，可缩短列车编组，适当延长发车间隔。此外，对于有公交支线的轨道交通系统以及非全封闭和隔离的轨道系统来说，也必须根据实际客流量情况，制定相应的列车运行时刻表。
2.8 列车长度
在发车间隔一定的条件下，列车越长容量就越大。我们认为，轨道交通系统的容量是最大列车长度和最大发车频率或最小发车间隔共同作用的结果。
根据英国Gill和Goodman，发车间隔理论值的数学模型是；
H=V/2B+I/V,
其中：H为发车间隔；V为运行速度；B为加速度；L为列车长度。
假设最大发车频率为3600/H，当dH/dV为零时，得到最小发车间隔的列车运行速度Vop=2BL。
由于城市轨道交通容量一列车长度成正比，与发车间隔时间成反比，所以容量是列车长度的平方根的函数。
轻轨系统列车长度受街道闭塞区段长度限制，一般以1～4车厢编组。而其他城市轨道交通系统不受限制，一般以3～8车编组。
2.9 座位布置
在车厢内取得最大座位量有许多通用的方法，最简单的是采用“2+3”座位编排法，即车厢内每一行都设置五个座位（左二右三），而不是通常的四个座位的编排法。这在宽阔的铁道列车车厢上十分易于实现，每节车厢可达到120座。然而，在必须考虑轮椅和自行车的地区，这一简单的做法就得有所改变，“2+3”座位编排法限制了车厢内通道的宽度，它给轮椅在车厢内移动带来了麻烦。另外，并不是所有的列车都追求车厢最大座位量的。例如，很多城市的地铁车厢都设计成车厢两边各一排单座位，以给乘客较大的站立空间和更大乘客容量。
另一个增加车厢容量的方法是在满足限高的条件下采用双层车厢，一般可布置150～160个座位。双层车厢在芝加哥地铁和多伦多GO系统中得到应用。
2.10 车门数量和尺寸
车门的数量和尺寸影响乘客的上下车速度或列车停留时间。一般轨道交通系统都采用车厢两边都布置车门的做法，而且车门尽量宽大，车门间距在2m左右。站台上乘客分布也影响上下车速度。当乘客在站台上均匀分布时，上下车的阻碍最小。车内乘客均匀分布也可减少列车停靠时间，增加车厢容量。门的尺寸以通过乘客量为100人次/m·min比较合适。
2.11 乘客行为
城市轨道交通系统容量的大小，除了以上因素外，还必须考虑到乘客行为的主观因素。对于乘客来说，选择交通工具主要是考虑其安全性、便利性和舒适性。对于城市轨道交通来说，安全性通常经较高；便利性由多方面决定，包括易达性、与其他交通工具的有效衔接、车站标志、列车准时等；舒适性包括车厢内温度、噪声、列车启动或刹车的加速度、乘客密度、座位等。乘客密度一般可以分为舒适（2～3人/m2）、不舒服（5人/m2）和不能忍受（8人/m2）三种情况。站位与坐位影响乘车的舒适性，其空间设计标准见表2。
载客指标应根据人体工程学、轨道交通类型和地区差别统筹规划和综合考虑，并根据列车实际运行情况进行调整。表2 站立与座位空间设计标准

站立设计空间/（M2/人）坐位设计空间/（M2/人）徒手站立0.13～0.16座位最小空间0.24～0.30拿着公文袋0.25～0.30双人座0.36扶着柱子0.26舒适型座位0.54

3 结语
轨道交通容量一般指系统最大容量，具体说指列车在峰期单向每小时所能运载的最大客流量，而不是指最大车流量。显然，轨道交通容量与列车容量、乘客数量和时间有关。
列车容量一般是定值。而乘客数量与轨道交通系统的服务水平、吸引力、人口分布与密度、人口结构、票价、便捷程度等有关，而且还受到气候变化、生活方式和行为因素的影响。因此，客流量是一个波动较大的变量。世界上大多数轨道交通这际客流量远远小于预测值的教训，应当引起我们的关注。
时间因素涉及范围很广，如上面分析的发车间隔时间、停留和延误时间、营运速度、加速度、乘客出行时间（成本）、高峰期与平峰期等，均是影响容量的因素。
在研究轨道交通容量时，必须从轨道交通系统“硬件”和乘客“软件”以及相互关系方面加以考虑，并在总成本（系统营运成本和乘客时间成本）上统一起来，找到的总成本最小时的最佳容量。
我国天津地铁的发车间隔时间很长，高峰期为15min，非高峰期为35min，这说明系统性能差，交通需求不足，容量低。广州地铁度营运期间，发车间隔为12min，正式开通后逐渐减少到2min，按每列车最大载客1800人计，其系统容量为5.4万人次/h。假使高峰期（小时）其客运量占10%，则全天客运量为54万人次，大大低于预测值113万人次。通过对城市轨道交通容量的影响因素研究，可以在系统和乘客两方面找出容量不足的原因，设法消除影响系统延误和停留的时间，提高发车间隔时间，充分发挥轨道交通快捷、安全、大容量的优势。

参考文献
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