区域轨道交通协同运输关键技术及系统装备

第1章 引言 交通运输业是我国经济社会发展的基础性、先导性、战略性产业，轨道交通则是交通运输中的骨干。随着我国城市群的快速发展，区域交通一体化融合已经成为未来交通系统建设的重要方向。我国在党的十九大报告及《交通强国建设纲要》中提出“区域交通运输一体化发展”和“构建便捷顺畅的城市(群)交通网”要求[1]。2021年2月，中共中央、国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》提出构建现代化高质量国家综合立体交通网[2]。同时，大数据和互联网+等也为打破区域轨道交通多制式间的封闭运输体系奠定了技术基础。突破区域轨道交通协同运输与综合服务关键应用技术、研制大数据驱动的区域轨道交通协同运输与服务系统及装备，已成为提升区域总体运输效能和促进城市群快速发展的重要手段。 1.1 研究背景与意义 1.1.1 研究背景 近年来，我国轨道交通迅猛发展，高速铁路(简称高铁)与城市轨道交通运营里程均居世界**，交通运输规模总量进入世界前列。随着我国经济的快速发展与城市群进程加快，轨道交通建设呈多制式和网络化发展趋势，迫切需要构建区域交通一体化运输模式[3]。2018年11月18日，中共中央、国务院发布的《中共中央国务院关于建立更加有效的区域协调发展新机制的意见》明确指出，以京津冀城市群、长三角城市群、粤港澳大湾区城市群、成渝城市群、长江中游城市群、中原城市群、关中平原城市群等城市群推动国家重大区域战略融合发展，建立以中心城市引领城市群发展、城市群带动区域发展的新模式，推动区域板块之间融合互动发展[4]。 目前，我国城市群发展中存在一些典型问题。例如，较为严重的“简单均衡”或“一城独大”现象、优质人口资源配置不均问题日益严重、资源与环境压力逐年加大，可见城市群可持续发展的前景不容乐观。针对城市群常出现的大城市病，优先发展公共交通是解决城市交通问题的出路。完善公共交通网络，提升可达性，力争实现“出行方便、换乘便捷、指示清晰、停车有序、乘车文明”的目标。轨道交通因运量大、速度快、污染小等优势成为解决城市群问题*为重要的公共交通方式。实现区域轨道交通协同运输是促进城市群发展的关键举措，也是缓解城市拥堵、提升交通运行效率的重要措施。 1) 区域轨道交通体系发展迅猛 据统计，目前世界上已有40多个国家和地区的120余座城市建有轨道交通系统。近年来我国发展很迅速，截至2020年末，全国铁路营业里程达到14.63万公里，其中，高速铁路营业里程达到3.79万公里，高速铁路运量已占全国铁路客运量的60%以上，占世界高速铁路总里程的2/3以上。2008～2020年，我国轨道交通运营城市由13座增至45座，运营里程由1125.2公里增至7978.19公里，国内众多二三线城市正跑步进入轨道交通时代[5]。同时，北京、上海、广州的日均客运量均超过800万人次，且单日*高客流量皆突破1000万人次，城市轨道交通已成为保障一线城市有序运行的主要公共交通工具。截至2019年底，城市轨道交通运营线路中有7种制式同时运营(图1-1)，上海有5种制式在运营，北京有4种制式在运营。应用新技术、新车型的创新产品不断涌现，如北京大兴国际机场线、温州市域快轨S1线、佛山高明加氢新能源有轨电车。 图1-1 2019年城市轨道交通运营线路制式结构 注：其他7.30%中包括磁浮交通0.90%、自动旅客捷运系统(APM)0.20%、现代有轨电车6.20% 轨道交通网络规模的不断扩大、轨道交通运输服务的不断完善，不仅大幅缩短了区域内的时空距离，有力地促进了区域产业转型升级，还加速了城市群的培育、发展与壮大。轨道交通制式呈现多元化发展趋势，多层次、多制式轨道交通的快速发展，在路网达到一定规模、多种轨道交通制式并存的发展态势下提出了区域轨道交通运输协同理念，以期在更大范围内发挥区域轨道交通复合网络的优势，充分挖掘运能、提升服务水平，有力支撑“以人为本”的城市群建设[6]。 2) 区域跨制式出行需求不断增加 随着轨道交通的快速发展和同城化程度的加大，城市群内经济社会结构、城镇空间结构、人民生活方式及思想观念正在发生一系列深刻变革，特别是人们逐渐开始接受跨城市居住工作和生活休闲的出行方式，出现越来越多跨城市的通勤族，城际旅游客流和探亲客流也随之增加，城市群内客运需求多样、出行频繁、公交化特征明显。我国轨道交通也从单一制式、独立线路逐渐发展为多层次、多制式的复合网络，一次跨城市出行通常涉及区域内多种制式的轨道交通系统。 3) 区域轨道交通协同运输问题有待解决 既有运输组织技术与区域多样化出行需求匹配度较低。针对区域轨道交通出行需求的产生和变化的协同运输组织方法的研究与实践经验都较缺乏，既有运输组织模式与技术对区域多样化的出行需求适用性差。区域协同运输组织技术的优势特征挖掘不够，国外主要通过分级铁路换乘运输、直通列车开行等方式组织区域内的协同运输，但是我国区域内轨道交通制式多样，运营维护主体、服务定位存在较大差异，因此运输组织与国外存在较大差别。我国区域轨道交通还需根据跨制式出行需求特征深入协同运输组织关键技术研究，进一步挖掘区域轨道交通网络运输优势、提高区域内网络化运营效率。 1.1.2 国内外现状 本书针对国内外典型的城市群如日本东京都市圈、德国莱茵-鲁尔区域、法国法兰西岛、美国纽约都市圈以及我国京津冀区域、长三角区域、粤港澳大湾区、成渝城市群等区域的轨道交通的规划建设、设施设备运用、运输组织、安全保障、信息服务等方面的现状进行分析与总结，从而更有针对性地提出区域轨道交通协同运输关键技术，支撑应用系统装备研制。 1. 国外发展现状 (1) 通过路网及枢纽的协同规划布局，构造多层次、多制式、便捷换乘的轨道交通复合网络，实现城市功能和交通功能的高度融合。 随着轨道交通线网规模的不断扩大、区域一体化理念的不断深入，国外典型的区域轨道交通主要通过路网和枢纽的协同规划布局来引导区域轨道交通的建设和发展。各制式轨道交通根据其运输距离和服务范围，形成了多层次、多制式的轨道交通复合路网，同时通过枢纽的合理布局创造良好的换乘条件。例如，德国莱茵-鲁尔区域将其轨道交通网络分为三层，不同制式的轨道交通承担着不同层级的主要运输任务[7，8]，同时不同制式的轨道交通又互为补充，促进多种轨道交通制式协同发展。通过换乘站的合理设置将不同层级轨道交通网络高效、紧密地结合起来，实现复合网络的互联互通。 在轨道交通路网和枢纽的规划建设中，还紧密结合城市的发展以及功能定位，通过优化轨道交通网络结构支撑，引导城市的发展形态。借助轨道交通枢纽的多功能一体化设计促进城市功能和交通功能的高度融合。例如，日本东京都市圈的轨道交通形成了“环形+放射形”的路网结构，促进了东京都市圈多中心格局的形成；东京都市圈的轨道交通枢纽也根据客流走行规律、地面设施和环境、不同运输方式的特性以及商业需求等进行一体化综合开发，节约城市空间的同时满足了旅客便捷换乘、购物用餐等需求[9]。 (2) 为旅客提供多样化、人性化、便捷优质的出行服务，尽可能缩短旅客中转换乘时间。实行票制一体化，实现旅客信息服务覆盖出行全过程。 国外典型的区域轨道交通系统十分注重为旅客提供优质的运输服务，部分轨道交通设备设施虽然因投入使用年代较早而未实现智能化，如纽约都市圈轨道交通系统，但依然可以为旅客提供良好的出行服务，不同人群可以享受到不同的个性化服务。 在旅客换乘方面，换乘枢纽的规划设计充分考虑了多制式轨道交通在枢纽内的高效衔接，能合理引导旅客换乘走行、缩短旅客中转换乘时间，例如，东京都市圈轨道交通换乘枢纽综合多种交通方式进行一体化设计；莱茵-鲁尔区域轨道交通实现同站台或跨站台换乘，旅客无须出站，从而避免了进出站等环节的重复。 在票务方面，多数区域实现了票制一体化，旅客通常只需购买一张车票或使用多制式轨道交通联合发行的票卡，即可完成全部旅程。同时，很多典型的区域轨道交通系统，根据不同的出行周期、不同种类的出行人群和不同的运营时间推出了多种常规及优惠票卡，以满足旅客多样化的出行需求，吸引旅客选择轨道交通方式出行。 在信息服务方面，旅客可以随时通过站内标识、信息显示设备以及智能终端获取大量的运输服务信息，包括行程规划、列车时刻表、车站及列车实时运营状况、换乘指引、晚点及故障情况等，基本贯穿着旅客出行的全过程，信息服务的智能终端覆盖率较高。 (3) 通过直通运营、快慢车运营和组合运营等灵活的运输组织手段提高旅客运输效率和服务质量，实现综合性枢纽运力资源的合理分配与运用，以旅客需求为导向逐步实现不同层级、不同制式轨道交通系统间的互联互通。 国外典型的区域轨道交通系统大多在中长运输距离的线路上实现贯通运营，对于较短运输距离的城市轨道交通，一般仍使用自身的独立线路。随着轨道交通服务范围、线路数量和线网密度的不断增大，跨制式出行客流以及同制式内部不同线路之间的换乘客流急剧增加，在高峰期易发生换乘组织困难、换乘枢纽极度拥挤的情况。 早期的东京都市圈轨道交通就面临着这样的难题，市郊通勤旅客要进入市中心商业圈必须要在山手环线上的大量中转站点进行换乘，多条线路拥挤率高达200%以上。迫于换乘压力，东京都市圈轨道交通采取了灵活多变的运输组织模式，通过线路改造实现了跨制式的直通运输，大大缩短了旅客的候车时间和换乘时间，也降低了综合性枢纽的换乘压力，同时为区域轨道交通系统的互联互通打下良好的基础[9]。 为了更加合理地分配和使用运力资源，纽约都市圈轨道交通对于列车运行技术条件相同的轨道交通制式同样组织开行了跨线列车，同时采用停站方案不同、同向不共线的快慢车运输组织模式，延长服务时间，几乎达到全日不间断运营。部分大型的综合性枢纽如宾夕法尼亚车站还实现了不同运营单位对车站轨道的共用，极大地提高了旅客运输效率，方便了旅客的出行和跨制式的换乘，体现了“互联互通”“以人为本”的理念[9]。 (4) 运营主体构成多样、各司其职，并由统一的机构对参与运营的各主体进行监督管理和协调运营。政策措施的制定和协调管理机制的建立，促进了区域轨道交通的互联互通和一体化协同运输。 国外典型的区域轨道交通按制式或运行范围的不同进行划分，实现了各自经营，但各运营主体都由统一的机构进行监督管理和协调运营，例如，巴黎都市圈的法兰西岛运输联合会和纽约都市圈的大都会运输署，通过建立行之有效的协同管理机制，提高了行车调度、信息共享和换乘衔接等方面的运营组织效率，使得各运营主体通过良好的分工与协作为旅客提供更加优质的一体化出行服务。 除协同管理机制外，相关政策措施的制定对运输组织的开展、各主体的经营以及区域轨道交通的互联互通尤为重要。例如，在解决东京都市圈轨道交通换乘压力难题的过程中，日本政府通过颁布《增进都市铁道等利便法施行规则》构建实现直通运营的相关补助制度，协调涉及直通运营各主体间的关系，同时对路网风险的承担做了明确划分，极大地促进了直通运营的开展。 2. 国内发展现状 1) 线网布局与规划方面 在线网布局与规划方面，各层级、多制式的轨道交通复合路网逐步完善，城市内部、城际以及跨区域的旅客出行更加便捷，出行方式的选择更加多样化。不同轨道交通线路之间通过换乘节点衔接，换乘组织水平有待提高，各层级轨道线路的规划和建设尚未考虑技术层面的互联互通，且规划与建设分离、协同程度较低。 目前，我国干线路网已基本成型，高速铁路网也初具规模，主要城市群内部的城际轨道线路也相继开通，城市轨道交通更是迎来了发展的“黄金时代”。我国已建立了“八纵八横”的铁路网，铁路网密度为152.40公里/万平方公里，预计到2035年我国铁路运营里程将达到20万公里左右，其中，高速铁路达到7万公里左右。而城市轨道交通线网规划已获批的城市更是多达