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我国城市铁路最高设计速度值研究
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内容提示：简要分析了影响城市铁路最高设计速度的主要因素,研究了提高最高设计速度的利弊.以实际线路数据为背景,运用铁道部重点实验室开放实验平台TraMCES,从旅行速度、能耗、时间节约等角度模拟计算了80kmh、100kmh以及120kmh等设计速度下城市铁路系统的各项运营指标.通过对一条平均站间距为2.64km、全长37km的线路的案例分析,结果表明与80kmh最大设计速度相比,100kmh的最大
摘要: 简要分析了影响城市铁路最高设计速度的主要因素,研究了提高最高设计速度的利弊.以实际线路数据为背景,运用铁道部重点实验室开放实验平台TraMCES,从旅行速度、能耗、时间节约等角度模拟计算了80km/h、100km/h以及120km/h等设计速度下城市铁路系统的各项运营指标.通过对一条平均站间距为2.64km、全长37km的线路的案例分析,结果表明:与80km/h最大设计速度相比,100km/h的最大设计速度可以压缩旅行时间12.1%,但能耗将增加22.7%.
关键词: 城市铁路;设计速度;线路设计;能耗
0 引 言
城市交通的拥挤加速了城市地区居民对出行速度的渴望.在各城市纷纷掀起城市铁路建设大潮之际,提高城市铁路速度的思想受到许多人的推崇.速度的提高无疑具有极大的吸引力,但值得研究的是,与速度的提高的代价相比,速度提高的效益和具体效果如何.表1是欧洲统计的城市地区交通方式的商业运行速度资料.
不难看出,欧洲城市铁路的运营速度基本上均在60km/h以下.
文献[2]对广州地铁3号线最高行车速度进行了研究,研究分析了广州地铁3号线最高速度为80、100、120及140km/h几个方案,并得出了推荐采用120km/h为最高速度的结论及如表2所示的结果.广州地铁3号线一期工程全长28.5km,设13座车站,平均站间距2.4km.
可以看出:最高速度从80km/h提高到120km/h时,该文的结论是:旅行速度提高44.4%,旅行时间降低31.1%,牵引能耗增加22.2%,车辆配置减少21.6%.
国外各城市中,城市轨道交通系统一般均采用80km/h为最高速度[3],更高速度的设计比较少见.研究发现:速度在80km/h以上的动车组特性甚至都很难找到.在轨道交通较为发达的日本,只有在郊区或者城市间铁路上才采用80km/h以上的速度设计方案.
本文探讨了最高设计速度的提高对城市铁路系统的综合影响;研究采用专业计算软件系统(TraMCES)[4]和国外真实的动车组参数,详细研究了常规目标速度(80km/h)与100、120km/h几种不同目标速度下系统的运营效果,论文以我国上海市某实际线路为例分析了速度提高的效果,提出了基本结论.
1 影响最高速度效果的因素
最高速度是动车组能够达到的最大速度.提高最高速度的效果是加速旅客送达速度,但具体的提高效果却取决于以下因素:
(1)站间距离.
轨道交通系统车站间的距离是影响平均速度的重要因素,站间距越大,提高最高速度的效果愈明显.相反,距离越近,最高速度提高的效益越差.
(2)列车重量及编组.
由于动车组的牵引力是相对固定的,列车编组越大,旅客密度越高,牵引重量越大,最高速度的优势越不明显.
(3)区间线路条件.
线路标高变化越大,最高速度的优势越不明显.尽管如此,到底提高最大设计速度的效果如何,目前还缺乏研究.
(4)旅客舒适度.
城市轨道交通不同于城市间铁路,列车编组少,重量相对较轻,牵引电机能够实现的最大加(减)速度较城市间铁路列车要大得多,而实际上最终的最大加(减)速度的极限则取决于旅客舒适度设计的要求.
(5)经济性.
轨道交通系统的经济性一般较差,经济性又直接关系到其建设的必要性与可能性;最高设计速度对系统造价和运营成本有重要影响,标准越高,造价越大,经济性越差.例如,从运营角度看,广州地铁1号线能耗占总运营支出的34%,仅次于人力支出的36%.
本文以上海某线为例,对轨道交通系统的最高设计速度值进行了分析比较.运用实验室研制的通用列车运行模拟软件平台TraMCES,作者详细测算了80km/h、100km/h和120km/h三种最大速度条件下的列车运行的各种效果,得出了相应的结论.
2 最高设计速度选择的目标
提高最高设计速度的主要目标是运行时间的节省,从而达到提高轨道交通吸引力的目的.理论上,速度提高还可节省车辆数量.不过,实际商业运行速度(即一般意义上的旅行速度)与最高设计速度之间还存在差距,提高最大设计速度的效果如何,需要根据我国城市铁路的具体情况进行分析.
提高最大设计速度的代价包括多方面:首先是建设代价,由于速度的提高,线路、隧道、列车与通信信号的设计标准均需提高,由此造成建设投资的增加;由于速度提高导致的能耗的增加也是速度选择应考虑的重要因素,它直接影响运营费用的支出;这也是国外多数城市采取在市区边缘换乘策略的原因.其次是运营管理,由于速度的提高,列车间的最小运行间隔值可能增加;而列车间隔是城市交通系统最重要的服务质量指标之一,间隔增大的后果需要仔细研究.第三,速度提高对整个系统的安全性设计产生重要影响,尤其是提高到100km/h以上时,关于安全裕量的设计标准将需要提高.
图1全面分析了速度提高的影响因素及利弊.因此,对最高速度目标值的分析需要进行综合评估.
3 案例分析
为分析不同目标速度下的运行效果,我们选择了上海市贯穿市区与郊区的某条轨道交通线路.该线兼有市区铁路与郊区铁路二者的运营特点,其一期工程全长约37km,拟建设15个车站,全线平均站间距约为2642.5m.为详细考察各种场景下轨道交通系统列车运行的效果,作者采用北京交通大学所属的铁道部重点实验室的模拟实验平台TraMCES[4]对案例情景进行了全面分析与计算.
本次计算中,列车类型采用日本E231市郊通勤列车,牵引重量142吨,列车长度按100m.100km/h下的列车仍采用日本207系,牵引重量142吨,列车长度按100m.此外,本文还分析了120km/h下的效果,牵引重量155吨,列车长度110m.
图2显示了该线在80km/h与100km/h两种不同最高速度下列车运行效果的模拟值.
从图2中不难看出,最大设计速度从80km/h提高到100km/h时,第一个区间由于距离较短,实际最大速度也仅达到80km/h就进入制动工况;第二个区间较长,但由于长大下坡道的关系,最高速度也难以达到100km/h.两种情况相比,100km/h时列车运行工况主要是牵引与制动工况,惰行的机会明显下降,运行能耗则直线上升.
图3总结了全线各区间距离与旅行速度之间的关系.
不难看出:站间距越短,平均速度与实际最大速度之间的比值越低.一般站间距在4km以上时,该比值才能达到80%以上.
表3给出了最高设计速度分别为80km/h、100km/h与120km/h三种情况下,该线列车模拟运行的结果.
可以看出:设计速度从80km/h提高到120km/h时,能耗、牵引率(即牵引工况时间占全部运行时间的比例)均迅速提高.
4 小结
综上所述,可以得出如下研究结论:
(1)最大设计速度从80km/h提高到100km/h与120km/h时,实际平均速度仅分别从62.79km/h提高到72.25km/h、78.76km/h;最大设计速度为80km/h时,平均运行速度是实际最大速度的79.2%;最大设计速度提高到100km/h时,平均运行速度为实际最大速度的72.8%;最大设计速度进一步提高到120km/h时,平均运行速度只有实际最大速度的66.1%;实际平均速度的提高低于最大设计速度的提高.
(2)从能耗角度看,速度从80km/h提高到100km/h与120km/h时,牵引能耗从224.57kWh提高到了275.57、383.08kWh.由于设计速度的提高,列车运行过程的平均牵引率(牵引工况时间占总运行时间之比)从38.53%提高到65.46%、67.40%.
(3)在牵引力相同、最高速度为120km/h条件下,列车重量从155吨增加到285吨(增加84%)时,列车平均速度从78.76km/h下降到64.61km/h(下降18%),实际最高速度从119.18km/h下降到109.78km/h,列车能耗则从383.08激增到537.13kWh(增加40.2%)。因此,列车重量对列车运营过程有重要影响。（参考《建筑中文网》）
(4)时间节省.最大设计速度从80km/h提高到100km/h与120km/h时,列车的纯运行时分将从35.4min压缩到30.7min、28.2min。考虑到停站和折返时间,全线的旅行时间可以从38.7min压缩到34.0min及31.5min;分别节省12.1%及18.6%。
综上所述,不难看出,在城市中心地区提高列车的最高设计速度的效果并不明显,而运营成本将急剧增加。因此,国外许多城市(如伦敦、东京、巴塞罗那[5]等城市)采用在近郊进行换乘的模式,通过优化运营组织,使乘客无缝换乘,从而有效地控制建设成本,提高系统效率。这些经验对于我国轨道交通系统的建设具有重要的借鉴意义。
参考文献
[1]TKHo,BHMao,ZZYuan,HDLiuandYFFung.ComputerSimulationandModellingin
RailwayApplications[J].ComputerPhysicsCommunications,2002,143:1-10.
[2]农兴中.广州地铁3号线最高行车速度研究[J].铁道运输与经济,2002,(10)。
[3]毛保华,姜帆,刘迁,等.城市轨道交通[M].北京:科学出版社,2001.
[4]毛保华,何天健,袁振洲,等.通用列车运行仿真系统研究[J].铁道学报,2000,(1)。
[5]http://www.urbantransport-technology.com/projects/barcelona/,2004。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13544.htm
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