地鐵列車編組分期實施的合理性及擴編的可行性分析探討 長春軌道客車股份有限公司 徐錦帆北京城建設計研究總院有限責任公司 梁廣深
內容摘要：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編組不經濟，采用4輛編組更有優勢。分析了列車由4輛編組擴編為6編組的可行性，提出了兩種擴編方法，計算了各擴編方案的經濟成本。驗證了該線初、近期列車采用4輛編組較經濟合理。
關 鍵 詞：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” 規劃，已把大力發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客運量不大。為了提高服務質量和運營效益，城市軌道交通的列車編組應該隨著客運量的增長逐漸擴編。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，遠期為6輛編組。 北京地鐵1、2號線的4輛編組列車在長達十幾年的運營期間，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。 當前軌道交通行業圍繞著初期、近期、遠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。還有一些專家認為列車由4輛編組擴編為6輛編組難度很大，代價很高，主張初、近、遠期列車均采用6輛編組。 最近經過評審的沈陽、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，及遠期擴編的可行性進行一些分析研究，以期得到一個正確的結論，提高地鐵列車編組決策的科學性。促進我國軌道交通建設事業健康發展。 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??？
二、國產B型車輛簡介1. B型車的發展概況 我國從1968年開始批量生產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型車的合理編組方案，具有重大的經濟效益和社會效益。 B型車車體寬2.8m，長度19m。不帶司機室的車輛定員為245人, 帶司機室的車輛定員為230人。系統單向運輸能力為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,遠期6輛編組： 初、近期： = Mc―T―T1―Mc = (Mc ?????? 帶司機室的動車) 遠期： = 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 ?????? 帶司機室的拖車) = Tc―M1 = T―M1 = M2―Tc = 遠期：= 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帶司機室和受電弓的動車) 遠期： = 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) 構成，6輛編組由3個單元車組(3動3拖)構成。
3. B型車的電氣設備與安裝布置 (1) 在動車上安裝的電氣牽引設備 主要包括以下設備：主牽引電動機、VVVF逆變器、濾波電抗器、主牽引電路中斷路器及開關保護設備、制動電阻器、齒輪傳動設備及聯軸節、三軌受流器（或受電弓）等。 (2) 在拖車上安裝的設備 主要包括以下設備：列車輔助電源靜止逆變器（SIV）及隔離開關、熔斷器、母線高速斷路器等配套電氣設備。 空氣壓縮機組及配套的隔離開關、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。另外當設有三軌受流器時，列車在線路上運行按特殊需要來定的，即斷電區過長的條件。 (3) 列車各車輛上都裝有客室空調設備或通風設備、電熱采暖設備、客室照明、廣播報警設備等。 (4) 司機室的設備 每列車設2個司機室，其主要設備有：列車駕駛司機臺、車載ATC設備、無線電臺、廣播報警設備主機、操作列車的左、右側屏的開關、儀表監視設備和電氣控制屏柜、刮雨器裝置、供司機的空調或通風設備等。
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，均為調頻調壓控制（VVVF逆變器）。為增加車輛的可靠性，牽引系統采用雙單元控制。每輛動車設兩套VVVF逆變器，每套逆變器控制兩臺牽引電機。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，另一臺控制3—4號電機。 武漢輕軌，每輛動車的兩臺逆變器，一臺控制1—3號電機，另一臺控制2—4號電機。 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行混合運算。并采用T車空氣制動優先補足的控制方式。
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，遠期為3.4萬人次。采用B型車輛。可行性研究報告確定列車初、近、遠期均為6輛編組。筆者認為這套方案的最大問題車輛利用率低，運營成本高，不經濟。 我們想以該線路為例，對其初、近期列車編組方案進行多方案比較，更有說服力?，F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、遠期均為6輛編組。經計算各方案的運營指標匯于表3—1。 方案比較采用的費用指標，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設備）。每1車公里的運營成本按10.5元計算（包括固定資產中車輛購置折舊費）。 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) | 1.68 | 2.36 |
| 方案一 | 列車編組輛數 | 4 | 4 |
| 高峰小時開行列車對數 | 18 | 25 |
| 列車間隔時間（分） | 3.3 | 2.4 |
| 配屬列車數（列/輛） | 24/96 | 30/120 |
| 全日開行列車數（列） | 322 | 408 |
| 全年走行車公里數（萬） | 834 | 1056.74 |
| 全日平均滿載率（%） | 45 | 50 |
| 車輛購置費（萬元） | 57600 | 72000 |
| 每年運營費（萬元） | 8757 | 11095.77 |
| 方案二 | 列車編組輛數 | 4 | 4、6 |
| 高峰小時開行列車對數 | 18 | 19 |
| 列車間隔時間（分） | 3.3 | 3.16 |
| 配屬列車數（列/輛） | 24/96 | 12/72+12/48 |
| 全日開行列車數（列） | 322 | 366 |
| 全年走行車公里數（萬） | 834 | 1179.13 |
| 全日平均滿載率（%） | 45 | 50 |
| 車輛購置費（萬元） | 57600 | 70920 |
| 每年運營費（萬元） | 8757 | 12381 |
| 方案三 | 列車編組輛數 | 6 | 6 |
| 高峰開行小時列車對數 | 12 | 17 |
| 列車間隔時間（分） | 5 | 3.53 |
| 配屬列車數（列/輛） | 17/102 | 22/132 |
| 全日開行列車數（列） | 292 | 356 |
| 全年走行車公里數（萬） | 1134.44 | 1383.08 |
| 全日平均滿載率（%） | 30 | 33 |
| 車輛購置費（萬元） | 59670 | 77220 |
| 每年運營費（萬元） | 11911.62 | 14522.34 |
從表3—1可以得出以下結論： (1) 方案一初期列車4輛編組，高峰期列車間隔時間短，服務水平高。 (2) 方案一、二配屬列車數量最少。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最少。初期每年比方案三可節省運營費3154.62萬元。近期每年可節省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，遠期6輛編組為最優方案。其次是方案二，初期4輛，近期4輛、6輛編組混跑方案。
四 列車由4輛編組擴編為6輛編組的可行性分析 4.1 列車由4輛編組擴編為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室的車輛進行局部改造。 本改造方案的特點是，每列車上有3臺空氣壓縮機組和3臺SIV輔助電源。 1 對帶司機室的頭車改造的內容是： (1) 帶司機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管的連接。拆除頭車前端的排障器、裙板、車載ATC、電笛等設備。 (2) 帶司機室的車前端沒有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文件中，明確遠期采用此方案擴編為6輛編組，廠家在車輛設計中做一些預留，列車擴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。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品，其技術參數和性能無差異。 (3) 這些車輛的車輪直徑、運行的車公里數、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 在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，由此擴編為6輛編組。新造的動力單元沒有司機室，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，一般設置兩臺空氣壓縮機組和兩臺SIV輔助電源。如果初近期4輛編組列車在采購時，其空氣壓縮機和SIV輔助電源的容量按6輛編組設計。預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編時的工作量。否則，遠期擴編時有些設備需要擴容，擴編的難度大一些，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，都是按上述方法設計預留的。 因為本方案中新造的動力單元車組沒有司機室，拖車上沒有空氣壓縮機和SIV輔助電源及其配套設備，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編方法的優點： (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。只需對列車監控系統的液晶顯示器畫面分割等相關軟件做出調整。 (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) 由于科學技術不斷的進步，老的產品已被淘汰，存在新造的動力單元與原有車輛的技術性能協調配合一致的問題，因此有一定的風險。 (3) 目前地鐵車輛的使用壽命為30年。擴編前舊的車輛已經運營了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。造成較大的經濟損失。
4.2 列車由4輛編組擴編為6輛編組的時機和費用研究 4.2.1 列車由4輛編組擴編為6輛編組的時機選擇 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）。此后為適應客運量增長，應將列車由4輛編組擴編為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，將帶司機室的頭車進行改造，然后插到另外20列4輛編組的列車中間。預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。 因近期后本系統需配屬22列6輛編組的列車（132輛）。本方案還應增購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編方案 (方案二) 本方案分階段對4輛編組列車進行擴編：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輛編組的列車的擴編。 本方案兩次擴編后，系統`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），因沒有司機室及SIV、空壓機組等設備，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。
五 初、近期4輛編組與6輛編組方案經濟比較 前已說明，評判初、近期列車采用4輛編組或6輛編組合理性的標準是經濟成本。按照表3—1 中的運營數據，分別計算出各方案的車輛購置費、車輛改造費，以及在計算期內的運營費進行比較，以三項費用之和最小為最優方案。 根據預測客流量估算，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量，是根據設計規范按服務水平決定的，客運量的些微變化對其影響不大。為簡化起見，各方案的運營費應按列車年走行車公里數量進行計算。初期按4年，近期按5-年，近期后按4年計算。各方案的經濟數據匯入下表。 車輛擴編、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（列/輛） | 24/96 | 24/96 | 17/102 |
| 近期配屬車輛數（列/輛） | 30/120 | 12/72+12/48 | 22/132 |
| 初、近期車輛購置費（萬元） | 72000 | 70920 | 79200 |
| 系統改擴編列車總數（列/輛） | 20/120 | 18/108 | 0 |
| 改擴編增購新車數（輛） | 12 | 36 | 0 |
| 改擴編后配屬車輛總數（列/輛） | 22/132 | 18/108+6/24 | 0 |
| 車輛總購置費（萬元） | 79056 | 77580 | 77220 |
| 車輛改造費（萬元） | 800 | 0 | 0 |
| 13年累計運營費（萬元） | 129043 | 137397 | 171820 |
| 三項費用總計（萬元） | 208899 | 214977 | 249040 |
六 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的運營指標可以看出，方案一初期、近期列車采用4輛編組方案優于方案三6輛編組方案。4輛編組方案的優點：一是列車間隔時間短，服務水平高。二是配屬列車數量最少，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少，初期每年節省運營費3154.62萬元，近期每年節省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，略低于方案一，近期比方案三可減少車輛購置費6300萬元，每年節省運營費2141.34萬元。 3 本文提出的兩種列車擴編方法，是切實可行的。經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輛編組擴編為6輛編組并無技術難度。 4 由比較表5—1可以看出，利用4輛編組列車進行插編改造方案的經濟成本最低。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，遠大于列車由4輛編組擴編為6輛編組的改造費用。 5 利用4輛編組列車進行插編改造方案，除了列車前后不能貫通外，在經濟上和管理方面都有優勢。在中間增加新造的動力單元車組方案，具有容易擴編，全列車前后貫通等優點。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編方案，須分步進行。在運營中實行4輛編組與6輛編組列車混跑，在技術上是可行的。 現代地鐵車站增加了屏蔽門，但信號設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 應該根據每條線路的預測客流量大小，來確定列車的編組方案，不應搞一刀切。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輛編組較經濟。如果4輛編組列車的使用期限較短，就應該一次上6輛編組。 以上是筆者的一些淺見。愿作為引玉之磚，提出來與業內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計獻策。由于水平所限，錯誤在所難免，歡迎大家提出寶貴意見。
