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1、城市轨道交通供电系统的功能
城市轨道交通供电系统,担负着运行所需的一切电能的供应与传输,是城市轨道交通安全可靠运行的重要保证。
城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。一是电动客车运行所需要的牵引负荷,二是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电,诸如:通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。
在上述用电群体中,有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷;有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准,而且这种要求和标准又相差甚远。城市轨道交通供电系统就是要满足这些不同用户对电能的不同需求,以使其发挥各自的功能与作用。
保证电动客车畅行,安全、可靠、迅捷、舒适地运送乘客,是供电系统的根本目的。
2、供电系统的构成
根据功能的不同,对于集中式供电,城市轨道交通供电系统可分成以下几部分:外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。对于分散式供电,城市轨道交通供电系统则可分成以下几部分:外部电源、(电源开闭所)、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。牵引供电系统,又可分成牵引变电所与牵引网系统。动力照明配电系统,又可分成降压变电所与动力照明。
但在进行初步设计与施工设计时,为便于设计管理,供电系统往往被划分成:系统设计;主变电所设计;牵引变电所(或牵引降压混合变电所)及降压变电所设计;牵引网设计;电力监控系统设计;杂散电流腐蚀防护设计(注:动力照明随同土建一起设计)。
3、外部电源方案
城市轨道交通系统的外部电源方案,根据城市电网构成的不同特点,可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。
(1)确定外部电源方案的原则
城市轨道交通作为城市电网的特殊用户,一般用电范围多在10km~30km之间。城市轨道交通系统的外部电源方案,主要有集中式、分散式、混合式等不同形式。究竟采用何种方式,应通过计算确定需要负荷之后,根据城市轨道交通路网规划、城市电网构成特点、工程实际情况综合分析确定。
(2)集中式供电
在城市轨道交通沿线,根据用电容量和线路长短,建设专用的主变电所,这种由主变电所构成的供电方案,称为集中式供电。主变电所进线电压一般为110kV,经降压后变成35kV或10kV,供牵引变电所与降压变电所。主变电所应有两路独立的进线电源。集中式供电,有利于城市轨道交通供电形成独立体系,便于管理和运营。上海、广州、南京、香港、德黑兰地铁等即为集中式供电方案。
(3)分散式供电
根据城市轨道交通供电的需要,在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源,构成供电系统,称为分散式供电。这种供电方式一般为10kV电压级。分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所均获得双路电源,要求城市轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量。建设中的沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁5号线等即为分散式供电方案。
(4)混合式供电
将前两种供电方式结合起来,一般以集中式供电为主,个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充,使供电系统更加完善和可靠。这种方式称为混合式供电。北京地铁一线和环线、建设中的武汉轨道交通工程、青岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。
通过中压电缆,纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来,横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来,便形成了中压网络。
根据网络功能的不同,把为牵引变电所供电的中压网络,称为牵引网络;同样,把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。
中压网络有两大属性:一是电压等级,二是构成形式。
中压网络不是供电系统中独立的子系统,但是它却是供电系统设计的核心内容。它的设计牵扯到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。
关键词 直线电机 轨道交通 轨道结构 无缝线路 无碴轨道
直线电机轨道交通作为一种全新的城市轨道交通技术[1,2],在我国还没有运营先例。其具有的大坡道、小半径适应能力对发展我国城市轨道交通具有很重要的应用价值。
直线电机轨道交通是采用直线感应电机驱动技术,介于磁悬浮与轮轨系统之间的轨道系统,区别于传统轨道交通牵引模式。其轨道结构是轨道交通系统行车的基础,非常复杂,轨道结构感应板要在轨道道床(或轨枕)上安置,与钢轨、道床(或轨枕)以及三轨的尺寸链关系至为重要[2,3]。
因此,为了进一步在国内应用该项技术,有必要对轨道结构的力学特性进行分析,并结合国外的直线电机应用情况,有针对性地进行轨道相关问题的研究,从而为合理地进行轨道结构的设计及施工、保证系统的安全性及可靠性奠定良好的基础。
1 直线电机轨道交通轨道结构的力学特性
作为一种新型的轨道交通形式,直线电机轨道交通的轨道结构,其力学特性与传统的轨道结构有较大的不同。
(1)轨道结构承受来自车辆的随机动荷载作用,在走行轨上承受轮轨垂直动荷载、横向水平荷载、纵向轮轨滚动摩擦力、梁轨纵向附加力、安装在轨道上的供电轨造成的附加外弯矩等。在载荷的反复作用下,轨道强度方面会受到影响,钢轨在轮轨接触处,由于巨大的接触应力可能会导致钢轨的损伤,在曲线侧向切削力等作用下又会使这种损伤加剧;由于温差存在,坡道及小半径的影响,无缝线路会发生失稳、断轨等问题。
(2)作为新型的城市轨道交通形式,车载直线电机本体与安置在道床结构上的感应板还存在着一定的相互作用,牵引力的作用点在轨道中心,而不是在走行轨上。除了感应板与电机间作用力及气隙的要求会对轨道结构的形式、设计参数等有一定的影响以外,轨道结构的性能也会对直线电机正常安全的使用有重要的影响,轨道结构的形式、设计参数、设计方法及安装工艺、养护维修水平等将成为影响该系统能否正常使用的关键。为了进一步说明轨道结构的特性,这里就国外主要采用的轨道结构形式分析如下。
2 国内外轨道结构使用情况
目前采用直线电机轨道交通的国家,其轨道结构与传统的轨道结构型式基本相同,但要在道床中间安设感应板。这里针对直线电机的特点,以加拿大及日本直线电机系统所采用的轨道结构为主进行分析。
2.1 钢轨
在轨道结构中,钢轨是主要的部件。随着地铁车辆轴重的加大、年通过总质量的增长及列车速度的提高,目前各国地铁都有选用重型钢轨的趋势[2]。但就直线电机轨道交通而言,国外一般采用50kg/m的钢轨,有的也采用60kg/m钢轨。
2.2 扣件及垫板
扣件种类从连结形式上分,可分为分开式和不分开式。不分开式扣件具有结构简单、零部件少、造价低的特点,但不便于调高,一般用于有碴道床。目前日本及加拿大两种形式均有,另外为了提高轨道结构的减振性能在一些地段还采用了一些高弹性的扣件。
2.3 道床形式
直线电机轨道交通轨道结构主要以整体道床轨道结构为主,仅在车场线有少量的有碴轨道(见图1)。加拿大温哥华以高架线为主的直线电机轨道系统采用直联式轨道结构;日本地下线的直线电机轨道结构是采用预埋长轨枕式整体道床;在马来西亚吉隆坡地铁,正线地下线、地面线及高架线上是采用预制板式道床轨道系统(见图2),在地面车场线上采用了传统的碎石道床结构。
此外,日本在一些减振要求较高的运营线路上,采用了弹性轨枕式整体道床(见图3)。此种轨道结构与普通长枕埋入式整体道床不同之处在于长轨枕在两端铺设了减振橡胶套靴,轨枕中部悬空。
2.4 道岔及交
道岔号数的选用应主要根据要求的道岔直、侧向容许通过速度确定,直线电机轨道交通系统由于多采用径向转向架,从而可以采用较小的曲线半径、小号码道岔等,可以节省车辆段用地面积。就国外的道岔应用来看可以分两类:加拿大温哥华的SkyTrain线、马来西亚吉隆坡的PUTRA线正线采用可动心轨辙叉单开道岔,不采用交叉渡线道岔,仅在车辆段采用固定型道岔[3]。日本多采用固定型道岔,并采用交叉渡线道岔,轨下基础有整体道床、木岔枕和合成树脂轨枕(见图4)。
加拿大正线多采用6号、8号可动心轨道岔结构。日本正线多铺设固定辙叉型8号单开道岔,车场线等采用5号单开固定型道岔。
2.5 感应板结构及安装
直线电机轨道交通感应板设置在轨道中心线处。一般采用反作用力板和其下部的支撑结构固定在梁体(高架结构)或轨枕或整体道床结构上。电机结构不同,对气隙的要求也不同,一般来说,气隙越大,效率越低。因此感应板的安装精度、方式等将成为直线电机式地铁能否低耗、平稳、安全运行的前提。
感应轨和直线电机间的间隙应保持在10mm左右[23,5],但在列车运行中,由于受到顶面纵向推进力、侧向中心推进力、感应轨护铁垂向磁力以及轨道振动冲击引起的荷载影响等,其间隙在列车运行过程中会有一定的变化。因此,为了保证列车良好的安全性能,对轨道的几何形位要求较高。
反力板一般多为平板式感应板,主要由铝制(或铜制)顶板梁与下部的护铁组成,护铁有块状、薄板等形状(见图5)。加拿大多为可调式感应板安装方式,日本多采用刚性扣板式扣件来扣压感应板(见图6)。
无论是加拿大还是日本,在车场道岔、附带曲线处的感应板均断开,采用较短长度的感应板。此外加拿大肯士顿试验线采用了5号可动心轨道岔,感应板采取了补强的方式,在岔心处感应板采用并列双感应板式结构(见图7)。
2.6 其他
除了道岔部分外,其他全线焊联成无缝线路。为防止区间内的温度力传给道岔结构,避免影响道岔的正常使用,道岔两端采用了钢轨伸缩调节器结构。
此外,加拿大大部分的高架桥结构没有另外加设防脱护轨。
3 轨道结构设计分析研究
在我国,由于直线电机系统尚无成功运营的经验,因此必须针对直线电机轨道交通系统的特点,研究其在轨道结构设计中应关注的特殊问题,探讨其设计方法。我们重点对以下问题进行了初步研究。
(1)直线电机无碴轨道的设计方法。重点分析列车通过时,由于牵引方式的改变、感应板的安装对无碴轨道结构受力与变形的影响;
(2)研究直线电机轨道交通桥上无缝线路轨道结构的设计方法,尤其是在大坡道与小半径曲线上、在制动力或牵引力的共同作用下,轨道结构的加强措施、容许铺设无缝线路的最小曲线半径等。
为此,我们建立了一体化的设计分析模型,见图8。其中,梁的形式、支座位置、无碴轨道的形式等均可根据设计要求进行改变。该模型全面考虑了无缝线路、无碴轨道、桥梁结构的相互耦合作用问题,避免了过去孤立进行力学分析的缺陷[5],并可有效地分析坡道、小半径等问题。因此,此模型的建立,为直线电机轨道交通无碴轨道结构、桥上无缝线路、桥梁的设计等提供了一种更为全面、系统的方法。
此外,针对该轨道交通系统必须对直线电机与感应板的气隙及轨道不平顺进行一定控制的要求,我们还建立了无碴轨道与车辆系统的空间耦合分析模型,并对影响轨道结构设计的主要因素进行了研究[6]。
4 结语
直线电机轨道交通作为一种先进的轨道交通形式,在我国才刚刚起步,轨道结构相关的研究在国内尚存在一定的欠缺。结合中国的实际情况,对轨道结构的设计方法进行深入细致的研究是非常必要的。希望通过进一步的分析研究,为今后该系统在中国的广泛应用奠定理论基础。
参考文献
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【关键词】快速轨道交通;常规公交;协调;规划
【中图分类号】U491.1/U121 【文献标识码】A
1、问题提出
在我国己投入运营的各条地铁线路中,除北京1、2号线外,上海、广州、天津的地铁客流量却差强人意。如地铁锦江乐园站,由于在地铁车站布局时没有充分考虑与其他公交线路的换乘,造成地铁运营后车站周围交通混乱。又如,广州地铁1号线与地面公交之间的步行换乘时间(含候车时间)达11-16分,乘客普遍感到不便。[1]
而西安为了缓解市区交通压力,提高城市公共交通服务水平,以及满足逐渐增长的人口对交通的需求,也逐步开始发展地铁系统,并于2011年开通并运营第一条地铁线路,将西安市南北中轴线上的龙首原、钟楼、小寨等商圈紧密联系起来,目前日均客流量达16万人次左右。但是西安地铁的发展会不会像上海、广州那样与公交线网脱钩、分庭抗礼,再一次重蹈覆辙?
2、现状与分析
2011年9月,西安地铁2号线一期投入运营,线路长20.56km。目前,正在建设1号线一期、2号线二期、3号线一期,线路总长为69.85km,计划分别于2013、2014和2015年建成通车。西安2015-到2040年的地铁中长期规划目标是加密市区轨道交通线路、建设市域轨道交通线路,以使主城区出行以轨道交通为主、大西安都市圈内各中心市镇与主城区都有轨道交通连接。
西安地铁2号线从2011年通车运营以来,至2012年11月,日均客运量达16.13万人次。2011年西安市常规公交日均客运量约475.96万人次,地铁仅占3.49%。在2013年端午节期间,西安地铁二号线运送乘客69.19万人次,日均为23.06万人次。但相比去年端午节三天总客流44.7万人次,日均14.9万人次,今年客流量上升54.77%。
由此看出,从横向比较入手,相比常规公交而言,目前地铁的客运量远远落后,对缓解交通拥堵只起到轻微的作用。但从纵向比较来看,地铁的客运量同比提升了近一半,地铁本身准点、快捷、舒适等特点正在吸引大批客流转向快速轨道交通方式,并且它也将发挥巨大作用,改善交通布局,缓解城市交通拥挤状况。
2009年9月,西安市交通局副局长强院省称,目前公交营运车辆6304辆,营运线路为213条,线路长度达4707.45公里,线网密度达2.4公里/平方公里。公共交通占市民总出行量的分担率为35.31%,日均客运量达到381.91万人次,基本形成由各级不同功能道路所组成的城市道路交通网络,呈“两轴,三环,八线”的骨架形态。西安地铁1、2号线走廊内空调公交车所占比重分别是9.64%和18.92%,普通车无人售票且长安通有效的公交车所占比重分别是34.94%和39.19%。由此可看出在西安地铁1、2号线走廊内服务水平较高的公交车相对较少,这也直接会影响客流向服务水平较高的快速轨道交通大量转移。西安600路、36路等公交线路等与地铁二号线长距离重复,不少人提出缩短甚至撤销这些公交线路。但在2013年7月针对西安600路公交高峰客流量状况做的一项调查中显示,西安600路公交高峰期全程上(下)车人数达202人,车辆停靠站点,乘客上车后达到较拥挤程度(≥一平方米站立8人)的站点约48.72%。由此看出,尽管快速轨道交通能一定程度上缓解城市交通拥堵,但在目前阶段城市轨道交通未形成网络,达到一定规模的情况下,与常规公交的线路协调需要慎重考虑,进一步做出规划。
3、对策与措施
结合居民出行的多样化,根据《西安市城市总体规划2004---2020》可知,其目标是形成以公共交通为主体,快速交通为骨干,其他公交为辅助的多元化、快速、高效、环保的城市公共交通体系。面对多样化的出行,要求具有不同速度和舒适特性的两种重要公共交通方式(轨道交通和常规公交)加强相互之间合作,满足不同的出行需求。
3.1 线网的协调。城市快速轨道交通建设投资巨大、工程复杂、施工期较长,要形成完善的网络系统需要一个相对长期的发展过程。快速轨道交通特殊的结构形式、空间形态和资源占用,决定了其在线网密度和覆盖程度方面都难以与常规公交相比。在这种情况下,快速轨道交通客流的吸引与疏散需要常规公交及其他交通方式的支持。因此与常规公交系统的配合与衔接,对扩大快速轨道交通的吸引范围,增加其客流量具有重要的作用。
3.2 层次的协调。从点的层次来讲,通过城市快速轨道交通换乘枢纽的规划,达到换乘枢纽位置合理,形式合适,规模恰当,乘客能够方便的换乘。在线路层次上,通过快速轨道交通线网规划和常规公交线网调整,以及快速轨道交通站间距的确定,使两种交通方式按照各自的功能定位合理分工、相辅相成,发挥互补作用,最大程度地提高城市公交整体运输效率。从面的层次来讲,城市快速轨道交通线网的规划要在满足自身合理性的前提下,也要尽量考虑为常规公交发展创造有利空间,预防或避免后期矛盾的产生,致力于提高城市公共系统的整体功效。[4]
3.3 主体的协调。城市快速轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、节能、环保的优点,适合担当城市客运交通骨干的重任。常规公交线网要在快速轨道交通线路在建的同时,优化调整其影响区域的常规公交线路,使常规公交能够适应新市场,同时使常规公交避免与快速轨道交通争夺客流的同时,又能为快速轨道交通接运充分的换乘客流。
4、结束语
结合西安目前的发展,应从以下方面着手。首先,结合地铁建设和城市路网的完善,常规公交要实现对西安主要客流集散点的连接,实现区域间及客流大站的快速直达,缩短市民的出行距离和时间。其次,对部分超长常规公交线路进行科学分割划分,实行分段运营;然后,加大微型常规公交,适时开通多条微型常规公交线路,解决市民最后一公里的出行问题。最后,发展智能化常规公交,尽量使乘客出行方便。为乘客提供全面的信息,使乘客迅速方便地达到目的地。
西安快速轨道交通建设相对于国内一线城市起步较晚,管理体制及发展模式都在探索和变革之中。在这种情况下更应按照建设国际化大都市的总体目标,以国内外先进轨道交通企业为标杆,确立“地铁+物业”的多元化发展模式,科学规划和经营地铁,充分做好与常规公交等系统的协调。
【参考文献】
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关键词:轨道交通;接运公交;优化模型;粒子群算法
中图分类号:U213.2 文献标识码:A 文章编号:
引言
目前,长沙市已对城市轨道交通进行了详尽的短期与中长期规划,到2014年长沙市地铁1号线以及地铁2号线均已投入运营。届时长沙市交通状况将能改善和缓解居民出行难、过江难、高峰小时拥堵的状况。但轨道交通系统自身规划超前,而轨道交通与其他交通方式的整体规划相对落后,尤其是与常规公交的配合与衔接的协调规划。因此,在长沙市轨道交通即将运营的情况下,研究接运公交线网的优化可为长沙市轨道交通与公交接驳规划提供决策依据,具有较大的显示意义。
1长沙轨道1号线及附近常规公交线网现状
长沙地铁一号线一期工程位南北走向,主线沿着芙蓉路,在市中心局部路段该走黄兴路,从而实现在长沙最繁华的五一广场与地铁2号线交汇,方便乘客换乘。由于长沙市轨道交通一号线、二号线正处于建设中,相关接运公交线网尚未正式开建,目前处于公共交通主体地位的方式仍是常规公交。线路主要存在以下状况:1)与轨道交通处于同一流向的公交线路比较多,存在较强的竞争;2)与主干道垂直的线路比较少,轨道交通一号线、二号线站点分布均为主干道,用于衔接支路的线路较少。多数公交线路均通过绕行方法驶进较繁华区域。
2接运公交线网优化模型构建
2.1接运公交线网优化原则
(1)宏观层次(区域层次)
①以城市用地规划布局为前提,以轨道线网规划为基础,构建依托于轨道线路的常规公交区域运营体系。在主干线上,公交线路以集约化模式运营,着力优化线路,以短线为主,并适当增加线路与发车频率;在支线区间内,实行多线路、便捷化的集疏式运营模式,提高区域城市公交线网效率;②地面常规公交与轨道交通线路有效衔接,提升轨道交通与接运公交整体运行效率。
(2)中观层次(线网层次)
①由于轨道交通建设成本高、建设周期长,各城市拥有轨道线路网并不完整,则需要地面常规交通的延伸与补充;②地面常规公交线路与走向应根据轨道线路的走向进行调整,线路平行重合部分需抽疏,而在轨道线路服务范围外,地面公交需起辅助作用,服务于乘客,避免无效竞争,充分利用公交资源,又可提高城市公共交通服务能力;③增加“鱼刺”形常规公交线路,即以轨道交通线路为主轴,结合城市用地布局,增加与主轴相垂直的公交线路,发挥接运公交的作用。
(3)微观层次(站点层次)
①合理设置接运公交站点,即实现常规公交线路的终点汇集在轨道交通终点或沿线主要站点,形成地铁-公交的换乘枢纽站。在客流上下较大的地铁站点一般需设置大型公交换乘站,以方便乘客换乘中转;②接运公交线轮尽可能短,与轨道交通衔接紧凑,减少乘客换乘时间;③人流集聚地区,避免轨道交通与常规公交的地面平交,可设置地下不行通道或地下不行广场实现与地铁交通站的衔接。
2.2长沙市轨道交通1号线接运线网优化建模
2.1模型假设
为解决轨道网络与公交线路的接运优化的问题,王炜教授提出了“逐条布设,优化成网”的优化思想(图1所示),该思想有着简便实用,是有效解决优化轨道交通接运公交线网问题的较优思路[2]。
图1 “逐条布设,优化成网”的优化思想
城市轨道交通与接运公交系统优化受到复杂的外部与内部因素的影响,则在建模之前需要对现实情况进行一些简化和假设。因此先只考虑轨道交通右侧的交通影响区接运公交线网规划,之后延伸研究范围,则假设接运公交只沿着方块的边缘作水平或垂直移动,且是沿着由左向右,由上向下单向行驶,也即公交线路在任一节点也只是水平向右或垂直向下延伸。为了表示公交线网的延伸,对公交线路进行离散化计算,作如下参数定义[3]:
(1)
(2)
(3)
图2轨道交通车站影响区域离散化表达
3长沙市轨道交通1号线接运公交线网优化模型求解算法
3.1遗传算法与粒子群算法的比较
1)共性
(1)两种算法均属于启发式算法,均用于研究复杂系统,通过简单的组织将低层次的元素以复杂的结构反映在高层次上,并表现出智能的特征,以此解决复杂的优化问题。
(2)两种算法求解均基于概率运算的随机搜索算法。
(3)两种算法都具有并行性,搜索过程从一个集合出发,即群体搜索,加上并行搜索,则降低算法陷于局部极小的可能性。
(4)两种算法均属于全局最优解求解方法。在解空间中随机生成初始种群,并在全局解空间中进行搜索,且搜索范围集中于性能高的部分。
2)特性
(1)遗传算法需要实现从表现型到基因型的映像即编码工作,每个个体实际上是染色体带有特征的实体。初代种群产生之后,按照适者生存和优胜劣汰的原理,逐代演化产生出越来越好的近似解,以前的知识随着种群的改变而被破坏。粒子群算法直接在问题域上进处理,无需转换。
(2)遗传算法的信息传递是隐形的,由杂交和变异完成;粒子群算法由两个基本方程表现,是显性的。遗传算法通过竞争来获得最终的解,粒子群算法通过合作来获得最终的解。
3.2 粒子群算法过程
基本粒子群算法流程如下:
Step1:初始化:初始粒子产生,设定其位置与速度;
Step2:评价粒子:计算每个粒子的适用值;
Step3:更新最优:粒子当前位置适应值与之前经历的最好位置适应值作比较,更新粒子最优位置;粒子当前位置适应值与群体粒子所经过的最佳位置作比较,更新全局最优位置;
Step4:更新粒子:根据方程(5-1)和(5-2)确定粒子下一步的速度与位置;
Step5:停止条件:若为达到停止条件则返回步骤step2。
根据上述粒子群算法原理、基本思想与算法流程,并参考粒子群算法在车辆路径优化和多目标函数优化等相关领域上的应用,对上章节构建的长沙市轨道交通1号线接运路线优化模型进行求解。具体过程如下[6]:
1)初始化
本文根据整数编码与二进制编码的各自特点,通过将两者相结合形成序号编码方法,并以此方法对粒子群进行初始化。
首先将每条公交线路以个体的身份进行编码,例说,假定一条公交线路,在直角坐标系中,其路径可表示为为:{(1,1),(2,1),(3,2),…,(10,4)};以二进制编码来表示坐标,则该路径可表示为:{0001,0001,0010,0001,0011,0010,…,1010,0011}。然后遵循从左到右,从上到下的顺序,使用序号编码法对交通线路每个站点坐标(x,y)进行编序,从左上角第一个坐标开始,逐个定义与坐标一一对应的序号K(从0开始计)。则存在如下关系:;;。式中:mod与ROUND分别表示求余和取整的运算法则。
而初始群体由一定数量的栅格作为个体组成,为简化粒子群的初始化运算,可截取一段现有的公交线网作为初始群体,再进行以下的优化分析。
2)适应度函数
以构建的长沙市轨道交通1号线接运公交线网优化模型的目标函数为粒子群算法的适应度函数,相应的计算各粒子适应度。
3)速度状态的计算与更新
粒子(公交)每移动一个位置均有一个对应的适应度值,将每个粒子的适应度与自身所经历的最优适应度作比较,选出新的个体最优状态pi;同理,将种群中本次迭代的最优粒子适应度与种群已知最优适应度比较,选出群体最优状态pg。采用“换位减”算子的思想,根据状态更新公式(5-1)、(5-2),计算粒子的下一个状态,并作更新。
4)判断是否满足终止条件,若是,则运算结束,得出结果,否则,返回2)继续迭代运算。
表1 交通小区1-9居民出行OD表
4 结论
从常规公交路线优化建模思想出发,以接运路线效率最大为优化目标,并综合考虑优化范围、接运公交长度、非直线系数、接运线路重复率、换乘系数共五方面的约束条件,并在一定假设的基础上构建接运公交线网优化模型。结合轨道交通接运公交线网优化区域离散化思想,以粒子群算法为基础计算求解最优接运公交线网,最终得到长沙市轨道交通1号线接运公交线网优化方案表,为长沙市轨道交通1号线沿线的公交线网的调整提供建议与理论依据。
参考文献
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关键词:轨道交通 地铁 轻轨 容量
随着我国城市化进程的加快,城市人口和机动车的快速增加已大大超过城市交通基础设施的最大承受能力,交通状况严重恶化。城市交通问题已经严重影响城市功能的发挥和城市的可持续发展。为此,1985年4月19日,国务院在国发[1985]59号文指出:“为解决城市交通拥挤问题,必须综合治理。……从长远来看,在一些大城市要考虑快速轨道交通和地下交通,以缓和地面交爱的紧张状况”①。到1998年,我国已有京、津、沪、穗四大城市拥有地铁,总通车里程约75km。1998年,广州市地铁2号线、深圳市地铁1号线和上海市地铁3号线相继获国家批准立项动工后,今年将有15个城市获国家立项。据最新统计,目前在建和计划建设的地铁共21条线,长350km,总投资预计达1400多亿元。另外,鉴于轨道交通成本巨大的特点,国家要求在今后建设地铁时,设备国产化率必须在70%以上②。
由于我国轨道交通建设处于起步阶段,有必要澄清轨道交通的概念、性质和特点,学习国外和境外的先进经验,加以总结,避免重大决策失误,更好地为我国今后大规模的轨道交通建设服务。
1、城市轨道交通的概念
现在国内在轨道交通概念方面存在诸多的混淆,比如认为地铁必定是在地下行驶的交通工具,却不知国外地铁有的部分在地面、甚至在高架行走,例如,新加坡有2条地铁线,48个站(15个地下、32个高架和1个地面站),83km(其中地下19km、高架60.2km和地面3.8km)③。而我国现在地铁几乎是全地下结构,导致成本居高不下,如广州市地铁1号线,建设成本高达8~9亿元/km!轨道交通特征和概念的模糊不清可能会影响我国新的交通设施的规划、建设和营运,不仅造成重大经济损失,而且影响城市的健康发展。
快速轨道(Rapid Rail Transit or Rail Rapid Transit)是城市地下铁道(地铁)、轻型轨道交通(轻轨)、单轨(独轨)交通、有轨电车、新交通(new transport system, NTS)、高速磁浮列车和市郊(郊区)列车(通勤列车)等城市轨道交通的统称④。其共同特点是:运量大、速度快、安全可靠、准点舒适,可以在地面、高架和地下、半地下(open cuttings)的轮轨上行驶。轮轨系统一般有钢轮一钢轨系统和胶轮一混凝土轨系统两大类,世界上轨道交通主要以钢轮一钢系统为主,我国也不例外。轨道交通通常以电力驱动(直流电、交流电或线性电机传动,电压有600V,750V或1500V),一架空线网受电或第三轨(侧轨)受电,自动或人工操作控制。城市轨道交通的站距一般在市区1km左右,在郊区2km左右。但是,城市或区域之间的高速铁路站距较大,否则达不到200km/h以上的运行速度。
地铁(subway, metro, the underground),是地下铁道的简称,别名有地下铁(mass transit railway, MTR)、重轨(heavy rail)、快速轨道(rapid rail)、大都市铁路(metropolitan railways)。地铁可以在地面、高架和地下运行,有人把行驶在高架轨道上的地铁称为(高架地铁)。地铁是大容量的客运工具,高峰单向容量为3~7万人次/h,量大运行速度达120km/h,平均营运速度为30~45 km /h,这与站距有关。地铁需要道路完全隔离和封闭,从而确保了快速和准时,但线路一旦建成,更改非常困难,只能考虑延长线。地铁由于建设成本非常高昂,一般由市政当局或公共公司所拥有。地铁的信号和控制系统很复杂,用以满足地铁的快速和发车时间间隔。车站一般比较宽敞,高站台、有电动扶梯,有利于乘客上下地面。地铁一般位于城市核心区或城市内环路之内。
轻轨(LRT)是轻型轨道交通(light rail transit)的简称,是由原来的有轨电车(streetcar、trams or tramway)演变而来的。1978年3月在布鲁塞尔召开和第一届国际轻轨交通会议上统一了轻轨的称谓,英文简写LRT,认为轻轨交通的荷载比地铁和常规列车轻⑤。根据轻轨定义,独轨(单轨)交通、新交通系统(New Transport System)、轻轨地铁(Light Metro)、轻型快速交通(Light Rapid Transit)、高架线性系统等都属于轻轨范畴。轻轨线路有地面、高架和地下线,地下线比较少见。轻轨建设成本为地铁的1/3~1/5[7]。轻轨一般位于城市内环路之外。
市郊(通勤)铁路(commuter rail)担负着大城市市区与郊区卫星城镇或社区之间的客运联系,一般与地铁站或轻轨站有方便的换乘关系。通勤铁路以架空线网供电,站距长、速度快。它属于重轨交通,与货运列车的兼容性强。
高速铁路指导运行于大城市或区域之间,甚至国家之间的高速轨道交通,如欧洲之星(TGV)、日本的新时速、中国的广深准高速列车,营运速度在200以上,最大速度达350km/h。新研制的磁浮高速列车,时速将达500km/h。一般把高速铁路归为区域或国家铁路系统,所以狭义上说不是城市轨道交通的研究范围。
2、城市轨道交通的基本特征
目前,世界上拥有城市轨道交通的城市有320多个,其中有地铁的占5%,有地铁和轻轨的占11%,有轻轨和有轨电车的占84%,全世界轨道交通的营运线路长达5200km。发展中国家发展很快,目前有730多km的营运线路,占全世界的14%④⑦。轨道交通在世界上的分布情况,见图1⑧。
轨道交通与其他交通模式的特征比较见表1和表2。
综上所述,小汽车机动性强,从门到门,但是道路面积大,综合运能不大,能耗大,污染严重;公共汽车机动性好,基础工程简单,成本低,能耗虽然不大,但是综合运行速度慢,影响运能,污染大;有轨电车工程造价低,能耗低,成本低,无空气污染,运行速度慢,运能提不高;轻轨运量和运行速度均较大,安全、准点、能耗低、无污染,造价比地铁低,但是占用地面空间;地铁运量大,运行速度大,安全、准点、能耗低、无污染,不占用地面空间,工程造价高,但是综合效益好。
3、因素分析
3.1线路类型
线路类型影响轨道交通的营运速度和容量、服务质量和投资成本。根据线路的隔离和封闭程度,可以分为三种类型:
A型线路:全封闭、无平面交叉、具有专用的路权(exclusive rights-of-way),如地铁线路,营运速度30~45km/h;
B 型线路:大部分线路处于封闭和隔离状态,有部分平面交叉口。在交叉口,轨道交通优先通过,以确保快速的营运速度,具有大部分的路权(substantial rights-of-way),如轻轨线路,营运速度25~35km/h;
C型线路:只要小部分线路处于封闭或隔离,与其他交通混行,有大量的平面交叉口,如有轨电车和常规公交车线路,营运速度14~18km/h。
三种类型线路与服务质量和投资成本关系见图2。
服务质量
从图2可知,A型线路比B、C型线路具有更高的投资成本和服务质量,但是它占地更多,线路更改更加困难,弹性小。
线路类型在轨道交通中的应用见表4。
3.2 线路结构形式
线路结构形式有地面或半地面分级、高架轨道和地下轨道三种形式。线路在垂向的结构形式对轨道交通的建设成本影响最大。世界轨道交通建设经验表明,一般情况下,地面结构与高架、地下结构的投资成本的比例,大致在1:2:6的关系。如果建设一条15km长的轨道交通,在地名分级系统约3.3亿美元,高架6.6亿美元,而地下结构则高达20亿美元。特别是地下结构,成本与当地的地质水文条件、施工方法、车站规模等关系很大,但是与轨道交通技术水平影响不大。轨道交通结构形式与建设成本(含设备)的关系如表5。
为了更清楚地说明线路结构对建设成本的影响,表6列出了世界一些大城市的轨道交通成本情况。
3.3系统技术类型
轨道交通之间的技术差别主要是列车的控制方式。根据轨道交通的控制方式,大致可以很分为三种技术类型:①司机控制的交通系统;②自动控制的钢轮一钢轨系统;③人工/自动联合控制的交通系统,如有轨电车、胶轮系统等。
自动控制系统与司机控制的系统相比,具有如下优点:
·可在地面、地下和高架行驶,车道窄、占地少;
·噪声低、无空气污染、卫生清洁;
·性能优、安全可靠、车辆耐用、易维修;
·因多节车辆编组,容量大、劳动生产率高、能耗低、单位营运成本低;
表6 案例城市轨道交通建设成本(12)(1983)
其主要缺点如下:
·与其他交通兼容性差,在地面行驶问题更多;
·只能在轨道上行驶,线路在低密度区不经济;
·改线或更改调度灵活性差、车辆更新困难(因车辆寿命长)
·投资成本高
胶轮系统指橡胶轮胎(充氮气)在钢筋混凝土轨道上运行,并附有钢轮一钢轨作用,以防万一胎破裂,目前已经在巴黎、蒙特利尔、阿德莱得、墨西哥和日本的Sapporo用。胶轮系统与钢轮一钢轨系统比较有明显的特点:噪声小、爬城能力大(最大7%,而其他5.5%)、能大、控制系统复杂、造价高,只能在全封闭的轨道上行驶。
3.4营运服务类型
在分析和选择轨道交通模式时,发车频率(间隔)和列车容量是必须考虑的重要因素。发车频率和容量影响轨道交通系统以及乘客的成本费用。如果发车间隔长,营运成本就低,但是增加了乘客的等待时间成本。从理论上来说,全自动控制系统确保了列车的高容量。客运量与发车成正比,因为发车频率(一般30~120次/h)提高可以增加轨道交通的吸引力。但是,发车频率与车站设施、列车速度、安全程度等有关。单位营运成本与客运量的关系曲线,见图3。当列车频率一定(如30次/h)时,列车容量增加,客运量也增加。随着客运量的增加,总营运成本(包括轨道交通系统成本和乘客时间成本)下降,但是当列车容量一定的情况下,存在一个最佳客运量,此时,总成本最小。
4、结语
我国对轨道交通的特征描述过于笼统,缺乏详尽的对比分析。在轨道交通的概念和内涵方面,也比较模糊、不确切。由于特征和适用性了解不透,特别可行性研究不深,导致有些城市轨道交通规划随意性大,一会儿上地铁、一会儿上轻轨,线网规模大大超过预期的发展水平,为了获得立项,客运量也常常过高估计。在社会主义市场经济条件下,市政府是轨道交通巨额投资的主体,如果决策失误,市政府将永远背上沉重的财政包袱。世界经验表明,只有满足经济实力(包括经济潜力)和人口密集两个重要条件,才能上轨道交通,如北京、上海、天津三座直辖市,副省级市广州、深圳已经满足条件;而新直辖市重庆位于内陆,尽管人口密集,但是经济实力弱,地铁中途停工就是最好的说明。每个城市应该根据当地的实际情况,苦练内功,加强轨道交能特征比较研究,选择正确的交通模式和线路结构,才能促进城市交通健康发展。
参考文献
①彭长生,南京城市交通发展与快速轨道交通规划,城市国道交通学术研讨会论文集。北京:中国铁道出版社,1997,P71~75
②南方日报,1996—06—07
③http://WWW.Subway.net
④施仲衡主编,地下铁道设计与施工,西安:陕西科学技术出版社,1997
⑤良,轻轨技术讲座概要,中国市政工程1997[4],51~56
⑥Schumann, J.W., What is New in North American Light Rail Transit Projects? TRB (Transportation Research Board, USA) Special Report 221,1989.
⑦包宗华,中国城市化道路与城市建设,北京:中国城市出版社,1995
⑧Pushkarev, B. S., Urban Rail in America, Indiana University Press,1982
⑨谭复兴、翁梦雄,上海市区高架轨道交通系统模型及车辆选型的研究。城市轨道交通学术研讨会论文集,北京:中国铁道出版社,1997,P100~105
⑩Vuchic, V. R., Place of Light Rail Transit in the Family of Transit Mode. TRB Report 161,1975,P62-75
(11)In Stare, S and Liu Zhi (ed.) Allport, R., Investment in Mass Rapid Transit. China’s Urban Transport Development Strategy, The World Bank,1997
城市轨道交通系统投资大、建设周期长,对社会影响深远。科学、合理地制定线网规划是确保城市轨道交通的社会效益和经济效益,至关重要的一步。我国从20世纪50年代开始就比较注重轨道交通线网规划工作,但是,不可否认的是,我国的线网规划仍存在不足,具体反映在以下几个方面:
(1)与城市总体规划的联系不够紧密,忽视可实施性研究。
城市轨道交通线网规划是城市总体规划中的一项专项规划,因此城市轨道交通线网规划应当与城市总体规划紧密联系。
(2)对城市轨道交通客流预测的不确定性考虑不够,线网规模失控。
首先,我国城市轨道交通项目审批的条件之一是该城市具有较高的客流量,部分城市在轨道交通项目建设上存在一定的盲目现象,导致了线网规划的客流预测结果偏大。其次,由于我国的城市轨道交通起步较晚,在其客流的预测上使用的是公共交通客流预测的方法,缺乏适合轨道交通本身客流特点的方法,导致客流预测不确定性。另外,在城市交通模型中难以建立土地发展和交通预测的动态联系,虽然土地发展与交通预测均已构建了各自领域的模型,不过目前还无法实现模型的兼容,所以只能通过定性分析去研究二者的关系。由于对客流预测的不确定性考虑不够,导致出现交通需求与交通供给之间的不平衡,线网规模失控。
(3)线网规划缺乏层次性,难以体现发展重点。
部分城市对轨道交通线网规划重视不够,研究范围仅仅局限于建成区早,往往只是“建设一种交通方式,研究一种交通方式”,忽略了城市轨道交通多元化的发展趋势,不能从系统的角度协调处理轨道交通与其他交通方式的关系。
(4)车站功能定位模糊,对交通枢纽的认识较浅。
车站最基本的功能是最便捷地集散客流,再根据不同车站的辅助功能和扩展功能的区别便形成了形式各样的车站。城市轨道交通车站根据其服务功能、服务半径等可分为对外交通枢纽、交通换乘枢纽和一般车站等。交通枢纽根据其周边土地利用性质和土地开发强度又可以分为城市节点型交通枢纽和一般交通枢纽。目前,国内部分城市的轨道交通线网规划对城市交通枢纽的认识较浅,忽视了城市节点型交通枢纽和一般交通枢纽之间的差异性。
2城市轨道交通线网规划的意义
轨道交通建设投资巨大,在我国,一个城市用于轨道交通建设投资,约占城市GDP的0.72%左右。城市轨道交通项目的改建工程存在非常大的难度,而线网规划能够提供轨道交通工程建设的立项依据,因此,一个合理的轨道交通规划就有着战略性的意义。其意义表现在。
(1)合理的线网规划将有利于城市空间结构的发展,可以控制城市建设用地规划,支持总体规划的实施和发展,引导城市的可持续发展。
(2)城市轨道交通作为城市城市公共交通系统的骨干,特别是在解决城市交通拥堵的问题上。合理的轨道交通线网规划对于推进我国城市化进程、优化城市发展布局,扩大内需和推动经济的发展具有重大意义。
(3)线网规划为城市各项基础设施的建设创造有利条件。城市轨道交通作为城市最大规模的基础设施。有了线网规划,轨道交通建设与城市建设就可以相互协调、配合,协调发展。
(4)城市轨道交通线网规划能够完善城市交通与对外交通的有机衔接,扩大城市的辐射能力及吸引范围,提升城市的区位优势,促进城市总体规划的实施和城市环境的改善,有较好的社会效益。
总之,线网规划是城市轨道交通规划中不可缺少的重要组成部分,并且对城市总体规划具有重要影响。
3城市轨道交通网络规划方案的选取
城市轨道交通网络建设是一项系统工程,可以利用系统论的方法对城市轨道交通网络规划方案的可行性进行分析,选择出最优或者最满意的实施方案。具体地,可以按照以下步骤确定城市轨道交通线网规划方案。
(1)明确城市轨道交通建设的具体目标。
在认真分析城市社会经济系统和城市总体规划的基础上,明确(或者是细化)城市轨道交通建设的具体目标。
(2)对城市交通运输需求量进行科学合理的分析和预测。
在社会经济系统规划与预测的基础上,结合运输需求影响因素,科学地分析和预测城市现状及未来的客流量和主客流方向,真正实现轨道交通的骨干作用,提高其社会效益和经济效益。
(3)研究城市轨道交通的发展条件。
线网规划时应充分考虑城市的人文景观、地理结构、用地规模、人口规模和城市的经济水平等因素的影响。而且,轨道交通线网要与城市常规公共交通网衔接配合好,充分发挥二者的优势。常规公共交通能够提供门到门的服务。
(4)提出城市轨道交通线网规划方案。
拟定出两个以上的比选方案,以便进一步分析比较,得出最优实施方案。确定线路起走向、线网换乘结点、交通枢纽衔接点;落实车场和联络线的位置以及规划用地落实;明确各条线路的建设顺序和分期建设规划明确。其中,每个可行方案要解决两个重要的问题:一是城市轨道交通网络规模;二是城市轨道交通网络结构。
(5)对各个城市轨道交通建设可行方案进行评价。
根据城市的具体情况和城市轨道交通建设的具体目标,确定方案评价的指标体系,选择合适的评价方法,建立评价模型,分析计算出评价值。进而进行综合评价,为最后最优方案或最满意方案提供决策依据。其中,最常运用的评价方法是层次分析法。
(6)确定实施方案。
根据以上各个部分的分析和评价,选出最优或者最满意的方案作为实施方案,提供给决策者。
4结语
城市轨道交通线网规划涉及的专业面广,技术含量高,综合性强。城市轨道交通的规划与建设在城市发展和规划中均占有重要地位,城市发展要依靠轨道交通的实施,轨道交通系统已经成为大城市建设发展的立足点,因此进行合理科学的城市交通线网规划显得尤为重要。本文利用系统论的方法,简要分析了城市交通线网规划方案的选取步骤,能够使得城市轨道交通线网充分发挥其重要作用。
参考文献
[1] 毛保华,姜帆,刘迁.城市轨道交通[M].北京:科学出版社,2001,4.
20世纪60年代中期北京开始建设地铁,到2000年全国城市轨道交通运营里程已达到137km.目前,全国约有20座城市编制了城市轨道交通建设发展规划,其中北京规划的轨道交通线路15条(含2条支线),共693km;上海市规划的轨道交通线路17条,共780多km;天津市规划的地铁线路9条,共234.7km;广州市规划的轨道交通线路8条,共205.5km;南京市规划的轨道交通线路7条,共263.1km.全国15个大城市的线网规划总里程已达2200km左右。随着我国经济实力的快速增长和城市化进程的加快,北京、上海等特大城市迫切需要修建城市轨道交通以缓解城市的交通压力,而城市轨道交通线又以其具有“能力大、快捷、安全和环保”等优点,呈现出广阔的发展前景。
1.2城市轨道交通发展中存在的主要问题从国内外的实际情况看,城市轨道交通对解决城市公共交通、城际间交通问题具有不可替代的作用,且社会效益巨大。但从2002年起,工程造价过高的问题越来越引起政府决策部门和有关咨询单位的高度重视,已经成为制约我国城市轨道交通发展的重要问题之一。
回顾20世纪90年代,我国在广州、上海和北京建成的3条地铁线,综合平均造价5~7亿元/km,与国外相比,我国建材和劳动力价格均低于较发达国家和地区,但是我国的轨道交通工程造价却远比其他国家和地区高出很多。
由于我国城市轨道交通造价过高,形成了多数城市需要城市轨道交通,想建城市轨道交通,但又在经济上负担不起的局面。我国有百万以上人口的城市34座,其中超过200万人口的大城市有11座,规划修建2200km轨道交通线,若按照单位公里实际造价5.5亿元人民币估算,需要建设资金12100亿元,这对我国目前仍处于财政收入总量有限、投资主体相对单一及各方面建设资金缺口很大的状况来说,是无法承受和长期支持的,可以说,巨额的建设资金投入,已成为城市轨道交通事业发展的一个主要障碍。
2、城市轨道交通造价构成分析
2.1城市轨道交通造价构成分析根据对国内外轨道交通的综合分析,其工程造价的一般构成为,土建工程造价占50%~55%;技术设备的建设、购置及安装费用约占50%(其中轨道占2%~7%、机车车辆占13%~17%、车辆段停车场占5%~6%、牵引供电占7%~10%、通信信号占10%~12%、其他占1%~4%)技术设备中车辆、牵引供电和通信信号等的购置费用占工程总造价的30%~35%,借款利息占工程总投资的4%~8%.由此可见,降低土建工程费和提高技术设备国产化水平,是降低轨道交通造价的主要手段,即通过建设工程合理规模的确定、结构形式的选择、设计优化,以及施工方法的优化等措施,通过积极推进一般设备国产化,才能真正降低轨道交通工程造价。
2.2城市轨道交通造价过高的原因根据对北京和上海已建成的城市轨道交通造价进行综合分析,可知其造价过高的主要原因是猜测客流量偏高、列车编组偏长、机电设备尚未标准化和系列化、技术装备的国产率不高、车站预留空间过大及车站间距较短等,这些都直接导致了城市轨道交通造价过高。其中仅行车密度1项,假如通过提高信号控制系统的水平,将行车间隔由2.0min缩短至1.5min,即行车密度由目前的30对/h增加到40对/h,实行小编组高密度,则列车编组长度可以相应缩短,车站站台长度也可缩短,而每减少1km长度的站台却可以降低工程造价2.5~3.0亿元。
3、降低城市轨道交通工程造价的措施
3.1搞好城市轨道交通线网规划,注重资源共享城轨交通项目是具有一次性投资大,运行费用高,社会效益好而自身经济效益差的特点。因此,发展城轨交通要坚持“量力而行、规范治理、稳步发展”的方针,防止盲目发展或过分超前。为此,从设计的角度,努力做好各项基础性的工作具有非常重要的意义。
(1)做好城市轨道交通线网规划城市轨道交通线均位于各大城市的人口稠密和商业发达地区,其建设不可避免地要引起既有建筑物的拆迁或采取加固措施。这就给轨道交通线的建设带来很大困难,比如北京地铁复八线的拆迁费用接近1.0亿元/km,占工程总造价的16%,明显偏高。为了使城市轨道交通的建设与城市发展相融合,与所在城市财力状况的变化相适应,形成城市发展与轨道交通建设的良性互动,减少拆迁,避免重复建设等无效投入,必须结合城市发展规划,对城市轨道交通线网做好近、远期规划。结合轨道交通线网规划,对线路走向、车站、出入口、风亭以及车辆段的位置进行初步安排,并进行规划控制,避免在线网总体布局规划尚未充分论证,甚至在还没有编制线网布局规划的情况下,就匆忙开始新线建设,造成大拆大改,或新建建筑对城轨交通线路的侵占。
避免在线网总体布局规划尚未充分论证,甚至在还没有编制线网布局规划的情况下,就匆忙开始新线建设,造成大拆大改,或新建建筑对城轨交通线路的侵占。
(2)统筹车辆段(停车场)布置,控制中心与主变电所等注重资源共享每条城市轨道交通线,根据运营功能要求,需要设置1个车辆段和停车场,其投资一般约占该条线总投资的6%,虽然所占比例不高,但对整个城市来讲,假如每条城市轨道交通线都设置1个车辆段和停车场,资源不能得到充分利用,就明显造成浪费。因此,以整个轨道交通网为基础,通过设置建设标准与能力相当的联络线,做到多条线协调共享车辆段和停车场资源,统一配备车辆运营检测设施,减少车辆段规模,以达到资源共享、节省综合投资的效果。
3.2采用适宜的建设标准,严格控制建设规模(1)做好客流猜测,控制建设规模客流猜测是城市轨道交通设计的基础,直接影响技术标准、工程规模和工程造价的确定。目前地铁设计中通常采用四阶段法进行猜测,虽然理论上较为成熟,但对于某个具体项目的猜测结果还应结合整个轨道交通网络的建设情况进行合理修正。按照目前的设计规范,项目的建设规模受高峰断面客流影响较大,而随着城市轨道交通网络的形成,换乘点的增多,每条轨道交通线的实际高峰断面流量值要低于猜测值。因此在设计中应结合线网的实施计划,对远期的高峰断面流量猜测值进行调整,使猜测的客流量基本接近实际流量,尽量使车站规模、型式、间距和车辆编组符合实际客流增长的需要,并尽量接近实际客流量,以减少建设规模,降低工程造价。
(2)量力而行,选择适宜的线路敷设方式城市轨道交通线按高峰小时断面流量可分为有轨电车(小于1万人次)、轻轨(1~3万人次)、地铁(3~6万人次)按照线路敷设方式的不同,可分为地下线、地面线和高架线,线路敷设方式不同,其造价差别很大。根据统计,高架线一般是地下线造价的1/4~1/3,地面线是高架线造价的1/3~1/2.因此,在规划设计轨道交通线时,一定要根据经济实力和猜测的断面客流量大小,适当考虑城市景观的协调性量力而行,选择适宜的线路敷设方式,以做到性能造价比最优。
(3)功能为主,严格控制车站规模由于地铁车站断面比线路区间断面大很多,每延米地铁车站工程量是区间地铁工程量的10倍左右。不言而喻,地铁车站的造价也比线路区间的造价大很多,因此,控制地铁车站的规模是降低地铁工程造价的要害之一。车站的功能主要是集散旅客,而不是旅客停留的空间,应具有简洁、旅客进出方便快捷的特点。建设单位应首先考虑集散功能的需要,而不该给车站赋予太多的商业和社会服务功能,反而影响了车站主体功能的实现,影响投资效率和旅客出行的舒适度。在国外,如巴黎、柏林、法兰克福、维也纳、新加坡等国家的地铁车站均十分简单、方便和实用,但并没有影响公众对城轨交通形象的评价与认同,更没有因此而影响上述城市的世界级旅游名城的地位,相比之下,我国的地铁车站却规模过大、装修过于豪华。新晨
3.3提高城市轨道交通技术装备的国产化率(1)提高技术装备的国产化率前些年,我国地铁技术设备主要依靠进口,且价格昂贵。实践证实,过分追求国际先进水平,大量采用国外的技术设备,不仅提高了工程造价,而且还增加了建成后的运营成本。据统计,目前地铁车辆进口价格为120~180万美元/辆,而长客厂提供给北京复八线的车辆为68万美元/辆(国产化率达到54%),北京现使用的国产地铁车辆仅相当于40万美元/辆。由此可见,国内生产的车辆的价格仅为国外车辆价格的1/2~1/4,不仅价格低,而且北京的国产地铁车辆已安全运营30a,充分说明了国产车辆的可靠性。通信、信号系统和牵引供电设备,也可通过国内厂家与国外进行技术合作加以解决。因此,只要我们认真贯彻城市轨道交通项目国产化率确保不低于70%的要求,就可大大降低工程造价。
(2)技术装备的现代化可逐步实现根据我国国情,对于轨道交通技术装备的现代化不必要求一步到位,运营初期,客流量有一个增长的过程,假如技术装备一步到位,不但增加了投资,而且会出现运营初期功能过剩、设备维修工作量增大的不足。如有些城市要求列车追踪间隔缩短到1~1.5min,这必然要大幅度增加信号设备和车辆的投资,而实际上可能15~20a后运量才能达到如此繁忙程度,显然造成不必要的浪费。有些城市要求地铁设置环控门(屏蔽门),而设置环控门对列车控制和车辆技术提出了很高的要求,相应地提高了造价,性能价格比不高。目前,即使在经济发达的国家,设有环控门的地铁也不普遍,对此可以缓建或不建。
关键字:城市轨道;交通节能;现状;对策
中图分类号: TE08 文献标识码: A
引言
城市轨道交通行业是当前国内正逐渐发展壮大的新兴行业,是城市大运量公共交通的主要方式。有关研究资料表明,同等运量条件下城市轨道交通比汽车等能耗低3~4倍,因此城市轨道交通是一种节能型的公共交通方式。
尽管如此,由于城市轨道交通系统组成复杂、设备数量众多,其在运营过程中还是需要消耗大量能源,如果在规划、设计、建设以及运营等各环节做好节能研究、策划和管理工作,一定程度上还是可以节约能源的。
1 城市轨道交通能耗的主要特点
1.1 电力是主要能源
(1)能耗峰谷明显
轨道交通作为公共交通一年四季都在运营,一般每天运营的时间大概从凌晨5点左右至深夜11点多,在运营期间电力消耗要占90%以上,运营结束后有一些设备维修、调试工作以及部分设备静态运行,也会有一定电力消耗。
此外,随着全球气候变暖,上海等一些南方城市夏季高温时间越来越长,轨道交通空调工况运营的时间一般要5~6个月左右,这段时间内的电力消耗很大。
根据历史数据统计,在运营条件比较成熟的轨道交通线路上通常情况下用于列车牵引的电力消耗比重超过50%,其它各类动力照明等电力消耗不到总量的一半。
(2)各种线路能耗可比性不足
由于轨道交通线路和车站有地下、高架、地面、沟堑等多种多样形式,一条线可能也是多种形式相结合的,在线路上运行的列车、在站场配备的各设备系统等也是各有差异,客运量大小也各不相同,即使在同一个城市里也几乎不可能建成各种条件基本相同的2条线路。因此,对不同线路之间的能源消耗和节能效果进行比评有一定难度。
2 城市轨道交通节能的主要工作思路
针对电力消耗是轨道交通主要能耗的特点,节约电力消耗主要可考虑三个方面的工作:一是减少非必要的机电设备数量或控制设备运行的时间,如控制变压器容量、减少非运行时段照明数量等;二是提高设备的效率或改变运行方式来降低电力消耗,如环控设备和电梯等采用变频器、节能坡和节能运行图等;三是应用新能源替代电能,如太阳能光源、地热能空调和风能发电等。这些工作需要从设计、工程建设以及运营管理等各个环节齐抓共管才能取得一定成效。
2.1 城市轨道交通节能理念及设计
虽然城市轨道交通在世界上已经有100多年的历史,但是现代化的城市轨道交通在国内真正大规模发展也只是近10多年来逐渐开始的。这个领域内节能的有关标准、技术要求等方面还很少涉及,而且国外在这方面也还没有系统化,目前也很难借鉴。因此,在设计阶段提出合理的节能理念对于提高节能效果有重要意义。
此外,对于线路各项节能设计要作专题审查,对综合节能效果要有量化评估,在设计阶段就要明确一条线路的能耗水平。
(1)节能设备的应用及前提条件
现在节能设备种类繁多,日常应用也比较广泛,通常主要是电子整流设备,如节能灯、LED光源、变频器等,还有一些是新能源设备,如太阳能设备、风能设备等等。但是城市轨道交通对安全性要求很高,在应用节能设备需要考虑对其它系统的影响,尤其是一些电子整流设备的应用对于供电系统谐波污染比较严重,部分设备还存在电磁干扰,对于依赖自动控制的城市轨道交通有较大的安全影响。
(2)合同能源管理模式的应用
虽然城市轨道交通行业是公共服务产品,但是随着市场化运作逐渐推广,对于公共服务产品控制成本也显得更加重要。由于种种原因,现在节能应用时经济效益并不突出,有的还出现节能不节钱的情况,为此在做好节能同时如何节省成本是当前节能工作需要重视的问题。合同能源管理是一种基于市场化运作的新的节能机制,由专业化的能源管理公司通过与客户签订能源服务合同来为客户实施节能项目,为客户提供能源系统诊断和节能项目可行性分析,帮助项目融资,进行项目设计、原材料和设备采购、安装调试、工程验收、节能量监测、系统的运行维护以及项目管理和操作人员培训等一条龙服务。
(3)加强日常管理提高节能效果
① 建立有效制度
节能工作并不是一时的事情,必须制度化长期进行。管理单位可从能源和设备使用、节能绩效评估和考核、新技术研究等方面建立有效制度,并且在日常管理工作中加以落实。
组建管理机构
为了促进节能的日常管理,可由管理单位主要领导亲自挂帅组建一个专门的管理机构来开展工作是比较有成效的方法。这个机构主要可以负责制定节能策略和工作目标、编制规划和工作计划、节能数据统计和分析、节能绩效考核等有关方面的工作。
② 加强宣传教育
对于节能的意义、政策以及工作制度和措施等要大力宣传,由于行业的特殊性,不仅要行业的从业人员都学习和执行有关节能政策、制度,而且要对广大乘客宣传,共同理解和促进节能工作。
3 城市轨道交通能耗指标和计量分析
3.1 能耗指标的分类及考核指标选择
城市轨道交通的能耗指标可以从不同的角度分析,大体有以下几种。
(1)与客运周转量挂钩
千瓦时/人公里,即以单线(或网络)年度总耗电量与客运周转量的比值。类似可以引申分类能耗指标,如牵引能耗指标,即以单线(或网络)年度牵引系统耗电量与客运周转量的比值。
(2)与客流量挂钩
千瓦时/人次,即以单线(或网络)年度总耗电量与客流量的比值。
(3)与运能挂钩
千瓦时/车公里,即以单线(或网络)年度总耗电量与列车总行驶里程(或运营里程)的比值。
(4)与票务收入挂钩
千瓦时/元,即以单线(或网络)年度总耗电量与票务收入的比值。
由于城市轨道交通有多个专业系统组成,能耗指标还可以按系统进行分类。这些能耗指标分别体现了与城市轨道交通相关各个方面与能耗的关系,通过分类统计和计算都可以掌握能耗的实际情况和变化趋势。
3.2 节能评价体系
其实一条线路实际的能耗水平以及节能的潜力在线路设计时已基本确定,在线路投入运营后基本只能通过加强管理保持或略微降低线路的能耗水平。因此,如果能在设计阶段就对线路的能耗水平有比较客观的评价,就有助于线路运营后制定正确的节能目标和考核节能工作成效。
3.3 合理设置计量系统
不管采用什么能耗指标,要正确反映线路或网络的能耗状况必须建立在能耗准确计量的基础上。目前上海地区的各条轨道交通线路对电力系统都设置了总计量装置,但这些计量装置一般都设在主变电所,牵引变电所和降压变电所计量装置还不尽完善。这些计量数据的采集主要依靠人工方法,实时性和准确性都不够理想,往往造成原始统计数据出错,影响能耗分析结果;还有对车站各专业系统的分类计量设置还不够细致,这样对于线路能耗变化的具体原因分析比较困难,也就难以对症下药采取正确的节能措施。
参考文献:
[1] 蔡涵哲.城市轨道交通运输组织节能因素及方案研究[J]. 现代城市轨道交通. 2013(06)
[2] 屈万英,夏小唐.苏州市轨道交通节能分析与设计[J]. 福建建筑. 2013(02)
一、郑州市轨道交通建设概况
近几年,我国的城市轨道交通进入了空前发展的时期,已建成通车的有北京、上海、广州、深圳、武汉、南京等城市,此外,全国还有30多个城市开展了城市轨道交通的前期工作,其中包括郑州市。郑州市城市快速轨道交通建设规划(2008—2015年)于2009年获得国家正式批复同意,确定了近期(2008—2015年)建设轨道交通1号线一期工程和2号线一期工程,总长44.47公里,共设置车站35座,总投资约252亿元。其中1号线一期工程全长26.20公里,设站20座,全部为地下线,总投资约152亿元,于2009年6月6日全面开工建设,计划2013年建成通车,1号线为东西向直径线,贯穿城市东西发展主轴,覆盖城市东西主轴客流走廊,经过二七商业中心、省市行政中心、火车站、新郑州站、郑东新区核心区,连接老城区与郑东新区、高新技术产业开发区;2号线一期工程全长18.27公里,设站15座,全部为地下线,总投资约104亿元,于2010年12月28日正式开工建设,计划2015年建成通车,2号线为南北向直径线,贯穿城市南北发展主轴,覆盖城市北向放射客流走廊,连接多处市级商业中心。
二、郑州市轨道交通环境影响评价面临的问题
1.轨道交通建设的占地问题。轨道交通建设需要城市地下、地面或地上空间来设置线路的区间、车站及车站出入口、风亭、停车场、车辆段以及车辆综合基地。随着郑州城区建筑和人口规模的不断扩大,城区已无法容纳轨道交通的停车场、车辆段及综合基地等附属物,只能选择郊区,这将大量占用绿地或农田。如果措施不利或不当,线网密度较大,线路走向、站场选址、敷设5.建养并举,重在服务。科技平台大部分是带有公共服务特征的公益性平台,平台要想长期健康运行,需要政府有长效的养护机制,才能充分发挥平台资源的效用。而建设平台、养护平台最终的目的,都是为了让平台更好地进行服务,因此,服务才是平台的根本职责所在,是支撑自主创新的灵魂所在。只有服务取得切实成效,平台才能最终进入良性发展轨道。3地都把平台服务作为平台建设的最终目的。
三、合肥、南京、上海3地经验对郑州科技公共平台建设的启示
郑州科技公共平台建设运行至今,作为整体的平台体系,它是完善的、卓有成效的,但由于各平台服务对象不一,管理单位不同,信息和资源来源有别,共享推进工作难度有殊,在近些年的运行服务中,也出现了各平台建设服务进度成效差别较大的现象。中原经济区战略的实施,势必带来中部新一轮的资源重组与产业优化升级,中原城市群资源共享与优势互补趋势将更加明显。因此,郑州科技平台建设必须认清形势,积极借鉴外地做法,当好科技自主创新的基石。
1.选取支柱产业的创新平台,将其纳入郑州科技创新平台体系并实行动态管理。充分调研郑州在优势产业、战略支撑产业、战略新兴产业、科技民生等领域建设的优势特色平台。选取基础较好、需求广泛的平台给予重点培植,充分发挥资源优势和科研优势,引导其逐步纳入郑州公共服务平台体系。对此类平台要按照郑州科技创新平台建设服务要求进行考核,根据服务效能,择优奖励,形成“政府购买服务,平台自主发展”的良性互动局面。
2.在郑州产业聚集区内建设科技平台服务站点。目前,郑州科技公共平台对产业聚集区和支柱产业的特色资源缺乏,针对不强,平台的触角无法延伸到产业聚集区开展服务,而产业聚集区恰恰应该是平台彰显支撑效用的主要阵地。因此,可在产业聚集区选取龙头企业或科研单位重点支持打造,引导培植其建立服务本产业,并涵盖研发、孵化、成果转化、技术交易整个流程的科技公共平台,实现科技资源之间的互相调取。
3.将资源共享制度建设纳入自主创新体系,出台资源共享办法与仪器补贴办法。把科技公共平台建设、产业集群服务机构、资源整合、仪器共享等纳入郑州市自主创新体系中,出台资源共享办法与仪器补贴办法,设立资源共享和仪器共享的专项资金用于整合外地的科技资源、挖掘本地行业内的优势资源。
4.加强科技平台与其他科技工作的衔接。平台建设和资源整合工作要融入整个科技工作中,把大型仪器共享和工程中心、重点实验室建设结合起来,把新购仪器的联合评议和科技立项结合起来,从源头上防止重复购置,优化科技经费的使用效能;把产业联盟建设纳入平台中,形成服务整个产业链的创新支撑。
5.建设郑州市科技创新公共服务中心。选定合适地点,建设郑州市科技创新公共服务中心,把科技成果转化服务、科学仪器设备共享服务、专业技术公共服务、科技文献信息服务、科技创业公共服务、知识产权公共服务、科技中介机构、投融资公共服务及企业孵化等集中在一起,发挥科技资源的聚集优势,形成科技服务的合力,打造国内一流的科技创新服务中心,形成覆盖中原经济区的科技创新服务基地。方式不合理,大量无限占地将不可避免。同时,近几年国家严控建设用土地,在评价中应考虑此方面的问题。
2.建设期的环境影响问题。根据郑州市轨道交通1号线一期工程的建设情况,建设期轨道交通环评表现出的问题主要有以下几点:一是对郑州市交通的拥堵情况估计不足,交通疏导措施分量仍显不足,部分施工段堵车叠加效应明显,行车困难。二是施工时间控制不合理,噪声扰民时常发生。三是围挡不合理,部分施工段视觉景观较差。四是清渣车密封不严,土渣掉落情况严重。针对以上情况,轨道交通环评不能机械地照搬一般情况,在具体实践中应根据实际情况确定。
3.对环境敏感目标的影响问题。不论是线网规划环评,还是具体工程环评,都应足够重视建设对环境敏感目标的影响。
(1)文物是重要的环境敏感目标。郑州市是国家历史文化名城,是具有3600年历史的我国最古老城市之一,全市公布文物保护单位513处(其中,全国重点文物保护单位43处,省级文物保护单位76处,市县级文物保护单位380处)。在1、2号线一期工程的建设中,紫荆山站附近的黄河博物馆被迁建;1、2号线部分线路对商代城墙文物有振动影响;二七塔周边的景观可能会受到轨道交通出口、风亭、人流等的影响;对祭伯城遗址也会有一定影响。因此,对文物的影响问题是郑州市建设轨道交通的一个难点和重点。
(2)绿地、公园等也是重要的敏感目标。郑州是园林城市,将规划建设公共绿地总面积6667公顷,建设贾鲁河、须水河、金水河、熊儿河、东风渠、七里河、十八里河等沿河绿化带和防护绿地。而随着轨道交通建设的深入,将不可避免地破坏、切割绿地;郑州市已将南水北调中线总干渠郑州市段两侧一定范围划定为一级、二级水源保护区,轨道交通建设也将会对南水北调产生较大影响,保护措施较难提出;郑州国家森林公园位于郑州市东北部,属森林公园类自然风景旅游区,轨道交通建设对其的影响将迟早发生。
4.公众参与的问题。轨道交通建设影响大,公众关注度高,公众意见可能决定着轨道交通建设命运的走向。在实践中,存在不少难点和问题。一是公众的知识层次问题。具体的轨道交通建设项目,施工期和运营期所产生的环境影响是直接面对公众的,诸如施工期的征地拆迁等社会影响、运营期的噪声和风亭异味等环境影响均有明确的指向对象,对此类影响,公众容易参与,也较易认识,且能提出明确的意见和要求。而对于轨道交通线网的环境影响,由于轨道交通规划所产生的环境影响具有潜在性、间接性、宏观性,不同于具体的轨道交通项目,一般公众难以明确其影响范围和程度,除非具备一定的专业知识,否则很难提出建设性的意见和要求。二是公众参与容易流于形式,公众参与只当做摆设,公众意见得不到充分表达。三是公众参与方式不科学不合理,易产生不公平。城市是市民生活工作的地方,轨道交通的建设也是为了方便市民的生活。因此,评价中要考虑公众的科学参与。
5.后评价的问题。环境影响项目后评价可以看做是前期环境影响评价过程向项目建设、营运阶段的一种延伸,是改进整个环境影响评价过程及其方法学的一种非常有效的工具,后评价可以对环境影响预测和环保设计成果进行验证,为进一步加强工程环境管理提供科学依据。积极开展轨道交通环境影响后评价,对于郑州市轨道交通建设的可持续发展有着重要意义。
三、郑州市轨道交通环境影响评价的改进措施
1.重视线网规划及调整。线网的布置应长远考虑,综合城市发展特点及态势;严格执行设计规范,科学确定线网密度,线路走向、站场选址、敷设方式应合理可行。评价中应优先在措施中提出线网线路调整建议,而不是敏感目标的调整。
2.建设期环境措施可操作性要强。结合郑州城市交通客流预测的特点确定交通疏解和施工方式、时间;在评价中积极建议采用盾构法施工隧道;注重围挡对景观的影响及观感;评价中的措施应在征求规划、交通、城管等部门及公众的意见基础上提出;充分借鉴北京、上海等城市轨道交通建设在环境保护方面的成功经验和做法,但不能一味机械照搬。
3.加强公众参与,重视后评价。
(1)加强公众参与。公众参与应遵循知情、真实、平等、广泛、主动等原则。在组织的公众参与中,评价应注重维护公众合法的环境权益,在环境影响评价中体现以人为本的原则,通过公众参与,提出经济有效并切实可行的减缓不利环境影响的措施;应注意平衡各方面利益,化解不良环境影响可能带来的社会矛盾,建议通过“ZZIC”、“心通桥”等新的沟通形式,推动轨道交通环评的公平性和科学性,推动政府决策的民主化和科学化。
(2)重视后评价。轨道交通主管部门和环境保护部门应重视轨道交通建设项目环境影响后评价,积极牵头、督促轨道建设运营企业开展后评价工作。在评价中,应重点对已经完成的轨道交通建设项目的环境保护目的、环保执行过程、环保投资及效益、环保措施的有效性和环境影响进行系统客观分析;通过环保实践,确定项目预期的环境保护目标的可达性;通过环评回顾分析和预测评价,总结环保经验和教训,提出环保补救措施和环境管理改进建议,实现轨道交通建设的可持续发展。
4.持续关注敏感目标,尽量避免提出对敏感目标的迁移、改建等建议。轨道交通建设是一条一条建设,而影响却具有累积和叠加效应,因此,在措施中应尽量避免提出对敏感目标的迁移、改建等建议。要注意建成区和未建成区的区分,建成区的环境敏感目标保护措施应具有适用性,对于尚未规划的区域,对其未来的环保目标应考虑采取环保措施,并为可能采取的环保措施预留实施的条件。