地铁列车编组分期实施的合理性及扩编的可行性分析探讨 长春轨道客车股份有限公司 徐锦帆北京城建设计研究总院有限责任公司 梁广深
内容摘要：本文通过分析某城市轨道交通1号线可研报告方案，指出该线列车初期采用6编组不经济，采用4辆编组更有优势。分析了列车由4辆编组扩编为6编组的可行性，提出了两种扩编方法，计算了各扩编方案的经济成本。验证了该线初、近期列车采用4辆编组较经济合理。
关 键 词：四辆编组、六辆编组、运营初期、近期、车辆配置、运营成本费用
一、引言 新编制的国家“十一五” 规划，已把大力发展城市轨道交通列入了议事日程。我国的城市轨道交通迎来了大发展时期。目前已有北京、天津、上海、广州、长春、大连、武汉、重庆和南京等9个城市建成了轨道交通。还有青岛、沈阳、哈尔滨、杭州、宁波、成都等城市正在筹建轨道交通。 多年的实践证明，城市轨道交通在建成后一段时间内客运量不大。为了提高服务质量和运营效益，城市轨道交通的列车编组应该随着客运量的增长逐渐扩编。北京地铁的1号线、2号线、13号线和八通线，天津轨道交通滨海线等均采用初、近期列车4辆编组，远期为6辆编组。 北京地铁1、2号线的4辆编组列车在长达十几年的运营期间，车辆全日平均满载率在50%—55%之间，车辆利用率和运营效益很好。 当前轨道交通行业围绕着初期、近期、远期列车编组方案问题存在着较大的分歧。 一部分专家主张初、近期列车采用4辆编组，近期和远期采用4辆、6辆编组混跑。另一部分专家主张初、近期列车采用4辆编组，远期改编为6辆编组，以提高运营效益，降低成本。还有一些专家认为列车由4辆编组扩编为6辆编组难度很大，代价很高，主张初、近、远期列车均采用6辆编组。 最近经过评审的沈阳、杭州和重庆3条轨道交通线的可行性研究报告（采用B型车），经过评审全部否定了初、近期4辆编组方案，改为一次上6辆编组。 对此，笔者想对B型列车编组分期实施的合理性，及远期扩编的可行性进行一些分析研究，以期得到一个正确的结论，提高地铁列车编组决策的科学性。促进我国轨道交通建设事业健康发展。 本文将重点研究三个问题：一是列车由4辆编组改编为6辆编组究竟要花多大代价？二是列车一次上6辆编组每年要多花多少运营费？三是列车4辆改6辆所花的费用，和一次上6辆编组多支出的运营费相比哪个大哪个小？
二、国产B型车辆简介1. B型车的发展概况 我国从1968年开始批量生产B型车辆。目前北京、天津、武汉和大连的轨道交通都采用B型车辆。正在筹建轨道交通的城市沈阳、哈尔滨、青岛、杭州、成都、重庆等城市也采用B型车辆。因此探讨B型车的合理编组方案，具有重大的经济效益和社会效益。 B型车车体宽2.8m，长度19m。不带司机室的车辆定员为245人, 带司机室的车辆定员为230人。系统单向运输能力为3—5万人次/h,。适合大运量的轨道交通线路。
2. B型车的编组方案 目前已投入运营的B型车，大多采用初、近期列车4辆编组，远期6辆编组模式。北京地铁1、2号线是最早采用4辆编组的线路，后来改为6辆编组。 新建的北京地铁13号线和八通线也采用初、近期4辆编组,远期6辆编组： 初、近期： = Mc―T―T1―Mc = (Mc ?????? 带司机室的动车) 远期： = Mc―T ―M―T2―T1―Mc = 在建的北京地铁5号线采用6辆编组： = Tc―M―T―M′―M ―Tc = 天津地铁1号线 初期4辆、6辆编组混跑运行： 初期： = Tc―M1 = M2―Tc = (Tc ?????? 带司机室的拖车) = Tc―M1 = T―M1 = M2―Tc = 远期：= Tc―M1 = T―M1 = M2―Tc = 武汉轻轨1号线永久4辆编组：= Tc―M1―M2―Tc = 天津轨道交通滨海线 (DC1500V架空线受电)初、近期： = Mcp―T = T―Mcp = (Mcp带司机室和受电弓的动车) 远期： = Mcp―T = M―T =T―Mcp = 大连快速轨道交通线永久4辆编组：(DC1500V架空线受电) = Tc―Mp =Mp―Tc = (Mp — 带受电弓的动车) =……半自动车钩 —……半永久牵引杆 目前B型车辆的编组方式为，一辆动车(M)和一辆拖车(T)构成一个动力单元车组。列车4辆编组由2个单元车组 (2动2拖) 构成，6辆编组由3个单元车组(3动3拖)构成。
3. B型车的电气设备与安装布置 (1) 在动车上安装的电气牵引设备 主要包括以下设备：主牵引电动机、VVVF逆变器、滤波电抗器、主牵引电路中断路器及开关保护设备、制动电阻器、齿轮传动设备及联轴节、三轨受流器（或受电弓）等。 (2) 在拖车上安装的设备 主要包括以下设备：列车辅助电源静止逆变器（SIV）及隔离开关、熔断器、母线高速断路器等配套电气设备。 空气压缩机组及配套的隔离开关、熔断器、电气控制箱、干燥器等，一般安装在拖车上，但也有安装在动车上的，例如北京13号线。 蓄电池箱、充电整流装置。另外当设有三轨受流器时，列车在线路上运行按特殊需要来定的，即断电区过长的条件。 (3) 列车各车辆上都装有客室空调设备或通风设备、电热采暖设备、客室照明、广播报警设备等。 (4) 司机室的设备 每列车设2个司机室，其主要设备有：列车驾驶司机台、车载ATC设备、无线电台、广播报警设备主机、操作列车的左、右侧屏的开关、仪表监视设备和电气控制屏柜、刮雨器装置、供司机的空调或通风设备等。
4. B型车辆的传动控制方式 (1)目前B型车的供电方式有两种： DC1500V架空接触网供电和DC750V第三轨供电。 (2)目前B型车的电气传动控制方式，均为调频调压控制（VVVF逆变器）。为增加车辆的可靠性，牵引系统采用双单元控制。每辆动车设两套VVVF逆变器，每套逆变器控制两台牵引电机。例如：北京地铁13号线、天津地铁1号线、天津滨海线，每辆动车的两台逆变器，一台控制1—2号电机，另一台控制3—4号电机。 武汉轻轨，每辆动车的两台逆变器，一台控制1—3号电机，另一台控制2—4号电机。 采用这种控制方式，在4辆编组的列车中，如果一台VVVF逆变器发生故障，列车只损失1/4的动力。大大提高了车辆的可靠性和应对故障的能力。 (3) 列车在制动过程中，电力再生制动与空气制动进行混合运算。并采用T车空气制动优先补足的控制方式。
三、初、近期列车编组方案比选 某城市轨道交通1号线，初期预测高峰小时最大断面客流量为1.68万人次， 近期为2.36万人次，远期为3.4万人次。采用B型车辆。可行性研究报告确定列车初、近、远期均为6辆编组。笔者认为这套方案的最大问题车辆利用率低，运营成本高，不经济。 我们想以该线路为例，对其初、近期列车编组方案进行多方案比较，更有说服力。现提出三个比较方案：方案一，初、近期列车采用4辆编组。方案二，初期列车4辆编组，近期采用4辆、6辆编组混跑。方案三，初、近、远期均为6辆编组。经计算各方案的运营指标汇于表3—1。 方案比较采用的费用指标，车辆购置费，四辆编组平均每辆车为600万元人民币、六辆编组平均每辆车为585万元（不包括无线电台和车载ATC设备）。每1车公里的运营成本按10.5元计算（包括固定资产中车辆购置折旧费）。 列车编组方案比较表 表3—1
| 方案 工期 | 初期(2012) | 近期(2019) |
| 高峰最大断面客流量(万人次) | 1.68 | 2.36 |
| 方案一 | 列车编组辆数 | 4 | 4 |
| 高峰小时开行列车对数 | 18 | 25 |
| 列车间隔时间（分） | 3.3 | 2.4 |
| 配属列车数（列/辆） | 24/96 | 30/120 |
| 全日开行列车数（列） | 322 | 408 |
| 全年走行车公里数（万） | 834 | 1056.74 |
| 全日平均满载率（%） | 45 | 50 |
| 车辆购置费（万元） | 57600 | 72000 |
| 每年运营费（万元） | 8757 | 11095.77 |
| 方案二 | 列车编组辆数 | 4 | 4、6 |
| 高峰小时开行列车对数 | 18 | 19 |
| 列车间隔时间（分） | 3.3 | 3.16 |
| 配属列车数（列/辆） | 24/96 | 12/72+12/48 |
| 全日开行列车数（列） | 322 | 366 |
| 全年走行车公里数（万） | 834 | 1179.13 |
| 全日平均满载率（%） | 45 | 50 |
| 车辆购置费（万元） | 57600 | 70920 |
| 每年运营费（万元） | 8757 | 12381 |
| 方案三 | 列车编组辆数 | 6 | 6 |
| 高峰开行小时列车对数 | 12 | 17 |
| 列车间隔时间（分） | 5 | 3.53 |
| 配属列车数（列/辆） | 17/102 | 22/132 |
| 全日开行列车数（列） | 292 | 356 |
| 全年走行车公里数（万） | 1134.44 | 1383.08 |
| 全日平均满载率（%） | 30 | 33 |
| 车辆购置费（万元） | 59670 | 77220 |
| 每年运营费（万元） | 11911.62 | 14522.34 |
从表3—1可以得出以下结论： (1) 方案一初期列车4辆编组，高峰期列车间隔时间短，服务水平高。 (2) 方案一、二配属列车数量最少。与方案三相比，初期可减少车辆购置费2070万元，近期可减少5220万元和6300万元。 (3) 方案一全年运行车公里数最少。初期每年比方案三可节省运营费3154.62万元。近期每年可节省3426.57万元。 (4) 方案一比方案三的全日平均满载率高，车辆运用效益好。 由此可以看出，某城市轨道交通1号线列车，以初、近期采用4辆编组，远期6辆编组为最优方案。其次是方案二，初期4辆，近期4辆、6辆编组混跑方案。
四 列车由4辆编组扩编为6辆编组的可行性分析 4.1 列车由4辆编组扩编为6辆编组的方法 目前4辆编组的B型列车，由2个动力单元车组组成。列车由4辆编组扩编为6辆编组有两种可行方案：
4.1.1 利用4辆编组列车解体插编 本方案是把4辆编组的列车拆分为2个单元车组。分别插到2列4辆编组的列车中间，形成2列6辆编组的列车。采用这一改造方法，其他车辆都不动。只对插在列车中间带司机室的车辆进行局部改造。 本改造方案的特点是，每列车上有3台空气压缩机组和3台SIV辅助电源。 1 对带司机室的头车改造的内容是： (1) 带司机室的车前端为半自动车钩，需更换为半永久牵引杆及增加列车风管的连接。拆除头车前端的排障器、裙板、车载ATC、电笛等设备。 (2) 带司机室的车前端没有108芯接线箱、交流电源电气连接器与接线箱，需要在其前端增加各种电气连接器和接线箱。须在车下前端增设各电气连接器、接线箱以及车下配线配管的改造工作。 (3) 对带有折棚车厢之间的通过台，需加装车门。如果用户在车辆招标文件中，明确远期采用此方案扩编为6辆编组，厂家在车辆设计中做一些预留，列车扩编改造时要容易一些。2 利用4辆编组列车解体插编改造方案的优点： (1) 在4辆编组的列车中间插入同类型的单元车组容易实现。可不必打乱控制方案，电空混合运算不受影响。 (2) 这些车辆是同一批次的产品，其技术参数和性能无差异。 (3) 这些车辆的车轮直径、运行的车公里数、车辆检修时限和报废时限也相同。便于车辆运用和检修管理。 (4) 列车的另部件性能匹配一致,运行安全可靠。 (5) 列车改造无技术难度，所花代价较低。 3 利用4辆编组列车解体插编改造方案的缺点是： (1) 在6辆编组列车中间多一个司机室, 列车外观效果梢差。 (2) 列车的前2辆贯通，后4辆贯通，对乘客疏散不利。
4.1.2 在4辆编组列车中间增加一个新造的动力单元 本方案的改编方法是保持4辆编组的列车不动，在中间增加一个新造的动力单元车组，由此扩编为6辆编组。新造的动力单元没有司机室，因而可以保持全列车贯通，便于乘客疏散。 6辆编组的B型列车，一般设置两台空气压缩机组和两台SIV辅助电源。如果初近期4辆编组列车在采购时，其空气压缩机和SIV辅助电源的容量按6辆编组设计。预计每辆车的平均价格约增加2.5%～3%。由此可以减少将来列车扩编时的工作量。否则，远期扩编时有些设备需要扩容，扩编的难度大一些，所花的费用也多。目前北京地铁13号线、八通线，天津滨海线4辆编组的列车，都是按上述方法设计预留的。 因为本方案中新造的动力单元车组没有司机室，拖车上没有空气压缩机和SIV辅助电源及其配套设备，车辆采购价格比四辆编组B型车要低7%～8%。 1 加入新造动力单元扩编方法的优点： (1) 原有的4辆车不动，在中间增加一个新造的动力单元，扩编容易操作。 (2) 可不必打乱控制方案，电空混合运算不受影响。只需对列车监控系统的液晶显示器画面分割等相关软件做出调整。 (3) 全列车前后贯通，便于乘客疏散，列车外观效果较好。 2 加入新造的动力单元扩编方法的缺点是： (1) 在6辆编组的列车中有2辆新造的车辆。其新车和旧车的车轮直径不同、走行里程不同、检修时限也不一样，为车辆运用和检修管理带来困难。 (2) 由于科学技术不断的进步，老的产品已被淘汰，存在新造的动力单元与原有车辆的技术性能协调配合一致的问题，因此有一定的风险。 (3) 目前地铁车辆的使用寿命为30年。扩编前旧的车辆已经运营了7~13年，到旧车报废时，后加入的动力单元车组不得不提前报废。造成较大的经济损失。
4.2 列车由4辆编组扩编为6辆编组的时机和费用研究 4.2.1 列车由4辆编组扩编为6辆编组的时机选择 由表3—1可知，列车采用4辆编组方案，初期配属列车24列(96辆)，近期配属列车30列(120辆)。按照预测客流量估算，4辆编组列车可满足近期后第3年的客运量需要（使用期13年）。此后为适应客运量增长，应将列车由4辆编组扩编为6辆编组。 方案一，初期、近期列车4辆编组运营，到近期后第3年，将30列4辆编组的列车，一次改为20列6辆编组的列车。 方案二，初期列车4辆编组，从初期以后，分批将4辆编组列车扩编为6辆编组，实行4辆、6辆编组列车混跑运营。
4.2.2 列车由4辆编组扩编为6辆编组的费用分析 1 利用4辆编组列车解体插编方案 (方案一) 本方案是将30列4辆编组的列车，一次改编为20列6辆编组的列车。其方法是拆开10列4辆编组的列车，将带司机室的头车进行改造，然后插到另外20列4辆编组的列车中间。预计每列车的改造费用约40万元。本方案共需插编改造费800万元。 因近期后本系统需配属22列6辆编组的列车（132辆）。本方案还应增购2列6辆编组的新车，购车费为7020万元。因此，本方案的改造总费用为7820万元。 2 在4辆编组列车中间插入新造动力单元扩编方案 (方案二) 本方案分阶段对4辆编组列车进行扩编：第一阶段是由初期的96辆车，增加到120辆时。将新增加的24辆车，订购12个新造的动力单元车组，插到4辆编组的列车中间，由此扩编成12列6辆编组列车。 第二阶段是由120辆车增加到132辆时。将新增加的12辆车，订购6个新造的动力单元车组，插到4辆编组的列车中间，又完成了6列6辆编组的列车的扩编。 本方案两次扩编后，系统`配属18列6辆编组的列车，6列4辆编组的列车（待下阶段扩编），总计132辆。在运营中实行6辆编组与4辆编组列车混跑。 本方案采购的18个新造的动力单元车组（36辆），因没有司机室及SIV、空压机组等设备，其价格约为四辆编组B型车的92.5%，折合555万元。故本方案的改造费用为19980万元。
五 初、近期4辆编组与6辆编组方案经济比较 前已说明，评判初、近期列车采用4辆编组或6辆编组合理性的标准是经济成本。按照表3—1 中的运营数据，分别计算出各方案的车辆购置费、车辆改造费，以及在计算期内的运营费进行比较，以三项费用之和最小为最优方案。 根据预测客流量估算，方案一4辆编组列车的使用期限为13年，以此作为方案比较的计算期。各方案中的全日开行列车数量，是根据设计规范按服务水平决定的，客运量的些微变化对其影响不大。为简化起见，各方案的运营费应按列车年走行车公里数量进行计算。初期按4年，近期按5-年，近期后按4年计算。各方案的经济数据汇入下表。 车辆扩编、改造费用比较表 表5—1
| 方案比较项目 | 方案一4辆编组列车解体插编 | 方案二4辆编组列车中间插入新车组 | 方案三永久6辆编组 |
| 初期配属车辆数（列/辆） | 24/96 | 24/96 | 17/102 |
| 近期配属车辆数（列/辆） | 30/120 | 12/72+12/48 | 22/132 |
| 初、近期车辆购置费（万元） | 72000 | 70920 | 79200 |
| 系统改扩编列车总数（列/辆） | 20/120 | 18/108 | 0 |
| 改扩编增购新车数（辆） | 12 | 36 | 0 |
| 改扩编后配属车辆总数（列/辆） | 22/132 | 18/108+6/24 | 0 |
| 车辆总购置费（万元） | 79056 | 77580 | 77220 |
| 车辆改造费（万元） | 800 | 0 | 0 |
| 13年累计运营费（万元） | 129043 | 137397 | 171820 |
| 三项费用总计（万元） | 208899 | 214977 | 249040 |
六 几点体会 通过对某城市轨道交通一号线列车编组方案的分析和比较，我们有以下几点体会： 1 从表3—1的运营指标可以看出，方案一初期、近期列车采用4辆编组方案优于方案三6辆编组方案。4辆编组方案的优点：一是列车间隔时间短，服务水平高。二是配属列车数量最少，初期可减少车辆购置费2070万元，近期可减少5220万元。三是全年运行车公里数少，初期每年节省运营费3154.62万元，近期每年节省3426.57万元。四是列车全日平均满载率最高，运营效益好。 2 方案二的运营指标，略低于方案一，近期比方案三可减少车辆购置费6300万元，每年节省运营费2141.34万元。 3 本文提出的两种列车扩编方法，是切实可行的。经过了北京地铁的实践检验和其他城市的肯定。说明列车由4辆编组扩编为6辆编组并无技术难度。 4 由比较表5—1可以看出，利用4辆编组列车进行插编改造方案的经济成本最低。13年它比初、近期采用6辆编组方案可降低运营成本40141万元。 在4辆编组列车中间加入新造动力单元扩编方案，13年它比初、近期6辆编组方案可降低运营成本34063万元。 由此说明初、近期列车采用6辆编组方案多花的运营费，远大于列车由4辆编组扩编为6辆编组的改造费用。 5 利用4辆编组列车进行插编改造方案，除了列车前后不能贯通外，在经济上和管理方面都有优势。在中间增加新造的动力单元车组方案，具有容易扩编，全列车前后贯通等优点。但也存在新车和旧车的性能匹配，车轮直径、走行里程和检修时限不同，以及后加入的动力单元车组提前报废等问题。 6 在4辆编组列车中间增加新造的动力单元扩编方案，须分步进行。在运营中实行4辆编组与6辆编组列车混跑，在技术上是可行的。 现代地铁车站增加了屏蔽门，但信号设备可以解决不同长度列车的屏蔽门控制问题。天津地铁一号线初期实行了4辆编组与6辆编组的混跑运营。初期预测高峰最大断面客流量2.1万人次/小时，近期为3.7万人次/小时。初期列车辆编组的配置占总列车数量的2/3，已于2006年6月开通试运营。 上海地铁1号线，2007年即将实行6辆编组与8辆编组列车混跑运营。 7 应该根据每条线路的预测客流量大小，来确定列车的编组方案，不应搞一刀切。如果4辆编组列车的使用期限不低于10年，则初、近期列车采用4辆编组较经济。如果4辆编组列车的使用期限较短，就应该一次上6辆编组。 以上是笔者的一些浅见。愿作为引玉之砖，提出来与业内同事和专家们共同探讨，为我国城市轨道交通列车合理编组献计献策。由于水平所限，错误在所难免，欢迎大家提出宝贵意见。
