毕业论文地铁客流分析

地铁快线设计中几个技术问题的探讨和思考论文

无论是在学校还是在社会中，大家对论文都再熟悉不过了吧，借助论文可以有效提高我们的写作水平。那么你知道一篇好的论文该怎么写吗？下面是我为大家整理的地铁快线设计中几个技术问题的探讨和思考论文，希望对大家有所帮助。

我国城市轨道交通建设正在迅猛发展，至2014年12月31日，中国内地已有22个城市94条城市轨道交通建成并运营，运营总里程2886km。目前东莞、贵阳、青岛、合肥、南昌、福州和厦门等城市也在修建，预计到2020年，国内将有约40个城市发展轨道交通，总规划里程7000多km。在这些已建成和正在建设的城市轨道交通中，绝大多数为位于中心城区的一般地铁制式线路，设计的最高运行速度主要有80km/h和100km/h2种，其运营组织与车辆选型、系统配置与土建工程配套等均可按现行的GB50157—2013《地铁设计规范》、建标104—2008《城市轨道交通工程项目建设标准》、GB50490—2009《城市轨道交通技术规范》及相关专业的规范进行设计。而已经建成开通的广州地铁3号线、上海地铁16号线和正在建设即将于2016年开通的东莞城市快速轨道交通R2线、深圳地铁11号线等，为连接中心城区与相应组团的地铁快线，设计的最高运行速度均为120km/h，已超过《地铁设计规范》规定的最高运行速度不超过100km/h的适用范围，因此在这几条线路的设计中，不能完全按现行地铁规范进行设计，需要根据最高运行速度为120km/h的地铁快线特点对相关的设计参数进行研究论证后采用。结合广州地铁3号线和东莞市城市快速轨道交通R2线工程的设计，重点研究120km/h地铁快线设计的一些基本特征及在地铁快线设计中现行《地铁设计规范》存在的不足，特别是速度目标值、列车编组及空气动力学等方面，以期为今后地铁快线设计规范的制定提供参考。

1地铁快线的线路设计特征

随着城市轨道交通的发展，中心城区的地铁线路密度越来越大，网络逐步完善，地铁的建设逐步向郊区辐射，为了实现中心城区与周边卫星城(镇)或卫星城之间高速、便捷、环保的出行方式，地铁快线应运而生。如广州地铁3号线主要是连接广州中心城区与番禺，深圳11号线是连接福田中心区与宝安区碧头，上海地铁16号线是连接浦东新区龙阳路与临港新城。同时随着经济的发展，我国一些经济较发达的地级市也开始规划建设地铁，由于城市空间结构的原因，这些地级市的行政机构相对分散，为了加强各行政机构与城市中心城区之间的联系，突出中心城区的首位度，也需修建高速、便捷、环保的地铁快线线路，如东莞城市快速轨道交通R2线。这几条地铁快线线路具有以下共同的特点。

1)线路长度较长，但车站数量较少，最大站间距和平均站间距都比一般地铁线路大。在城市地铁中，一般的地铁线路长度大多在35km以内，最大站间距控制在2.5km以内，平均站间距为1.2～1.5km，而地铁快线的线路长度大多为50km以上，最大站间距超过5km，平均站间距达2.4～5.0km，是一般地铁线路的2倍以上，并且超过2.5km的长大区间个数较多。

2)由于城市的空间形态布置及规划发展的不均衡，这几条地铁快线线路的敷设在中心城区或卫星城内站间距小(和一般地铁的站间距接近)，但在中心城区与卫星城、2个卫星城之间，车站的站间距较大。

由于这些线路长度较长，最大站间距和平均站间距比较大，给列车在区间运行带来了较好的运行条件，使得列车的最高运行速度可以提高。由于车站数量较少，停站次数减少，在相同线路长度下，列车的运行时间缩短，但当列车在区间的运行速度提高到一定数值后，乘客和司机会出现胸闷、耳鸣和耳痛等身体不适情况。城市空间结构、城市规划形成的线路敷设方式、站点设置的特点直接影响到整条线路系统制式、速度目标值、车辆选型的选择，下面就这几个主要技术问题进行研究。

2相关设计技术问题探讨和思考

2.1系统制式的选择、速度目标值、车辆选型与列车编组方案

系统制式的选择、速度目标值的`确定、车辆选型与列车编组方案是地铁快线设计的重要基础参数，对工程建设、运营有较大影响，合理的确定上述参数是地铁快线设计的首要任务。

2.1.1系统制式的选择

系统制式的选择一般应从客流等级和特征、线路和环境条件、系统本身的技术成熟性和先进性、运营的可靠性和成本以及建设工期和工程投资等方面进行分析，其决策还受到国家的产业政策、城市的经济实力、文化传统和价值取向等因素的影响。

目前，国内外采用的轨道交通系统有常规的钢轮钢轨系统、直线电机运载系统、磁悬浮系统、单轨系统和新交通系统(AGT)等。

各种制式的优缺点分析如下：

1)铁路制式动车组技术成熟、速度高，在国内铁路系统使用广泛。但是，由于铁路制式动车组采用交流制式供电，对线路经过地区的通信、电子设备以及相应制造业干扰较大，需要增加大量的防干扰措施。因此，采用交流制式供电的线路一般都敷设在城市之间，其线路通道多为城市规划控制的交通走廊，对交流牵引的防干扰没有较高的要求，地铁快线沿线线路在许多繁华地带敷设，对电磁防干扰要求较高。同时，线路穿越城市市区或组团中心时，均采用地下线的敷设方式，地下车站和区间由于国铁动车组限界要求较高，土建工程投资较大。

2)中低速磁浮系统技术先进，特别是具有无轮轨磨耗，无传动系统，具有运行噪声低、维护成本低等明显优势。但是，中低速磁浮系统在世界范围内的实际商业运营经验不足，在我国国内尚在研究及初步使用阶段，北京S1线、长沙中低速磁浮工程目前正处于研究、建设阶段。因此，存在建设成本和工期2个方面的较大风险，目前国家对中低速磁浮系统的产业导向尚不明朗，因而存在国内缺乏产业支持的风险，从而也会带来运营维护成本高的风险。

3)单轨系统技术成熟，在日本使用较为广泛，我国的重庆市轨道交通2，3号线均采用跨坐式单轨系统，现已建成开通运营85.6km。单轨系统采用橡胶轮，具有黏着力大、运行噪声较低等优点，但其运行阻力大，胶轮磨耗量大。因此，存在运营成本较高、橡胶粉尘对环境影响较严重等问题。随着直线电机系统和低速磁悬浮等非黏着系统在城市轨道交通领域的发展，单轨系统技术在我国发展前景并不明朗。由于单轨系统的核心技术几乎完全掌握在日本公司的手上，车辆和系统设备的造价高，车辆采购投资较高。同时，国内缺乏相关产业的支持，运营所需的备品备件价格和维修成本难以下降到合理的程度。

4)AGT系统具有运行噪音低、曲线半径小等特点，且技术较中低速磁浮系统成熟，但是该系统实际最高运行速度只有80km/h，对地铁快线快速出行的运营要求适应性较差，并和单轨胶轮系统一样存在阻力大、磨耗大和橡胶粉污染等问题。同时，该系统在我国国内尚属空白，存在建设成本、工期2个方面的较大风险，由于在国内缺乏产业支持，还存在运营维护成本高的风险。

通过以上初步分析，从“安全可靠、技术成熟、舒适快捷、经济实用”的原则出发，地铁快线设计可以不考虑铁路动车组、中低速磁悬浮、单轨系统和AGT系统，而应在普通钢轮/钢轨系统和直线电机运载系统间进行比选，这2种系统都可以较好地适应地铁快线的运量要求。但从现有的技术看，已运营的直线电机运载系统的最高运行速度为100km/h(纽约机场线、北京机场线)，由于直线电机功率的限制，选择速度为120km/h的直线电机车辆困难。而对于地铁A，B型车，速度达到120km/h的已有成熟车型(广州地铁3号线B型车、上海地铁16号线)。因此地铁快线设计建议优先选择地铁制式的普通钢轮/钢轨系统。

2.1.2速度目标值

速度目标值的选择，与规划的出行时间目标要求、线路敷设方式、站间距的大小和线网的资源共享等因素有关，在设计过程中，需根据上述条件进行80，100，120km/h的速度目标综合比选，必要时还需进行140km/h的速度目标值比选，最终确定设计线路的速度目标值。

以东莞市城市快速轨道交通为例，《东莞市城市快速轨道交通网络规划》提出的运输规划出行时间目标要求如下：

1)莞城—松山湖——约20min;

2)莞城—虎门——约30min。

根据运输规划出行时间目标要求，结合东莞市城市轨道交通R1～R3线线路平纵断面及车站分布，本次对采用80，100，120km/h最高运行速度车辆的平均旅行速度、旅行时间进行分析计算，并与规划时间目标进行比较。

为满足东莞市区—常平、东莞市区—虎门的规划出行时间目标要求，东莞城市轨道交通R1线、R2线、R3线均需采用最高运行速度为120km/h的车辆。

另外，关于速度目标值，在目前的设计中，信号ATP的值一般比设计的最高运行速度低3～5km/h，ATO的值在ATP的基础上又下降3～5km/h，因此最后列车自动驾驶的速度比设计的最高运行速度低近10km/h，而车辆的构造速度比列车最高运行速度高5～10km/h，整条线路的技术标准(线路、车辆、限界、土建工程、轨道等)均按最高运行速度进行设计，这就造成了工程的浪费，建议在地铁快线设计中，信号ATP的值就按最高运行速度控制，ATO的值根据与信号供应商沟通情况做适当降低，但降低值以不超过5km/h为宜。

2.1.3车辆选型及列车编组方案

车辆选型主要根据运营需求(线网服务标准、运输能力)、出行时间要求、舒适度要求、安全性需求、环境需求及线网资源共享等综合考虑。

列车编组方案主要根据初、近、远期最大单向断面预测客流资料、旅客的出行特征(地铁快线的旅客平均出行距离和全程运行时间均远大于一般地铁，其平均出行距离达到了15km左右，全程旅行时间均在1h左右，乘客乘车时间平均超过15min)、乘车的舒适度(按照一定的站立标准，适当的增加坐席率)，按满足客流预测的远期单向高峰小时最大断面客流量的需求，并留有10% ～15%富余量的系统能力来进行设计。在设计过程中，需根据初、近、远期最大单向断面预测客流资料进行多方案比选，最终确定列车的编组方案，列车编组方案对土建工程的投资影响较大。

由于缺乏相应的地铁快线设计规范，各条快线的系统最大设计能力、座椅布置、每平方米的站立标准均不同，根据对东莞轨道交通R2线、深圳地铁11号线及广州地铁3号线的初步研究，考虑到地铁快线的速度目标值比较高(最高运行速度为120km/h)、平均出行距离长(达到了15km左右)、全程旅行时间长(均在1h左右)、乘客乘车时间平均长(超过15min)，建议系统的最大设计能力按不超过27对/h设计(地铁设计规范要求不小于30对/h)、座椅按纵横式混合布置(增加坐席率，地铁车辆通常为纵列式布置)、站立标准按5人/m2考虑(地铁设计规范为5～6人/m2)。

2.2乘客舒适度与空气动力学

根据广州地铁3号线运营的反馈信息，当列车在长度为6.2km、内径5.4m的盾构隧道——番禺广场站至市桥站区间运行，列车最高运行速度接近120km/h时，乘客和司机会出现胸闷、耳鸣和耳痛等身体不适情况。针对这一情况，在东莞轨道交通R2线、深圳地铁11号线的设计时，均开展了隧道空气动力学的研究，并在设计中采取了如下主要措施：地下长大区间采用大断面隧道(按隧道阻塞比小于0.4考虑，盾构隧道内径6.0m、矿山法隧道的内轮廓净面积不小于28m2)、列车突入洞口处设带有减压孔的缓冲结构(主要在地下线与地面线过渡的明挖段设置)、提高列车气密性指数、采用流线型车头。这些措施已经过专题研究论证，目前已在工程的设计和建设中被采用，待2016年初这2条线路建成通车后才能验证。

2.3土建工程设计及道岔选型

2.3.1土建工程设计

土建工程按100a的使用寿命进行设计，且一经实施后，若远期客流增加较多，车站规模不够，对土建工程进行改造，不仅影响运营，而且改造的成本较高、废弃工程量较大、施工风险极大。为避免出现上述现象，在设计中需结合远期最大单向断面预测客流资料，并对远期客流的抗风险能力进行分析，结合城市的整体规划和经济发展，按具备包容高水平客流状态的能力来进行综合设计。设计过程中，建议车站规模可以按远期车辆编组的有效站台长度进行设计并一次建成，在运营的初、近期，可根据客流资料和设计的列车编组来设计站台上屏蔽门或安全门开启的范围，当客流上升接近设计客流时，在局部改造屏蔽门或安全门及升级列车信号系统等，以达到设计的能力。目前东莞城市快速轨道交通R2线、深圳地铁11号线的车站有效站台长度分别是按远期6辆编组B型车120m的长度和远期8辆编组A型车186m的长度一次建成的。

2.3.2道岔选型

道岔的选型主要是根据正线和辅助线的最高运行速度来确定相应的道岔号数。普通地铁线路列车最高运行速度不超过100km/h，正线及辅助线可选用9号曲尖轨道岔，其直向过岔速度≤100km/h，侧向过岔速度≤35km/h。在地铁快线设计中，当区间列车最高运行速度超过100km/h时，9号道岔已不能满足线路使用要求，需选用大型号道岔，提高列车过岔速度，建议地铁快线选用12号道岔，其直向过岔速度≤120km/h，侧向过岔速度≤50km/h。

2.4牵引供电制式

根据国家标准，城市轨道交通牵引供电有DC750V和DC1500V2种电压可供选择。DC1500V由于电压较高、牵引变电所数目少、运营电能损耗小，且供电距离长、供电区间内列车较多，利于车辆再生制动能量的吸收。目前DC1500V已逐步成为城市轨道交通牵引供电系统的发展趋势。

列车授流方式有接触轨和架空接触网2种方式可供选择。接触轨零部件少、结构简单、安装位置低、维护工作量小、维护成本低，对城市景观无影响，对人身安全防护措施要求高。架空接触网有刚性和柔性2种，刚性接触网一般用于地下区段，也具有结构简单、维护工作量小等优点，但安装位置较高，维护仍须配备专用设备;柔性接触网一般用于地上区段，其安装结构复杂、零部件多，存在断线、钻弓等事故隐患，高空检修作业时，需要的人员多，抢修和恢复比较困难，需要专用检修设备，柔性接触网安装在地面或高架桥上会对城市景观造成一定影响。

地铁快线中高架桥占有较大的比例，在高架桥梁上，若安装柔性架空接触网，对城市景观有一定影响，建议采用接触轨授流方式，以减少对城市景观的影响，利于城市的长远发展和高架结构的可持续发展。

3结论与建议

3.1结论

1)地铁快线主要为连接中心城区与卫星城、2个卫星城之间的城市地铁线路，线路的站间距较大，选择120km/h的速度目标值可达到技术、经济和社会效果最佳。

2)考虑到地铁快线的速度目标值比较高、平均出行距离长、全程旅行时间长和乘客乘车时间平均长，地铁快线的系统最大设计能力按不超过27对/h设计、座椅按纵横式混合布置、站立标准按5人/m2考虑。

3)为了充分发挥地铁快线的综合效益，在设计中，信号ATP的值按最高运行速度控制，ATO的值根据与信号供应商沟通情况做适当降低，但降低值以不超过5km/h为宜。

4)为了提高乘客的舒适度，对于地下长大区间采用大断面隧道、列车突入洞口处设带有减压孔的缓冲结构(主要在地下线与地面线过渡的明挖段设置)、提高列车气密性指数、采用流线型车头。

5)车站规模按远期车辆编组的有效站台长度进行设计并一次建成。

6)选用接触轨供电的方式。

3.2建议

由于我国暂时还没有运行速度为100～120km/h的地铁快线设计规范，在地铁快线设计时，先参照《地铁设计规范》、《城市轨道交通工程项目建设标准》和《城市轨道交通技术规范》等进行技术标准的初步拟定，然后结合运行速度为100～120km/h的特征开展专题研究及专家论证确定技术标准，在这个过程中，由于受到技术水平和认识的限制，难免有些缺憾，建议加快地铁快线设计规范的出台，以指导工程的设计和建设。

( School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology, Xiamen, 361024, China)【Abstract】：The subway can bring easement to people's lives.However, in real life, the problem of incompatibility between line capacity and passenger volume is common, which cannot fully guarantee the user experience of travelers.So, founded on the assaies of the line founded on the heure and universe distribution feature of traveler flow, to create the same time different strings and strings of near time passenger flow analysis indicators analysis of all kinds of lines, in the end, based on the Gini coefficient using MATLAB least squares curve fitting line passenger flow difference, in the hope of contributing to the development of a more scientific system of rail transit operation organization plan.【Key word】：rail transit, passenger number, space and temporal allocation, Gini parameter, difference1 前言1.1 研究背景与意义随着经济的增长，城市的扩展和交通运输的日益发展，将城市轨道交通系统发展成为一个综合的，多层次的交通系统已成为共识。中国的城市轨道交通规划始于十九世纪中期，现在发展迅速。到2020年底，中国45个城市运营城市轨道线路7989.29公里，到2020年新增运营线路1252.88公里。“十三五”期间，中国大陆新建城市轨道交通线路总长度将达到4375公里，每年新增线路885公里。正在逐步形成网络化运营局面[1]。随着路网规模扩大，客流量激增，上海，广州，北京，深圳的运营总里程排在全国前四，在今年一月份它们分别高达26681.4万人次、24471.2万人次、19864.5万人次，同时在高峰期轨道交通是越来越拥堵。轨道交通中客流量的时空分布变化是波动的，受城市居民乘坐时刻的规律特点、路网线路的功能等因素的影响，和城市轨道交通整体空间结构位置和靠近交通线、边界线的地方利用特点，客流在时间分布上往往是不平衡的，这也将导致客流量在空间分布体现出不平衡性。地铁是为了给人们工作生活提供便利。因此，在进行计划和实施所有运营组织计划时，我们第一要探究的是以客流量为研究对象，基于客流的时空分布特征。研究客流的时间分布和客流的空间分布，对城轨交通运行、计划及组织等工作提供一定的参考依据。1.2 国内外研究现状对于客流时空分布问题的研究国内外学者已经取得相应的研究成果，研究如下：刘剑锋等[2]通过分析北京地铁二零一九年路网客流量数据的特征以及客流量逐年递增的规律得出的高峰时期客流量特点等，并提出实际运行中线网规划的建议。钱涂[3]对国内的几条城市轨道交通线路上的客运输强度数据分析了不同类型的城市铁路运输网络的特征和客运强度。从城轨交通线发展和线网发展的方向，详细讨论了线路客流强度发展的本质，并提出了相应的预测城轨客流的提议。沈丽萍等人[4]归纳40多个城轨线路客流数据，并结合实际的规划和设计思想来确定用于确定横截面的高断面是否可以支持最大的横截面客流部分，以及研究了城轨交通规模和建设，全日客流的空间分布以及客流的时间分布。林增[5]基于北京地铁自动售检票系统实际数据，分析轨道网络客流、轨道线路客流、轨道站台客流三个方面时空分布特征，为改善城市轨道交通列车运行图提供相关的依照。Choo S等人[6]根据首尔地铁的日常客运量数据，分析了周内和周末的外出特征模式，并通过Tobit模型分析了导致用户外出的各种原因。Seungil Lee等人[7]根据首尔铁路的客运量分析影响客流的因素，总结出：终点站的客流受车站人口密度的影响，其他车站的客流受到周围土地的影响。 城市沿海地区的中央商务区和乘客的交通量受车站人口密度的影响。次中心城市的客运量受到周围土地性质的影响。Jungyul Sohn[8]对韩国城轨交通数据进行研究后得出的结论是，上班方式与城市整体位置分布的关系是一致的。在工作旅行模型中，发现职业分布对城市空间分布和密度分布的影响大于住房分布。何祎豪等人[9]构建以公路网络的表面密度和交通密度为指标评估公路网分布平衡的指标体系。联系基尼系数原理和高速公路网分配平衡评估方法，建立了高速公路网分布平衡评价模型，并实例分析苏州地区高速公路网。周清华[10]在论文中从许多衡量收入分配程度方法中选取了基尼系数并且从不同角度介绍了基尼系数的计算，并提供了使用基尼系数时所需要考虑的问题。李聪睿[11]考虑到人们的收入不平等随着经济发展的同时扩大的现象，描述失衡指数及其计算方法，系统引入了各种收入指标，利用基尼系数来权衡城市居民和城乡之间的收入不均等及这种现象的变化趋势。周雪莲[12]基于百度数据系统，收集了2010年至2016年的网络围观数据，使用基尼系数法讨论了湖南24个著名景区，并采用了景观网络的空间分布模式，建立交通客流的地理加权回归模型，分析湖南著名景区的客流和网络围观度的关系。廖继武[13]为了准确了解周边地区的客流特点，帮助周边地区发展旅游业，并以广东省肇庆市作为研究对象，根据基尼系数用于调查附近游客流量的时间分布特征及其影响机制的关联。最后论文结尾表明，在中心区结构下，周边地区客流的季节变化比较小，淡季和旺季不显著。张军谋[14]基于三部分进行研究：甘肃省来港客流的一般演化特征，各个城市和州的来港旅客流的演化特点，来往旅客流的地区分布特点以及1997年以来到2008年，来港旅客的地区分布，用基尼系数分析了甘肃省客流的地区差异，反映了甘肃地区之间客流的地区空间分布的差别程度以及该差别的年变动幅度。朱红兵[15]基于据入境游客到我国的流量具有重要的季节变化特性。全面讨论季节性客流形成的原理以及对目的地季节性特征的辩证评估。使用基尼系数分析入境游客流量中的季节性分布均衡性，对我国排名前十五位的旅游城市进行了调查。 根据最终调查，我国东部旅游城市的入境游客流量分布比较均衡，西部城市的入境游客流量分布比较密集。吕晓艳[16]以数据采集中的决策树法和基尼系数分析法为研究起点，以对铁路旅客的经营和售票需求为研究基础，综合铁路客票的特性，了解分析方法的缺陷基础上，构建有效的铁路客票数据分析模型，为改善铁路系统提供参考。房晋源[17]讨论不同类型交通系统运行的特点和当前公共交通分布的首要矛盾，应用基尼系数理论于交通网络的评估，建立基于效率和公平性的索引系统，研究不同类型城市公共交通网络的设计平衡性评估方法。刘华军[18]创建非期望产出的全局超效率凹凸映射的EBM模型,实地测试了国各省份和区域物流业效率,并采用基尼系数展示物流业时空分布和动态演变，以此评价中国各省份和区域物流效率。焦士兴[19]收集河南省2001-2018年粮食总产量等相关数据,用基尼系数分析粮食出产和浇灌用水特点及时间空间配合形式,发现河南省粮食出产量呈动态增长趋势,但河南省食粮浇灌用水量处于先上升后落下的趋向且空间差别显著。王剑辉[20]通过在民用航空范围中使用的广泛基尼系数平衡评估方法，研究一种量化飞行流分配不平衡程度的方案，得到时空分配的不平衡程度的指数，并使用该指数评估飞行流的时间很空间分配的不平衡水平。1.3 研究内容及技术路线1.3.1 主要研究内容本论文基于国内外现有的研究基础上，研究了城市轨道交通客流时空分布特性以及差异性。主要研究内容由两部分组成，如下：（1）客流时空分布特征的概念分析。分别对城轨线路客流的时间和空间分布特征的概念，一般特性进行归纳总结，以及构建相关线路客流时空分布分析指标。（2）分析三种典型线路客流的时间和空间分布特征以北京城轨线网三种典型的线路作为例子，运用相关指标分析线路的客流数据，综合分析了案例线路客流的时空分布特征及产生的理由。（3）基于基尼系数定量化研究城轨线路客流时空分布差异性，用matlab最小二乘法曲线拟合，对北京城市轨道交通线路客流均衡性进行讨论分析。1.3.2 技术路线本篇文章研究城市轨道交通客流的时空分布及差异性，是由五部分组成：第一章节是前言，大体描述了论文的研究背景，意义和国内外现状，以及重点内容；第二章是客流时空分布的特征分析，阐述了时空分布的相关定理，并且提出了有关的分析指标；第三章是用北京地铁具有代表性的不同类型的线路作为例子，以实际的客流数据，用本章建立的指标分析线路客流的时空分布特征和产生特征的原因；