高陽 顧保南

(同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海//第一作者， 碩士研究生)

截止2018年12月31日，我國已有36座城市(內(nèi)地32座、港臺地區(qū)4座)開通運營城市軌道交通線路，18座城市開通現(xiàn)代有軌電車線路[1]。其中，北京、上海、廣州等多地的城市軌道交通線路已經(jīng)開通運營10年以上，線路運營的水平和效率逐漸成為了城市公共交通發(fā)展的管理重點。在城市軌道交通運營費用構(gòu)成項目中，占比最高的是員工工資，其次便是電耗費用。根據(jù)北京、南京等地的地鐵線路運營經(jīng)驗，電耗費用一般占運營費用的20%以上[2-3]。因此，在保證客運服務(wù)質(zhì)量的同時，降低線路電耗成為了各運營公司減少成本支出的主要方向。

用于衡量城市軌道交通線路電耗的指標(biāo)類型較多，如描述列車運營公里與線路電耗關(guān)系的單位車公里總電耗指標(biāo)和單位車公里牽引電耗指標(biāo)，描述客運周轉(zhuǎn)量與線路電耗關(guān)系的單位人公里總電耗指標(biāo)和單位人公里牽引電耗指標(biāo)，以及牽引電耗在總電耗中占比指標(biāo)，等等。對城市軌道交通電耗的研究多集中在車站運營電耗和列車運行電耗的預(yù)測模型修正方面，通過量化分析電耗影響因素調(diào)整模型變量，例如：文獻(xiàn)[4]通過“列車運行計算系統(tǒng)”模擬分析了曲線、坡道以及列車質(zhì)量等因素對城市軌道交通線路電耗的影響；文獻(xiàn)[5]使用同樣的方法進(jìn)一步分析了車輛制式、列車滿載率、列車編組方案等因素對城市軌道交通線路電耗的影響；文獻(xiàn)[6]的研究認(rèn)為，線路敷設(shè)方式對地鐵線路的牽引電耗有顯著影響，并根據(jù)北京地鐵的電耗數(shù)據(jù)標(biāo)定建立了地下線和地上線的牽引電耗估算模型;文獻(xiàn)[7]統(tǒng)計了2006年北、上、廣等7座城市的部分軌道交通線路的電耗水平，并結(jié)合各線路具體運營情況分析了敷設(shè)方式、滿載率、客流量等因素與電耗的影響關(guān)系，但該研究時間較早，可能與當(dāng)前城市軌道交通電耗狀況存在差異。中國城市軌道交通協(xié)會(以下簡稱“協(xié)會”)的年度報告[8-10]中以城市為單位簡要統(tǒng)計了近年來全國城市軌道交通的電耗指標(biāo)平均值，沒有討論各城市的電耗指標(biāo)差異。

本文基于協(xié)會統(tǒng)計的各城市軌道交通運營單位上報的數(shù)據(jù)，分制式、分城市、分車型線路分析國內(nèi)城市軌道交通的電耗指標(biāo)，總結(jié)我國城市軌道交通的電耗指標(biāo)的影響因素，可為城市軌道交通節(jié)能減支措施的制定提供參考依據(jù)。

1 2015—2017年城市軌道交通線網(wǎng)不同制式的電耗統(tǒng)計分析

本文以2015—2017年國內(nèi)27座城市運營的城市軌道交通線路(不含當(dāng)年6月30日之后開通的線路)為研究對象，參照協(xié)會年度報告[10]和相關(guān)分析文獻(xiàn)[11]中線路的制式統(tǒng)計結(jié)果，將城市軌道交通線路分為地鐵、輕軌、單軌、中低速磁浮、市域鐵路、APM(自動導(dǎo)向軌道系統(tǒng))、有軌電車等制式。利用協(xié)會的基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算各類制式線路的單位車公里總電耗、單位人公里總電耗、單位車公里牽引電耗、單位人公里牽引電耗以及牽引電耗占比指標(biāo)，如表1所示。部分線路由于數(shù)據(jù)缺失未納入統(tǒng)計分析范圍。

結(jié)合表1及相關(guān)的電耗數(shù)據(jù)資料，歸納得到如下結(jié)論：

1) 不同制式線路的單位車公里總電耗差異明顯。APM最高，為12.082～13.460 kW·h；其次是中低速磁浮，為4.559 kW·h；再次是地鐵，為3.685～3.813 kW·h；然后依次是單軌、輕軌、市域鐵路、有軌電車。中低速磁浮的數(shù)據(jù)樣本較少(長沙磁浮快線2016年5月開通試運營，日均客流量尚不足1萬人次)，目前的結(jié)果還不具有可比性。單軌的單位車公里總電耗為3.004～3.189 kW·h，略低于地鐵，說明單軌系統(tǒng)總電耗并不比地鐵高，這與單軌系統(tǒng)主要采用高架敷設(shè)方式、設(shè)備配置較地鐵少有關(guān)。

表1 2015—2017年城市軌道交通各制式電耗指標(biāo)統(tǒng)計

2) APM的單位車公里牽引電耗明顯高于其他制式線路，為2.931～2.959 kW·h；中低速磁浮的單位車公里牽引電耗為2.153 kW·h，明顯高于地鐵。地鐵、輕軌、單軌、市域鐵路的單位車公里牽引電耗略有差異，但相差幅度較小，為1.679～2.024 kW·h，可能受車體質(zhì)量、滿載率、線路敷設(shè)方式及平縱斷面等因素影響。有軌電車的單位車公里牽引電耗數(shù)據(jù)波動較大，可能是數(shù)據(jù)樣本基數(shù)較小、每年變化幅度大等因素所致，還需進(jìn)一步考察。

3) 地鐵、輕軌、單軌的單位人公里總電耗、單位人公里牽引電耗的差異不明顯。2015—2017年，地鐵、輕軌、單軌的單位人公里總電耗為0.056～0.088 kW·h，單位人公里牽引電耗為0.034～0.042 kW·h。

4) 不同制式的牽引電耗占比(牽引電耗占總電耗的比例)也有明顯差異。有軌電車最高，為72.73%～72.82%；其次為市域快軌，為59.85%～63.74%；APM最低，為21.77%～24.50%。地鐵、輕軌、單軌的牽引電耗占比差異不明顯，可能受線路的敷設(shè)方式、設(shè)備配置、滿載率等因素影響，其更細(xì)的變化特征還需進(jìn)一步深入分析。

2 2017年不同城市的地鐵線路電耗指標(biāo)統(tǒng)計分析

在我國開通運營的各類城市軌道交通制式中，地鐵的應(yīng)用最為廣泛，有27座內(nèi)地城市開通了地鐵。本文將主要以地鐵A、B型車線路為對象進(jìn)行電耗指標(biāo)的分析。以城市為主要單位統(tǒng)計的2017年地鐵A、B型車線路電耗狀況如表2所示，各類電耗指標(biāo)的比較情況如圖1～3所示。

結(jié)合表2、圖1～3及相關(guān)的電耗數(shù)據(jù)資料可知，不同城市地鐵線路的各項電耗指標(biāo)均存在較大的差異，進(jìn)一步歸納得到如下結(jié)論：

1) 各城市地鐵線路的單位車公里總電耗變化范圍為2.771～7.101 kW·h，單位車公里總電耗最高值與最低值之比為2.56，變化幅度很大。石家莊、南寧、福州等城市的地鐵線路僅開通運營1～2年，單位車公里總電耗較高；北京、上海、廣州、南京等城市線路的開通運營時間均超過5年，單位車公里總電耗均較低。隨著線路客運量、列車周轉(zhuǎn)量的增加，單位車公里分?jǐn)偟膭恿φ彰饔秒姷停蚨档土藛挝卉嚬锟傠姾闹笜?biāo)值。運營時間較短的線路，其單位車公里總電耗指標(biāo)普遍較高；運營時間較長的線路，其單位車公里總電耗指標(biāo)普遍越低。此外，從上述圖表還可看出，車型不是影響總電耗指標(biāo)的最重要因素，例如，上海A型車線路的總電耗指標(biāo)值小于深圳、無錫、蘇州等城市的B型車線路。不同城市的單位車公里總電耗指標(biāo)差異巨大的原因還有待深入研究。

表2 2017年各城市地鐵分車型的電耗指標(biāo)統(tǒng)計表

圖1 2017年各城市地鐵A、B型車線路單位車公里總電耗與牽引電耗指標(biāo)比較圖

圖2 2017年各城市地鐵A、B型車線路單位人公里總電耗與牽引電耗指標(biāo)比較圖

圖3 2017年各城市地鐵A、B型車線路牽引電耗占比指標(biāo)比較圖

2) 各城市地鐵線路的單位人公里總電耗變化范圍為0.048～0.264 kW·h，最高值與最低值之比高達(dá)5.50，比單位車公里總電耗變化幅度更大。其變化特征與上述單位車公里總電耗類似，這里不再贅述。

3) 各城市地鐵線路的單位車公里牽引電耗變化范圍為1.116～2.509 kW·h，最高值與最低值之比為2.25。該指標(biāo)值較高的是廣州、深圳、石家莊、上海的A型車線路，較低的是哈爾濱、寧波、無錫、蘇州的B型車線路。A型車比B型車自重大，容納的客流更多，因而A型車的單位車公里牽引電耗比B型車的大。

4) 各城市地鐵線路的單位人公里牽引電耗變化范圍在0.028～0.115 kW·h，最高值與最低值之比為4.11。該指標(biāo)值較高的是南京、東莞、福州、無錫等城市的B型車線路，較低的是廣州、上海、北京、沈陽的B型車線路及廣州的A型車線路。負(fù)荷強度對單位人公里牽引電耗指標(biāo)有顯著影響，負(fù)荷強度增加，單位人公里牽引電耗指標(biāo)就會降低。表3列出了這些線路的日均負(fù)荷強度，由表3可見，單位人公里牽引電耗較高的4個城市線路的負(fù)荷強度均低于0.6萬人次/km，單位人公里牽引電耗較低的5個城市線路的負(fù)荷強度均高于1.5萬人次/km。

5) 各城市地鐵線路的牽引電耗占比變化范圍為30.00%～69.26%，最高值與最低值之比為2.31。其影響因素還有待深入研究。

3 地鐵電耗的主要影響因素分析

以制式或城市為組別計算的電耗指標(biāo)值在描述時模糊了線路之間的差異，由于線路的主要敷設(shè)方式、客運規(guī)模以及列車滿載率等對電耗水平均有不同程度的影響。受限于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文僅對地鐵A、B型車線路電耗的主要影響因素進(jìn)行分析。

表3 2017年單位人公里牽引電耗較高與較低的線路的日均負(fù)荷強度指標(biāo)

3.1 線路主要敷設(shè)方式

地鐵線路在高架段和地面段運行時一般處于開放式環(huán)境，不會產(chǎn)生地下段的通風(fēng)、照明等電能消耗項目，地鐵的電能主要使用在車輛牽引和動力照明設(shè)備兩大方面，牽引電耗占比指標(biāo)能夠反映出線路運營中電耗的總體情況[9]，因此地鐵線路的地下段比例越大，牽引電耗占比一般越高。圖4分別比較了北京地鐵B型車線路之間、上海地鐵A型車線路之間的地下段比例和牽引電耗占比指標(biāo)的變化情況，基本反映了線路主要敷設(shè)方式對牽引電耗占比的影響關(guān)系。

3.2 客運周轉(zhuǎn)量

客運周轉(zhuǎn)量是綜合體現(xiàn)線路旅客運輸規(guī)模和運輸距離的指標(biāo)。在線路長度和列車的運營公里不變的情況下，客運周轉(zhuǎn)量越高代表列車滿載率越高且線路的負(fù)荷強度越大，地鐵列車需要更多地為牽引電機等供電，牽引電耗占總電耗的比例一般會隨之上升。以2014年開通試運營的3條地鐵線路為例，2015—2017年間的年這3條地鐵線路的客運周轉(zhuǎn)量和牽引電耗占比變化情況如表4所示。

這3條線路在2015—2017年的列車運營公里數(shù)未發(fā)生明顯增長。由于2014年開始試運營，因此表4中線路在首個統(tǒng)計年度2015年的牽引電耗占比值較低，但隨著時間的推移，客運周轉(zhuǎn)量逐漸增大，牽引電耗占比指標(biāo)值也基本呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。

a) 北京地鐵B型車線路

線路試運營時間年客運周轉(zhuǎn)量/(萬人·km)牽引電耗占比/%2015年2016年2017年2015年2016年2017年無錫地鐵1號線2014-07-0130 598.8735 673.7640 120.3731.2733.3340.46南京地鐵10號線2014-07-0131108.7532878.2136359.3648.1250.7949.86無錫地鐵2號線2014-12-2819849.5223243.2827102.9236.5537.9244.09

3.3 線路負(fù)荷強度

線路負(fù)荷強度指標(biāo)是線路客運周轉(zhuǎn)量與線路長度的比值，反映單位長度地鐵線路上平均承擔(dān)的旅客周轉(zhuǎn)量。以北京和深圳的地鐵A型車線路為例，分析其線路負(fù)荷強度和單位人公里牽引電耗的關(guān)系，如圖5所示。圖5基本反映了線路負(fù)荷強度越大單位人公里牽引電耗越低的趨勢。這說明盡管線路負(fù)荷強度越高，列車的牽引電耗會隨之增大，但規(guī)模效應(yīng)使得單位人公里的牽引電耗值反而下降。

a) 北京地鐵A型車線路

3.4 線路平均滿載率

通過基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的線路客運總量、實際列車開行次數(shù)、列車編組及制式等運營指標(biāo)匡算得到線路的平均滿載率，這個指標(biāo)可以從地鐵列車的角度反映客流強度。以北京和深圳的地鐵A型車線路為例，分析其平均滿載率和單位人公里牽引電耗指標(biāo)關(guān)聯(lián)情況，如圖6所示。由圖6可見，總體上，隨著線路平均滿載率的提高，線路的單位人公里牽引電耗呈降低趨勢。

a) 北京地鐵A型車線路

4 結(jié)論

通過對2015—2017年協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1) 不同城市軌道交通制式的電耗指標(biāo)差異顯著。單位車公里總電耗指標(biāo)中，APM的表現(xiàn)高于其他制式，為12.082～13.460 kW·h，其后依次是中低速磁浮、地鐵、單軌、輕軌、市域鐵路、有軌電車；單位車公里牽引電耗指標(biāo)中，APM同樣明顯高于其他制式，為2.931～2.959 kW·h，中低速磁浮次之，地鐵、輕軌、單軌、市域鐵路的該項指標(biāo)表現(xiàn)較為接近，為1.679～2.024 kW·h；地鐵、輕軌、單軌的單位人公里總電耗、單位人公里牽引電耗的差異均不明顯，前者為0.056～0.088 kW·h，后者為0.034～0.042 kW·h；牽引電耗占比指標(biāo)中，有軌電車最高，為72.73%～72.82%，市域鐵路次之，APM最低。

2) 不同城市地鐵A、B型車線路的電耗指標(biāo)同樣存在較大差異。各城市地鐵線路的單位車公里總電耗變化范圍為2.771～7.101 kW·h，單位人公里總電耗變化范圍為0.048～0.264 kW·h，單位車公里牽引電耗變化范圍為1.116～2.509 kW·h，單位人公里牽引電耗變化范圍為0.028～0.115 kW·h，牽引電耗占比變化范圍為30.00%～69.26%。其中，單位車公里總電耗與單位人公里總電耗指標(biāo)受線路開通時長的影響較大；單位車公里牽引電耗指標(biāo)受車型影響，A型車線路普遍高于B型車線路；單位人公里牽引電耗指標(biāo)與線路的日均負(fù)荷強度大體呈反比關(guān)系。

3) 敷設(shè)方式、客運周轉(zhuǎn)量、負(fù)荷強度、滿載率對地鐵電耗指標(biāo)值的影響顯著。線路的地下段比例越高、線路客運周轉(zhuǎn)量越大，牽引電耗占比指標(biāo)一般越高；線路負(fù)荷強度越大、線路平均滿載率越高，單位人公里牽引電耗越低。