劉 羽，李凱龍

（1.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100191；2.中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司，北京100083）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民生活水平顯著提高，小汽車保有量持續(xù)增長，為居民出行帶來便利，但同時(shí)也帶來了環(huán)境污染；因此，綠色交通出行方式越來越受青睞，也成為交通研究人員的主要關(guān)注方向。其中，現(xiàn)代有軌電車作為小運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，以轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)輸方式靈活、建設(shè)費(fèi)用低、建設(shè)周期短等優(yōu)勢在中小城市擁有廣闊的發(fā)展前景，近幾年在全國范圍內(nèi)修建里程逐年攀升[1]。截至2019年底，全國現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營里程達(dá)到417 km，2019年新增里程88.1 km，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國有近20個(gè)城市在修建現(xiàn)代有軌電車線路，總里程近500 km[2]。

目前，國內(nèi)有運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)代有軌電車供電方式主要有：接觸網(wǎng)受流、地面三軌受流、電磁感應(yīng)供電以及儲(chǔ)能式供電四種[3]。其中，儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車又分為超級(jí)電容+蓄電池供電以及蓄電池集中充電后供電兩種方式。蓄電池集中充電的現(xiàn)代有軌電車目前以一種強(qiáng)科技感、未來感的車型進(jìn)入國內(nèi)市場，作為現(xiàn)代有軌電車的后起之秀，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注；但集中充電式車輛因受到蓄電池續(xù)航能力的影響，需要更多的運(yùn)用車來支持列車行運(yùn)計(jì)劃，因此在運(yùn)用車數(shù)量選取時(shí)可能會(huì)存在不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。本研究對(duì)集中充電式和非集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車需求數(shù)量進(jìn)行比較分析。

1 不同充電方式運(yùn)用車數(shù)量計(jì)算分析

1.1 項(xiàng)目概況

某現(xiàn)代有軌電車線路長9.05 km，共設(shè)站7座，平均站間距1.51 km，起點(diǎn)處設(shè)置車輛基地一座。由于線路較短，設(shè)站較少，采取單一運(yùn)行交路，見圖1。

圖1 列車運(yùn)營交路

線路運(yùn)營時(shí)間為5：30—22：30，早高峰時(shí)段為7：30—8：30，晚高峰時(shí)段為17：30—18：30。近期高峰最大斷面客流量2 880人次/h，遠(yuǎn)期高峰最大斷面客流量4 896人次/h。列車方案按照近期3編組，遠(yuǎn)期4編組設(shè)計(jì)。

假設(shè)一模塊定員為60人，近期列車3編組定員180人，遠(yuǎn)期列車4編組定員240人，全日列車運(yùn)營計(jì)劃見表1。

表1 全日列車運(yùn)行計(jì)劃 對(duì)

續(xù)表1

1.2 非集中充電式

非集中充電式現(xiàn)代有軌電車不用回車基地集中充電，有接觸網(wǎng)供電、地面第三軌供電、電磁感應(yīng)供電、超級(jí)電容儲(chǔ)能等蓄電方式[4]。此類車輛在列車運(yùn)行過程中可以進(jìn)行電量蓄能，不需耗費(fèi)額外的時(shí)間進(jìn)行電池集中充電，車輛利用率高。

由表1可知，近、遠(yuǎn)期高峰列車分別為18、24對(duì)/h；則近、遠(yuǎn)期高峰列車最小發(fā)車間隔為3.3、2.5 min。在交路長度9.05 km的前提下，設(shè)計(jì)速度按70 km/h計(jì)算，但考慮停站時(shí)間，列車旅行速度取36 km/h，起、終點(diǎn)站折返時(shí)間總和取6 min，則列車最小周轉(zhuǎn)時(shí)間為37 min。按照列車運(yùn)能富余10%～15%的區(qū)間考慮，線路輸送能力見表2。

表2 非集中充電式現(xiàn)代有軌電車線路輸送能力

在滿足線路運(yùn)營需求的前提下，近、遠(yuǎn)期運(yùn)用車所需數(shù)量分別為11、15列，近、遠(yuǎn)期線路輸送能力分別剩余12.5%、15%，可以滿足現(xiàn)代有軌電車線路運(yùn)營組織要求。

1.3 集中充電式

集中充電式現(xiàn)代有軌電車屬于有軌電車儲(chǔ)能供電技術(shù)中的一種，與非集中充電式現(xiàn)代有軌電車最大區(qū)別是其受電池續(xù)航能力影響，須回車輛基地集中充電。車輛集中充電不需要像接觸網(wǎng)、第三軌供電一樣在線路中布設(shè)復(fù)雜的供電設(shè)施，基本為靜態(tài)充電，過程較為安全且減少了牽引網(wǎng)絡(luò)的增設(shè)費(fèi)用，具有更好地經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性[5]。但為保證線路的持續(xù)運(yùn)營，此類車輛在集中充電過程中必須由一列滿電車輛替換充電車輛繼續(xù)運(yùn)行，尤其是在線路發(fā)車頻率較高的高峰時(shí)段，車輛的運(yùn)用車需求明顯增加。

集中充電式現(xiàn)代有軌電車車輛性能參數(shù)：

1）滿電量可以運(yùn)行約150 km，正常運(yùn)營時(shí)，需保證車輛回到充電位時(shí)電池剩余電量不低于10%，本研究列車回到綜合車場充電時(shí)，剩余電量按照總電量的30%計(jì)算；

2）車輛由0充電到100%需要1.2 h；

3）當(dāng)軌道交通線路為9.05 km時(shí)，車輛滿電可運(yùn)行圈數(shù)取5圈（從起點(diǎn)發(fā)出到回到起點(diǎn)）且保證了列車運(yùn)能富余10%～15%。

本研究中，集中充電式現(xiàn)代有軌電車的列車運(yùn)行計(jì)劃、發(fā)車間隔、旅行速度、折返時(shí)間等運(yùn)營特性均與非集中充電式現(xiàn)代有軌電車保持一致，根據(jù)集中充電式現(xiàn)代有軌電車參數(shù)并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，按照“電量用盡（剩余30%）充電，電量充滿運(yùn)行”的原則對(duì)運(yùn)用車數(shù)量選取進(jìn)行研究，見表3和表4。

表3 集中充電式有軌電車近期運(yùn)用車方案

續(xù)表3

表4 集中充電式有軌電車遠(yuǎn)期運(yùn)用車方案

續(xù)表4

在滿足線路正常運(yùn)營需求的前提下，近、遠(yuǎn)期運(yùn)用車方案均出現(xiàn)晚高峰運(yùn)用車數(shù)量增大的現(xiàn)象。這是由于一些車輛在經(jīng)過早高峰和中午的平峰后，晚高峰時(shí)電量不符合開行標(biāo)準(zhǔn)，必須加開新的列車。對(duì)集中充電式有軌電車運(yùn)用車數(shù)量選取方案進(jìn)行研究，近、遠(yuǎn)期運(yùn)用車所需數(shù)量分別為15輛、23輛。

2 量化不經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

在相同的運(yùn)營計(jì)劃下，集中充電式現(xiàn)代有軌電車與非集中充電式現(xiàn)代有軌電車相比，運(yùn)用車需求在近、遠(yuǎn)期均存在數(shù)量增加不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，為明確運(yùn)用車數(shù)量需求的不經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)其量化

式中：α——非集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車數(shù)量需求；

β——集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車數(shù)量需求。

當(dāng)線路長度為9.05 km時(shí)，為滿足列車運(yùn)營計(jì)劃，非集中充電式現(xiàn)代有軌電車近、遠(yuǎn)期運(yùn)用車數(shù)量分別為11、15列；集中充電式現(xiàn)代有軌電車近、遠(yuǎn)期運(yùn)用車數(shù)量分別為15、23列。

根據(jù)式（1），近期集中充電式現(xiàn)代有軌電車不經(jīng)濟(jì)指標(biāo)p1為36%，遠(yuǎn)期p2為53%。兩種不同充電類型的車輛在近、遠(yuǎn)期發(fā)車間隔分別為3.3、2.5 min時(shí)，隨著發(fā)車頻率的增加，集中充電式現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)用車數(shù)量需求也會(huì)隨之增加；發(fā)車頻率越高，集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車數(shù)量需求的不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象越凸顯。

3 結(jié)論

集中充電式現(xiàn)代有軌電車具有科技感強(qiáng)、現(xiàn)代化、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢，但因蓄電池須回車輛段集中充電的特點(diǎn)，在運(yùn)用車數(shù)量需求上存在不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。本研究針對(duì)集中充電式現(xiàn)代有軌電車與非集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車數(shù)量需求展開分析，最終得出，當(dāng)線路長度在10 km左右且在列車運(yùn)營計(jì)劃一致的前提下，為滿足現(xiàn)代有軌電車線路的運(yùn)營需求，集中充電式現(xiàn)代有軌電車在近期相比非集中充電式現(xiàn)代有軌電車的需求率高36%左右，遠(yuǎn)期高53%左右且列車發(fā)車頻率越高，集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車數(shù)量需求越高，不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象越明顯。

針對(duì)集中充電式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)用車數(shù)量的選取，本研究只采用了“電量用盡（剩余30%）充電，電量充滿運(yùn)行”的較極端原則且線路只在始發(fā)端設(shè)置車輛段，考慮到列車在終點(diǎn)站返程時(shí)發(fā)生故障的極端現(xiàn)象，為電量留有一定富余且保證后方救援車輛可以回到綜合車廠。實(shí)際運(yùn)營中，車輛在特殊情況下可以在未充電至100%的情況下上線運(yùn)營，例如未滿電列車可以在晚高峰時(shí)期運(yùn)營，待晚高峰結(jié)束后回車輛段繼續(xù)充電，避免了上線新的運(yùn)營車輛增加成本，但如何在運(yùn)用車選取時(shí)結(jié)合充電時(shí)間的靈活性降低運(yùn)用車上線運(yùn)營數(shù)量，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。