於岳亮 上海穩得科技交通能源研究所
0. 傳統地鐵的痛點
世界上首條地下鐵路系統是1863年英國開通的“倫敦大都會鐵路”，當時只能用蒸汽機車牽引，1906年倫敦市才采用電機驅動，成了當今現代地鐵的雛型。經過一個多世紀的發展，今天的地鐵輕軌已成為城市交通的主角、現代化大都市不可或缺的標配。
地鐵運量大、能效高、速度快、節能環保，且具有獨立的路權，是城市地面交通嚴重阻塞后最理想的替代交通手段。成為我國大城市內交通的主干線，地鐵織就一張立體快捷的交通網絡，克服平面公交的不足，為人們的衣食住行提供最大的便捷。
我國是當今全球地鐵大國，上海北京地鐵運營里程為全球冠亞軍，并還在不斷建設新線，更不要說二線三線城市建設地鐵的積極性了。
但問題是，花了幾百億元巨款，數年動遷封路改造艱辛建成的多條線路，10年20年過后紛紛發現運力不夠，高峰時段列車擁擠不堪，嚴重影響到上班族乘客的工作休息，值得社會深度關注。
圖1 拆遷占路、轟轟烈烈的地鐵建設現場
也就是說，地鐵建設的高成本，與所建成地鐵運力不足、列車擁擠不堪，這對矛盾糾結纏繞，很難解決，已成為當今地鐵建設的技術難點和社會痛點。
圖2 北京地鐵擁擠的局面、不忍目睹
這個痛點揭示著一個業內人士也許還不敢承受的現實：傳統地鐵系統的規劃設計建設運行還跟不上現代城市快速發展的巨大需求。
這一社會痛點促使我們去探索更新更有效的解決方案，超級地鐵系統呼之欲出。
圖3 擁擠地鐵的慘象，享受還是受罪？
1. 超級地鐵系統的定義和特征
超級地鐵系統是載客運量遠大于現有地鐵、并由超編列車擔綱客運任務的另一種城市快速客運地鐵體系。它不屬于將現有地鐵運量按投資比例簡單增加的技術體系，而是一種從量變到質變，突破原有技術束縛，解放生產力的新系統模式，但又能與現有傳統地鐵友好兼容的新技術體系。
超級地鐵系統以其比現有傳統地鐵系統為低的單位公里和單位運量建設成本，建成一條接近于傳統地鐵二倍運力的新線路；或者以非常簡要的間接成本，改造運力緊張的傳統線路，使運能最高增加到85%左右的新體系。
超級地鐵系統與傳統地鐵不同的顯著特征是，現有傳統地鐵的列車不能超過站臺長度，這就是傳統地鐵無法擴大運量的機制性約束。而相反的是，超級地鐵系統的特征，正是采用了超過站臺長度的超編列車。超編列車的長度在傳統地鐵列車最大編組長度的一至二倍范圍內。因此，超級地鐵系統的載客量可高達傳統地鐵的120%-185%之多，超級地鐵系統標志著傳統地鐵技術生產力在新系統中的解放突破。
今天，地鐵以其高效快速大運量，節能環保準時的特點，已然成為現代化城市的標配，我國一線城市公共交通的主角。
圖4 舒適漂亮的地鐵列車
我國地鐵的現狀
截至2017年底，中國內地累計有34個城市建成投運城軌線路5021.7公里。據統計，目前中國城市軌道交通地鐵的通車里程最長的城市為上海，地鐵里程總計長度為636.37公里，位居全球榜首。總計通車里程超過100公里的還有北京、廣州、深圳、武漢、南京、成都、重慶、蘇州、天津和杭州等11個城市。。
2017年新增石家莊、珠海、貴陽、廈門4個運營城市；新增33條運營線路，868.9公里運營線路長度。新增線路再創歷史新高，比2016年新增線路534.8公里增加334.1公里，增幅達62.5%，可見地鐵有很大的發展需求。至于輕軌，由于造價低、經濟性高，今后在三線城市的發展更快。
據最新統計，北京2017年總客流量達到45.3億人次，日平均高達1241.1萬人次；上海2017年總客流量達到39.54億人次，日平均高達1083.3萬人次。北京、上海地鐵運量已超過城市公交汽車運量。此外，廣州地鐵日均883.2萬人次，深圳540.49萬人次，在許多城市中都發揮了重要作用。
但是，在一些早期建設的地鐵中，高峰時段地段人滿為患、列車嚴重超載的情況屢見不鮮。雖然運營部門通過增加列車編組、縮短停站時間、加密列車數量取得一定效果，但是還不足以從根本上扭轉上下班高峰時列車擁擠狀況，給上班族的工作學習帶來不便。
圖5 富麗堂皇的地鐵車站
2. 傳統地鐵的規劃設計
在提出解決傳統地鐵運力不足問題之前，有必要探討造成當今地鐵高價低效問題的根源。
地鐵的客運量通常是隨城市發展逐步連續增長的，為保證地鐵在建成后不致長時期欠負荷運營或短期內頻繁擴容改造，并節約初期的建設投資，地鐵通常應按經濟合理原則分階段進行投資建設。
地鐵的設計年限分為初期、近期、遠期三個階段，我國采用的設計標準是：初期為建成通車也就是交付運營后第3年，近期為第10年，遠期為第25年。分期的目的主要為在通車的初期階段少配車輛，以減少初期投資。
設計使用年限是指在一般維護條件下，能保證主體結構工程正常使用的最低時間。與主體結構相聯的構件，如車站內部的鋼筋混凝土樓板、站臺板、樓梯等，當維修或置換會影響正常運營時，其設計工作年限也宜采用100年的長時限。
由于地鐵系統屬大型建設工程，投資大、建設周期長，為節省初、近期投資和避免一些后期才使用的設備長期閑置，對于諸如有的地面和高架車站結構以及車輛、供電、行車自動化系統等設備的配備，可以以分期建設的工程及設備，應分期擴建、增設。但對于后期擴建困難很大或再次施工時對周圍環境會帶來極不利影響的工程，以及行車需要一次建成的工程，如地下車站及各種地下大型工程、區間隧道及橋梁、路基、軌道等土建工程，應予一次建成。
按照地鐵設計規范（GB 50157－2003）3.2.1的規定“地鐵的設計運輸能力應滿足預測的遠期單向高峰小時最大斷面客流量的需要”和8.3.1“站臺計算長度應采用遠期列車編組長度加停車誤差”。這兩個“應”已成為地鐵設計的金科玉律。
殊不知，正是這一金科玉律的約束限制了列車運能的增加，造就了地鐵的極度擁擠。因為只有地鐵的設計運能正確充分預測到將來最大客流量的需求，才能確定列車最大編組和站臺長度的數據，但問題是預測是個不確定數，而車站和站臺一旦建成，卻已成定局，很難改變。于是乎，列車的長度也被限制在建成站臺內，列車再也無法通過增加編組而擴大運力。
3.傳統地鐵的停站方式
之所以在地鐵設計規范規范中強條規定，站臺長度應超過列車編組長度，這是因為地鐵站距短、乘客數量大、上下車頻繁，為列車在停站時，能保證乘客方便快捷地上下車，必須將列車的編組限制在站臺長度以內。這就牽涉到傳統地鐵列車停站的經典模式。
教科書概括的軌道交通列車停站方案一般有站站停、區段停車、跨站停車、部分列車跨多站停車四種①。
1)站站停車：列車在全線所有車站均停車。與其他停車方案相比，線路上開行列車種類簡單、不存在列車越行，乘客無須換乘、也無須關注站臺上的列車信息顯示。目前，城市軌道交通大多數采用這種方式。
這種停站方案，在跨區段、長距離出行乘客比例較大時，在車輛運用與乘客服務水平方面效果較差。
2)區段停車：區段停車在長短交路情況下采用，長交路列車在短交路區段外每站停車，但在短交路區段內不停車通過；而短交路列車則在短交路區段內每站停車，短交路列車的中間折返站同時又是乘客換乘站。
采用區段停車方案有利于壓縮長距離出行乘客的乘車時間和減少車輛運用、降低運營成本。但在行車量較大的情況下可能會產生越行，需要修建測線；且在不同交路區段上下車的乘客會增加換乘時間，而在短交路區段上下車的乘客會延長候車時間。
3)跨站停車：跨站停車是在長交路情況下采用，線路上運行A、B兩種停站方式的列車，A、B、C為線路上三種類型的車站，A類列車僅停A型、C型站，在B型車站通過；B型列車僅停B、C站，在A型車站通過；C型站作為兩類列車的換乘站。
由于A、B兩類車站的列車到達間隔加大，在A、B兩類車站上車乘客的候車時間有所增加；此外，在A、B兩類車站間上下車的乘客需要在C類車站換乘，會增加換乘時間及帶來不便。
跨站停車方案比較適用于C類車站上下車客流較大，并且乘客乘車距離較長的情況。
4)部分列車跨多站停車：部分列車跨多站停車是指線路上開行兩類長交路列車，即普速、站站停列車和快速、跨多站停列車，快速列車只在線路上的主要客流集散站停車，而在其他站則不停站通過。
上述諸停站方案中，方案1）是最常見，也是用得最多的。方案2)相當于地面公交的區間車，在地鐵的繁忙區段經常采用。而方案4）相當于地面公交的大站車，但因其軌道設計復雜、成本高，所以沒有廣泛采用，上海地區地鐵16號線有此運行功能。而方案3）國內尚少采用，據稱北京地鐵1號線已考慮在高峰時段采用。
4.超級地鐵是如何打破規范對列車編組約束限制的
首先必須明確，增加地鐵運力，將消除城市交通的一個巨大痛點，滿足包括高峰時段在內乘客大運量出行需求，具有廣泛的社會價值，也有巨大的經濟利益，值得我們去研究落實解決。
同時，我們也應看到，像所有的好事一樣，也得付出一定的社會代價和經濟成本。例如列車運行模式和組織形式的改變，需要地鐵運營管理部門一定的付出，線路車站不適應的局部設施有微小的調正，需要一定的改造成本。乘客乘車習慣的任何變化、開始的時候需要有個適應過程，會帶來一定的不便。但這些代價和成本與新系統帶來的社會價值和經濟利益相比較，非常地小。
超級地鐵增加運能的最起始的方法，就是列車法，即增加1~2節車廂的列車編組，適當改變增加車廂車門結構，采取車門控制的方式，使超編車廂內的乘客可以直接或間接上下車，這是第一種超編列車。
這種超編列車的實施要點之一是，最大限度保證超編車廂內縱向通道的通暢流動，使乘客盡最大的方便上下車，這就牽涉到列車結構的改變和重新設計。
另一要點是盡量采用節能型列車的設計，使得超編列車在保持原有運行速度的前提下，減少能耗，消除牽引供電網擴能改造的附加成本。
采用列車法超編列車，隨著超編車廂的增多，乘客上下車的距離越來越大，所以其增加的運能受到很大的局限。
超級地鐵的第二種方法是采用稱為合分聯運模式的超編列車。即多編組列車聯合運行分段停站的方法。
5.超級地鐵的合分聯運模式
軌道交通合分聯運方法②，開始時是為解決高鐵的快速性與停站所產生的時間上的沖突矛盾而產生的一項突破性技術方法。
軌道交通的基本特征是鋼輪在鋼軌上滾動，其摩擦損耗小、驅動效率高，節能綠色，輪軌地鐵的鋼輪和鐵軌的滾動摩擦系數通常在0.002左右，而汽車橡膠輪胎與路面間的膠地滾動摩擦系數通常在0.01左右，因此地鐵與汽車驅動能耗之比為1:5。易于實現高能效高速大運量運輸，這是其最大的優勢，但是，其劣勢也是很明顯的，那就是軌道交通的機動性特別差。
軌道交通合分聯運，就是通過“合”操作，更好地發揮其長處，將更多車廂合在一起運行，既增加了運力，又降低了能耗，更提高擴大了線路利用的效率；而遇到行和停的矛盾時，則采用“分”操作，使該走的不停，該停的不走，則解決了停與行的機動性問題。創造出停站比慢車多、旅行速度比快車還快的理想模式，顛覆了鐵路系統“停站多必成慢車”的公認規律。
合分聯運同樣以其“合”或“分”的不同操作運用于地鐵系統中發揮更大的技術經濟效能，是一種能實現地鐵運力大幅提高的方法論。當然，由于地鐵與高鐵的結構和運作方式存在的巨大差異，在地鐵中，具體怎么合、怎么分與高鐵合分的差異也非常大，而且地鐵合分是多元的，遠比高鐵復雜。
舉一個最簡單的例子，如果采用類似高鐵的重聯方式將兩列8編組地鐵列車A車和B車合在一起聯合運行，就可以參照傳統地鐵停站方式中的3）—— 跨站停車方案的站站停運行，列車分前后兩段停靠站臺，使線路運能幾近翻倍。
6．超級地鐵系統的實際應用
超級地鐵系統由列車制造技術、線路牽引供電技術和列車運行技術等技術群所集成，所以涉及地鐵運行管理、政府規劃、設計建設、列車制造等眾多產業鏈，涵蓋地鐵全產業領域。
1)既有線運能提高，即對運力不足、高峰時段擁擠不堪的既有線路作擴能升級，以客戶提能要求為目標，結合每一條地鐵線路的實際結構狀況，選擇最佳運能增幅且合適經濟投入的方案，進入設計施工階段，經運行一定時間合格驗收后進入常規運行階段。超級地鐵系統可能為面條線路創造的經濟利益等級在億元至十億元級。
2)采用超級地鐵新系統對新建線路作規劃設計，首先可以消除設計師對線路未來遠期最大運量不確定性預測的擔憂，也就可以在有確保運能托底的條件下適當降低站臺長度，在同樣的最大載客量定值下降低約2%-5%的建設投資。相當于買一個保險的費用。目標市場可能創造經濟利益的等級在億元至幾十億元級。
3)對于政府層面來說，超級地鐵系統可以通過擴大既有線路運能的新途徑，減少建設新線的成本，例如，化很小的改造成本，將一條成熟老線的客運量提高85%，接近于建造一條新線的水平，可能省下接近建設一條新線的投資。可節省幾百億元的新線投資、縮短幾年的建設期。這將對城市地鐵網絡建設布局產生重大影響，節約大量投資成本，減少政府債務壓力。同時，也為國家發改委批準項目立項提高通過概率，為壓縮地鐵建設期和對城市交通、拆遷工作的壓力創造條件。目標市場可能創造經濟利益的等級在百億元（一條線）至千億元級（多條線）。
4)對于列車制造產業來說，本項目的節能型超編列車技術可向列車制造廠提供高載量節能列車的研發制造技術支持，按創收的經濟利益，收取1%-2%左右的專利使用費。目標市場可能創造經濟利益在數億元至數億元的等級。
7. 結論
超級地鐵是由超過站臺長度的超編列車③擔負客運業務的一種新穎軌道交通系統，首先是由超過規范規定的最大編組長得多的列車大幅度增加了系統的運能，其次較短的站臺降低了地鐵的建設投資，所以超級地鐵已從量變到質變，成為遠超現有傳統地鐵單向最大客流量5~7萬人次/小時的、更高運量標準的新系統。將有效降低新線建設的成本。
由于超級地鐵能與現有傳統地鐵系統友好兼容，所以適合采用超級地鐵系統的理念改造現有運能不足的擁擠線路，改善乘車條件，造福社會。
對這么一種廣領域的技術業務，我們所能做的僅僅是提供具體解決方案和技術支持，而大量工作還有賴于政府和地鐵規劃設計、建造運行管理全社會力量共同參與努力，方可達至完美目標。
參考文獻：
① 范立南 叢延峰 肖倩，城市軌道交通運行，清華大學出版社, 2017年11月，p76-78
② 軌道交通合分聯運方法，中國發明專利CN 102602433A
③ 中國實用新型專利申請201721644203.X, 不受站臺長度限制的地鐵超編列車系列
