路网条件下旅客列车运行方案图编制问题研究综述

陈钉均 徐长安 倪少权 潘金山

1. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都610031

2. 西南交通大学，全国铁路列车运行图编制研发培训中心，成都610031

3. 西南交通大学，综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，成都610031

3. National and Local Joint Engineering Laboratory of Comprehensive Intelligent Transportation,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

0 引 言

列车运行图是铁路运输工作的综合计划，是协调铁路各部门、单位按一定程序进行生产活动的工具，它体现着铁路工作的各种质量指标和数量指标，其编制质量的好坏，直接影响铁路运输工作的安全、效益和服务水平。而我国铁路运输具有需求大、客货混跑、单位线路运量居世界第一等特点，列车运行图编制需要解决来自提高客货服务质量和通过能力利用等多方面的冲突，铁路列车运行图编制的复杂性与困难性较其它国家更为突出[1]。虽然我国铁路已广泛采用计算机编制列车运行图，彻底改变了传统的手工作业编图方式，但随着高速铁路和普速铁路的贯通成网运营，铁路开行的旅客列车种类和数量繁多，路网复杂性增大，施工对运输组织的制约条件相比过去更加严格，既有列车运行图编制系统的自动化程度与实际要求相比还有较大差距，在铁路列车运行图的编制工作中，人机交互调整的工作量仍然很大。旅客列车运行方案图的编制重点在于解决列车运行图的整体布局问题，它是铁路列车运行图的骨架和核心，在很大程度上决定了列车运行图的质量水平。但一直以来，对旅客列车运行方案图编制质量起着决定性作用的列车始发方案主要是人工凭经验通过反复试探得到的，列车运行方案图编制的智能化亟待深入研究。

本文深入分析了我国路网条件下旅客运输组织的复杂性特征，基于国内外旅客列车运行方案图优化的大量研究成果的系统分析，提出了在优化方法和优化内容上进一步研究的展望。

1 路网条件下旅客运行方案的复杂性特征

高速铁路和普速铁路贯通成网条件下，铁路客运网络愈加复杂，而且，还需要实现长途与短途普速列车、本线与跨线高速列车、城际与干线高速列车运行方案的优化。因此，旅客列车运行方案图优化问题变得更加困难。其复杂性特征主要表现在以下几方面：

（1）路网构成更加复杂，研究范围大大增加。在高速铁路与普速铁路贯通成网运营条件下，旅客列车运行方案优化问题所研究的对象不再仅局限于高速铁路或普速铁路本身，而是既包括高速线路，也包括普速线路的整个相关路网；研究的范围既包括高速线路、普速线路上的旅客列车，还包括跨线旅客列车等整个路网上旅客列车运行方案。

（2）客流的跨线组织。在该路网条件下，高比例的跨线客流是我国铁路客运市场的重要特征之一。以京沪高速铁路线路为例（如表1所示）[2]，跨线客流比例达到了 47%，某些区段跨线客流甚至超过了50%。同时，高比例的跨线客流，使得旅客列车运行组织异常复杂。

表1 2010年京沪铁路运量水平/万人Tab.1 2010 Beijing-Shanghai railway passenger volum level/（ten thousand）

（3）高速铁路与普速铁路列车运行线的协调。高速铁路与普速铁路列车运行线相互影响、相互制约。两者的协调主要体现为高速铁路、普速铁路列车运行线的合理接续和跨线列车与本线列车运行线能力协调。尤其是本线列车和跨线列车存在着速差，跨线列车运行线对本线能力利用影响显著。同时受本线列车等级、密度、天窗方案的形式及时间制约。因此，协调高速铁路与普速铁路运行线关系到整个列车运行方案图的编制质量。

（4）天窗方案的影响。一方面，目前开通运营的高速铁路均设置矩形综合维修天窗，天窗内禁止列车运行，造成列车无法夜间运行。但在高速铁路与普速铁路贯通成网运营条件下，长途高速列车可能需要在夜间运行。另一方面，列车运行线布局对普速铁路天窗设置存在直接影响，同时天窗开设方案又制约了跨线列车的开行时间域，直接关系到列车运行方案图的质量。

（5）旅客需求质量日益提高。随着经济的发展和人们生活水平的提高，旅客对出行质量的要求越来越高，旅行时间在12小时左右的列车应“夕发朝至”或“朝发夕至”，城际、高速铁路列车需满足分时段客流量需求，开行时刻应尽量规律化、节拍化，对不能组织直达运输的客流，合理规划换乘列车在时间上的接续。因此，旅客列车运行方案编制必须坚持路网整体性、产品多样性、节拍式运输、换乘便捷性以满足成网条件下客流形态特征、客流变化的影响因素以及客流的时空分布特点的需要，这对列车运行方案的优化提出了更高要求。

2 国内外研究现状

自从高速铁路出现以来，国内外对它的研究就从来没有停止过。随着高速铁路的建设、投入运营以及不断发展，关于高速铁路与普速铁路贯通成网条件下运输组织模式、开行方案、运行图等问题也成为诸多专家学者研究的热点和重点。

（1）国外列车运行方案图编制理论研究成果对我国的适用性。

国外高速铁路经过几十年的发展，已形成了比较先进、完善的运营理念。日本、法国、德国等高速铁路技术发达国家，依托先进的技术装备，结合本国的经济发展水平、社会文化发展程度、高速铁路网的特征及其与普速铁路的衔接情况，形成了与本国国情相匹配的列车运输组织方法（如表 2所示），取得了良好的经济效益和社会效益。此外，我国台湾，目前运行高速铁路线路为台北-高雄线，线路全程为345 km，并釆用换乘方式完成跨线客流的输送，即高速列车只在高速铁路本线上运行，旅客需进行换乘作业才能从高速铁路换乘到铁路普速线路上。与发达国家相比，我国铁路具有 3个重要特点[3]：一是负荷高，这使运输过程中相关因素之间的协调难度成几何级数增加[4]，建模的难度也迅速增加；二是长距离列车多，夜间行车的列车组织模式及设备维修计划等问题，极大地增加了计划编制过程的复杂性；三是需要考虑高速铁路、普速铁路的运营协调与兼容，涉及的网络复杂度显著增加。并且，从我国的现实条件出发，跨线运行方式将是我国铁路在一定时期内完成跨线客流输送作业的主要方式。以该方式为主，换乘和下高速线方式为辅，承担起繁重的跨线客流输送任务[2，5-17]。

表2 国外高铁的发展状况对比Tab.2 Comparation of foreign high-speed rails

因此，基于国情、路情的不同，国外相关研究主要围绕高速铁路宏观发展[16]、效益评价[18]、调度优化[19-20]、需求预测[21]、运行图优化[22-32]等方面；也有基于相关因素为优化目标的高速铁路与普速铁路客运市场划分[33]、多条轨道径路选择的研究[34-35]，但侧重于交通分配理论，涉及铁路路网运输组织的内容不多。这是因为国外铁路大多能力相对富裕，不存在客货争能、运量与运能矛盾突出的问题，且新、旧平行线之间独立运行，所以，很少有关于高速铁路与普速铁路之间运输组织协调理论研究的相关文献。

（2）旅客列车运行方案图编制问题研究现状现有部分研究关注了单一普速铁路或高速铁路旅客列车运行方案图编制优化方法。其中，符卓教授[36]通过定量化方法将旅客列车运行方案图编制问题转化为一个多目标优化问题，给出了第一层优化目标—— 方便旅客旅行的启发式算法，并将一天24小时划分为多个方便程度不同的时间段，将方便旅客旅行问题转化为指派问题[37]。以方便旅客旅行为目标方面，郭富娥研究员[38]通过讨论列车会让、枢纽站行车间隔、运行线调整等处理方法，提出了人机相结合方法编制旅客列车运行方案图。特别是史峰教授[39]考虑了旅客对列车发车时间的偏好选择，设计了基于旅客列车始发时间分布的旅客出行选择网络，提出以旅客出行总费用最少为优化目标，建立了旅客列车始发时间分布的双层规划模型。Cadarso先生[40]以乘客最大满意度为目标对旅客列车运行方案图编制优化方法做了研究。以经济合理使用车底为目标方面，符卓教授[41]提出通过三个阶段，得到既方便旅客旅行，又经济合理的使用客车车底的方法。王慈光教授[42]应用同余理论，采用代数方法，分别对旅客列车无约束条件的合理发车范围、照顾途中大站的合理发车范围等情况，进行了详细的讨论。张玉召博士[43]提出了以客运站始发旅客列车车底在配属站和折返站停留时间之和最少为目标的旅客列车始发时间域数学优化模型。潘锋硕士[44]分析了车底需要数与车底在站停留时间之间的关系，讨论了提高动车组运用效率问题。以方便换乘为目标方面，陈玲玲硕士[45]为使各方向旅客列车的到达时刻相互衔接，以先到达途中换乘站的列车发车时刻为基点，用代数方法计算出后到达列车的发车时刻。徐瑞华教授[46]以多线换乘接续的可达性和合理性，建立多向列车换乘衔接模型，提出了网络首末班列车发车时间域的计算方法。考虑到乘客的中途换乘时间，Bo Fan先生[47]以中间换乘时间最小为目标对旅客列车运行方案图编制优化方法做了研究。但需要指出的是，我国铁路运能，特别是大型客运站车站能力紧张，仅仅从旅客或者企业角度为目标得到的运行方案可实施性不高，难以为列车运行图编制提供必要支撑。

另一方面，也有部分研究关注基于部分约束条件的运行方案编制。以客运站设备能力为约束方面，陈团生[48]、邓鹏[49]考虑单个客运站到发线发车能力和旅客列车必须在合理的时间范围发车等约束条件下，以方便旅客出行程度最大为目标，建立了旅客列车发车时间域的目标规划模型。陈钉均、倪少权等对普速铁路路网条件下旅客列车运行方案图编制优化方法做了较深入研究，提出了基于客运站到发线和客车整备线能力协调的旅客列车运行方案图编制优化方法，并提出了降低普速线路网复杂度的有效方法。同时，还对高速旅客列车的运行方案图编制问题进行了一定的研究，得到初步的研究成果[50-56]。以天窗条件为约束，张玉召博士[57]分析了客运专线开设垂直矩形天窗条件下跨线旅客列车的合理发车域的确定方法。特别是马建军教授[58]以基于网状线路高中速列车行车组织模式为前提，研究了跨线中速列车在普速铁路始发、终到时间域的计算方法。但需要指出的是，旅客列车运行方案图的编制受到诸如旅客需求、运行成本、线路能力、车站能力、天窗方案等众多影响因素的制约，不能仅仅单一考虑某个或某几个约束。尤其在路网条件下，还需要考虑高速铁路与普速铁路的协调。

3 现有研究主要问题评述

通过对国内外研究现状的分析，结合我国的实际情况，现有相关研究中还存在一些方法缺陷和研究议题不足：

（1）旅客列车运行方案图的可实施性考虑不足

既有研究，无论是普速铁路列车运行方案图，还是高速铁路列车运行方案图编制优化研究，主要是在无约束条件下，以旅客的方便性和企业的经济性这两个目标，未考虑车站、线路能力及路网天窗方案等的制约，与实际应用需求存在较大差距，难以为列车运行图编制工作提供有效支撑。一方面，我国铁路大型客运站需要开行大量的列车，造成线路、车站能力相对紧张；另一方面，列车运行线布局对天窗方案存在直接影响，同时天窗开设方案又制约了跨线列车的开行时间域，直接关系到铁路开行跨线列车的能力大小。两者之间存在相互影响、相互制约的关系。

（2）高速铁路与普速铁路运行线协调研究不足

已有研究大多只是对高速铁路与普速铁路运输组织协调的定性分析，较少涉及跨线列车与本线列车运行线协调优化。高速铁路与普速铁路运行线的协调，主要体现在两者运行线的接续和跨线列车运行线布局。尤其是高速列车下普速线路运行，一是对普速线能力造成影响，二是对普速线行车组织造成干扰。因此，深入研究高速铁路与普速铁路运行线协调优化方法，对路网条件下旅客列车运行方案图编制具有十分重要的作用。

（3）未综合考虑成网条件下旅客列车运行方案图编制的复杂特征

首先，已有研究对列车运行方案图编制的研究范围集中在某个运行区段内，也有少数单一考虑普速路网和高速路网的情况，没有涉及高速铁路与普速铁路贯通成网的情况。其次，列车运行方案图编制考虑的影响因素都比较单一，而列车运行方案图受到客流需求、车站能力、线路能力、天窗方案、动车组运用等众多影响因素制约。因此，有必要深入研究路网条件下旅客列车运行方案图综合优化方法。

4 研究展望

基于以上认识，总结高速铁路与普速铁路贯通成网条件下旅客列车运行方案图的研究现状和实际需求，有丰硕的成果同时也暴露出一些尚待解决的问题，可从以下几个方面进行拓展研究。

（1）高速铁路与普速铁路运行线协调优化方法研究

由于路网规模和布局的原因，跨线列车运行的模式将长期存在，且高比例的跨线列车是我国铁路客运市场的重要特征之一。高速铁路与普速铁路旅客列车运行线协调的影响因素复杂，本线列车和跨线列车存在着速差，跨线列车运行线方案对本线能力利用影响显著。此外，维修天窗的开设、跨线客流的性质以及跨线列车的等级等都影响跨线列车运行线布局。同时，跨线列车运行线布局对于保证跨线列车经济合理的开行和高速铁路与普速铁路通过能力的协调利用具有重要作用。如何在满足铁路本线列车运行的条件下，统筹安排好跨线列车运行线是编制和优化列车运行方案图首先需要解决的问题。

（2）基于车站与线路能力协调的铁路旅客列车运行线优化方法研究

为了提高旅客列车服务质量和吸引客流，需要将列车始发、终到时间安排在“黄金时段”，这样势必形成旅客列车在某一时间段密集到发，造成车站接发车能力与区间通过能力紧张，影响列车运行方案图可实施性。目前全国18个铁路局（公司）除青藏铁路公司外，均存在能力紧张的情况（部分客运站情况统计如表3所示）。而且，旅客列车的始发、终到时刻影响车底（动车组）的接续关系，进而决定了运载工具的运用效率。因此，研究车站与线路能力协调运用对提高铁路旅客列车运行方案图可行性及质量具有重要意义。

（3）构建成网条件下铁路旅客列车运行方案图编制优化理论方法体系

高速铁路与普速铁路贯通成网后，铁路旅客列车运行方案图编制除了受列车开行方案、客运需求等常规因素影响外，还有本线列车与跨线列车运行线衔接问题、各线路能力、天窗开设方案问题等一系列新的关键因素制约。由于方案涉及因素相互制约、甚至相互矛盾，因此，有必要基于运输组织学对其协调机制进行研究，在此基础上，研究综合考虑方便性、经济性、可行性、安全性等多因素协调的旅客列车运行方案图优化理论与方法。

（4）基于运行方案的列车运行图编制系统升级优化技术研究

将列车运行方案图优化编制研究成果应用于列车运行图编制系统，提高列车运行图编制的智能化水平，是列车运行方案图研究的最终目标。旅客列车运行方案图是旅客列车运行图的骨架和核心，主要是解决了旅客列车运行线整体布局问题，如何从列车运行方案过渡到运行图编制，研究基于运行方案的列车运行图编制系统升级优化技术具有重要的理论及实际意义。

5 结束语

旅客列车运行方案图在铁路运输组织工作中具有非常重要的作用，其编制是一项复杂的课题。随着我国高速铁路的相继建成和开通，旅客列车运行方案图优化将受到更多的关注和重视。本文在深入分析我国路网条件下旅客运输组织的复杂性特征及国内外旅客列车运行方案图优化的大量研究成果的系统分析的基础上，指出了路网条件下旅客列车运行方案图相关理论研究及基于运行方案的列车运行图编制系统升级优化技术两方面的研究思路。

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