高速铁路区段通过能力研究综述

2018-04-25丁晓晓

科技与创新 2018年8期

丁晓晓

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

1 研究背景

由于高速铁路的运输组织模式、速度目标值、线路条件、机车车辆类型、列控方式和相关设备等与常规铁路有很大的不同，所以，其区段通过能力有以下特点：①高速铁路主要以旅客列车为主，如果线路上开行有不同速度等级的列车，区段通过能力应以高速度等级列车的能力为准，同时，还需保证中速列车在合理的旅速范围；②高速列车很难形成平行运行图，即使是同一等级的列车，为了满足不同旅客的出行需求，列车的停站地点、停站时间也是不同的；③不同时段客流量的大小也对高速铁路区段能力有影响，因此，如果考虑日常运营的灵活性，还需进一步降低能力利用率或采用较大的行车间隔。

以上特点说明，传统计算既有普速铁路通过能力的方法已不适合现在的发展，需要针对高速铁路自身的特点研究其通过能力。国外已经建成了比较完善的客运专线网络，由于这些国家客运量小、线路能力充裕、客运专线网络完善，通常其能力计算方法比较单一；我国高速铁路网受客流需求、地形等条件的限制，往往存在不同技术标准的线路，而高等级列车可以降速下线至低等级线路运行，但低等级列车无法以适合高等级线路的速度目标值跨线至高等级线路上运行，而且我国高速铁路线路多采用不同列车混行的运输组织模式。综上所述，国外的研究对我国的研究借鉴意义不大。因此，本文主要参照国内高速铁路区间通过能力研究的文献，对研究成果进行系统分类和对比、评述，并在此基础上提出本文的研究成果。

2 研究方法

2.1 区段通过能力计算方法归纳

2.1.1 扣除系数法

扣除系数法[1]通常是以某种列车（一般为开行对数较多的列车）占用能力为标准，确定该区段内其他列车（开行对数比较少）在能力占用上与基准列车间的函数关系，最后得出区段内标准列车的数量。

目前，我国采用的同一线路上混合运行多种列车的运输组织模式，必然存在列车运行时分的差别、不同列车停站方式的差别、低等级列车能否被越行和可被越行的次数等影响区段通过能力的因素。针对以上因素，总结得出既有学者运用扣除系数法主要从以下角度分析区段通过能力。

同一等级列车停站基本扣除系数分析主要取决于停站方案。赵丽珍[2]分析其扣除系数主要取决于列车车站停站时分和起停车附加时分，并与图示法相结合给出了停站列车扣除系数的计算方法。吕苗苗[3]通过对高速列车停站组合的研究，得出最不利情况和最有利情况下的高速列车停站扣除系数取值范围。在低等级列车对高等级列车产生的扣除系数分析方面，低等级列车扣除系数的大小主要取决于区段长度（不同等级列车运行时分差）、低等级列车被越行方案、列车区段停站方案等。

倪少权[4]等首先给出了越行组与越行区段的概念，并根据越行组的类别将运行图分为简单运行图和一般运行图，建立中速列车和无停站高速列车共线运行条件下的越行组模型，并得出区段能力与列车运行时分差、越行组类别（低等级列车数量及被越行的方式）之间的函数关系。

张红亮[5]主要研究了在中速列车停车等待1列高速直达列车的运输组织模式下高速列车铺画的间隔时间，并得出中速列车数量与扣除系数间的关系式。吕苗苗[2]提出，低等级列车在越行区段内受最大旅行时间的限制，存在最小越行区段距离，因此，需结合实际车站分布情况等得出具体线路的最小越行区段长度，最后结合图示法给出低等级列车被越行条件下的扣除系数计算公式。

2.1.2 平均最小列车间隔时间

平均最小列车间隔法参照列车在运行图上总占用时间与列车平均最小间隔时间的比值。目前，相关论文的研究主要是通过优化压缩列车平均最小间隔时间来提高区段通过能力。

颜月霞[6]根据客运专线的客流时段性特点，将客运专线的能力按不同时段进行划分，并以此确定不同时段的必要平均缓冲时间。王世伟[7]通过利用率和弹性系数指标对通过能力进行评估。

除此之外，国内还有部分学者开始从列控系统和信号等方面研究提高高速铁路区段通过能力。李学伟[8]首先对高速铁路采用的列控方式进行归纳分析，并在此基础上给出高速铁路追踪间隔时间的计算方法，最后结合经验参数计算得出列车追踪间隔时间的预估值。朱小军[9]分析了列车运行区段内，在不同列控系统的条件下，列车通过能力的影响因子以及具体计算方法。

2.1.3 直接计算法

直接计算法[10]即遵循一定的行车组织方式，依据不同列车排列组合的时间占用直接计算通过能力的大小。

姜兴[11]建立已确定开通列车的客运专线区间和还未开通列车的客运专线区间2种特定模式下的通过能力的整数规划模型。模型都以特定区间不同种列车组合方式所占区间的总时间最少为目标函数，以考虑列车运行图均衡铺画、不同类运行列车组所组成的间隔时间与该类列车数的关系、不同类列车间关系为约束条件建立模型，并利用LINDO求解该数学模型。不同的是，前者不同种速度列车开行数量是已知的。

蒋琦[12]通过建立直接计算法分析模型分析客运专线运行不同种类列车时的通过能力，并通过分析运行图横向结构和纵向结构分别得出不同速度、不同种类列车连发与非连发组合比例不同条件下的客运专线通过能力。

2.1.4 图解法

图解法即按照给定的开行方案，并遵循一定的铺画原则，先铺画非基准列车（开行对数较少）运行线，然后在合理的运营时间范围内最大限度地铺画基准列车运行线。图解法一般用于配合检算区段非平行运行图通过能力。图解法分析步骤如图1所示。

基于图解法思路又衍生出了UIC运行图压缩及加密法和仿真模拟法。

2.1.4.1 UIC运行图压缩及加密法

UIC406能力手册[13]所定义的铁路能力，是基础设施管理者在考虑了节点（站点）、线路（网络）的期望收益条件下，在给定的时间段内，以市场为导向的服务质量要求条件下，所有可能的列车径路的总数。UIC406能力手册在实际应用中可以有不同的扩展方式。张嘉敏[14]等基于UIC406，提出了基于能力消耗的时刻表压缩分析方法，用于分析铁路能力的动态性和不确定性，最后从能力使用角度完善该方法。

图1 图解法分析步骤

2.1.4.2 仿真模拟法

仿真模拟法是借助仿真软件模拟列车运行来计算通过能力。单秀全[15]介绍了高速铁路通过能力仿真系统的总体结构和功能模块的设计，并构建高速列车运行仿真系统。

杨芳[16]构建区段列车运行仿真模型，并通过改变模型中的间隔时间参数，得出不同参数条件下区段列车的运行状态。

2.2 区段通过能力计算方法优缺点分析

各计算方法优缺点如表1所示。

表1 各计算方法优缺点

2.3 综合分析法

综合分析法，是将表1中4种计算方法的优点与适用性相结合来计算区段通过能力的分析方法。苏顺虎[17]将理论与仿真计算相结合，得出高速列车追踪间隔时间的计算方法，并结合图解法给出了高等级停站列车在区段内不被越行和被越行一次的条件下的扣除系数取值范围。李晓娟[18]运用综合分析方法，研究了同种列车停站方式不同，不同种列车混合运行的条件下的区段通过能力计算方法，并建立了区段通过能力计算模型，以扣除平图列车数最少为目标函数，研究了相应的求解算法。

2.4 高速铁路功能地位角度分析区段通过能力

目前，我国高速铁路大致可划分为路网干线型高速铁路、路网联络线型高速铁路、支线或相对独立的高速铁路线路。路网干线型铁路由于衔接多条技术标准不完全相同的铁路线，运输组织模式也较为复杂，因此，区段通过能力的计算较为复杂。胡思继[19]在给出扣除系数和通过能力计算公式的基础上，在给定了客流区段沿途可停车车站数范围的条件下，分别计算了京沪和沪宁高速铁路不同客流区段内，不同高速列车停站比例条件下的停站列车扣除系数，中速列车数量和被越行比例不同的方案下的中速列车扣除系数。王宝杰[20]结合京沪高铁开行方案，从跨线列车影响、列车停站方案影响、天窗与运行线间三角区影响3个方面对京沪高速铁路通过能力影响因素进行了分析，并结合现状提出了提高京沪高速铁路通过能力的对策。

路网联络线型高速铁路主要满足路网型干线铁路间互联互通的需求，主要以通过车为主，因此，运行方案比较固定，其通过能力主要受路网干线能力的影响。

支线或相对独立的高速铁路线路运行动车组种类比较单一，通过能力和开行方案不受其他线路的影响，运输组织模式比较简单。在这种情况下，停站列车数量和停站比例成为影响区段通过能力的主要因素，计算方式相对简化，计算精度也比较高。

3 结论

3.1 既有研究薄弱环节

综合国内学者对高速铁路区段通过能力的研究，可以得出以下结论：①目前，在对区段能力进行分析时，忽略了高速铁路区段客流时段性特征；②虽然国内学者对不同速度等级列车混行的运输组织模式下通过能力的研究比较多，但往往是针对其中一个或几个影响因素进行详细分析，并未对各因素进行精细化、系统化分析；③在实际计算中，国内学者仍多以公布的经验值进行计算为主，因此，计算出来的能力并不能完全反映不同基础设施、不同运输条件下的实际能力。

3.2 未来研究方向

目前，区段通过能力计算方法可以分为分析（静态和动态）、优化和仿真3类，其中，扣除系数法属于静态分析法，直接计算法和平均最小列车间隔时间法属于动态优化分析法，图解法中的UIC运行图压缩及加密法是从运行图优化的角度提高区段通化能力，因此，属于优化分析法。以上分析方法是在对通过能力分析的基础上进行计算的理论算法，各有弊端，未来可以着重研究将不同计算方法结合起来分析区段通过能力。

计算机仿真模拟法可以高效、精确、动态地根据不同的行车组织和线路条件计算通过能力，国内对于该项研究相对比较落后。

国内学者从服务水平和运营组织方面入手对高速铁路区段通过能力的研究往往局限于定性分析，并未进行定量化分析，因此，未来通过能力的研究重点将是数量与品质并举，并将其品质进行量化分析。

参考文献：

［1］彭其渊，王慈光.铁路行车组织［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［2］赵丽珍.高速铁路区间通过能力计算与分析［J］.中国铁道科学，2001，22（6）：54-58.

［3］吕苗苗，倪少权，陈钉均.高速铁路通过能力计算方法研究［J］.交通运输工程与信息学报，2016，14（1）：19-24.

［4］倪少权，左大杰，王慈光.高速铁路越行站分布对通过能力的影响［J］.中国铁道科学，2005（03）.

［5］张红亮，杨浩.客运专线通过能力研究［J］.铁道运输与经济，2006，28（5）：74-76.

［6］颜月霞.基于运营阶段客运专线的平均最小列车间隔时间法分析［J］.商场现代化，2009（12）.

［7］王世伟.高速铁路区段通过能力计算及其系统开发［D］.北京：北京交通大学，2013.

［8］李学伟.高速铁路概论［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

［9］朱小军，赵鹏.基于CTCS3级的高速铁路通过能力分析［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2012，36（4）：861-864.