高速铁路与既有线调度指挥协同性分析

庄 河, 李文新, 殷 勇,2, 张永祥, 文 超,2

(1. 西南交通大学交通运输与物流学院, 四川 成都 610031; 2. 综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室, 四川 成都 610031; 3. 中国铁路总公司运输局调度部, 北京 100038)

随着我国高速铁路的快速发展,以四纵四横为骨架的高速铁路网络已基本建成.由于高速铁路线路与既有线线路的不断交汇与融合,高速铁路与既有线调度指挥系统之间的联系变得愈发密切.我国高速铁路采用的是高速列车下到既有线运行的运输组织模式,从而引起高速铁路与既有线调度指挥的衔接与协同问题.因此要求两个系统之间相互协调、配合才能保证本线列车和跨线列车的安全、准点运行.综上,分析高速铁路与既有线调度系统工作间的协调情况,建立评价两系统间协同性程度高低的方法,把握影响高速铁路与既有线调度指挥协同度的关键因素,对于提高铁路整体路网的运输效率、保证列车安全有序的运行具有重要的意义.

近年来相关学者对我国高速铁路和既有线调度指挥系统的模式和体系等方面进行了研究,取得了一定的研究成果.白昭[1]指出高速铁路调度与既有线调度之间的衔接与协调是中国高速铁路综合调度需要解决的主要问题之一,并从调度指挥权限、车站联锁设备管理、线路信号设备控制等方面提出了高速铁路与既有线调度指挥系统结合的原则.王进勇等[2]对客运专线与既有线调度指挥工作协调问题进行了探讨,指出实现两调度指挥系统的协调需解决好衔接站跨线列车的调度指挥问题.Peng等[3]从技术要求、运输组织、信息交流等方面指出了高速铁路与既有线调度系统协调需满足的条件,分析了两系统协调的机理,构建了系统协调的组织结构,阐述了系统工作流程,指出了信息传递的方式,为探究两系统的协同作业方式提供了理论支撑.宋嘉雯[4]对比分析了客运专线与既有线调度指挥模式在架构、功能与信息联系等方面的协同关系,并针对跨线列车的开行特点,提出了跨线列车调度指挥的满意协调优化模型.

此外,还有一部分学者从通过能力运用、运输产品设计、列车运行图评价及调度指挥系统信息传递等方面研究了高速铁路与既有线间的分工与异同点.徐利民等[5-6]量化了高速铁路开通后既有线通过能力的变化情况,定性分析了既有线通过能力的利用特征.赵嵩森[7]和章璐瑜[8]则进一步对高速铁路开通后,既有线货运产品的优化设计方法进行了研究.杨柳燕[9]从旅客的角度出发,并以兰新高铁为例,探讨了兰新高铁与其平行既有线的合理客流分工方案.鲍晶晶[10]从列车运行图评价的角度出发,深入分析了高速铁路与既有线列车运行图在编制方法、铺画结构及运行图均衡性等方面的差异.薄中旭[11]对高速铁路调度指挥系统内各子系统和要素间的信息传递机制进行了研究,总结了高速铁路调度指挥系统信息传递时机的规律.

对高速铁路与既有线调度指挥工作的协调关系本文进一步的深入研究和比较分析,首先根据调度指挥体系不同组成部分的合理分工与权限划分对运输生产过程中调度指挥体系的各组成部分相互协调和协同动作关系进行分析；接着结合协同性理论研究高速铁路与既有线调度指挥系统两者在组织日常生产作业中的协同关系,尤其是指挥跨线列车的运行,通过分析跨线列车在衔接站上下线时两系统之间调度信息的交互以及列车运行状态信息的准确传递,对高速铁路与既有线调度指挥协同性作业流程进行深入分析；最后结合分析结果,本文构建了一个评判高速铁路调度指挥系统与既有线调度指挥系统工作协调度的评价模型,选取了8类指标作为评价模型的评价指标,运用协同分析矩阵模型,研究两系统层次之间的协同性程度,为高速铁路与既有线调度指挥系统今后协同化作业的提升提供理论支撑.

1 调度指挥系统间协同性作用机理分析

在研究高速铁路与既有线调度指挥系统协同性分析之前,已经对高速铁路调度指挥和既有线调度指挥的差异性进行了深入的研究[12].从调度指挥系统的功能和特点、系统构成、组织构架、作业内容、行车指挥、列车运行调整等方面比较分析出了二者的差异性,并剖析出两系统在实际运行操作上的异同点和协同化作业的难点问题,为本文的研究奠定了一定的基础.

高速铁路与既有线调度指挥协同的难点在于保障跨线列车的行车组织工作能够正常进行的同时,也确保两系统上的本线列车安全、准点、高效的运行.由于两个系统分别控制下的本线列车与两个系统交替控制下的跨线列车占用共同的运输资源—路网运输资源,所以两个系统的调度员在指挥本线列车与跨线列车的行车组织工作上必须做到协同化处理.

高速铁路与既有线调度指挥系统协同性的实质在于以下3个部分，以跨线列车在高速铁路调度系统与既有线调度系统之间运行为例：(1) 保证跨线列车到达衔接站时,两调度指挥系统调度指挥权限的顺利交接和跨线列车运行状态与信息的及时、准确传递；(2) 当跨线列车在高速铁路上运行时,高铁调度系统调度人员应及时掌握既有线列车的运行状况,以便及时调整跨线列车的运行使之能与既有线调度列车较好的协调；(3) 既有线调度员应预先获取到准备接收的跨线列车的运行状态和信息,从而及时的对本系统进行相应调整,使之为跨线列车进入运行创造一个良好的条件.

跨线列车运行的重点在于处理好衔接站的调度指挥权限的交接问题.跨线列车进入下一个调度指挥系统时机的优劣以及列车运行状态信息传入下一个调度指挥系统的及时性决定了两系统之间的协同化水平.实现高速铁路与既有线调度指挥协同化作业的前提是保证调度信息在两个系统间完整、准确、迅速的传递；做到调度信息传入时机优劣的时时反馈是提升协同化作业的关键.当高速铁路调度指挥系统调度信息传入时机较好时,既有线调度系统应将信息传递效果及时反馈给高速铁路调度系统,以指导高速铁路调度系统处理其他跨线列车与本线列车协同化运行；反之,当高速铁路调度指挥系统调度信息传入时机较差时,既有线调度系统更应将这种传递时机较差的调度信息反馈给高速铁路调度系统,此时高速铁路调度系统将适当改变跨线列车在该系统上的作业组织方式,以寻求最佳的跨线列车调度信息传入时机,从而维持高速铁路与既有线调度指挥系统间的较强协同性,如图1所示.

图1 高速铁路与既有线调度指挥系统协同性作业流程Fig.1 Cooperative operation process of dispatch systems between high-speed and conventional rail

2 系统间协同性评价指标体系和协同性模型构建

2.1 协同性评价指标体系

通过查阅文献[13-16],依据高速铁路与既有线调度指挥工作的日常协调关系以及高速铁路与既有线调度指挥系统在衔接站交替指挥跨线列车上下线运行的调度指挥内容:主要有调度指挥信息交互和列车运行状态信息传递;系统办理跨线列车调度指挥权限交接过程前后对各系统的本线列车运行状态造成的影响,基于此,选取指标见表1.为了方便说明,本文假定跨线列车由高速线路转到既有线运行方向为上行方向,跨线列车由既有线转到高速线路运行方向为下行方向.

2.2 协同性评价模型

由协同性理论可知,系统只有充分发挥出各个子系统的系统功能，系统本身才具备最大的活力,也就是表现出最大的协同性效果；反之协同性较差的系统会抑制各个子系统的系统功能,最终导致整个系统瘫痪.为了表述方便,把高铁调度系统G和既有线调度系统C看作成系统Y的两个互补子集,即Y=G∪C(G∩C=φ),且G与C这两个系统又分别由C1或C2、L1或L2、A1或A2、T1或T2、R1或R2、P1或P2及S1或S27个评价指标要素构成.各子系统或各层次之间的相互作用能够反映出系统的协同性.因此本文建立协同分析矩阵模型,从各子系统层次之间的协同性程度入手研究.

设协同性矩阵H=(Hij)n×n，如式(1),其中：Hij(i≠j)为指标要素j对i的协同性程度；Hii(i=j)为各指标要素自身的协同性程度.

(1)

Hij∈[0,1],则有

(2)

式(1)～(2)中:

ai为指标要素所对应的实际指标值；

bi为指标要素所对应的理想最佳值；

Hij=0为系统间的协同性处于最低状态；

Hij=c为系统间的协同性处于中间状态提供某种配合；

Hij=1为系统间的协同性处于协同最佳状态.

表1 高速铁路与既有线调度指挥系统协同性评价指标体系Tab.1 The Collaborative evaluation index system of dispatch systems between high-speed and conventional rail

一般来说,式(1)仅仅体现出指标要素j对i的协同性效果,实际上在指标要素j影响指标要素i时,其他指标要素也间接的对指标要素i产生了一定影响,这种影响可能放大了指标要素j对i的影响,也可能抑制了指标要素j对i的影响.因此,为全面分析问题,除了建立上述的H之外,还应当建立完全协同矩阵HM=(Hgij)n×n，如式(3).

(3)

式中:

Hgij(Hgji)为在其他指标要素间接干扰下指标要素j(i)对指标要素i(j)的协同性效果；

通过式(1)、(3)可以分别建立系统指标要素的直接协同性矩阵H和完全协同性矩阵HM.为了更好的对系统各指标要素协同性进行分析.这里引入diH、diT、diD3个表达式进行说明,如式(4)～(6)所示.

(4)

(5)

(6)

式中:

diH为要素i对各要素的总的协同度的数学期望,反映出ai对系统有序化发展下的协同程度；

diT为各要素对要素i的总的协同度的数学期望,反映出系统有序化发展下ai与其他各要素之间的协同程度；

diD为要素i自身的协同度,在系统有序化发展过程下,diD越大,其自身协同化程度越大,通过值的大小找出影响协同性因素.

最后构建系统总体协同度表达式,如式(7)所示,据此用以判断子系统之间协同性程度.

(7)

3 实例分析

以西安站(包括西安北站)—郑州站(包括郑州东站)—上海站为列车运行的上行方向,其中西安北—郑州东一段为高速铁路线路,郑州站—上海站之间为既有线路.指标评价体系中的跨线列车运行状态(C1或C2)指的是跨线列车在西安站—郑州站—上海站全线运行下的列车运行安全状态；本线列车产生的晚点增量(L1或L2)指的是跨线列车接入郑州站前后对两个调度系统本线列车造成的晚点增量；衔接站到发线使用情况(A1或A2)指的是跨线列车接入郑州站前后该站到发线使用情况,包括是否能力紧张等；动车组交路与乘务组交路变化情况(T1或T2)指的是跨线列车接入郑州站前后对高铁线路上的动车组交路与既有线线路上的机车交路产生的影响以及对乘务组交路产生的影响；跨线列车运行准点率(R1)指的是跨线列车在西安北—郑州东区段运行时,列车到达和离开各高铁站的正晚点情况；跨线列车运行准点率(R2)指的是跨线列车在上海站—郑州东站区段运行时,列车到达和离开各既有线车站的正晚点情况；跨线列车日开行指标完成率(P1或P2)指的是每日衔接站郑州东站或郑州站完成接入并发出来自上下行方向的跨线列车的指标量；跨线列车在衔接站的停站作业时间(S1或S2)指的是上下行方向的跨线列车接入衔接站郑州东站或郑州站后在该站停留时间.

通过搜集2016年8月1日—9月2日西安站—上海站间主要车次在主要车站(包括高铁站和既有线车站)的近一个月内列车计划运行图与实际运行图数据，通过分析归纳与分类整理,本文发现，跨线列车接入郑州站前后安全运行状态并未发生改变，郑州站到发线使用情况也未发生较大波动,均在正常使用范围内，动车组交路和乘务组交路均未发生变化,所以这3类指标(C1和C2、A1和A2、T1和T2)无须考虑到矩阵中进行计算,而其他4类指标均发生改变,需要考虑到矩阵中计算.结合式(1)建立高速铁路与既有线调度指挥系统的直接协同性矩阵H,如表2所示.

表2 高速铁路与既有线调度指挥系统的直接协同矩阵Tab.2 The direct synergy matrix of dispatch systems between high-speed and conventional rail

由表2可知:指标要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)对(L1、L2、R1、R2、P1、P2)的协同程度较高,反映出在实际运营中,跨线列车处于不同调度指挥系统控制下的运行区间时,两系统之间协同性较强；但指标要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)对(S1、S1)的协同程度较差,反映出在实际运营中,跨线列车处于两系统交接调度指挥权限的衔接站时,两系统之间协同性较差.

表2只表示两系统间的直接协同性矩阵,仅体现出各指标要素之间单一的协同性效果.实际上,在一种指标要素影响另外一种指标要素时,其他指标要素也会间接的产生一定影响,这种影响可能起到放大作用,也可能是抑制作用.因此,为全面分析两个子系统之间各指标要素的协同机理,除了建立高速铁路与既有线调度指挥系统的直接协同性矩阵外,还应当建立两个系统之间的完全协同矩阵,如表3所示.由表3可知:在其他指标要素共同作用下,指标要素之间的协同性程度发生一定变化,在指标要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)对S2的协同程度由差变强,指标要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)对S1的协同程度有所提高,但仍然较低；(L1、L2、R1、R2、P1、P2)对(L1、L2、R1、R2、P1、P2)的协同程度依旧较高,不发生变化.反映在实际运营中,受众多因素影响下,跨线列车处于不同调度指挥系统控制下的运行区间时,两系统之间协同性作业程度依旧较强；相反,跨线列车处于两系统交接调度指挥权限的衔接站时,两系统之间协同性作业程度仍然较差.因此,首先必须加强衔接站对跨线列车转线运行的调控力度,保证跨线列车运行信息及时、有效、准确的从上一个调度指挥系统传递到下一个调度指挥系统；其次,当跨线列车通过衔接站时,高铁调度系统调度人员应及时了解既有线列车的运行状况,以便及时调整跨线列车运行状态使之在一个合理的时机进入既有线调度系统；最后,既有线调度指挥系统应预先获取到跨线列车的运行状态信息,并对本系统做及时调整,使之调整到一个较好的状态去接收跨线列车的进入,保证系统的稳定性.结合表3与式(4)～(6),可计算出diH、diT、diD,如表4.

表3 高速铁路与既有线调度指挥系统的完全协同矩阵Tab.3 The full synergy matrix of dispatch systems between high-speed and conventional rail

表4 高速铁路与既有线调度指挥系统协同度Tab.4 The cooperative degree of dispatch systems between high-speed and conventional rail

根据式(7)可以计算出高速铁路与既有线调度指挥系统间的现有整体协同程度Q=0.975,说明在西安站(包括西安北站)—郑州站(包括郑州东站)—上海站一线上,虽然跨线列车在调度指挥权限变更的衔接站中转期间两系统协同化作业水平较低,但从整体来看,高速铁路与既有线调度指挥系统的协同化程度较高,系统之间处于一个较高的协同化水平.

4 结 论

本文给出了从高速铁路与既有线调度指挥协同性作用机理分析到评价指标体系和协同性模型构建的完整的两系统协同性评价分析步骤与方法.基于列车计划运行图与实际运行图数据,利用协同分析理论矩阵对西安站—郑州站—上海站段的高速铁路与既有线调度指挥协同化程度进行了定量分析,得出这条线路的高速铁路与既有线调度指挥系统间的Q=0.975,说明该线高速铁路与既有线调度指挥系统的协同化程度较高,系统之间处于一个较高的协同化水平.但从直接协同矩阵分析出的结果显示跨线列车处于两系统交接调度指挥权限的衔接站时,两系统之间协同性较差,说明制约两系统间高协同化作业水平的瓶颈在于衔接站的组织工作是否能够高效、有序的进行.

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