高速铁路运行图优化研究

李卫华 王淑姗 韩昌

摘 要：本文首先从我国高速铁路的特点和我国客流特征为切入点进行分析，研究可能存在的影响高速铁路运营的因素，探讨在目前的高速铁路运营中可能存在的问题，然后研究跨线列车开行的可行性，以及各种跨线客流输送方式的优缺点，从跨线客流、跨线列车开行速度、高速铁路综合维修天窗等方面研究跨线列车对线路通过能力的具体影响。其次取消跨线客流占比低的跨线列车，将其本线客流合并，构建高速铁路跨线列车开行方案优化模型。最后根据每个时间段内开行列车数，依照京广高铁运营数据，确定高铁列车在区段的区间旅行时分，整理得到优化后的高速铁路列车时刻表，在此基础上绘制运行图，并对结果进行分析。

关键词：高速铁路;跨线列车;能力利用;开行方案;運行图

中图分类号：U292.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0228-02

1 研究背景

我国拥有世界第三大的国土面积，世界第二多的人口数目，而且区域之间发展不平衡，存在着很多中长途客运需求，因此，为了输送这部分客流，我国目前采取的办法是开行中长途的跨线列车。尤其是高速铁路跨线列车兼具旅行速度快、缩短旅行时间、方便旅客等优点，成为越来越多乘客的首选，在实际运营过程中，开行高速铁路跨线列车十分普遍。有数据显示，京沪高铁跨线列车开行比例已经达到64%，本线列车仅仅占据36%。高铁运行图是规定列车在区间运行规则以及列车通过时刻、在车站到发时刻的技术文件，是高铁列车运行组织工作的基础。它联系各种铁路运输生产活动，对铁路运输的服务质量和运输企业的收益产生直接影响，是一种综合性运输计划，受到多重因素制约。高铁运行图无论是利用计算机自动编制还是人工编制，首先，需要根据高铁列车运行计划确定各列车的发车时间和到站时间，也就是编制高速列车运行计划，并按照优先级，首先要绘制跨线列车运行线，然后去绘制本线列车运行线。一旦确定了高铁列车运行计划，就会相应确定高铁列车运行图的整体框架。

2 国内外研究现状

张玉召等[1]重点研究客车车底需要数，以开行方案需要最少车底数为目标建立优化模型，在此基础上，利用遗传算法进行迭代，解出开行方案中的最佳车底数，作为编制开行方案的依据。

陈钉均[2]研究了运营区内列车始发布点的问题。优化模型的建立是以最少的车辆数量为目标，以车站线路的能力为约束，为此问题建立了三种求解算法：蚁群算法、激发粗糙集和遗传算法。在以往研究的基础上，深入研究了旅客列车开行方案问题。结合使用成分分析法和主观权重法，研究种种对开行方案编制产生影响的要素，以客运站线路的能力为约束条件，乘客出行方便最大化为目标函数，建立了多客运节点和单客运节点旅客列车出发终到时间域的优化模型，建立启发式遗传算法求解列车时间占用分配问题。最终以方便旅客，节约车底为目标函数，以线路能力和列车定员为约束条件建立了列车开行方案优化模型，以此来协调客技线与到发线的使用。

朱文亭[3]通过对开行夕发朝至跨线车必要性和跨线列车客流输送方式的讨论分析，研究了跨线列车维修天窗与合理始发终到时间协调性，以乘客时间耗费最短与运输企业经济效益最好为目标，最终建立了选择跨线列车衔接站的模型。

郭富娥[4]基于开行提速列车和准高速列车的实际工作经验，讨论了我国高速跨线列车和中速跨线列车的行车组织措施和开行条件，对高速度等级和低速度等级混行条件下列车的开行方案进行研究。

田松江[5]以合理发车时间、客运需求、跨线列车上座率、区间通过能力等为约束条件，以乘客旅行时间最小、乘客支付票价最小、列车空走距离最短、运输企业经济利益最大为目标，建立高速铁路跨线车开行方案优化调整模型，并构造实际车站进行验证分析。

3 影响高速铁路通过能力的因素

本文主要可以从两个方面进行分析，分别是高速铁路运输组织和高速铁路设备。

首先是运输组织方面。运输组织对高速铁路通过能力的影响主要体现在速度等级不同列车占比、运行图绘制方式、高速列车停站次数、天窗类型、列车的速度差异等方面。

此外，高速铁路设备对高速铁路通过能力的影响有很多，本文将从以下三个角度来分析，分别为区间长度、线路条件、中间站数量等。

3.1 区间长度

在采取高中速混跑的组织模式下，如果区间长度过长，由于高速列车和中速列车之间本身存在的速度差距，会导致高速列车和中速列车之间的追踪时间过大，并且，在这种情况下，速度差距越大，列车追踪时间间隔也就越大，将极大地浪费区段的通过能力。所以，在高速列车和中速列车追踪运行的情况下，区间的长度应不宜过长。

3.2 线路条件

线路条件对高速铁路通过能力的影响非常直接，在线路条件十分良好的区段，列车的运行速度可以达到一个比较大的稳定值，可是当线路条件不好或者出现问题时，比如面对斜坡、曲线等，在列车的功率和牵引重量一定时，若坡度和曲率半径不够合理，那么列车就需要降速做出调整，直接影响了列车在区间的运行速度，使通过能力大大降低。

3.3 中间站数量

列车停站次数与中间站分布有很大关系，当列车停站时，除了产生列车停站时间外，还有列车的起停车附加时分、列车追踪间隔时间等。列车在运行过程中时间的增加，带来的直接后果就是列车的平均旅行速度降低，随之降低了区间的通过能力。但是，当中间站数量多时，可以选取部分车站为待避站，在高速列车和中速列车混行的条件下，待避站的存在可以很好地处理两列高速列车之间的中速列车的问题，中速列车在待避站，高速列车可以选择越行，如图2-5所示，这在实质上变相的缩短了区间长度，对通过能力的利用又有好处。

4 跨线列车开行条件分析

技术条件方面，经过我国铁路的六次大提速，列车的运行速度提高，铁路的设备条件也有了很大的进步。

4.1 信号条件

高速铁路列车和既有线铁路列车对铁路通信信号的要求有很大的不同，高速铁路列车对通信信号的要求比既有线列车要高不少。因此，虽然既有线铁路列车跨线到高速铁路运行，通信信号的要求可以得到保障，但是在开行从高速铁路线路到既有线的下线列车，信号条件则不能满足要求。而经过铁路大提速之后，相应的，既有线的信号设备也有了很大程度的改善，如今，既有线铁路线路的信号设备已经可以基本满足高速铁路列车的开行要求。

4.2 线路条件

高速铁路列车开行要求的线路条件要明显高于既有线。首先是列车的开行速度，高铁列车的开行速度现在已经可以达到300km/h，而普速列车的旅行速度为120-160km/h，显然，两者之间存在着不小的差距，既有线路的线路条件不能保证高铁列车高速开行;其次，因为列车的行进速度差异很大，在线路设计上，比如曲率半径设计、斜坡设计、轨枕、道床、钢轨设计等方面，都有很大的差异。在我国铁路6次大提速之后，既有线经过了相关改造，可以承受的列车运行速度已经可以达到200km/h，与高速铁路相比，运行速度差距进一步缩小，就目前的设备条件，已经完全允许高速铁路铁车降速到既有线路运行，满足开行跨线列车条件。

4.3 机车车辆条件

这主要是对高铁列车技术条件提出要求。上文提出，高铁列车在高铁线路和既有线路的运行条件有一定的差别，所以，在设计高铁列车时，必须要使其同时满足300km/h高速运营对机车车辆提出要求，同时也应该适应200km/h速度运行条件下的要求。近年来，我国高铁在设计制造过程中，不断研发，持续创新，已经掌握了动车组在200km/h的速度条件下开行的核心技术，满足开行跨线列车的机车车辆要求。

4.4 牵引供电系统

高速铁路列车运行需要的牵引供电系统的要求高于既有线普速列车，良好的供电系统不仅可以提升车务组的工作效率，更是列车安全运行保证。不过，我国既有线经过了电气化改造之后，电气化程度明显提高，目前来看，已经基本满足高铁列车在既有线上运行的各种需求。

客流条件方面，上文分析了我国高速铁路客流的特征，具有开行跨线列车的可行性和必要性。我国人口众多，幅员辽阔，这必然导致了我国客流具备流动区域大、旅行范围广的特点，为了方便旅客出行，保证列车直达性，开行一定数量的跨线列车是非常有必要的。在实际运营过程中，跨线客流也已经占到了很大的比例，以京沪高铁为例，跨线客流已经占据全部客流的50%以上。

综上所述，在我国现有的情况，开行一定数目的跨线列车是很有必要的，也满足开行跨线列车的必要条件。

5 优化模型

本文是要在现有线路运输能力约束下，通过调整列车开行方案，尽可能的利用运输能力，减少能力浪费，提高运输效率。

基于对高速铁路能力利用现状的分析和跨线列车对线路能力利用率的影响，考虑取消开行部分客座率很低的跨线列车，将这一部分跨线客流采取中转换乘的方式输送，并入到本线短途客流之中，再以高铁列车空走距离最小、旅客停站等待时间最小为目标构建开行方案模型，并使用CPLEX软件进行求解，之后，用京广高铁实际运营数据验证结果的可行性，将解得的停站方案作为绘制运行图的基础。

6 有待继续研究的问题

高速铁路基于跨线列车和本线列车调整的开行方案和运行图的优化是及其复杂的一项工作，本人研究时间不足，能力十分有限，对此问题的研究深度远远不够，就本论文来说还存在许多十分明显的缺陷。

（1）数据样本太小。本文的实例研究对象区间里程短，列车数目不够，对客流量的采集样本也不够大，分析难免会有所偏差。

（2）取消跨线列车开行条件过于简单。本文中，为了方便计算，将所有跨线客流在共用区段占比不足40%的直达跨线列车全部取消，虽然会释放很大的区间能力，但是可能会导致客流的严重流失，也对旅客造成很大不便有脱离实际情况的可能性，应该通过客流调查等方式，将旅客服务满意度和运输部门效益有机结合，深入综合分析是否可行。

（3）模型只考虑区段内列车开行方案，完全忽略了路网中其他部分对本区段列车开行造成的影响，导致所得出的结果在全路不一定可行。此外，模型中完全忽略车站到发现能力的限制，当某车站接发车超过能力极限时，模型结果将失去可行性。

（4）模型和运行图只考虑到高铁列车。而在实际运营过程中，存在很多的中速列车和既有线普速列车上到高速铁路运行线，对运行图绘制造成很大的干扰，极大的提高了运行图绘制的难度，单纯考虑高铁列车可能造成运行图不能满足实际运营需求。

参考文献

[1] 张玉召，严余松.客运专线跨线列车合理始发范围的确定方法研究[J].兰州交通大学学报，2010，29（03）：79-82.

[2] 陈钉均，徐长安，倪少权，潘金山.路网条件下旅客列车运行方案图编制问题研究综述[J].交通运输工程与信息学报，2015，13（04）：68-76.

[3] 朱文亭.高速鐵路"夕发朝至"跨线列车运输沮织研究[D].西南交通大学，2011.

[4] 郭富娥.高速铁路高中速旅客列车混行的运行方案探讨[J].中国铁路，1998（09）：15-19.

[5] 田松江.高速铁路跨线列车开行方案优化研究[D].西南交通大学，2014.