高速铁路车站作业妨碍分析与能力利用率计算

郭根材，张军锋，潘 跃，李天翼

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081)

作业妨碍是影响车站能力利用效率的重要因素，详细分析高速铁路车站作业的妨碍程度对准确计算车站能力利用率及通过能力具有重要意义。目前计算高速铁路车站通过能力常用的方法主要有图解法、利用率法、计算机仿真法、数据模型法、迭代加密法等。刘敏等[1]结合计算机仿真提出高速铁路车站理论能力、实际能力、可用能力的计算方法；魏然[2]分析了尽头式车站的接发车能力，提出能力最大的站型布置方案；陈韬等[3]以各方向接发列车最多为目标，构建高速铁路客运站高峰时段最大通过能力模型与启发式求解算法；颜颖等[4]基于周期化作业思路，建立了周期化车站通过能力运用模型，确定通过能力最大的车站作业方案；熊亚等[5]建立了考虑进路分段解锁的高速铁路车站作业方案优化模型，通过不断迭代加密获得高峰时段的车站通过能力。这些研究为准确计算车站通过能力提供了基础理论。结合高速铁路车站能力计算方法[6]，通过分析高速铁路车站作业妨碍影响因素，提出了车站作业妨碍的判别流程，以及考虑作业妨碍的车站通过能力利用率计算方法，并以2021 年第三季度列车运行图为对象，计算分析了上海虹桥高速场的作业妨碍程度及能力利用率。

1 车站作业妨碍的定义及影响因素分析

1.1 车站作业妨碍的定义

车站作业妨碍是指车站某一设备在一段时间内虽然没有被安排接发车作业，但由于列车进路相互耦合，车站现有的作业内容导致该设备不能被安排其他作业的现象。例如，道岔虽然没有被占用，但由于途经该道岔的所有进路均不能办理，则该道岔处于作业妨碍状态；到发线虽然没有被占用，但两端咽喉均不能办理该到发线的接车作业，则该到发线处于作业妨碍状态。因此，车站设备的作业状态可以划分为占用、妨碍、空闲3 种。

1.2 车站作业妨碍影响因素分析

车站作业妨碍的严重程度受站场布置形式、车站间隔时间、作业类型及构成等影响。

（1）站场布置形式。车站平面布置形式，特别是动车段/所的引入方式、咽喉道岔布置形式等，影响高速铁路车站作业的妨碍程度，咽喉结构越合理、平行作业进路越多，妨碍程度越低，车站的接发车能力也越大；咽喉长度过长时，会增加列车进出站距离，在道岔限速条件下会加大作业妨碍时长，并且影响车站通过能力。

（2）车站间隔时间。车站间隔时间规定了车站办理各项作业的最小间隔，不同车站的间隔时间受站场布置和设备配置影响有所差异，车站出发、到达、到发、发到等间隔时间决定了设备的作业妨碍时长。

（3）车站作业类型及构成。高速铁路车站作业类型主要包括出库始发、终到入库、本线折返、转线折返、停站通过等，由于各项作业的作业时长、作业进路间的耦合性差异大，车站衔接各方向接发列车的比例、顺序、接发车进路及接入股道均会影响车站作业妨碍程度。一般情况下，大型通过式车站的2 个咽喉分别办理2 个方向的始发终到作业，其中一个咽喉还连通动车段/所并承担出入库作业，列车接发车作业、动车组出入库作业之间存在作业妨碍。

1.3 车站作业妨碍类型

按照作业类型，高速铁路车站的作业妨碍可以分为接发列车间的作业妨碍、接发列车与出入库间的作业妨碍2 类。

（1）接发列车间的作业妨碍。同侧咽喉的列车接车进路与发车进路可能存在重合，反方向发车时会妨碍部分到发线的接车作业；反方向接车时，会影响部分到发线的发车作业。对于通过式车场，两端咽喉连通相同到发线，两端咽喉不能同时接入相同到发线，导致两端咽喉的接车作业也存在妨碍。

（2）接发列车与出入库间的作业妨碍。早高峰时段由于动车组集中始发，车站到发线的存车能力一般要小于始发列车数量，在办理完列车始发作业后，空闲到发线要及时安排动车组出库，造成发车作业与动车组出库作业冲突；同理，晚高峰时段列车终到作业结束后，要及时安排动车组入库以方便接入后续终到列车，造成入库作业与接车作业的冲突。

2 高速铁路车站作业妨碍时长计算

2.1 车站作业妨碍时长计算流程

作业妨碍时间是影响设备能力利用率的重要因素，明确作业妨碍时长有助于提高车站能力利用率的计算精度。车站作业妨碍时长可以结合作业仿真方法统计计算，根据车站作业内容确定未被占用设备及可行作业进路，判别无法办理车站作业的设备，即处于妨碍状态的设备，从而统计得到各项设备的作业妨碍时长。仿真流程如下。

步骤1：根据列车运行图将车站作业按照开始时间排序，确定各项作业的开始时间、结束时间以及占用的股道、进路、道岔等设备，并开始作业仿真。

步骤2：更新仿真步长及车站当前作业集合，在车站当前作业集合中加入新开始的作业内容、移除已结束的作业内容。

步骤3：根据车站当前作业集合，确定已占用的进路、股道、道岔集合，判别未被占用的股道、道岔集合，记录各股道、道岔的占用信息。

步骤4：在未被占用的股道、道岔集合中，搜索可行作业进路，确定可以办理作业进路的股道、道岔集合；剩余不可被使用的股道、道岔即处于妨碍状态，记录各股道、道岔的妨碍信息。

步骤5：如果仿真时间满足车站运营结束条件，结束仿真，并根据各股道、道岔的妨碍信息统计各项设备的妨碍时长；否则返回步骤2，执行下一个仿真步长。

2.2 车站作业时间估算

根据车站作业妨碍时长计算流程，车站接发车作业时长是影响统计分析股道、道岔妨碍状态及妨碍时长的关键因素。根据《调度集中系统技术条件》，调度集中系统在满足时间触发条件或地点触发条件时可以自动排列接车(通过)进路，CTCS-3 级区段动车组列车可提前9 min或15个闭塞分区办理[7]，导致实际运营中接发车作业时长一般会大于车站间隔时间，根据车站实际作业时间计算的能力利用率会偏高。根据《高速铁路列车间隔时间查定办法》[8]中车站间隔时间的计算原理计算理想条件下接发车作业时间相对会更合理。

（1）理想接车作业时间估算。在目标距离连续式一次控车模式下，理想接车作业时间为控车曲线目标点到达接车方向最近的闭塞分区时进站信号应办理好，即控车曲线预留1 个闭塞分区保障列车不紧急制动进站。列车接车作业过程示意图如图1 所示。

图1 列车接车作业过程示意图Fig.1 Operation process of train reception

根据上述原理，理想接车作业时间t接可以根据公式 ⑴ 计算。按照该方法计算的理想接车作业时间略大于列车到达追踪间隔时间。

式中：L作业为办理作业时换算的列车行驶距离，m；L制动为列车紧急制动距离，m；L防为防护距离，m；L闭为第一闭塞分区长度，m；L咽喉为咽喉长度，m；L列为列车长度，m；v到达为列车平均进站速度，km/h。

（2）理想发车作业时间估算。理想发车作业时间为前行列车尾部通过第一个闭塞分区后办理后行列车的发车进路，列车发车作业过程示意图如图2所示。

图2 列车发车作业过程示意图Fig.2 Operation process of train departure

根据上述原理，理想的发车作业时间t发可以根据公式 ⑵ 计算。理想发车作业时间与列车出发追踪间隔时间相同。

式中：L作业为办理作业时换算的列车行驶距离，m；L闭为出站闭塞分区长度，m；L列为列车长度，m；v出发为列车平均出站速度，km/h。

（3）理想通过作业时间估算。根据《调度集中系统技术条件》，调度集中系统对于通过列车可以一次性办理通过进路[8]。理想通过作业时间点为控车曲线目标点在到达接车方向最近的闭塞分区时办理好进站信号。按照一次性办理通过进路方式，列车通过作业过程示意图如图3 所示。理想通过作业时间略大于车站列车通过追踪间隔时间。

图3 列车通过作业过程示意图Fig.3 Operation process of train passing

根据上述原理，理想通过作业时间t通可以根据公式 ⑶ 计算。

式中：L作业为办理作业时换算的列车行驶距离，m；L制动为列车紧急制动距离，m；L防为防护距离，m；L闭1为进站方向第一个闭塞分区的长度，m；L车站为车站进站信号机至出站信号机的距离，m；L闭为出站闭塞分区长度，m；L列为列车长度，m；v通过为列车运行速度，km/h。

3 考虑作业妨碍的车站通过能力利用率计算

充分考虑车站到发线、道岔的作业占用时间及妨碍时间可以提高车站通过能力利用率的计算准确度。

（1）到发线作业时间。列车占用到发线时间可根据接车、发车作业时间汇总计算，到发线的实际占用时间为办理列车到达进路时起至出发进路解锁时止。考虑作业妨碍的到发线作业时间可以根据公式 ⑷ 计算。

（2）道岔作业时间。道岔实际占用时间与作业内容有关，可累计统计各项作业的占用时间。考虑作业妨碍的道岔作业时间可根据公式⑺计算。

式中：t接为列车接车作业时间，s；t发为列车发车作业时间，s；t通为列车通过作业时间，s；为道岔的作业妨碍时间，s。

（3）能力利用率计算。车站能力利用率可分别计算咽喉、到发线的能力利用率。车站咽喉通过能力由咽喉区负荷最大的道岔组能力决定，咽喉道岔组的能力利用率按接发车进路上利用率最高的道岔组计算。咽喉道岔与到发线的能力利用率K可以根据公式⑻计算。

式中：T作业为道岔或到发线的作业时间，包含设备实际占用时间和作业妨碍时间，min；T为车站作业周期，min，一般按一天计算，取1 440 min；T固为车站固定作业时间，min，一般为综合维修天窗时长，取360 min。

4 案例研究

4.1 案例介绍

以2021 年第三季度列车运行图为对象，综合列车时刻表、动车组交路、股道运用方案等数据，计算分析上海虹桥高速场的作业妨碍特征及能力利用率。上海虹桥高速场连接京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)、沪杭高速铁路(上海虹桥—杭州东)2 条线路，北侧咽喉同时连接上海虹桥动车所，到发线19 条，其中2 条为正线。上海虹桥高速场平面布置如图4 所示[9]。

图4 上海虹桥高速场平面布置Fig.4 Layout of Shanghai Hongqiao high speed yard

上海虹桥站的作业内容主要包括动车组出入库、列车始发终到、折返、停站、通过等作业，上海虹桥高速场作业构成如表1 所示。

表1 上海虹桥高速场作业构成 列/ d Tab.1 Operation compositions of Shanghai Hongqiao high speed yard

4.2 作业妨碍分析

根据2.1 节提出车站作业妨碍时长计算流程，统计上海虹桥高速场各道岔、到发线的作业妨碍时长。列车接车作业、发车作业时间按照4 min 统计，其中发车作业由1 min 的发车作业进路办理准备时间和3 min 的作业进路占用与解锁时间组成。根据统计结果，上海虹桥高速场道岔的日均妨碍时间为164.6 min，占运营时间的15.2%；到发线的日均妨碍时间为59.2 min，占运营时间的5.5%，咽喉道岔的作业妨碍程度要高于到发线。上海虹桥高速场接发车作业妨碍时间占比分布如图5 所示，显示了上海虹桥高速场道岔及到发线每小时的作业妨碍时长比例，可以看出道岔在15:00 的作业妨碍程度最高，比例达到21.8%；到发线在15:00 的作业妨碍程度最高，比例达到9.6%。

图5 上海虹桥高速场接发车作业妨碍时间占比分布Fig.5 Obstruction time distribution of train reception and departure in Shanghai Hongqiao high speed yard

4.3 能力利用率计算分析

统计各项设备的作业时间，结合妨碍时间计算分析上海虹桥高速场道岔与到发线的能力利用率。不考虑空费的上海虹桥高速场咽喉道岔日均利用率为38.1%，到发线日均利用率为56.3%；道岔和到发线在19:00 的利用率最高，分别达到51.4%，72%。上海虹桥高速场能力利用分布如图6 所示。

图6 上海虹桥高速场能力利用分布Fig.6 Capacity utilization distribution of Shanghai Hongqiao high speed yard

分析各道岔组的利用率，发现上海虹桥高速场北侧咽喉(黄渡线路所方向)的能力限制道岔组为103/109/117，日均利用率为50.8%，高峰时段达到83.3%；南侧咽喉(七宝线路所方向)的能力限制道岔组为108/110/114，日均利用率为60.7%，高峰时段达到76.7%。从上述分析可以看出，上海虹桥高速场高峰时段的咽喉能力比较紧张，上海虹桥高速场瓶颈道岔组能力利用分布如图7所示。

图7 上海虹桥高速场瓶颈道岔组能力利用分布Fig.7 Capacity utilization distribution of bottleneck turnout in Shanghai Hongqiao high speed yard

4.4 上海虹桥高速场能力利用优化建议

调整车站作业方案可以降低上海虹桥高速场的作业妨碍度，提高接发车能力，主要建议有以下几点。

（1）统筹优化京沪高速铁路、沪杭高速铁路动车组交路，减少由于动车组列车立折导致的作业冲突。将一部分南京南方向终到上海虹桥立折交路的后续列车调整为杭州东方向，或者延长列车运行区段至杭州东，减少上海虹桥两端咽喉的正接反发、反接正发的作业比例，降低接发车作业干扰。

（2）充分利用平行进路，提高车站平行进路的作业比例。上海虹桥高速场列车进路可以安排南京南方向1 道至6道接车时，7 道至9 道发车；安排11 道至14 道接车时，15 道至19 道发车，充分利用平行进路接发列车。

（3）协调编制上海虹桥高速场两端咽喉的作业计划。调整两端咽喉的作业方案，早晚高峰时段优先办理南侧咽喉的接发车作业，午高峰时段优先办理北侧咽喉的接发车作业，实现两端咽喉能力均衡利用。

5 结束语

车站作业妨碍影响高速铁路车站能力的利用效率。通过分析高速铁路车站作业妨碍影响因素及类型，结合计算机仿真方法设计了一套车站作业妨碍状态及时长判别流程，以及考虑作业妨碍时长的车站能力利用率计算方法，并实例计算分析了上海虹桥高速场的作业妨碍特征及能力利用率。研究计算车站进路占用时间的单位为分，后续研究可将占用时间的单位调整为秒，进一步提高车站能力利用率的计算准确度。