高速鐵路車站通過能力計算方法探討

段博韜

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031)

高速鐵路車站通過能力計算方法探討

段博韜

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031)

針對傳統(tǒng)分析計算方法不適用于高速鐵路通過能力計算的問題，研究計算機(jī)模擬法應(yīng)用于高速鐵路車站通過能力計算的關(guān)鍵技術(shù)。首先，分析高速鐵路車站與傳統(tǒng)既有鐵路車站作業(yè)組織上的不同，對高速鐵路車站通過能力的特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。其次，提出計算機(jī)模擬法計算高速鐵路車站通過能力的整體思路流程，并提出高速鐵路車站咽喉、到發(fā)線作業(yè)一體化模型的詳細(xì)構(gòu)建思路。最后，給出高速鐵路車站作業(yè)計算機(jī)仿真模擬算法流程。

高速鐵路；車站通過能力；算法流程

高速鐵路車站是高速鐵路網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)和中樞，其作業(yè)組織直接影響整個高速鐵路系統(tǒng)的通過能力。高速鐵路車站通過能力的計算對于鐵路運(yùn)輸組織優(yōu)化有著十分重要的意義。

我國高速鐵路采用客運(yùn)專線、高中速旅客列車共線運(yùn)行的運(yùn)輸組織模式，高速鐵路車站上僅辦理動車組列車的技術(shù)作業(yè)和客運(yùn)作業(yè)，不辦理貨物列車的相關(guān)作業(yè)，且高速鐵路采用的旅客運(yùn)載工具為動力與運(yùn)輸載體一體化的電動車組，以往既有鐵路客運(yùn)站上的旅客列車摘掛和換掛機(jī)車等作業(yè)在高速車站上均不會出現(xiàn)?？紤]上述因素，在高速鐵路車站能力計算中不應(yīng)再考慮貨物列車到發(fā)、客貨列車的調(diào)移及機(jī)車出入段等作業(yè)的固定設(shè)備占用時間，以及對其他道岔組產(chǎn)生的敵對妨礙時間及由此引入的空費(fèi)系數(shù)[1-3]。因此，不能模仿既有站利用固定設(shè)備占用時間和空費(fèi)系數(shù)對高速鐵路車站通過能力進(jìn)行計算，為了適應(yīng)高速鐵路車站作業(yè)的特殊性，應(yīng)對其通過能力計算方法單獨(dú)研究。

1 高速鐵路車站通過能力特點(diǎn)分析

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)中指出車站通過能力的計算應(yīng)該在一定的車站設(shè)備配置和作業(yè)組織條件下，以車站平行進(jìn)路的最大限度利用和車站股道的合理使用為原則，分別對車站咽喉、到發(fā)線通過能力以及車站高峰時段到發(fā)線需要量進(jìn)行計算。

高速鐵路車站客流、固定設(shè)備以及運(yùn)輸組織方法與既有鐵路車站不同，造成其通過能力的計算存在一些自身特點(diǎn)。

(1)高速鐵路車站通過能力的計算應(yīng)該主要圍繞高峰時段進(jìn)行。目前，國內(nèi)外對于高速鐵路車站通過能力還沒有一個準(zhǔn)確一致的定義，主要沿用了普通鐵路車站通過能力的定義，即高速鐵路車站通過能力指在一定的設(shè)備條件下，配合一定的列車開行方案并且采用合理的作業(yè)組織方法情況下，車站在1晝夜時間內(nèi)所能接發(fā)(通過)的最多動車組數(shù)。

高速鐵路車站客流的特點(diǎn)決定了高速鐵路列車開行方式與普通鐵路旅客列車的開行方式有所不同。為方便旅客出行，高速鐵路上列車開行具有不均衡性[4]，存在接發(fā)列車高峰時段這樣的特點(diǎn)，高峰時段內(nèi)高速鐵路車站客流量更大，為方便旅客出行，需要運(yùn)用動車組數(shù)比平峰時段多，接發(fā)車密度更高，造成車站到發(fā)線和咽喉能力緊張，而平峰時段能力則有富余，高峰時段是限制車站能力的最重要階段[5]，只要滿足高峰時段的通過能力，平峰時段的通過能力就可以得到相應(yīng)的滿足。

如果按照傳統(tǒng)車站能力計算方法計算高速鐵路車站一晝夜的通過能力，則只能反映出車站全天時間內(nèi)最大接發(fā)車能力，并不能實(shí)時地反映出一天內(nèi)某一時段內(nèi)高速鐵路車站的接發(fā)動車組的能力[6]。因此，沿用以前的計算方法忽略了高速鐵路車站和傳統(tǒng)鐵路作業(yè)特點(diǎn)上的區(qū)別，直接應(yīng)用到高速鐵路上具有很大的局限性。結(jié)合高速鐵路車站作業(yè)特點(diǎn)，對高速鐵路車站能力的計算應(yīng)該著重于高峰時段，求解能反映出高峰時段車站到發(fā)線和咽喉的最大接發(fā)動車組的能力，這樣的通過能力才能對車站實(shí)際工作起到指導(dǎo)作用。

(2)研究高速鐵路車站咽喉和到發(fā)線一體化通過能力，不能簡單地將咽喉區(qū)和到發(fā)線作為兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，應(yīng)該在兩者之間建立聯(lián)系，考慮兩者作業(yè)協(xié)調(diào)情況下的高速鐵路車站高峰時段通過能力[7-9]。

高速鐵路車站高速動車組要滿足高密度、小編組開行，由于運(yùn)輸組織結(jié)合緊密，作業(yè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)，要求車站咽喉和到發(fā)線作業(yè)緊密銜接，不像傳統(tǒng)既有車站一樣對車站咽喉和到發(fā)線的通過能力分別計算，應(yīng)該求解車站咽喉和到發(fā)線作業(yè)協(xié)調(diào)一致情況下的綜合通過能力，即采用一體化思想計算高速鐵路車站通過能力。

(3)應(yīng)該分車種別以組合能力的形式體現(xiàn)高速鐵路車站通過能力構(gòu)成。車站接發(fā)不同種類的列車作業(yè)流程以及占用設(shè)備時間并不相同，單純地以接發(fā)車總數(shù)并不能反映車站實(shí)際作業(yè)情況。

(4)高速鐵路車站通過能力的計算應(yīng)該在作業(yè)進(jìn)路優(yōu)化的基礎(chǔ)之上進(jìn)行。在高峰時段內(nèi)對列車作業(yè)進(jìn)路的合理安排尤為重要，它是保證準(zhǔn)確求解車站最大接發(fā)車能力的關(guān)鍵。

結(jié)合以上分析，需要對高速鐵路車站通過能力的計算進(jìn)行重新認(rèn)識和修正。在一定的設(shè)施設(shè)備和作業(yè)組織條件下，對進(jìn)路安排優(yōu)化的基礎(chǔ)上，求解能反映高峰時段車站咽喉和到發(fā)線作業(yè)協(xié)調(diào)配合下的最大接發(fā)車組合能力，以此來判斷現(xiàn)階段車站設(shè)備能力能否滿足車站高峰時段高密度接發(fā)車需求，并在能力不滿足要求時得出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 運(yùn)用計算機(jī)模擬法計算高速鐵路車站通過能力整體思路研究

運(yùn)用計算機(jī)模擬法計算高速鐵路車站通過能力的整體思路，可以按照確定車站相關(guān)作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)建車站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、建立通過能力模型、計算機(jī)仿真模擬列車在站作業(yè)過程等4個步驟逐項(xiàng)進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 高速鐵路車站通過能力計算整體思路

3 確定車站相關(guān)作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)

在計算車站通過能力之前，應(yīng)該查明車站的相關(guān)作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)。主要包括咽喉占用時間標(biāo)準(zhǔn)、到發(fā)線占用時間標(biāo)準(zhǔn)以及接發(fā)車間隔時間標(biāo)準(zhǔn)。

動車組列車對車站咽喉的占用時間包括直接占用時間及列車進(jìn)路準(zhǔn)備及解鎖時間，具體包含列車接車占用咽喉區(qū)時間、列車發(fā)車占用咽喉區(qū)時間、不停站通過列車對咽喉和到發(fā)線的占用時間、動車組轉(zhuǎn)入(轉(zhuǎn)出)占用時間等。

動車組列車對到發(fā)線的占用時間主要包括列車進(jìn)出站時間、列車停站時間以及動車組出入段時間3個部分。

接發(fā)車間隔時間包含通通、發(fā)發(fā)、到到、通到、到通等共9種由前后兩列車的到、發(fā)、通3種不同運(yùn)行狀態(tài)組合而成的車站間隔時間。

4 構(gòu)建車站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

(1)根據(jù)道岔分組原則對車站咽喉區(qū)道岔進(jìn)行分組，簡化車站布置。如圖2所示。

圖2 X車站A端咽喉道岔分組示意

(2)在對道岔分組的基礎(chǔ)上建立車站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖3 X車站A端網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

5 通過能力模型的建立

5.1 建立車站咽喉通過能力模型

首先要對車站作業(yè)進(jìn)路進(jìn)行優(yōu)化，主要是指對道岔占用的優(yōu)化，即作業(yè)進(jìn)路的優(yōu)化。

(1)接發(fā)車進(jìn)路應(yīng)該首先考慮選用相應(yīng)兩個節(jié)點(diǎn)之間的最短進(jìn)路。因此首先對車站建立最短進(jìn)路模型，尋求列車走行時間最短的進(jìn)路，并運(yùn)用比較成熟的Dijkstra算法進(jìn)行求解。

(2)對于計算出來的最短進(jìn)路，對應(yīng)的車站平行作業(yè)數(shù)量不一定達(dá)到最優(yōu)，因此還需要考慮車站剩余平行作業(yè)數(shù)量與最短進(jìn)路之間的協(xié)調(diào)，進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)進(jìn)路選擇，疏解進(jìn)路在時間和空間上的交叉干擾，保證一定的平行作業(yè)數(shù)量。平行進(jìn)路的優(yōu)化主要包括如下內(nèi)容。

①選用有利于平行作業(yè)的次短進(jìn)路。當(dāng)最短進(jìn)路由于敵對占用而不能使用時，需要搜索滿足平行作業(yè)關(guān)系的次短進(jìn)路。

②平行進(jìn)路空間優(yōu)化模型。以實(shí)現(xiàn)最大剩余平行進(jìn)路數(shù)量為目標(biāo)函數(shù)，以進(jìn)路空間上的相互限制為約束條件，建立一定的進(jìn)路選擇情況下的剩余最大平行作業(yè)進(jìn)路數(shù)量的空間優(yōu)化模型。

③占用咽喉進(jìn)路時間有交叉的進(jìn)路疏解模型。盡管上述對咽喉平行進(jìn)路的優(yōu)化保證了后續(xù)作業(yè)的最大平行進(jìn)路數(shù)量，但對于具體的行車任務(wù)而言，進(jìn)路的選擇也受占用時間和到發(fā)線固定使用方案等因素的影響，這些剩余平行進(jìn)路不一定能夠發(fā)揮最大效用。因此，還需要根據(jù)具體的行車作業(yè)，對占用咽喉存在時間交叉的進(jìn)路進(jìn)行疏解，建立相應(yīng)的疏解模型。

綜合考慮上述所分析的分方向最大接發(fā)車數(shù)、最小費(fèi)用(最短進(jìn)路)、最大平行作業(yè)數(shù)量、進(jìn)路交叉疏解等目標(biāo)，結(jié)合上述列車占用咽喉進(jìn)路時間和空間上的約束條件，建立車站咽喉區(qū)通過能力模型，如圖4所示。

圖4 車站咽喉通過能力模型建立流程

5.2 建立車站到發(fā)線通過能力模型

對到發(fā)線通過能力的研究應(yīng)該建立在到發(fā)線合理使用的基礎(chǔ)上，因此首先需要對到發(fā)線的合理使用提出一定的條件。

5.2.1 到發(fā)線合理使用因素分析

(1)列車的接發(fā)作業(yè)應(yīng)符合到發(fā)線的固定使用方案

對到發(fā)線按照列車在車站的作業(yè)性質(zhì)及其運(yùn)行的方向的不同分類，并設(shè)置某類到發(fā)線運(yùn)用接發(fā)某類列車的權(quán)值，以此來體現(xiàn)到發(fā)線的接發(fā)車類型約束條件。

(2)滿足到發(fā)線使用的唯一性

對于到發(fā)線的使用來說，列車在一定的時間內(nèi)應(yīng)該只占用一條到發(fā)線；同樣對于一條到發(fā)線來說，在一定時間內(nèi)只能辦理一列旅客列車作業(yè)。對于一定時間的劃分可以參考現(xiàn)有的對于車站作業(yè)時間片的定義[10]，以此來簡化占用車站到發(fā)線之間的約束關(guān)系，針對到發(fā)線占用唯一性的以上兩個方面建立相應(yīng)的約束條件。

(3)滿足各類型列車在站作業(yè)停留的時間要求

可以分為不停站通過列車和其他需要在站進(jìn)行停站作業(yè)的列車兩種類型，分別考慮其在車站到發(fā)線上的作業(yè)時間約束要求，滿足各類列車的到發(fā)線客運(yùn)作業(yè)。

(4)保證不間斷接發(fā)列車，減少列車的等線時間

車站咽喉和到發(fā)線之間作業(yè)銜接不緊密可能會導(dǎo)致列車作業(yè)完畢后不能及時發(fā)車[11-12]，由此產(chǎn)生一定的列車額外等待時間，因此對于到發(fā)線的合理使用應(yīng)該考慮到該等待時間的限制，盡量縮短列車在站額外等待時間，構(gòu)建車站最短等線時間模型。

(5)車站到發(fā)線占用的均衡

車站到發(fā)線均衡使用是車站到發(fā)線合理使用的一個重要方面，可以通過到發(fā)線的占用時間與到發(fā)線平均占用時間之間的離差得以體現(xiàn)，建立占用時間離差最小的車站到發(fā)線均衡使用模型。

5.2.2 建立車站到發(fā)線合理利用模型

綜合以上對于到發(fā)線合理使用因素的分析，建立車站到發(fā)線合理使用模型。

5.2.3 建立車站到發(fā)線通過能力模型

到發(fā)線通過能力根據(jù)到發(fā)線接發(fā)車類型的不同，可分別計算車站到發(fā)線總的接發(fā)車能力以及車站同類型到發(fā)線接發(fā)車能力。

在到發(fā)線合理運(yùn)用的基礎(chǔ)上，考慮到發(fā)線接發(fā)車能力最大、列車額外等線時間最短、到發(fā)線均衡使用等幾個方面為目標(biāo)函數(shù)，并考慮列車占用到發(fā)線時間和空間上的約束條件，建立車站到發(fā)線通過能力計算模型，如圖5所示。

圖5 到發(fā)線通過能力模型建立流程

5.3 車站咽喉和到發(fā)線通過能力的協(xié)調(diào)

車站最終通過能力并不能簡單取車站咽喉和到發(fā)線能力中較小者，而是要充分考慮兩子系統(tǒng)之間作業(yè)的協(xié)調(diào)性，只有在相互匹配下的車站接發(fā)車能力才是有效的高速鐵路車站通過能力。

為了實(shí)現(xiàn)車站咽喉區(qū)和到發(fā)線通過能力的協(xié)調(diào)，需要將兩個子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系。因此需要考慮兩子系統(tǒng)之間的約束。

(1)車站同方向同時接發(fā)車的約束

車站隔開設(shè)備的設(shè)置會影響車站接發(fā)車作業(yè)，因此需要引入控制參數(shù)對同方向同時接發(fā)車進(jìn)行一定的限制。

(2)列車在站作業(yè)徑路的約束

列車在站完整的作業(yè)徑路應(yīng)該保證時間和空間上的連續(xù)性。

時間上的連貫性體現(xiàn)在列車在站內(nèi)各個系統(tǒng)間的作業(yè)時間的連續(xù)性，空間上的連續(xù)性體現(xiàn)在同一列車接發(fā)車進(jìn)路占用同一條到發(fā)線。將列車作業(yè)徑路在時間和空間上的連續(xù)性約束作為聯(lián)系車站咽喉區(qū)和到發(fā)線的一個約束條件。

5.4 建立高速鐵路車站總體通過能力模型

考慮車站咽喉區(qū)和到發(fā)線作業(yè)協(xié)調(diào)一致情況下，結(jié)合上述兩子系統(tǒng)之間的約束，將高速鐵路車站看作路網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)，則相應(yīng)的高峰時段通過能力為通過該節(jié)點(diǎn)的列流量，據(jù)此建立高速鐵路車站總體通過能力計算模型，如圖6所示。

圖6 車站最終通過能力模型建立流程

6 高速鐵路車站作業(yè)計算機(jī)仿真模擬算法流程設(shè)計

在對相關(guān)模型及列車在站作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)以及各類型接發(fā)車比例進(jìn)行輸入的基礎(chǔ)上，對列車在站作業(yè)過程進(jìn)行模擬。

首先判斷將要發(fā)生事件的類型，基本事件分為出發(fā)事件和到達(dá)事件兩類，選擇相應(yīng)的作業(yè)子程序。

其次判斷列車作業(yè)類型，分為始發(fā)列車、終到列車、通過列車(包括停站通過列車和不停站通過列車)、折返列車幾種作業(yè)類型。

再次按照各種不同類型列車在站作業(yè)流程辦理相應(yīng)作業(yè)。

(1)辦理接車作業(yè)：判斷現(xiàn)在能否為列車安排接車進(jìn)路(這里將動車組出段也抽象為車站的接車作業(yè))，搜索目前平行進(jìn)路中可以利用的進(jìn)路，如有對應(yīng)進(jìn)路可以使用，則為其安排進(jìn)路和到發(fā)線；如沒有可以使用的進(jìn)路，則列車等待。

(2)對需要停站作業(yè)的列車，辦理列車停站作業(yè)，組織旅客乘降；對不需要停站作業(yè)的列車可以直接準(zhǔn)備發(fā)車進(jìn)路。

(3)辦理發(fā)車作業(yè)：根據(jù)不同類型列車安排發(fā)車進(jìn)路(這里將動車組入段也抽象為車站的發(fā)車作業(yè))，同理，搜索平行進(jìn)路，對列車發(fā)車進(jìn)路進(jìn)行一定的安排。

最后輸出高峰時段各次列車占用車站咽喉及到發(fā)線的起止時間、占用股道、列車種類、速度等級等參數(shù)輸出，分列車種類別統(tǒng)計車站接發(fā)車數(shù)量，從而得到高速鐵路車站高峰時段組合通過能力。

高速鐵路車站作業(yè)仿真流程設(shè)計如圖7所示。

圖7 高速鐵路車站作業(yè)仿真流程設(shè)計

7 結(jié)論

高速鐵路車站以其獨(dú)有的作業(yè)特點(diǎn)，在通過能力計算方面與傳統(tǒng)既有站存在諸多差異，考慮到高速鐵路車站通過能力的特點(diǎn)，不能簡單地套用既有車站通過能力計算方法，解決高速鐵路車站能力計算問題的正確途徑應(yīng)為計算機(jī)模擬法。

本文提出的高速鐵路車站通過能力計算的整體思路，咽喉到發(fā)線作業(yè)一體化模型構(gòu)建思路，以及所設(shè)計的高速鐵路車站作業(yè)計算機(jī)仿真模擬算法流程，對于我國高速鐵路車站通過能力計算領(lǐng)域的研究發(fā)展有一定的借鑒價值和參考意義。

在進(jìn)一步的研究中應(yīng)該主要圍繞計算機(jī)具體實(shí)現(xiàn)過程，運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)編制高速鐵路車站通過能力計算系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)列車接發(fā)車作業(yè)計算機(jī)可視化仿真模擬，并運(yùn)用實(shí)例證明所設(shè)計系統(tǒng)的可行性。

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Discussion on the Calculation of Carrying Capacity of High-speed Railway Station

DUAN Bo-tao

(School of Traffic and Transportation， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

To solve the problem that the traditional analytical calculation method is not applicable to the carrying capacity calculation of high-speed railway station， this paper studies the key technologies in computer simulation applied to the calculation of carrying capacity of high-speed railway station. Firstly， the differences of the operation organization between the high-speed railway station and the existing traditional railway station are analyzed， and the characteristics of carrying capacity of high-speed railway station are studied intensively. Secondly， the overall train of thought of using simulation calculating method to calculate the carrying capacity of high-speed railway station is put forward. Additionally， the integration of high-speed railway station’s throat with arrival-departure track operation is presented in detail. Finally， the computer simulation algorithm process for high-speed railway station’s operation is offered.

High-speed railway; Carrying capacity of railway station; Algorithmic process

2015-03-26；

2015-04-02

段博韜(1992—)，男，碩士研究生，E-mail：598337500@qq.com。

1004-2954(2015)11-0043-05

U238； U292.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.011