基于節(jié)點(diǎn)分級的高速鐵路列車停站方案設(shè)計策略

周鵬飛

(鄭州鐵路局鄭州北車站，鄭州　450053)

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基于節(jié)點(diǎn)分級的高速鐵路列車停站方案設(shè)計策略

周鵬飛

(鄭州鐵路局鄭州北車站，鄭州450053)

高速鐵路發(fā)展方興未艾，存在很多問題有待于進(jìn)一步研究和探討，特別是高速鐵路列車開行停站方案設(shè)計問題。針對這一問題引入高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級劃分的理念和方法，著重分析高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級劃分的意義和方法，并建立基于節(jié)點(diǎn)分級的高速鐵路列車停站方案設(shè)計策略，最后以京廣高鐵為例進(jìn)行案例分析，得到設(shè)計策略結(jié)果和結(jié)論。

高速鐵路；客運(yùn)節(jié)點(diǎn)；等級劃分；停站方案；京廣高鐵

高速鐵路的高技術(shù)不僅體現(xiàn)在硬件裝備上，還體現(xiàn)在其先進(jìn)的運(yùn)營管理與運(yùn)輸組織技術(shù)上。旅客列車開行方案規(guī)定了列車開行的區(qū)段、等級、數(shù)量、經(jīng)由、停站、編組等內(nèi)容[1]。其中列車停站方案是影響開行方案服務(wù)效果的關(guān)鍵因素之一[2]。高速鐵路列車停站方案是列車開行方案的重要組成部分，即主要確定各組旅客列車始發(fā)、終到站以及中間停站的組合方式。鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)是鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的客流發(fā)生點(diǎn)和吸引點(diǎn)，廣義而言就是鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)通道途經(jīng)的各個城市[3-4]。高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)的自然屬性以及社會屬性會對旅客出行選擇行為產(chǎn)生影響，致使在不同屬性的客運(yùn)節(jié)點(diǎn)之間，旅客出行選擇行為具有明顯的差異。所以分析高速鐵路所覆蓋車站的節(jié)點(diǎn)屬性將成為確定高速鐵路列車停站方案的重要基礎(chǔ)，而節(jié)點(diǎn)等級作為代表節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸集散能力的量化指標(biāo)，成為路網(wǎng)規(guī)劃中衡量城市或交通樞紐重要程度的主要依據(jù)[5]。因此，本文將重點(diǎn)研究高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級劃分的理論與方法，及基于節(jié)點(diǎn)等級劃分的高鐵列車停站方案設(shè)計理念，并結(jié)合京廣高鐵實(shí)例驗(yàn)證。

1　客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級劃分理論及方法

節(jié)點(diǎn)的功能定位是由經(jīng)濟(jì)、市場需求以及政治等多方面因素形成的?？土鞴?jié)點(diǎn)等級劃分應(yīng)保持高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的完整性，注重節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性和聯(lián)絡(luò)性。應(yīng)遵循與高速鐵路網(wǎng)絡(luò)功能、客流量、客運(yùn)站技術(shù)作業(yè)能力、人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和旅客出行需求等相適應(yīng)的原則[6]。由于客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級的確定是對多個因素綜合評價的結(jié)果，涉及不同因素之間的相互作用，而多種因素是相互制約、影響的，多因素間比較往往無法用定量的方式描述。所以直接劃分缺乏科學(xué)性，需要將半定性、半定量的問題轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)計算問題。因此首先應(yīng)建立客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級劃分的綜合評價指標(biāo)體系，得到各個節(jié)點(diǎn)的綜合評價指標(biāo)，據(jù)此進(jìn)一步進(jìn)行分類處理。本文在綜合考慮以上因素的基礎(chǔ)上，建立高速鐵路節(jié)點(diǎn)等級評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　節(jié)點(diǎn)等級劃分評價指標(biāo)體系

根據(jù)此指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)特征以及指標(biāo)特點(diǎn)，指標(biāo)量化的數(shù)值類型等因素，采用聚類分析的方法針對高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級進(jìn)行劃分。具體分為2個步驟。

(1)R型聚類，先針對節(jié)點(diǎn)的劃分依據(jù)進(jìn)行R型聚類即變量聚類，對評價指標(biāo)之間進(jìn)行聚類分析。由于部分指標(biāo)間有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，可以由一指標(biāo)替代與其相關(guān)的一系列指標(biāo)，以減少計算時間和工作量，并且不會影響處理結(jié)果。采用分層聚類法中的凝聚法，聚類開始時把參與聚類的每個變量視為一類，根據(jù)兩類之間的距離或相似性逐步合并。直到合并為一個大類為止。相似性度量方法選擇組間平均連接法，即合并兩類的結(jié)果使所有的兩兩項(xiàng)對之間的平均距離最小，可以借助SPSS軟件的變量聚類分析功能實(shí)現(xiàn)。

(2)Q型聚類，客運(yùn)專線節(jié)點(diǎn)的樣本聚類借助SPSS軟件聚類分析模塊中的兩步聚類過程，其特點(diǎn)是對分類變量和連續(xù)變量都適用；聚類過程可以自動確定分類數(shù)。分類過程第一步首先將觀測量聚為許多小的子類；第二步對第一步形成的子類再次聚類，得到最好的類數(shù)[7-8]。為了處理分類變量和連續(xù)變量，兩步聚類過程用似然距離測度；聚類數(shù)可以人工設(shè)定，也可讓算法依據(jù)貝葉斯判據(jù)(BIC)自動選擇最優(yōu)聚類數(shù)。

2　基于節(jié)點(diǎn)等級的停站方案設(shè)計策略

高速鐵路停站方案實(shí)際即確定列車在沿途各節(jié)點(diǎn)停站與否的可能情況組合方式的設(shè)計，在得到客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級的基礎(chǔ)上，可以考慮到不同節(jié)點(diǎn)等級所對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的影響力等因素來確定列車停站方案。不同等級節(jié)點(diǎn)對旅客列車的服務(wù)頻率要求不同，即全天通過停站的列車數(shù)目要求不同。本文基于不同等級節(jié)點(diǎn)不同服務(wù)頻率要求作為基本原則。基于既有研究資料確定節(jié)點(diǎn)服務(wù)頻率，基于一級節(jié)點(diǎn)服務(wù)頻率不小于4次/h、二級節(jié)點(diǎn)服務(wù)頻率不小于2次/h、三級節(jié)點(diǎn)服務(wù)頻率不小于1次/2 h的原則[9]，可以得到本線列車各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)頻率范圍。

在得到列車各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)頻率范圍的基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步確定列車停站方案是重要環(huán)節(jié)?？梢詮亩糠治黾岸ㄐ苑治鰞煞矫婵紤][10-12]。本文在重點(diǎn)研究基于節(jié)點(diǎn)等級劃分確定列車停站方案的基礎(chǔ)上，確定詳細(xì)制定策略。根據(jù)基于一級節(jié)點(diǎn)有列車通過即停站，一級節(jié)點(diǎn)之間、一級節(jié)點(diǎn)與二級節(jié)點(diǎn)之間、一級節(jié)點(diǎn)與三級節(jié)點(diǎn)之間、二級節(jié)點(diǎn)之間、二級節(jié)點(diǎn)與三級節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)有直達(dá)條件，部分三級節(jié)點(diǎn)之間需要一次換乘的原則，采用交錯停站的方式，以盡量縮短旅客旅行時間作為參考準(zhǔn)則，最終確定高鐵列車開行方案的停站方案的設(shè)計。

3　案例分析

以京廣高鐵為例，在2013年初京廣高鐵客流數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)上文評價指標(biāo)體系和節(jié)點(diǎn)等級劃分方法對京廣高鐵的節(jié)點(diǎn)等級進(jìn)行劃分，節(jié)點(diǎn)等級劃分指標(biāo)中鐵路客運(yùn)量、始發(fā)列車數(shù)量兩項(xiàng)指標(biāo)由客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，其他指標(biāo)則通過查閱城市統(tǒng)計年鑒獲得，得到各項(xiàng)評價指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果如表1所示。

表1　評價指標(biāo)結(jié)果

為下一步計算所需，將統(tǒng)計指標(biāo)量化處理，將動車段所設(shè)置情況、線路銜接情況、城市屬性等分類變量指標(biāo)用數(shù)字代表不同的類型從而得到量化的結(jié)果。得到指標(biāo)量處理化結(jié)果后，為了合并相似度高的指標(biāo)，進(jìn)一步簡化指標(biāo)體系，利用SPSS軟件的聚類分析功能針對指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，即進(jìn)行變量聚類(R型聚類)處理，得到結(jié)果如表2所示。

表2　變量聚類結(jié)果

評價指標(biāo)的近似矩陣顯示：鐵路客運(yùn)量C1、始發(fā)列車數(shù)量C2和動車段所設(shè)置C4這3項(xiàng)指標(biāo)的相似系數(shù)較高，說明該3項(xiàng)指標(biāo)的相似性很大。因此該3項(xiàng)指標(biāo)中選取鐵路客運(yùn)量這一項(xiàng)指標(biāo)代表其他兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行下一步驟的計算，實(shí)現(xiàn)了評價指標(biāo)體系的簡化。

利用聚類處理后的C1、C3、C5、C6、C7五項(xiàng)指標(biāo)，利用SPSS軟件的兩步聚類分析功能，針對客運(yùn)專線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類分析(Q型聚類)，進(jìn)行兩步聚類分析得到自動聚類結(jié)果如表3所示。

表3　自動聚類結(jié)果

注：a.變化是相對于表中先前的聚類個數(shù)而言。

b.變化的比率與兩個聚類解的變化相關(guān)。

c.距離度量的比率以當(dāng)前聚類的個數(shù)為基礎(chǔ)而不是先前的聚類個數(shù)為基礎(chǔ)。

基于上述方法理論，BIC值最小的聚類數(shù)為最佳聚類結(jié)果，因此得出京廣高鐵節(jié)點(diǎn)劃分為3個等級比較適宜。京廣高鐵節(jié)點(diǎn)聚類結(jié)果樹狀圖如圖2所示。

圖2　京廣高鐵節(jié)點(diǎn)等級劃分聚類樹狀圖

SPSS軟件自動聚類得出的京廣高鐵節(jié)點(diǎn)等級劃分結(jié)果如表4所示。

表4　京廣高鐵節(jié)點(diǎn)等級劃分結(jié)果

得到開行方案的各區(qū)段開行數(shù)量結(jié)果后，進(jìn)行開行方案停站設(shè)計，基于不同等級節(jié)點(diǎn)不同服務(wù)頻率要求的原則，本線列車各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)頻率范圍如表5所示。

表5　本線列車各節(jié)點(diǎn)服務(wù)頻率范圍　次/d

根據(jù)前面章節(jié)對京廣沿線每個車站旅客發(fā)送量的統(tǒng)計分析，以及節(jié)點(diǎn)等級劃分情況，基于一級節(jié)點(diǎn)有列車通過即停站，一級節(jié)點(diǎn)之間、一級節(jié)點(diǎn)與二級節(jié)點(diǎn)之間、一級節(jié)點(diǎn)與三級節(jié)點(diǎn)之間、二級節(jié)點(diǎn)之間、二級節(jié)點(diǎn)與三級節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)有直達(dá)條件，部分三級節(jié)點(diǎn)之間需要一次換乘的原則，采用交錯停站的方式。并且鐵路應(yīng)最大限度節(jié)省出行時間消耗[13-14]，還應(yīng)以盡量縮短旅客旅行時間作為參考準(zhǔn)則[15]，基于以上原則確定京廣高鐵列車開行方案的停站方案，可以采用滿足以上原則綜合設(shè)計一套停站方案。

4　結(jié)論

(1)我國鐵路客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，客流密度分布不均衡，受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多種不確定因素的影響，旅客列車始發(fā)方案的制定難度較大。對于龐大的鐵路客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)而言，在制定列車開行方案是需要考慮客運(yùn)站的重要性，分析客運(yùn)站間的差異性。特別高鐵節(jié)點(diǎn)等級劃分將為高速鐵路客流預(yù)測增長趨勢確定、列車開行方案運(yùn)行區(qū)段始發(fā)終到站確定、停站方案設(shè)計、開行方案評價及優(yōu)化等環(huán)節(jié)提供研究的基礎(chǔ)。因此研究高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級劃分具有重要的意義和實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)價值。

(2)在建立高速鐵路客運(yùn)節(jié)點(diǎn)等級綜合評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)用聚類分析法進(jìn)行綜合評判，得到比較客觀的節(jié)點(diǎn)等級劃分結(jié)果，基于不同等級節(jié)點(diǎn)不同服務(wù)頻率要求作為基本原則以及細(xì)化的具體原則設(shè)計高鐵列車停站方案策略。最后以京廣高鐵為例驗(yàn)證了基于節(jié)點(diǎn)等級的高鐵列車停站方案設(shè)計方法的合理性及可操作性，表明了這種方法計算的有效性。該方法可以對制定高速鐵路旅客列車開行方案提供必要的技術(shù)支撐，以及為運(yùn)輸組織方案及運(yùn)輸生產(chǎn)力布局等相關(guān)研究提供一定的理論參考依據(jù)。

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Research on High-speed Railway Train Stop Design Strategies Based on Node Classification

ZHOU Peng-fei

(Zhengzhou North Railway Station of Zhengzhou Railway Administration Bureau，Zhengzhou 450053，China)

With the ever-growing high-speed railway development，there remain a lot of problems to be studied and discussed，especially the high-speed railway train stop design.In order to solve this problem，this paper introduces the concept of high-speed railway passenger transportation node hierarchy and method，analyzes the significance and methods of the high-speed railway passenger transportation node hierarchies，and establish the high-speed railway train stop scheme based on node classification design strategy，and finally selects Beijing-Guangzhou high-speed railway as an example to obtain design strategy results and conclusions.

High-speed railway; Passenger transportation node; Hierarchy; Train stop scheme; Beijing-Guangzhou high-speed railway

2016-03-04；

2016-03-14

周鵬飛(1990—)，男，助理工程師，2015年畢業(yè)于北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：13125751@bjtu.edu.cn。

1004-2954(2016)10-0014-04

U238

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.004