基于EOAS數(shù)據(jù)的高鐵列車發(fā)到間隔研究

陳嘉偉，徐行方，彭秀秀，施俊泉，曲思源

（1. 同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2. 上海鐵路局 運輸處，上海 200071）

基于EOAS數(shù)據(jù)的高鐵列車發(fā)到間隔研究

陳嘉偉1，徐行方1，彭秀秀1，施俊泉2，曲思源2

（1. 同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2. 上海鐵路局 運輸處，上海 200071）

重點研究高鐵同方向列車不同時發(fā)到間隔時間參數(shù)的取值，分析間隔時間的組成因素。以滬杭高鐵為例，對該線電動車組司機操控信息分析系統(tǒng)（EOAS）數(shù)據(jù)進行篩選分析，剔除異常數(shù)據(jù)，進行Lilliefors檢驗，最終得出滬杭高鐵各站上下行進站時間和出站時間。通過數(shù)據(jù)分析證實，滬杭高鐵同方向同股道列車發(fā)到間隔時間可從7min壓縮至6min。

高鐵列車；發(fā)到間隔時間；EOAS；Lilliefors檢驗

0 引言

隨著我國高鐵的快速發(fā)展，目前一些線路通過能力已接近或達(dá)到飽和狀態(tài)，增加列車開行對數(shù)已越來越困難。其中，高鐵列車間隔時間是限制列車開行密度的重要因素，但至今有些時間參數(shù)的取值尚不明確，部分時間標(biāo)準(zhǔn)沿用既有鐵路的規(guī)定，一些時間參數(shù)的取值偏大。針對目前高鐵相關(guān)理論研究滯后于運營實際的現(xiàn)象，研究高鐵列車間隔時間，特別是同方向列車不同時發(fā)到間隔時間，對于線路通過能力的提高，具有重要的現(xiàn)實意義。

列車間隔時間是列車運行圖的重要組成[1]，是指列車運行圖中相鄰列車運行線間應(yīng)保持的最小間隔時間，分為列車車站間隔時間和列車追蹤運行間隔時間。高鐵列車間隔時間是指在采用調(diào)度集中（CTC）行車指揮方式和CTCS-2/3級列控系統(tǒng)控車條件下，列車間應(yīng)保持的最小運行間隔時間。與普速鐵路相比，由于控車模式的不同，高鐵列車間隔時間的計算方法也不相同。國內(nèi)目前尚無規(guī)范的高鐵列車間隔時間計算方法[2]。

1 高鐵列車車站發(fā)到間隔時間

自列車從車站發(fā)出時起，至另一同方向列車到達(dá)車站時止的最小間隔時間，稱為同方向列車不同時發(fā)到間隔時間（τ發(fā)到）[3]。

同一方向僅設(shè)有1條到發(fā)線時，出發(fā)列車與到達(dá)列車必須共用同一條到發(fā)線，需要考慮出發(fā)列車從車站出發(fā)至出清股道的時間t出站、為到達(dá)列車辦理進路開放信號的時間t作業(yè)及到達(dá)列車制動停車時間t進站（見圖1）。因此，在相同股道情況下，τ發(fā)到的計算公式為：

式中：L出為出站列車從車站出發(fā)至出清股道的走行距離，m；L進為進站列車從制動點至站內(nèi)停妥的走行距離，m；L標(biāo)為站內(nèi)停妥列車頭部至出站信號機的距離，m；L列為列車長度，m；L制為列車站外制動距離，m；L防為安全防護距離，m；L進站為進站信號機至停妥列車頭部距離，m；v到為列車制動進站停車的運行速度，km/h；v發(fā)為列車加速出站的運行速度，km/h。

圖1 相同股道同方向列車不同時發(fā)到間隔時間示意圖

2 基于EOAS數(shù)據(jù)的滬杭高鐵發(fā)到間隔時間

2.1 滬杭高鐵運營現(xiàn)狀

滬杭高鐵于2010年10月通車，由上海虹橋站出發(fā)，經(jīng)松江南站、金山北站、嘉善南站、嘉興南站、桐鄉(xiāng)站、海寧西站、余杭站、杭州東站，并通過聯(lián)絡(luò)線與上海站、杭州站相接，正線全長169 km，設(shè)計時速350 km，目前最高運營時速為300 km，正線采用CTCS-3級列控系統(tǒng)。滬杭高鐵建設(shè)較早，從節(jié)省工程投資的角度考慮，除嘉興南站外，沿途其余6站每方向僅設(shè)1條到發(fā)線。

隨著杭長客專、金麗溫城際等新線的開通運營，滬杭高鐵與多條干線匯集，高鐵列車開行密度隨之增大，線路通過能力越來越緊張，已成為上海南向進出通道的瓶頸。作為滬寧杭高鐵“1 h經(jīng)濟圈”的一部分，在客運專線逐步成網(wǎng)的背景下，繁忙的共線區(qū)段通過能力已不能滿足路網(wǎng)列車開行對數(shù)的需求，提高滬杭高鐵的通過能力已成為當(dāng)務(wù)之急。

滬杭高鐵途中車站同一股道接發(fā)列車時，同向列車間的發(fā)到間隔時間對通過能力產(chǎn)生較大影響，若繼續(xù)沿用既有鐵路7 min間隔時間，將嚴(yán)重阻礙運能的提升。

2.2 EOAS系統(tǒng)應(yīng)用

電動車組司機操控信息分析系統(tǒng)（EOAS）是為共享列控系統(tǒng)車載設(shè)備信息采集裝置所采集的與動車組運行及司機操控有關(guān)的信息所開發(fā)的系統(tǒng)[4]。

EOAS所記錄的數(shù)據(jù)有：時間、DMS時間、事件、ATP等級、ATP模式、速度（實時速度）、常用（合理速度）、緊急（限制速度）、走行距離、間隔距離、里程、載頻、信號、越過信號機、前方信號機、前方車站、行別、線名隔離開關(guān)、ATP方向、牽制、WTD手柄級位、制動、車門狀態(tài)、受電弓狀態(tài)、主斷路器狀態(tài)、WTD方向、DMI文本、司機操作、ATP故障。

EOAS為用戶所提供的可查詢數(shù)據(jù)種類繁多，選取時間、速度、里程、前方車站、線路名稱進行分析，其中，里程即為列車所在位置的里程標(biāo)；由于EOAS包含其他線路列車信息，故而需對線路名稱進行篩選，選取滬杭高鐵相關(guān)信息。

以滬杭高鐵EOAS采集數(shù)據(jù)為例，對該線上下行途中各車站發(fā)到間隔時間進行分析。

2.2.1 數(shù)據(jù)篩選

現(xiàn)場提供的EOAS數(shù)據(jù)為xlsx格式，可將其批量導(dǎo)入matlab進行分析，并剔除異常采集數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)缺失及數(shù)值偏大或偏?。┘胺抢碚摪l(fā)到運行狀態(tài)數(shù)據(jù)（列車在站外停車或制動進站時加減速交替）。嘉興南站單方向到發(fā)線超過1條，所以不考慮嘉興南站列車發(fā)到間隔時間。

由于列車制動進站及加速出站是一個較為復(fù)雜的變速運動，無法根據(jù)式（1）直接計算列車發(fā)到間隔時間，但可根據(jù)線路及列車基礎(chǔ)資料，確認(rèn)式（1）中各距離起訖點里程標(biāo)，通過速度變化及位置信息，判別列車運行狀態(tài)（加速出站、減速進站、停車、通過車站），利用EOAS所記錄的列車實時運行數(shù)據(jù)，篩選得出各站上下行的進站時間、出站時間、制動初速度、出站末速度等。

2.2.2 數(shù)據(jù)實例分析

以滬杭高鐵下行桐鄉(xiāng)站進站時間為例進行分析計算。

現(xiàn)場以站外7 km（即距進站信號機7 km）為列車進站制動點，制動初速度即列車運行至制動點時的速度，該站共篩選出69組進站時間和制動初速度數(shù)據(jù)，對這2種數(shù)據(jù)作散點圖（見圖2）。

圖2 桐鄉(xiāng)站下行進站時間和制動初速度數(shù)據(jù)散點圖

由于滬杭高鐵站間距較短以及列車運行至制動點前提前制動，造成制動初速度范圍為220～280 km/h。此外，同一制動初速度下進站時間離散程度較大，可見列車駕駛員的操作對進站時間影響較大，需要消除由駕駛習(xí)慣不同所產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。

進站時間和制動初速度應(yīng)符合式（2）中的非線性關(guān)系：

式中：t進站為到達(dá)列車制動停車時間，s；v0為制動初速度，km/h；L進為進站列車從制動點至站內(nèi)停妥的走行距離，m；a、b為非線性方程擬合參數(shù)。對數(shù)據(jù)進行非線性擬合，初步結(jié)果見圖3。

擬合殘差δ服從正態(tài)分布N（0，σ2），將殘差δ進行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差δ*，δ*服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N（0，1），根據(jù)2σ法則，標(biāo)準(zhǔn)化殘差分布在（-2，2）區(qū)間中的概率為95.44%，取95%置信度，若標(biāo)準(zhǔn)化殘差落在（-2，2）區(qū)間外，則視為異常值進行剔除。

將異常值剔除后繼續(xù)進行擬合，直到?jīng)]有異常值為止，共剔除14組異常數(shù)據(jù)。最終擬合結(jié)果見圖4。異常值剔除后進站時間的均值μ=254.12 s，標(biāo)準(zhǔn)差σ=13.66。

圖3 桐鄉(xiāng)站下行進站時間和制動初速度初步擬合圖

圖4 桐鄉(xiāng)站下行進站時間和制動初速度最終擬合圖

采用Lilliefors檢驗（正態(tài)分布檢驗），檢驗進站時間t進站是否服從正態(tài)分布N（μ，σ2）。如果服從，則可用均值 μ作為標(biāo)準(zhǔn)時間。

Lilliefors檢驗是對Kolmogorov-Smirnov檢驗的一種改進，該方法與Kolmogorov-Smirnov檢驗法的最大區(qū)別是，檢驗不需要已知分布參數(shù)，樣本的標(biāo)準(zhǔn)化避免了在正態(tài)分布擬合優(yōu)度檢驗之前對分布參數(shù)進行估計，因此該方法可在小樣本環(huán)境下使用[5]。

利用matlab中的lillietest函數(shù)，可對桐鄉(xiāng)站下行進站時間t進站進行Lilliefors檢驗，返回值為0，即桐鄉(xiāng)站下行進站時間t進站服從正態(tài)分布N（μ，σ2），桐鄉(xiāng)站下行標(biāo)準(zhǔn)進站時間可取均值μ=254.12 s。桐鄉(xiāng)站下行進站時間頻數(shù)直方圖與正態(tài)分布密度函數(shù)擬合見圖5。

圖5 桐鄉(xiāng)站下行進站時間頻數(shù)直方圖與正態(tài)分布密度函數(shù)擬合圖

采用處理桐鄉(xiāng)站下行進站時間相同的數(shù)據(jù)篩選分析與檢驗方法，對滬杭高鐵其余各站上下行進出站時間進行分析檢驗，檢驗結(jié)果見表1。

表1 滬杭高鐵上下行各站進出站時間Lilliefors檢驗結(jié)果

由于余杭站上行數(shù)據(jù)樣本量極少，上行進出站時間數(shù)據(jù)無法進行正態(tài)分布檢驗。同時，部分站點因為數(shù)據(jù)樣本量不足，上下行進出站時間無法通過正態(tài)分布檢驗，即不服從正態(tài)分布N（μ，σ2）。例如海寧西站下行進站時間并不服從正態(tài)分布，其頻數(shù)分布見圖6。

可見海寧西站下行進站時間服從偏態(tài)分布，可用中位數(shù)M=244 s作為標(biāo)準(zhǔn)時間。其余無法通過正態(tài)分布檢驗的車站上下行進出站時間也呈偏態(tài)分布，可用中位數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)時間。滬杭高鐵各站上下行進出站標(biāo)準(zhǔn)時間見表2。

圖6 海寧西站下行進站時間頻數(shù)分布直方圖

表2 滬杭高鐵各站上下行進出站標(biāo)準(zhǔn)時間 s

滬杭高鐵中，金山北站上行進出站時間總和最大，所需時間320 s，即 t出站+ t進站=320 s。t作業(yè)取固定值36 s，由此，τ發(fā)到= t出站+ t進站+ t作業(yè)=320+36=356 s＜6 min。

因此，滬杭高鐵列車同方向同股道發(fā)到間隔時間可取6 min。

3 結(jié)束語

我國高鐵發(fā)展迅猛，理論研究卻相對滯后，部分間隔時間標(biāo)準(zhǔn)依然沿用既有鐵路，參數(shù)取值偏大，成為高鐵提高運能的瓶頸。針對同方向列車不同時發(fā)到間隔時間，分析確定其理論組成，并以滬杭高鐵為例，對該線EOAS所記錄的列車實時運行數(shù)據(jù)進行篩選分析，計算表明可將該線原使用的7 min發(fā)到間隔時間壓縮至6 min。若要進一步壓縮，則需通過提高車輛性能縮短列車制動距離以及提高列車過岔速度等技術(shù)手段來實現(xiàn)。下一步可研究壓縮列車間隔時間后對線路通過能力及運輸效益的提升。

[1] 方琪根，邢二平，李竹君，等．我國與日本高速鐵 路通過能力參數(shù)的比較研究[J]．中國鐵路， 2016(10)：53-56.

[2] 張岳松，田長海，姜昕良，等．高鐵列車間隔時間 的計算方法[J]．中國鐵道科學(xué)，2013(5)：120-125.

[3] 徐瑞華．軌道交通系統(tǒng)行車組織[M]．北京：中國鐵 道出版社，2008.

[4] 韋永全，張銀環(huán)，王治國，等．淺談EOAS系統(tǒng)及其 在高速電動車組中的應(yīng)用[C]//第八屆中國智能交通 年會論文集．北京：中國智能交通協(xié)會，2013.

[5] 何清，王震坤．正態(tài)性檢驗方法在教學(xué)研究中的應(yīng) 用[J]．高等理科教育，2014(4)：18-21.

Research on Departure-arrival Train Interval of High-speed Railway Based on EOAS

CHEN Jiawei1，XU Xingfang1，PENG Xiuxiu1，SHI Junquan2，QU Siyuan2
（1. The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China；2. Transport Department，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China）

The carrying capacity of some high speed railways is becoming increasingly tense, while some train interval is too long to improve the carrying capacity. This paper focuses on departure-arrival train interval of high-speed railway on identical direction and station track. First con fi rm the component of the train interval.Then analyze the EOAS data of Shanghai-Hangzhou High-speed Railway by eliminating anomalous data and Lilliefors test. Result proved that the interval can be reduced from 7 min to 6 min.

high speed train；interval between departure and arrival；EOAS；Lilliefors test

U292

A

1001-683X（2017）08-0064-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.064

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2016X006-F）

陳嘉偉（1992—），男，碩士研究生。E-mail：1304013805@qq.com

責(zé)任編輯 李鳳玲

2016-12-29