高鐵車站通過能力仿真研究

李衛(wèi)華 趙文強(qiáng) 王淑姍

摘 要 隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，客流需求不斷擴(kuò)大，高速鐵路車站的作業(yè)負(fù)荷也日益增加，高速鐵路通過能力特別是車站通過能力緊張的問題日益突出。通過仿真結(jié)果建議案例中的高鐵站只接發(fā)動(dòng)車組列車，以提高作業(yè)效率，增大通過能力。

關(guān)鍵詞 通過能力；高鐵；車站

中圖分類號(hào) U2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）231-0109-02

1 研究背景

根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2016調(diào)整）》，鐵路網(wǎng)要擴(kuò)大規(guī)模，完善結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量，快速擴(kuò)充運(yùn)輸能力，迅速提高裝備水平，到2020年，一批重大標(biāo)志性項(xiàng)目建成投產(chǎn)，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬千米，其中高速鐵路3萬千米，覆蓋80%以上的大城市；到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬千米左右，其中高速鐵路3.8萬公里左右。網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)一步擴(kuò)大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，骨干作用更加顯著，更好發(fā)揮鐵路對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的保障作用。展望到2030年，基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會(huì)高鐵連通、地市快速通達(dá)、縣域基本覆蓋[1]。

最新版的規(guī)劃在原規(guī)劃京滬高鐵、京廣高鐵等“四縱四橫”主要高鐵線路構(gòu)架的基礎(chǔ)上，滿足發(fā)展的需要，并且根據(jù)客流情況，修建適合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的高速鐵路，并且充分結(jié)合既有鐵路，打造以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng)[1]。做到特大城市輻射全國(guó)，省會(huì)城市輻射周邊，形成連接主要城市群以及超過50萬人口的大中型城市的高速鐵路網(wǎng)。

2 研究意義

由于高速鐵路車站集中的大量的車流、人流，承擔(dān)著旅客集散的任務(wù)，并且要進(jìn)行各種列車作業(yè)，同時(shí)負(fù)責(zé)列車的到發(fā)和周轉(zhuǎn)。所以高速鐵路車站的通過能力成為制約高速鐵路客運(yùn)服務(wù)發(fā)展的重要瓶頸，而高鐵車站通過能力則是重中之重，并且，高速鐵路車站通過能力計(jì)算方法及理論不能等同于既有鐵路，所以不能僅僅將既有鐵路的方法理念移植到高鐵車站中來，所以，如何提高高速鐵路車站通過能力，是提高鐵路客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量水平，增大高速鐵路網(wǎng)客運(yùn)能力亟待解決的問題。

3 車站通過能力研究目前存在的問題

同其他鐵路客運(yùn)站通過能力一樣，高速鐵路車站通過能力主要包括到發(fā)線通過能力和咽喉區(qū)通過能力兩個(gè)部分，而咽喉區(qū)由于比較復(fù)雜，加之各種列車作業(yè)繁多，往往會(huì)成為限制高速鐵路車站通過能力的瓶頸。由于咽喉區(qū)作業(yè)的復(fù)雜性與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性，以平均、估計(jì)、定性分析、套用公式等方法為主的傳統(tǒng)的方法必然會(huì)造成結(jié)果與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)之間的差距，并且模擬不夠精細(xì)，計(jì)算量大而且較為繁瑣。本文的目的在于要結(jié)合鐵路運(yùn)輸組織、系統(tǒng)科學(xué)、仿真理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖論等相關(guān)技術(shù)理論對(duì)高速鐵路車站仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究，用于研究高速鐵路車站固定設(shè)備配備及通過能力等方面的問題。

4 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究

高速鐵路車站通過能力是指在現(xiàn)有的設(shè)備條件下，采用合適的技術(shù)作業(yè)過程，某車站一晝夜能夠接發(fā)各個(gè)方向的動(dòng)車組的數(shù)量。車站通過能力包括到發(fā)線通過能力和咽喉通過能力[2]。近年來，為了適應(yīng)高速鐵路的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于如何結(jié)合咽喉區(qū)和到發(fā)線的運(yùn)用來計(jì)算車站通過能力提出了許多新的解決思路和方法。在建模方面、數(shù)據(jù)查定與處理方面、計(jì)算機(jī)仿真模擬方面都取得了一定的成果。

史峰等[3]認(rèn)為到發(fā)線的確定取決于進(jìn)路的確定，進(jìn)路一旦確定，到發(fā)線必然確定，在此理論基礎(chǔ)上，以列車等級(jí)總權(quán)重為第一級(jí)優(yōu)化目標(biāo)，到發(fā)線運(yùn)用效用最大化為第二優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)咽喉區(qū)和到發(fā)線進(jìn)行了一系列約束，建立起到發(fā)線和某一端咽喉的優(yōu)化模型，采用0-1規(guī)劃，利用模擬退火法求解，隨后以某一高鐵車站咽喉區(qū)驗(yàn)證了其模型和算法的合理性與實(shí)用性。

夏超[4]運(yùn)用了一種新的方法，從微觀的角度，結(jié)合車站各到發(fā)線能力和咽喉區(qū)的能力，為了估計(jì)出合理的插值區(qū)間，對(duì)設(shè)備占用時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的分析，隨后根據(jù)此區(qū)間的取值下限和取值上限得出整個(gè)車站的總體的通過能力范圍，這相比于一般傳統(tǒng)的計(jì)算方法更加準(zhǔn)確有效。

魯工圓[5]把每條到發(fā)線以及正線視為源點(diǎn)，用源點(diǎn)和道岔來表示每條進(jìn)路，通過矩陣建立起進(jìn)路之間的沖突關(guān)系，并通過尋找最大平行進(jìn)路以及列車等級(jí)與線路等級(jí)相符合來設(shè)計(jì)算法，并通過編程開發(fā)仿真軟件來模擬接發(fā)列車過程，最終達(dá)到對(duì)列車開行方案的優(yōu)化分析。

Zwaneveld等[6]把接車進(jìn)路和發(fā)車進(jìn)路都視為車站的設(shè)備，并且用自己的判斷方法為各個(gè)設(shè)備賦予不同的權(quán)重，然后以權(quán)重最大的設(shè)備為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，并把該模型抽象為點(diǎn)包裝的0-1整數(shù)規(guī)劃問題，并利用運(yùn)籌學(xué)算法求解。Gulbrodsen[7]運(yùn)用了運(yùn)籌學(xué)相關(guān)知識(shí)理論，借鑒其思路，對(duì)大型編組站的列車作業(yè)過程中的進(jìn)路選擇問題進(jìn)行了討論，建立了相關(guān)模型并進(jìn)行求解。

劉源[8]構(gòu)建了進(jìn)路分配問題優(yōu)化模型。通過劃分時(shí)間片，并設(shè)計(jì)了相關(guān)算法，而且對(duì)其進(jìn)行圖形化表示，得出了動(dòng)車組與到發(fā)線占用的時(shí)空約束關(guān)系。以到發(fā)線運(yùn)用均衡、到發(fā)線緩沖時(shí)間均衡和旅客走行時(shí)間最短為目標(biāo)函數(shù)，并運(yùn)用層次分析法確定各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。

鐘俊[9]研究了基于到發(fā)線作業(yè)和咽喉區(qū)相互協(xié)調(diào)配合的高速鐵路車站通過能力，并且以高速鐵路車站的運(yùn)輸組織模式、車站站型、固定設(shè)備為基分析基礎(chǔ)，同時(shí)考慮到發(fā)線和咽喉區(qū)，使之作業(yè)相互配合，構(gòu)建進(jìn)路關(guān)系矩陣，建立以最大平行進(jìn)路為基礎(chǔ)的通過能力模型。

5 仿真結(jié)果分析

本文先對(duì)案例高鐵站現(xiàn)有的動(dòng)車組列車的運(yùn)行圖進(jìn)行了模擬仿真，以13：00-15：00為計(jì)算時(shí)間段，得到了案例高鐵站在實(shí)際生產(chǎn)中的通過列車數(shù)；接下來為了求得案例高鐵站車站的最大通過能力，通過逐漸縮小列車固定時(shí)間間隔的方法，分別仿真模擬了在固定時(shí)間間隔為5分鐘和1分鐘的情況下，車站可以接發(fā)的列車數(shù)量，由于在固定時(shí)間間隔為1分鐘的情況下，在處理仿真得到的初始作業(yè)計(jì)劃的沖突過程中，刪除了若干因車站能力限制而不能安排接發(fā)車作業(yè)的列車車次，所以最終疏解進(jìn)路之后得到的車站作業(yè)計(jì)劃中的列車數(shù)量70列即為案例高鐵站在13：00-15：00兩個(gè)小時(shí)內(nèi)的最大通過能力。如圖1所示，易知案例高鐵站在最大通過能力的條件下，股道利用率也不是很高，比如4G、6G、7G等股道在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)幾乎沒有被列車占用過，也就是說，在此情況下，到發(fā)線并不是案例高鐵站通過能力的限制因素，可想而知，此時(shí)的限制因素在咽喉區(qū)。

6 建議

針對(duì)本文得出的仿真結(jié)果，提出如下建議：

1）2018年年底該段相關(guān)線路的高鐵即將開通，并且會(huì)接入既有線客專，建議案例高鐵站只接發(fā)高鐵列車、城際客專和動(dòng)車組列車，取消普速列車的接發(fā)車作業(yè)。這樣列車作業(yè)形式比較集中統(tǒng)一，作業(yè)時(shí)間基本一致，便于管理和協(xié)調(diào)，更有利于安排接發(fā)車作業(yè)，增大車站通過能力，以便更好地適應(yīng)該段相關(guān)線路的高鐵接入后的高速、高密度列車流。

2）2018年年底段相關(guān)線路的高鐵接入既有線客專，勢(shì)必會(huì)對(duì)案例高鐵站進(jìn)行改擴(kuò)建，針對(duì)本章得出的案例高鐵站通過能力瓶頸在咽喉區(qū)的結(jié)論，建議改擴(kuò)建時(shí)重點(diǎn)注意對(duì)咽喉區(qū)的改擴(kuò)建，在技術(shù)允許的范圍內(nèi)盡可能的增大兩端咽喉區(qū)的平行作業(yè)數(shù)量，增大案例高鐵站車站通過能力。

3）由仿真結(jié)果可知，切割咽喉區(qū)的作業(yè)進(jìn)路極其容易和其他作業(yè)產(chǎn)生沖突，對(duì)咽喉區(qū)通過能力影響極大，所以，要合理安排列車作業(yè)，盡量減少切割咽喉區(qū)的列車作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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