高速鐵路列車連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理及其判定

徐傳玲，文 超,3，胡 瑞，馮永泰

高速鐵路列車連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理及其判定

徐傳玲1,2，文 超1,2,3，胡 瑞1,2，馮永泰1,2

（1. 綜合交通運(yùn)輸國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 611756；2. 綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，成都 611756；3. 滑鐵盧大學(xué)，鐵路研究中心，加拿大滑鐵盧 N2L3G1）

列車的連帶晚點(diǎn)會(huì)引起晚點(diǎn)的傳播，影響鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量，挖掘列車連帶晚點(diǎn)的特征，對(duì)于提高列車調(diào)度指揮質(zhì)量具有重要意義。從高速列車和運(yùn)輸資源關(guān)系的角度分析了高速列車連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理，將連帶晚點(diǎn)細(xì)分為車站間隔連帶晚點(diǎn)、區(qū)間連帶晚點(diǎn)、天窗連帶晚點(diǎn)、列車進(jìn)路連帶晚點(diǎn)、動(dòng)車組接續(xù)連帶晚點(diǎn)和跨線列車跨線連帶晚點(diǎn)六大類，并提出車站間隔連帶晚點(diǎn)、動(dòng)車組接續(xù)連帶晚點(diǎn)和跨線列車跨線連帶晚點(diǎn)的判定準(zhǔn)則。最后根據(jù)提出的連帶晚點(diǎn)判定準(zhǔn)則，統(tǒng)計(jì)分析了廈深高速鐵路惠州南站的到站間隔連帶晚點(diǎn)情況，相關(guān)分析結(jié)果將能支撐調(diào)度調(diào)整決策。

高速列車；連帶晚點(diǎn)；運(yùn)輸資源；產(chǎn)生機(jī)理；判定準(zhǔn)則

0 引 言

正點(diǎn)率是衡量高速鐵路服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，同時(shí)按圖行車也是高速鐵路運(yùn)輸組織的核心要求。高速列車在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)遭受大量的隨機(jī)干擾，列車晚點(diǎn)難以避免。列車發(fā)生晚點(diǎn)后，可在區(qū)間、車站將晚點(diǎn)傳播給其他列車，致使其他列車發(fā)生連帶晚點(diǎn)，引發(fā)線路甚至局部路網(wǎng)范圍的列車大面積晚點(diǎn)。高速列車連帶晚點(diǎn)問(wèn)題的研究是高速鐵路運(yùn)輸組織優(yōu)化的重要問(wèn)題，對(duì)提升列車正點(diǎn)率和保障旅客服務(wù)質(zhì)量有重大現(xiàn)實(shí)意義。

連帶晚點(diǎn)為晚點(diǎn)傳播在運(yùn)營(yíng)中的表現(xiàn)[1]，會(huì)降低旅客服務(wù)質(zhì)量并影響運(yùn)行圖的魯棒性[2, 3]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)連帶晚點(diǎn)的研究主要集中在連帶晚點(diǎn)的概念、晚點(diǎn)傳播及連帶晚點(diǎn)的預(yù)測(cè)和基于連帶晚點(diǎn)的列車運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化內(nèi)容。文獻(xiàn)[1，4，5]等認(rèn)為連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生的源頭是受到設(shè)備因素、人為因素或環(huán)境因素的間接影響。袁志明[1]總結(jié)障礙和等待是發(fā)生連帶晚點(diǎn)的兩大成因，并分析了連帶晚點(diǎn)發(fā)生的6個(gè)情形。Yuan[6]等將引發(fā)連帶晚點(diǎn)的原因分為線路沖突和車底接續(xù)時(shí)間不足，并從到站、出站以及多源動(dòng)態(tài)的晚點(diǎn)傳播三個(gè)方面詳細(xì)分析連帶晚點(diǎn)。排隊(duì)論[7]、傳染病模型[8]等被用于晚點(diǎn)傳播過(guò)程的構(gòu)建；胡思繼等[9]研究了區(qū)段各類列車運(yùn)行組之間的傳播過(guò)程及規(guī)律，提出列車增晚的概念；孟令云等[10]基于軌道區(qū)段鎖閉時(shí)間理論，重點(diǎn)研究了兩趟列車間晚點(diǎn)傳播過(guò)程；張琦等[11]基于晚點(diǎn)傳播，構(gòu)建了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的列車連帶晚點(diǎn)遞階預(yù)測(cè)模型；黃平等[12]基于武漢高速鐵路運(yùn)行實(shí)績(jī)，建立了高速列車初始晚點(diǎn)恢復(fù)的隨機(jī)森林模型；李宇航[13]建立了基于沖突概率計(jì)算的車站到發(fā)線分配優(yōu)化模型，以減少列車延誤；姜旭[5]建立了列車晚點(diǎn)情況下，以晚點(diǎn)列車的晚點(diǎn)總時(shí)間最小為目標(biāo)的大型客站到發(fā)線和咽喉綜合利用優(yōu)化模型。

上述研究在連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生原因方面基本取得共識(shí)，并在晚點(diǎn)傳播和運(yùn)行優(yōu)化方面有一定的成果，但缺乏對(duì)連帶晚點(diǎn)形成機(jī)理的系統(tǒng)研究。高速鐵路連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理是研究高速鐵路列車晚點(diǎn)傳播與列車運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的重要基礎(chǔ)，故本文在已有研究的基礎(chǔ)上，分析高速列車的運(yùn)行過(guò)程，從鐵路運(yùn)輸資源占用的角度研究連帶晚點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理，并提出高速列車連帶晚點(diǎn)的判斷準(zhǔn)則。

1 高速列車連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理

1.1 高速列車運(yùn)行過(guò)程分析

高速列車按照計(jì)劃列車運(yùn)行圖進(jìn)行從始發(fā)站到終到站的運(yùn)輸生產(chǎn)活動(dòng)，本文將高速列車的運(yùn)行過(guò)程抽象為對(duì)運(yùn)輸資源不斷占用和釋放，即按照列車運(yùn)行圖，在規(guī)定的時(shí)間段使用相應(yīng)的運(yùn)輸資源。高速鐵路運(yùn)輸資源是指進(jìn)行高速鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)活動(dòng)所需要的各種知識(shí)、信息、技術(shù)、設(shè)備、人員和資金等所有要素[14]。列車運(yùn)行與高速鐵路運(yùn)輸資源之間的關(guān)系可用圖1描述。

圖1 高速列車運(yùn)行與運(yùn)輸資源占用示意

因此，高速列車運(yùn)行對(duì)運(yùn)輸資源的占用特征分析如下：

1.2 連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理分析

在鋪化列車運(yùn)行圖時(shí)，冗余時(shí)間被設(shè)置以吸收干擾[15]。而晚點(diǎn)的發(fā)生具有必然性和隨機(jī)性，并且會(huì)沿著運(yùn)行圖的縱向和橫向傳播，干擾后行列車以及自身在后續(xù)區(qū)間的運(yùn)行，由此產(chǎn)生連帶晚點(diǎn)。

本文將從高速列車占用運(yùn)輸資源的角度分析連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理，如下：

圖2 資源占用沖突示意

圖3 列車請(qǐng)求資源延遲

1.3 高速列車連帶晚點(diǎn)分類

根據(jù)連帶晚點(diǎn)發(fā)生的位置和時(shí)間可以將連帶晚點(diǎn)分為以下六大類：

（1）車站間隔連帶晚點(diǎn)。前行列車到達(dá)或從車站出發(fā)晚點(diǎn)，后行列車若按計(jì)劃時(shí)刻到達(dá)或出發(fā)，兩列車之間到站或出站不滿足安全的技術(shù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，后行列車需延遲到站或出站時(shí)刻，從而發(fā)生車站間隔連帶晚點(diǎn)，與前行列車保持安全間隔。車站間隔連帶晚點(diǎn)包括到達(dá)間隔時(shí)間連帶晚點(diǎn)和出發(fā)間隔時(shí)間連帶晚點(diǎn)。

圖4 區(qū)間連帶晚點(diǎn)示意圖

（3）列車進(jìn)路連帶晚點(diǎn)。列車進(jìn)路連帶晚點(diǎn)發(fā)生在列車到達(dá)或通過(guò)車站時(shí)，車站沒(méi)有合適的到發(fā)線滿足列車的作業(yè)需求情形。從車站設(shè)備的角度看列車進(jìn)路包括過(guò)咽喉區(qū)徑路和到發(fā)線兩部分，而列車到達(dá)是固定的一條到發(fā)線，多條過(guò)咽喉區(qū)徑路可用[16]。故本文中所提列車進(jìn)路連帶晚點(diǎn)實(shí)指到發(fā)線連帶晚點(diǎn)。

圖5 天窗連帶晚點(diǎn)示意

（5）動(dòng)車組接續(xù)連帶晚點(diǎn)。在前后高速列車動(dòng)車組套跑的情況下，動(dòng)車組的實(shí)際終到時(shí)刻和該動(dòng)車組再次承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)的出發(fā)時(shí)刻接續(xù)時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致始發(fā)高速列車的連帶晚點(diǎn)。例如，終到折返的高速列車計(jì)劃到站時(shí)刻為14 ：15，該動(dòng)車組再次承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)的始發(fā)高速列車的計(jì)劃出站時(shí)刻為14：35，但終到折返高速列車晚點(diǎn)到站15min，而高速列車在車站完成客運(yùn)整備、保潔等必要車站作業(yè)至少10min，則始發(fā)高速列車因動(dòng)車組接續(xù)時(shí)間不足發(fā)生連帶晚點(diǎn)。

（6）跨線列車跨線連帶晚點(diǎn)?？缇€列車跨線連帶晚點(diǎn)發(fā)生在跨線列車不在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)跨線，致使本線列車減速運(yùn)行或站外等候的情形。

2 高速列車連帶晚點(diǎn)判定方法

列車運(yùn)行約束不僅包括到發(fā)線數(shù)量、車站作業(yè)時(shí)間、天窗維修時(shí)間等物理約束，也包括列車追蹤間隔時(shí)間、動(dòng)車組接續(xù)時(shí)間等經(jīng)驗(yàn)約束。高速列車在運(yùn)行過(guò)程中必須滿足列車運(yùn)行約束，這也將作為連帶晚點(diǎn)的判斷依據(jù)。無(wú)論連帶晚點(diǎn)發(fā)生在區(qū)間、維修天窗或是列車進(jìn)路，其最終都可以表現(xiàn)為車站間隔連帶晚點(diǎn)，故下文將分析車站間隔連帶晚點(diǎn)、動(dòng)車組接續(xù)連帶晚點(diǎn)和跨線列車跨線連帶晚點(diǎn)的判定方法。

圖6 判定車站間隔連帶晚點(diǎn)

3 實(shí)例統(tǒng)計(jì)分析

本文收集了廈深高鐵惠州南站2015年4月至2016年10月共68 055列列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括計(jì)劃和實(shí)際到站時(shí)刻、計(jì)劃和實(shí)際出站時(shí)刻和所占用的股道。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，可判定列車是否發(fā)生到達(dá)或出發(fā)晚點(diǎn)，但判斷列車是否發(fā)生連帶晚點(diǎn)需根據(jù)式（4）所提的判定準(zhǔn)則，故得到1374列因不滿足到站間隔所致的連帶晚點(diǎn)列車，總晚點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)為5 829 min（不考慮列車越行）。

另外，本節(jié)分時(shí)段統(tǒng)計(jì)了惠州南站到站列車數(shù)量、連帶晚點(diǎn)列車數(shù)量和連帶晚點(diǎn)總時(shí)長(zhǎng)，并繪制為圖7，圖7（a）主坐標(biāo)軸代表發(fā)生連帶晚點(diǎn)的列車數(shù)量（/列）以及連帶晚點(diǎn)總時(shí)長(zhǎng)（/min），次坐標(biāo)軸表示到達(dá)晚點(diǎn)的列車數(shù)量（/min），三者的變化趨勢(shì)大致一致，圖7（b）以連帶晚點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)和晚點(diǎn)發(fā)生時(shí)段分別作為橫縱坐標(biāo)，以晚點(diǎn)列車數(shù)作為柱狀線繪制三維柱狀圖。將列車每小時(shí)到站數(shù)量的倒數(shù)認(rèn)為是列車的到站間隔（min/列），故可得以下結(jié)論：（1）8:00~10:00為惠州南站的高峰時(shí)段，在此時(shí)段列車發(fā)生連帶晚點(diǎn)的情況最嚴(yán)重；（2）絕大多數(shù)列車發(fā)生連帶晚點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)為1~5min；（3）列車的到站間隔與列車發(fā)生連帶晚點(diǎn)負(fù)相關(guān)，即列車的到站間隔越大，列車發(fā)生連帶晚點(diǎn)的概率越小。以上結(jié)論可幫助列車調(diào)度員掌握惠州南站連帶晚點(diǎn)分布的宏觀規(guī)律，列車調(diào)度員在高峰時(shí)段應(yīng)更認(rèn)真謹(jǐn)慎。除此之外，通過(guò)解析連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理，可預(yù)測(cè)連帶晚點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)，幫助調(diào)度員制定相應(yīng)的調(diào)度調(diào)整決策，避免列車晚點(diǎn)，提高車站工作效率。

圖7 惠州南站連帶晚點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)連帶晚點(diǎn)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）從高速列車占用運(yùn)輸資源的角度分析連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理：由于運(yùn)輸資源的獨(dú)占性特征，前行列車晚點(diǎn)后，發(fā)生列車間資源占用沖突，隨即使后續(xù)列車產(chǎn)生連帶晚點(diǎn)；由于高速列車使用資源具有唯一連續(xù)性特征，列車晚點(diǎn)后，使其在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生連帶晚點(diǎn)。

（2）根據(jù)連帶晚點(diǎn)發(fā)生的位置和時(shí)間，將連帶晚點(diǎn)細(xì)分為車站間隔連帶晚點(diǎn)、區(qū)間連帶晚點(diǎn)、天窗連帶晚點(diǎn)、列車進(jìn)路連帶晚點(diǎn)、動(dòng)車組接續(xù)連帶晚點(diǎn)和跨線列車跨線連帶晚點(diǎn)六大類，并提出車站間隔連帶晚點(diǎn)、動(dòng)車組接續(xù)連帶晚點(diǎn)和跨線列車跨線連帶晚點(diǎn)的判定準(zhǔn)則。

（3）通過(guò)統(tǒng)計(jì)廈深高鐵惠州南站的到站間隔連帶晚點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)連帶晚點(diǎn)宏觀分布規(guī)律：高峰時(shí)段列車發(fā)生連帶晚點(diǎn)的情況最嚴(yán)重，同時(shí)大部分列車的連帶晚點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)為1~5min。

高速列車連帶晚點(diǎn)問(wèn)題的研究是高速鐵路運(yùn)輸組織優(yōu)化的核心，可實(shí)時(shí)地為運(yùn)行調(diào)整提供決策依據(jù)，具有現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)高速列車連帶晚點(diǎn)機(jī)理的分析，不僅可以從列車運(yùn)行實(shí)績(jī)中挖掘連帶晚點(diǎn)的宏觀分布規(guī)律，而且可以對(duì)連帶晚點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此作為度量高速列車晚點(diǎn)影響大小的標(biāo)準(zhǔn)，從晚點(diǎn)動(dòng)態(tài)發(fā)展的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)晚點(diǎn)程度的度量。

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Development Mechanism and Judgment of Knock-on Delay of High-speed Railway Trains

XU Chuan-ling1, 2, WEN Chao1, 2, 3, HU Rui1, 2, FENG Yong-tai1, 2

(1. National United Engineering Laboratory of Integrated and Intelligent Transportation, Chengdu 611756, China; 2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Chengdu 611756, China; 3. Railway Research Center, University of Waterloo, Waterloo, N2L 3G1, Canada)

Knock-on delays can cause delay propagation, which affects the quality of railway transportation services. It is necessary to improve the quality of train dispatching and command by investigating the characteristics of knock-on delay. Based on the perspective of the relationship between high-speed trains and transportation resources, the development mechanism of knock-on delay of high-speed trains was analyzed in this study. The knock-on delay was divided into knock-on delay of station intervals, knock-on delay in sections, knock-on delay in maintenance curfews, knock-on delay of the train route, knock-on delay of electric multiple-unit connecting time, and knock-on delay of crossline trains. The judgment criteria for the types of knock-on delays mentioned above were proposed. Finally, based on the judgment criteria, the knock-on delay of the station interval at Huizhou South Station of the Xiamen–Shenzhen high-speed railway was calculated and analyzed, and the relevant analysis results influenced the dispatching adjustmentdecision.

high-speed train; knock-on delay; transportation resources; development mechanism; judgment criteria

1672-4747（2020）04-0031-07

U292.4+1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.04.004

2020-03-11

四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2018JY0567）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助（71871188）

徐傳玲（1995—），女，重慶合川人，碩士在讀，研究方向：鐵路運(yùn)輸組織優(yōu)化、交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用，E-mial: chuanlingxu@ 126.com

徐傳玲，文超，胡瑞，等. 高速鐵路列車連帶晚點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理及其判定[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2020, 18(4): 31-37

（責(zé)任編輯：劉娉婷）