重載列車組合站通過能力計算方法研究

張進川，楊 浩，劉 博，魏玉光

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

重載列車組合站通過能力計算方法研究

張進川，楊 浩，劉 博，魏玉光

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

根據重載列車組合站的特點，分析車站站型、列車在站作業特點和列車在站作業過程等，探討影響重載列車組合站通過能力的主要因素，明確基于實現概率的組合站通過能力的含義，提出重載列車組合站通過能力的計算方法。以計算機仿真為手段，建立重載列車組合站通過能力仿真模型，制定了仿真實現策略，并以湖東站為例進行了驗證。

鐵路；重載列車；組合列車；通過能力

對于大宗物資運輸通道的重載鐵路，由于其貨流來源與去向的多樣性，往往需要開行組合式重載列車，即為了提高重載鐵路的輸送能力，采取措施提高重載干線的列車牽引定數。由于相應集疏運線路的列車牽引定數相對較低，因此需要在技術站 (重載列車組合站)將若干列小編組列車 (小列) 組合為大編組列車 (大列)再進行直達運輸。

1 重載列車組合站的特點

影響組合列車開行規模的因素包括裝卸車能力、機車車輛性能、供電能力、區間通過能力和組合站通過能力等。其中，由于專業的重載列車組合站是新生事物，現行車站能力計算方法中尚無明確的關于重載列車組合站通過能力的計算理論與方法，因此研究重載列車組合站通過能力是合理利用重載鐵路運能的重要課題。

1.1 重載列車組合站站型

重載列車組合站站型布置與普通編組站相比，車站作業過程簡單，沒有大量的解編作業，主要是負責重載列車的組合分解作業，因此車站到發線有效長較長，一般滿足2萬噸列車組合作業的到發線有效長需達到 2 800 m，滿足1萬噸列車組合的到發線有效長需達到 1 700 m。為了敘述方便，將用于組合列車作業的到發線稱為組合到發線，由組合到發線組成的車場稱為組合到發場，其余稱為普通到發線和普通到發場。為方便列車到達、組合、分解作業過程中機車的出入庫，到發線和機走線間設置腰岔，如圖1所示。

1.2 重載列車在組合站的作業特點分析

重載列車組合站主要是接發單元列車和組合列車。單元列車在車站的作業比較簡單，只需要進行技檢或機車換掛、乘務組的換班等。組合列車在車站的作業大致分為3個階段：列車到達、列車組合、列車出發。編組站和重載列車組合站的列車在站作業過程如下。

（1）編組站的列車作業過程。到達作業：一條到發線只允許接入一列列車。解體作業：大量的車列解體作業，駝峰作業量較大。集結作業：車列集結過程復雜，集結車組數目大小不均。編組作業：列車編組形式多樣，利用牽出線編組列車。出發作業：列車出發占用道岔咽喉時間短，出發時間間隔較小。

（2）重載列車組合站的列車作業過程。到達作業：列車進站占用咽喉時間較長，同一條到發線允許連續接車。組合作業：主要是大列間的集結，集結需要的車組數目少；組合形式比較簡單，由5 000 噸列車、萬噸列車組合成萬噸列車和2萬噸列車；列車在到發線上組合；車站的駝峰解體作業量較少，利用率不高。出發作業：列車出發占用咽喉時間長，出發時間間隔較大。

2 基于實現概率的重載列車組合站通過能力

2.1 組合站通過能力的影響因素

在實際工作中，由于車站能力受外部環境因素、設備因素、車流因素和組織管理因素等的影響，這些日常作業的不確定性對重載列車組合站通過能力有較大的影響，如列車不均衡到達造成短時間內運輸供給的波動等日常作業不規律性造成的影響[1]。影響重載列車組合站通過能力的主要因素是車站固有技術設備情況、車流構成和數量、列車到發的均衡性、到發線的空費時間、車站列檢能力和機車運用模式等。

2.2 組合站通過能力實現概率的含義和計算方法

車站通過能力是固定設備、活動設備和組織管理有機結合的產物，在計算時不僅要考慮各種運輸設備的數量、時空配置、運營特點和生產過程的組織管理，而且要考慮各種變化條件下能力的可實現性。即車站通過能力水平不僅取決于各設備間的相互作用、相互制約的關系，而且取決于活動設備對車站設備的占用頻率、延續時間和先后順序關系等，因此車站通過能力據有某種不確定性。

在給定的各項設備及運行條件下，重載列車組合站在給定時間內完成的組合量記為 X，則 X 是一個隨機變量。由于在給定時間內完成并輸出的組合量是一個大于等于0的整數，所以該變量是一個離散型隨機變量，其分布應為：

式中：xk為組合量的第 k 個可能值，列；Pk為組合量是 xk的概率。

定義重載列車組合站通過能力的實現概率為：在給定的各項設備、運行條件和時間單元內 (通常為一晝夜 24 h)，重載列車組合站完成并輸出的組合量達到或超過給定目標組合量的概率。由概率的可列可加性[2]，實現概率可表示為：

3 基于實現概率的重載列車組合站通過能力計算模型

計算車站通過能力主要有3種方法：分析計算法、圖解計算法和計算機仿真法。

目前，計算機仿真法是計算車站能力較常用的一種方法。該方法是在對鐵路運輸能力的概念和理論基礎上，總結車站作業人員制定和實施車站技術作業的實踐經驗，建立作業組織規則及相應的組織機制和調整體制，通過對影響車站作業能力的設備因素、車流因素和組織管理的復雜相互關系進行追蹤，實現對車站設備利用和作業組織的全方位模擬。計算機仿真法主要采用的是系統工程、隨機理論和計算機仿真技術相結合的方法，綜合利用了理論分析、思維分析和模擬數據分析等方法。

重載列車組合站仿真系統在每個仿真周期內都要遍歷路網中每列車的詳細情況、進行相應作業等，每一列車的仿真過程如下。

步驟 1：仿真系統隨機產生一列列車。

步驟 2：列車進入進站咽喉區域，判斷列車種類，如為待組合列車，轉到步驟 3；否則，列車進入普通到發場區域，轉到步驟 5。

步驟 3：列車進入組合到發場區域，判斷組合到發線占用狀態，若到發線后半段空閑且該列車到站與到發線前半段占用列車到站相同，則列車進入到發線后半段，轉到步驟4；否則，列車接入組合到發線的前半段，轉回步驟 1。

步驟 4：對組合到發線上的兩列車進行組合作業，組合作業時間根據概率分布隨機產生，列車數量減1。

步驟 5：列車進行相關技術作業，作業時間根據分布隨機產生。

步驟 6：列車通過發車咽喉區域進入出站區間，列車數量減 1。

在每一仿真周期內，對仿真路網系統內的列車狀態進行全部判斷之后，仿真時鐘步長向前推進，最終達到預定的仿真總時間之后，仿真結束。

4 湖東站通過能力計算及結果分析

根據大秦鐵路湖東站重車場的車站配置圖、車流及作業組織辦法等，依照上述仿真思想、模型和方法，對湖東站的通過能力進行了仿真計算。

主要針對2列萬噸列車組合為1列2萬噸列車的組合作業進行實驗仿真，仿真周期為 24 h。每次仿真開始前，隨機生成列車到達時間，列車到達時間是依照現場統計的數據確定，在仿真程序開始運行之前，事先生成一定數量的列車到達時間表，仿真時依次讀取。當到達列車為到達某股道的第一列車時 (停在股道前半段)，則等待第二列車的到達；當到達列車為到達某股道的第二列車時，即可進行組合作業，作業時間根據概率分布隨機產生。其仿真程序如圖1所示。

根據 2006 年對湖東站現場列車作業的寫實情況，列車在車站的到發數據及作業時間分布情況如下。

（1）列車到達時間間隔分析。列車到達的平均時間間隔為 624 s，通過采用統計軟件分析，列車到達時間間隔基本服從正態分布。

（2）列車組合作業時間。根據現場寫實數據，自中部機車入線至2萬噸列車組合完畢平均用時為25.6 min，其中最短時間為 10 min，最長時間為 54 min。通過采用統計軟件對數據分析可知，數據大致服從正態分布。

（3）根據車站現場統計的各項作業交叉干擾情況。由交叉干擾引發的干擾時間近似服從正態分布，最小為 2 min，最大為 40 min，平均干擾時間為 12 min。

在仿真站內列車作業時，引入隨機交叉干擾，仿真過程中將車站可能發生的各種交叉干擾轉化為對作業時間的影響，在給定作業時間的基礎上加上干擾時間[3]。因此，確定自第二列列車到達至2萬噸列車出清股道時間：平均用時為 161 min，其中最短時間為 68 min，最長時間為 330 min。通過采用統計軟件分析，數據基本服從 γ 分布，其兩個參數α、β分別為α＝8、β＝0.05。

湖東站2萬噸列車到發線數量為6條，需考慮列車組合作業的能力限制；而萬噸列車的到達場和2萬噸列車的直通作業不考慮能力限制。根據未來列車的主要去向，將組合列車設為3個去向 (曹妃甸、柳村南、其他)，其比例為 2:2.2:1；模擬時扣除車站天窗影響時間 120 min。每次仿真時給定的行車量足夠大，設定仿真時間 30 h，得到后 24 h 內每次仿真能夠通過的行車量。不同行車量條件下的模擬結果如表1所示。

由表1可以看出，隨著行車量的增加，實現概率逐步減小，而且在臨界狀態時迅速下降，如圖 2所示。

根據模擬分析，假設車輛靜載重為 0.8，一年按 365 天計算，不考慮其他影響因素，在一定實現概率條件下湖東站的通過年運量如表2所示。

經分析可知，運量達到 3.7 億 t 左右時，在既有設備條件下，湖東站能力利用基本飽和，如需進一步擴能，需要從設備改造或改善車流結構，即增加直通2萬噸重載組合列車的數量方面考慮。

表1 不同行車量下的模擬結果

表2 一定實現概率條件下湖東站的通過年運量

[1] 齊新宇. 車站通過能力模擬分析系統研究[D]. 北京：北京交通大學，2000.

[2] 盛 驟，謝式千，潘承毅. 概率論與數理統計(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3] 楊肇夏，李 菊. 鐵路編組站技術作業模擬系統的研究[J].鐵道學報，1996，18(4)：25-32.

1003-1421(2011)02-0006-04

U292.5+1；U292.3+7

B

2010-09-27

鐵道部科技研究開發計劃項目(2009X011-C)

責任編輯：林 欣