高速鐵路車站--區間能力協調性的重要影響因素分析

陳曉竹 曾 誠

0 引 言

隨著京滬高鐵、鄭武高鐵等多條高速鐵路的相繼開通，我國正式進入高速鐵路時代。為了保證鐵路運輸的作業效率和經濟利益，對高速鐵路點和線的能力協調提出了新的要求，尤其是對辦理大量始發、終到和折返列車的高速鐵路車站與區間能力的協調性更應進行重點研究。研究高速鐵路車站-區間能力的協調性在規劃階段，可以判斷運輸系統內各項設施是否配置恰當，幫助運輸管理部門有針對性地對高速鐵路能力薄弱環節進行調整；在運營階段，能夠保證在合理的管理和運輸組織下實現運輸暢通，使能力不協調的環節得到緩解，充分發揮各項設備的能力。

目前，學者已從多個方面對點線能力的協調性進行了研究，文獻[1]中最先提出了能力量比系數的概念，研究了編組站內部設備間能力量比系數的確定方法，并根據當時鐵路的運輸組織水平提出了設備間的能力協調量比值。文獻[2]、[3]從不同的角度建立了點線能力的協同優化模型，并對影響能力協調的因素進行了量化分析。文獻[4]、[5]運用仿真的方法對編組站的能力匹配進行了研究，通過多次在連續單位時間內仿真模擬，統計不協調狀態，找出最優的系統合理配置，為運輸組織提供合理的決策依據。本文進一步運用計算機仿真的方法對點線能力的協調性進行定量分析以研究高速鐵路車站-區間能力的匹配，用于指導各項設備能力加強和改造，優化運輸組織。

1 高速鐵路車站-區間能力協調性概述

1.1 能力協調的內涵

從直觀意義上講，系統的協調是指在系統內部的自組織和來自外界的調節管理活動(即他組織)作用下，其各個組成子系統之間的和諧共存[6]。點線能力協調包括了兩層含義：一層是服務設備的最優設計，稱為靜態協調；一層是對已有服務設備的最優運營控制，稱為動態協調。

靜態協調是規劃階段的一種協調，一般都把這類協調問題歸于設備數量和能力的匹配，主要包括設備的技術改造方案和新站、新線的建設方案。以對未來情形預測為基礎，要求建立或改造的系統在運用過程中技術、經濟等方面都處于最優狀態，實際能力小于生產環節中各項技術設備所能提供的最大能力，同時相鄰兩個環節之間的銜接作業能夠順暢進行，不會出現延誤與等待。動態協調是運營階段的一種協調，是在系統的設備已經固定的前提下，結合運輸生產的動態過程，通過運輸組織的實時控制，及時調整鐵路系統在運營中出現的無序狀態，尋求設備的最優運營策略。高速鐵路點線能力協調的含義如圖1所示。

圖1 點線能力協調的含義Fig.1 The coordination’s connotation of station-interval ability

1.2 車站-區間能力協調性的度量

協調度是在特定的條件下，對一種狀態或一個方案的協調性的度量。[7]本文中區間-車站能力的協調性用兩個個指標來進行衡量：

（1）區間-車站最終的通過能力

區間-車站組成的系統最終的通過能力可用下式表示：

式中：N輸入——從區間向車站輸入的列車數目；

N丟——由于能力不匹配而丟棄的列車，按

下式計算：

其中：P延——列車出現延誤的概率；

P丟——丟失運行線的概率。

（2）列車運行的延誤率

列車在作業過程中可能出現多種情況的延誤，不滿足追蹤列車間隔時間、沒有適當的接發車進路和沒有空閑的到發線，這些情況中只要出現一種列車的作業都被視作是延誤。高速鐵路的實際運營表明，列車流到達時間間隔大于車站發出列車時間間隔，基本上不會出現列車排隊等待的現象。當列車密集到達，車站的處理能力達到飽和，后續到達的列車就會出現排隊等待的現象而出現延誤，此時，區間和車站能力就表現為不協調。

2 系統仿真

2.1 仿真主程序流程

進行車站-區間能力協調性仿真，首先應根據高速鐵路列車作業流程的特點將系統進行簡化，建立相應的模型，接著將模型轉變為計算機能夠識別的專用模擬語言或計算機程序語言。首先輸入仿真的參數并對參數進行初始化，如車站到發線的數目、咽喉進路的集和模擬時間的長度等；然后調用時間控制程序以便驅動程序；接著對作業事件類型進行判定，若是到達事件，則執行到達事件處理例程，處理后置事件為已執行。按同樣的原理對到發線作業事件和出發事件進行判定和執行；最后對仿真的結果進行處理和保存。主程序的核心問題是到達事件、到發線事件和出發事件，也是需要進行細化的三個重要的子程序。主程序流程圖從整體上描述了隨仿真時鐘推進時系統狀態的變化過程，如圖2所示。

圖2 主程序流程Fig.2 Main program flow chart

2.2 系統的仿真策略

本文運用Matlab來實現系統仿真，根據仿真模型要求和功能結果編制程序，程序包括一個主函數和多個子函數。主函數主要根據列車的種類調用相關的子函數來處理列車的接發車和出入段作業，每個子函數完成一種列車的接發車或出入段作業，通過主函數確定各個子函數間的關系，并把這些子函數集合成一整體，以實現系統的整體功能。

仿真模型中所有的事件按照時間先后順序排成一個序列，構成進程，系統會按照預先規定好的處理規則和時間先后順序處理進程上的每一個事件。除去初始事件的觸發，事件都是隨仿真系統的運行而產生，且這些事件已預先進行過策劃。策劃的主要工作是確定事件的類型與發生時間，策劃好的事件會預先儲存，當仿真時鐘到達事件的產生時間時，由仿真系統處理該事件。

由于列車速度主要影響列車相關作業時間，因此本文僅按照列車運行方向和列車類型將列車作業進程劃分為八大類，見表1。

表1 列車作業進程分類表Tab.1 Classification of train operation process

3 重要因素對車站-區間能力協調性的影響分析

3.1 到發線數量對車站-區間能力協調性的影響

本文以南京南站寧安場接發列車的對數作為基礎數據資料，其中始發列車占15%，終到列車占29%，直接通過列車占 9%，停站通過列車占 47%，速度為200km/h的列車占 50%，速度為 300km/h的列車占50%。發車間隔時間取6min，仿真時間持續4個小時。為研究到發線數目對點線能力協調性的影響，本文進行多次試驗來對相關指標進行統計，統計結果見表2。

圖 3為不同到發線數目對應的區間-車站通過列車總數，圖4為不同到發線數目對應的延誤率。

表2 不同到發線數目對應的指標Tab.2 Index statistics for different arrival-departure line quantities

圖3 不同到發線數目對應的區間-車站通過列車總數Fig.3 The station-interval total capacity for different arrival-departure line quantities

圖4 不同到發線數目對應的延誤率Fig.4 Delay rate for different arrival-departure line quantities

試驗 1：使用到發線 I、3、7、II、4、8共六條，到發線5、9、6、10、12五條線路禁用。

試驗 2：使用到發線I、3、5、7、II、4、6、8共八條，到發線9、10、12三條線路禁用。

試驗 3：使用到發線 I、3、5、7、9、II、4、6、8、10共十條，到發線12禁用。

試驗 4：到發線 I、3、5、7、9、II、4、6、8、10、12、14共十一條全部使用。

由實驗數據可知，隨到發線數目的增加，區間-車站通過列車總數增加，說明隨車站到發線數目增加車站的能力加大，點線能力的協調性逐漸趨于良好；隨到發線數目的增加，接發車的延誤率逐漸降低，系統出現延誤的總時間逐漸下降，當到發線數目為10、11時延誤率較小且趨于相對穩定狀態，證明車站到發線的數目對點線能力的協調性影響較大，車站的初始設計能力能很好地與區間能力配合。

3.2 列車到達強度對車站-區間能力協調性的影響

試驗5：仿真的基本條件不變，始發列車占15%，終到列車占29%，直接通過列車占9%，停站通過列車占47%，速度為200km/h的列車占50%，速度為300km/h的列車占50%，仿真時間持續4個小時，實例車站的11條到發線全部使用。發車時間間隔分別取 4min、5min、6min、7min、8min、9min和 10min，實驗的統計結果見表3、圖5和圖6所示。

由統計結果可以看出，隨發車間隔時間的增大，區間-車站通過列車總數減少，證明發車間隔時間的增大不利于提高車站的能力，但是對點線能力的協調性有較好影響；隨發車間隔時間的增大，列車的延誤率逐漸減小，系統的總延誤時間減小，發車時間間隔為 4min時列車運行延誤的情況較為嚴重，發車間隔取6min，列車的延誤較小；發車間隔大于 7min時，系統基本上不會出現延誤，說明其他條件保持不變，對于本車站發車間隔大于 7min點線能力的協調性較好。

表3 不同發車間隔時間對應的指標Tab.3 Index statistics for different train departure time intervals

圖5 不同發車間隔時間對應的區間-車站通過列車總數Fig.5 The station–interval total capacity for different train departure time intervals

圖6 不同發車間隔時間對應的延誤率Fig.6 Delay rate of different train departure time intervals

4 結 論

本文利用計算機仿真技術對影響高速鐵路車站-區間能力協調性的重要因素進行了研究。通過計算機程序的開發和設置一系列初始條件對高速鐵路車站-區間系統作業過程進行連續多次仿真模擬，分析到發線數目和列車到達強度對高速鐵路車站-區間能力協調性的影響。這種基于仿真的研究方法具有高效的靈活性和極大的適應度，能為高速鐵路設備的配置和運輸組織方法提供一定的依據。