高速鐵路區段通過能力研究綜述

丁曉曉

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000）

1 研究背景

由于高速鐵路的運輸組織模式、速度目標值、線路條件、機車車輛類型、列控方式和相關設備等與常規鐵路有很大的不同，所以，其區段通過能力有以下特點：①高速鐵路主要以旅客列車為主，如果線路上開行有不同速度等級的列車，區段通過能力應以高速度等級列車的能力為準，同時，還需保證中速列車在合理的旅速范圍；②高速列車很難形成平行運行圖，即使是同一等級的列車，為了滿足不同旅客的出行需求，列車的停站地點、停站時間也是不同的；③不同時段客流量的大小也對高速鐵路區段能力有影響，因此，如果考慮日常運營的靈活性，還需進一步降低能力利用率或采用較大的行車間隔。

以上特點說明，傳統計算既有普速鐵路通過能力的方法已不適合現在的發展，需要針對高速鐵路自身的特點研究其通過能力。國外已經建成了比較完善的客運專線網絡，由于這些國家客運量小、線路能力充裕、客運專線網絡完善，通常其能力計算方法比較單一；我國高速鐵路網受客流需求、地形等條件的限制，往往存在不同技術標準的線路，而高等級列車可以降速下線至低等級線路運行，但低等級列車無法以適合高等級線路的速度目標值跨線至高等級線路上運行，而且我國高速鐵路線路多采用不同列車混行的運輸組織模式。綜上所述，國外的研究對我國的研究借鑒意義不大。因此，本文主要參照國內高速鐵路區間通過能力研究的文獻，對研究成果進行系統分類和對比、評述，并在此基礎上提出本文的研究成果。

2 研究方法

2.1 區段通過能力計算方法歸納

2.1.1 扣除系數法

扣除系數法[1]通常是以某種列車（一般為開行對數較多的列車）占用能力為標準，確定該區段內其他列車（開行對數比較少）在能力占用上與基準列車間的函數關系，最后得出區段內標準列車的數量。

目前，我國采用的同一線路上混合運行多種列車的運輸組織模式，必然存在列車運行時分的差別、不同列車停站方式的差別、低等級列車能否被越行和可被越行的次數等影響區段通過能力的因素。針對以上因素，總結得出既有學者運用扣除系數法主要從以下角度分析區段通過能力。

同一等級列車停站基本扣除系數分析主要取決于停站方案。趙麗珍[2]分析其扣除系數主要取決于列車車站停站時分和起停車附加時分，并與圖示法相結合給出了停站列車扣除系數的計算方法。呂苗苗[3]通過對高速列車停站組合的研究，得出最不利情況和最有利情況下的高速列車停站扣除系數取值范圍。在低等級列車對高等級列車產生的扣除系數分析方面，低等級列車扣除系數的大小主要取決于區段長度（不同等級列車運行時分差）、低等級列車被越行方案、列車區段停站方案等。

倪少權[4]等首先給出了越行組與越行區段的概念，并根據越行組的類別將運行圖分為簡單運行圖和一般運行圖，建立中速列車和無停站高速列車共線運行條件下的越行組模型，并得出區段能力與列車運行時分差、越行組類別（低等級列車數量及被越行的方式）之間的函數關系。

張紅亮[5]主要研究了在中速列車停車等待1列高速直達列車的運輸組織模式下高速列車鋪畫的間隔時間，并得出中速列車數量與扣除系數間的關系式。呂苗苗[2]提出，低等級列車在越行區段內受最大旅行時間的限制，存在最小越行區段距離，因此，需結合實際車站分布情況等得出具體線路的最小越行區段長度，最后結合圖示法給出低等級列車被越行條件下的扣除系數計算公式。

2.1.2 平均最小列車間隔時間

平均最小列車間隔法參照列車在運行圖上總占用時間與列車平均最小間隔時間的比值。目前，相關論文的研究主要是通過優化壓縮列車平均最小間隔時間來提高區段通過能力。

顏月霞[6]根據客運專線的客流時段性特點，將客運專線的能力按不同時段進行劃分，并以此確定不同時段的必要平均緩沖時間。王世偉[7]通過利用率和彈性系數指標對通過能力進行評估。

除此之外，國內還有部分學者開始從列控系統和信號等方面研究提高高速鐵路區段通過能力。李學偉[8]首先對高速鐵路采用的列控方式進行歸納分析，并在此基礎上給出高速鐵路追蹤間隔時間的計算方法，最后結合經驗參數計算得出列車追蹤間隔時間的預估值。朱小軍[9]分析了列車運行區段內，在不同列控系統的條件下，列車通過能力的影響因子以及具體計算方法。

2.1.3 直接計算法

直接計算法[10]即遵循一定的行車組織方式，依據不同列車排列組合的時間占用直接計算通過能力的大小。

姜興[11]建立已確定開通列車的客運專線區間和還未開通列車的客運專線區間2種特定模式下的通過能力的整數規劃模型。模型都以特定區間不同種列車組合方式所占區間的總時間最少為目標函數，以考慮列車運行圖均衡鋪畫、不同類運行列車組所組成的間隔時間與該類列車數的關系、不同類列車間關系為約束條件建立模型，并利用LINDO求解該數學模型。不同的是，前者不同種速度列車開行數量是已知的。

蔣琦[12]通過建立直接計算法分析模型分析客運專線運行不同種類列車時的通過能力，并通過分析運行圖橫向結構和縱向結構分別得出不同速度、不同種類列車連發與非連發組合比例不同條件下的客運專線通過能力。

2.1.4 圖解法

圖解法即按照給定的開行方案，并遵循一定的鋪畫原則，先鋪畫非基準列車（開行對數較少）運行線，然后在合理的運營時間范圍內最大限度地鋪畫基準列車運行線。圖解法一般用于配合檢算區段非平行運行圖通過能力。圖解法分析步驟如圖1所示。

基于圖解法思路又衍生出了UIC運行圖壓縮及加密法和仿真模擬法。

2.1.4.1 UIC運行圖壓縮及加密法

UIC406能力手冊[13]所定義的鐵路能力，是基礎設施管理者在考慮了節點（站點）、線路（網絡）的期望收益條件下，在給定的時間段內，以市場為導向的服務質量要求條件下，所有可能的列車徑路的總數。UIC406能力手冊在實際應用中可以有不同的擴展方式。張嘉敏[14]等基于UIC406，提出了基于能力消耗的時刻表壓縮分析方法，用于分析鐵路能力的動態性和不確定性，最后從能力使用角度完善該方法。

圖1 圖解法分析步驟

2.1.4.2 仿真模擬法

仿真模擬法是借助仿真軟件模擬列車運行來計算通過能力。單秀全[15]介紹了高速鐵路通過能力仿真系統的總體結構和功能模塊的設計，并構建高速列車運行仿真系統。

楊芳[16]構建區段列車運行仿真模型，并通過改變模型中的間隔時間參數，得出不同參數條件下區段列車的運行狀態。

2.2 區段通過能力計算方法優缺點分析

各計算方法優缺點如表1所示。

表1 各計算方法優缺點

2.3 綜合分析法

綜合分析法，是將表1中4種計算方法的優點與適用性相結合來計算區段通過能力的分析方法。蘇順虎[17]將理論與仿真計算相結合，得出高速列車追蹤間隔時間的計算方法，并結合圖解法給出了高等級停站列車在區段內不被越行和被越行一次的條件下的扣除系數取值范圍。李曉娟[18]運用綜合分析方法，研究了同種列車停站方式不同，不同種列車混合運行的條件下的區段通過能力計算方法，并建立了區段通過能力計算模型，以扣除平圖列車數最少為目標函數，研究了相應的求解算法。

2.4 高速鐵路功能地位角度分析區段通過能力

目前，我國高速鐵路大致可劃分為路網干線型高速鐵路、路網聯絡線型高速鐵路、支線或相對獨立的高速鐵路線路。路網干線型鐵路由于銜接多條技術標準不完全相同的鐵路線，運輸組織模式也較為復雜，因此，區段通過能力的計算較為復雜。胡思繼[19]在給出扣除系數和通過能力計算公式的基礎上，在給定了客流區段沿途可停車車站數范圍的條件下，分別計算了京滬和滬寧高速鐵路不同客流區段內，不同高速列車停站比例條件下的停站列車扣除系數，中速列車數量和被越行比例不同的方案下的中速列車扣除系數。王寶杰[20]結合京滬高鐵開行方案，從跨線列車影響、列車停站方案影響、天窗與運行線間三角區影響3個方面對京滬高速鐵路通過能力影響因素進行了分析，并結合現狀提出了提高京滬高速鐵路通過能力的對策。

路網聯絡線型高速鐵路主要滿足路網型干線鐵路間互聯互通的需求，主要以通過車為主，因此，運行方案比較固定，其通過能力主要受路網干線能力的影響。

支線或相對獨立的高速鐵路線路運行動車組種類比較單一，通過能力和開行方案不受其他線路的影響，運輸組織模式比較簡單。在這種情況下，停站列車數量和停站比例成為影響區段通過能力的主要因素，計算方式相對簡化，計算精度也比較高。

3 結論

3.1 既有研究薄弱環節

綜合國內學者對高速鐵路區段通過能力的研究，可以得出以下結論：①目前，在對區段能力進行分析時，忽略了高速鐵路區段客流時段性特征；②雖然國內學者對不同速度等級列車混行的運輸組織模式下通過能力的研究比較多，但往往是針對其中一個或幾個影響因素進行詳細分析，并未對各因素進行精細化、系統化分析；③在實際計算中，國內學者仍多以公布的經驗值進行計算為主，因此，計算出來的能力并不能完全反映不同基礎設施、不同運輸條件下的實際能力。

3.2 未來研究方向

目前，區段通過能力計算方法可以分為分析（靜態和動態）、優化和仿真3類，其中，扣除系數法屬于靜態分析法，直接計算法和平均最小列車間隔時間法屬于動態優化分析法，圖解法中的UIC運行圖壓縮及加密法是從運行圖優化的角度提高區段通化能力，因此，屬于優化分析法。以上分析方法是在對通過能力分析的基礎上進行計算的理論算法，各有弊端，未來可以著重研究將不同計算方法結合起來分析區段通過能力。

計算機仿真模擬法可以高效、精確、動態地根據不同的行車組織和線路條件計算通過能力，國內對于該項研究相對比較落后。

國內學者從服務水平和運營組織方面入手對高速鐵路區段通過能力的研究往往局限于定性分析，并未進行定量化分析，因此，未來通過能力的研究重點將是數量與品質并舉，并將其品質進行量化分析。

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