動車組停站方案對運行效能影響仿真分析

楊 峰,呂?？?劉佳林

(石家莊鐵道大學交通運輸學院,石家莊 050043)

1 概述

在高速鐵路旅客運輸組織中，動車組列車的開行方案是其核心，它集中反映了旅客運輸的經營策略和服務質量。在開行方案制定過程中，列車的停站方案是制定開行方案的關鍵[1]。列車停站方案合理與否，將直接影響到旅客出行和換乘的便捷、旅行時間、旅客運輸的服務水平以及鐵路企業的經濟效益?，F有的高速鐵路列車停站模式主要有“一站直達”、“大站?！?、“擇站?！焙汀罢菊就！盵2]。針對列車停站的重要性，許多學者從不同角度進行了研究。

文獻[2]從方便旅客出行及減少旅客出行廣義費用兩方面考慮，建立了列車停站方案綜合優化模型。文獻[3-4]分析了影響列車停站方案的因素，將節點重要度應用于高速列車停站方案的制定。文獻[5-6]研究了高速鐵路列車停站方案與運行圖的關系。夏昭輝[7]研究了高速鐵路旅客列車停站旅客列車最大停站次數的確定方法。趙洪誠等[8]結合高速鐵路旅客換乘需求數據，建立了以運行圖可達性最大為目標的優化模型。文獻[9-11]以方案總停站次數最少為目標，研究了基于節點重要度的高速列車停站方案優化。趙鍇等[12]以列車停站方式最少為目標，對高鐵列車停站組合進行優化研究。文獻[13-14]研究了京廣高速鐵路列車停站方案綜合評價，分析了列車開行距離與停站方案組合規律。文獻[15-17]從客流角度，研究了高速列車停站方案優化。此外，文獻[18-21]，從線路條件、客流條件、行車條件等方面，研究了城際鐵路列車停站方案優化。

動車組開行方案是高速鐵路運營組織中的重要內容，其中的停站方案是關鍵，其對動車組運行效能影響也最大。上述研究中更多采用了不同數學模型進行停站方案的制定和優化，本文采用計算機仿真技術，以高速鐵路為研究實例，通過對站站停車、跨站停車和一站直達停車3種主要停站方案的仿真計算和分析，從運行時分、運行速度、運行工況、運行能耗等多方面進行分析計算，以一種融合仿真技術和可量化的研究方法，為確定合理的動車組停站方案提供更為直觀和可量化的參考和依據。

2 高速鐵路停站模式與仿真約束條件

以動車組站站式停車、跨站式停車和一站式停車3種方案為仿真對象，從運行速度、運行時分、運行能耗等多方面進行對比分析。

2.1 我國高速鐵路常用的停站模式

我國高速鐵路列車的停站方式，主要有以下幾種模式的組合[6]，見表1。

表1 我國高速鐵路常用停站方式

2.2 仿真約束條件

為了保證仿真計算的準確性，根據動車組高速列車的運行條件，設置如下仿真約束條件。

(1)動車組最大限速條件約束

(3)站間距：Li(i=1,2，…,N)。

(4)停車時分：ti(i=1,2，…,N)，即i個站停車時間，若為0，表示該站不停車。

(5)走行時分：Ti∈(Ai,Ai+1)(i=1,2…,N)，表示在車站Ai和Ai+1之間的運行時分，s。

(6)運行能耗：Ei∈(Ai,Ai+1)(i=1,2…,N)，表示在車站Ai和Ai+1之間的運行能耗，kW·h。

3 動車組停站方案仿真分析

3.1 計算實例數據

成渝客運專線是我國“四縱四橫”鐵路快速客運網中“滬-漢-蓉快速客運通道”的重要組成部分，全長308 km，設計速度為300 km/h(預留350 km/h)。東起重慶站，途經沙坪壩、璧山、內江北、資中北、資陽北、成都東站等11個車站，詳細數據見表2。

表2 車站數據

3.2 仿真參數設置

在仿真計算過程中，需要確定動車組類型、停站模式、最低和最高限制速度、編組情況、定員荷載和最高速度等參數，如圖1所示。

圖1中的各參數說明如下。

(1)動車組類型：可選擇CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B等。

(2)停站模式：用于仿真計算不同停站方式，有站站停、跨站停、一站直達3種停站方式。

(3)最高速度：動車組的最高允許速度。

(4)最低和最高運行速度：所選擇動車組在區間內運行的最低和最高速度。

(5)定員荷載、動車和拖車數量：由選擇的動車組自動確定，不需要填寫。

圖1 仿真參數設置

3.3 速度距離曲線分析

根據設定的參數，通過牽引仿真計算，得到的速度-距離曲線如圖2所示。其中實線、點劃線和虛線分別表示牽引、惰性和制動運行。

圖2 速度-距離曲線

由圖2可知，對于一站式停車，V-S曲線最平滑，動車組能夠以較高的速度保持平穩運行，速度波動小。而站站停車由于停站多，導致V-S曲線分成多個區間，動車組運行速度波動大，曲線也不如一站式停車平滑?？缯臼酵＼嚱橛诙咧g，對于站間距大的3個車站V-S曲線能夠保持較大的平滑狀態，說明停站多少對動車組的V-S曲線影響大。為保持動車組平穩的以較高速度運行，較少的停站方式和較大站間距是較好的選擇。

3.4 牽引區間計算數據分析

對比3種停站方式的動車組運行工況，從區間走行時分、區間平均速度、區間距離等數據，分析不同停站方式對動車組運行能效的影響(表3～表5)。

表3 站站停車的牽引區間計算數據

表4 跨站停車的牽引區間計算數據

表5 一站直達式停車的牽引區間計算數據

從表3～表5可以得出，站站停車方式的區間平均速度最大為236.024 km/h，最小為128.452 km/h；跨站停車方式的區間平均速度最大為256.655 km/h，最小為203.905 km/h；一站直達停車區間平均速度達到282.436 km/h。因此，從動車組運行速度上，停站越少的方式區間運行速度越高，走行時間也越少。

3.5 運行工況數據分析

從走行時間和走行距離，分析各停站方式的3種運行工況，進而得出不同停站方式對動車組運行工況的影響。運行工況數據見表6～表8。

表6 運行工況統計數據(站站停車)

表7 運行工況統計數據(跨站停車)

表8 運行工況統計數據(一站直達停車)

通過表6～表8可以得出以下結論。

(1)站站停車方式走行時分最長，達到5 171.636 s(1.43 h)，而一站直達停車方式走行時分最短，為3 901.98 s(1.08 h)，節省約21 min?？缯就＼嚱橛诙咧g，走行時分為4 399.25 s(1.22 h)，相對于站站停車方式節省約13 min。從牽引工況分布看，一站式停車方式的牽引和制動工況都要比站站停車方式少，同時惰行工況是站站停車方式的2.5倍。

(2)站站停車方式的牽引工況在運行時間上所占百分比最多，達到61.01%，而一站直達和跨站停車方式的牽引工況所占百分比分別為53.22%和43.80%。因此，停站方式對動車組的運行工況影響較大，從而會影響到動車組運行能耗。

(3)3種停站方式各自在運行時間和運行距離所占的百分比相差不大。

3.6 能耗計算數據分析

在運行工況和牽引計算數據分析的基礎上，分析3種不同停站方式的運行能耗。計算結果如表9～表11所示。

表9 能耗計算數據(站站停車) kW·h

表10 能耗計算數據(跨站停車) kW·h

表11 能耗計算數據(一站直達停車) kW·h

從表9～表11可以得出如下結論。

(1)不同的停站方式，運行能耗主要是牽引運行能耗，占比都在90%以上。

(2)站站停車方式能耗最大為10 134.024 kW·h，而一站直達方式能耗最小為5 579.808 kW·h，僅為站站停車方式能耗的55%；而跨站停車方式總能耗為7 678.454 kW·h，為站站停車方式能耗的75.7%。3種停站運行總能耗對比如圖3所示?？梢娡Ｕ痉绞綄榆嚱M運行有著非常顯著的影響，停站越少，運行總能耗少。因此，從節約能耗角度考慮，停站少的一站式方式要遠優于停站較多的站站停車方式。因此，應盡可能多采用停站較少的動車組運行組織方式，以節約運行時間和運行能耗。

圖3 3種停站運行總能耗對比

3.7 時間距離曲線分析

時間-距離曲線(T-S曲線)如圖4所示。

圖4 時間-距離曲線

由圖4可知，T-S曲線以車站為區間進行繪制，對于一站式停車方式，只有一條T-S曲線，而站站停車則有多條T-S曲線。停站數量增加，相應也就增加了區間運行時間。

3.8 區間平均時速曲線

區間平均時速曲線用于描述各區間(以車站為分界點)的平均運行時速(站間距/區間運行時間)，如圖5所示。

圖5 區段平均時速曲線

由圖5可以看出，一站式停車方式的區間平均運行速度高，達282.436 km/h；跨站停車方式區間平均運行速度比一站式停車方式低些，但最高也達到256.65 km/h，最低為203.905 km/h；而停站較多的站站停車方式，各站區間平均速度明顯小于一站式和跨站停車方式，最大僅為236.015 km/h，最小僅為128.447 km/h(站間距為10.7 km)?？梢娡Ｕ痉绞綄榆嚱M區間的運行速度影響大。特別是對于站站停車方式，站間距對其運行速度有較大的影響。停站越少，區間平均運行速度越高。因此，在滿足客運量要求的前提下，應盡可能少采用站站停車方式，以提高區間運行速度，節約運行時間。

3.9 區間運行速度分布

區間運行速度分布圖用于描述各區間速度分布信息，通過圖形直觀展示區間的運行速度分布情況，表12統計了速度280 ～290 km/h、290 ～300 km/h高速區間的運行速度分布，以更好地分析不同停站方式對區間運行速度的分布和影響。

表12 區間運行速度分布數據

由表12可以得出，當動車組列車以最高300 km/h限制速度運行時，每種停站方式最高運行速度都集中在290～300 km/h 速度區間，但所占百分比相差較大。對于站站停車方式，290～300 km/h 速度區間占64.44%，跨站停車方式占73.51%，而一站直達方式則最高，達到了93.38%，約是站站停車方式的1.5倍。而280～290 km/h 速度區間，3種停站方式所占百分比相差不大。可見，不同停站方式對動車組在整個線路區間的運行速度都有較大的影響。

4 結論

動車組開行方案是高速鐵路運營組織中的重要內容之一，而列車的停站方案則是制定開行方案的關鍵?？茖W合理地確定包括動車組開行種類、數量、起訖點等信息的停站方案，對動車組運行效能影響最大。本文采用計算機仿真技術，以成渝客運專線為實例，通過對站站停車、跨站停車和一站直達停車3種主要停站方案的仿真計算，從運行時分、運行速度、運行工況、運行能耗、速度距離和速度時分曲線等多方面進行仿真計算和分析，從量化角度得到3種不同停站方案對上述各因素的影響，為確定合理的停站方案提供更為直觀和可量化的參考和依據。