高速鐵路車站--區(qū)間能力協(xié)調(diào)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?shù)淖鳂I(yè)效率和經(jīng)濟利益，對高速鐵路點和線的能力協(xié)調(diào)提出了新的要求，尤其是對辦理大量始發(fā)、終到和折返列車的高速鐵路車站與區(qū)間能力的協(xié)調(diào)性更應(yīng)進行重點研究。研究高速鐵路車站-區(qū)間能力的協(xié)調(diào)性在規(guī)劃階段，可以判斷運輸系統(tǒng)內(nèi)各項設(shè)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(huán)節(jié)進行調(diào)整；在運營階段，能夠保證在合理的管理和運輸組織下實現(xiàn)運輸暢通，使能力不協(xié)調(diào)的環(huán)節(jié)得到緩解，充分發(fā)揮各項設(shè)備的能力。

目前，學者已從多個方面對點線能力的協(xié)調(diào)性進行了研究，文獻[1]中最先提出了能力量比系數(shù)的概念，研究了編組站內(nèi)部設(shè)備間能力量比系數(shù)的確定方法，并根據(jù)當時鐵路的運輸組織水平提出了設(shè)備間的能力協(xié)調(diào)量比值。文獻[2]、[3]從不同的角度建立了點線能力的協(xié)同優(yōu)化模型，并對影響能力協(xié)調(diào)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(xù)單位時間內(nèi)仿真模擬，統(tǒng)計不協(xié)調(diào)狀態(tài)，找出最優(yōu)的系統(tǒng)合理配置，為運輸組織提供合理的決策依據(jù)。本文進一步運用計算機仿真的方法對點線能力的協(xié)調(diào)性進行定量分析以研究高速鐵路車站-區(qū)間能力的匹配，用于指導各項設(shè)備能力加強和改造，優(yōu)化運輸組織。

1 高速鐵路車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性概述

1.1 能力協(xié)調(diào)的內(nèi)涵

從直觀意義上講，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)是指在系統(tǒng)內(nèi)部的自組織和來自外界的調(diào)節(jié)管理活動(即他組織)作用下，其各個組成子系統(tǒng)之間的和諧共存[6]。點線能力協(xié)調(diào)包括了兩層含義：一層是服務(wù)設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計，稱為靜態(tài)協(xié)調(diào)；一層是對已有服務(wù)設(shè)備的最優(yōu)運營控制，稱為動態(tài)協(xié)調(diào)。

靜態(tài)協(xié)調(diào)是規(guī)劃階段的一種協(xié)調(diào)，一般都把這類協(xié)調(diào)問題歸于設(shè)備數(shù)量和能力的匹配，主要包括設(shè)備的技術(shù)改造方案和新站、新線的建設(shè)方案。以對未來情形預測為基礎(chǔ)，要求建立或改造的系統(tǒng)在運用過程中技術(shù)、經(jīng)濟等方面都處于最優(yōu)狀態(tài)，實際能力小于生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各項技術(shù)設(shè)備所能提供的最大能力，同時相鄰兩個環(huán)節(jié)之間的銜接作業(yè)能夠順暢進行，不會出現(xiàn)延誤與等待。動態(tài)協(xié)調(diào)是運營階段的一種協(xié)調(diào)，是在系統(tǒng)的設(shè)備已經(jīng)固定的前提下，結(jié)合運輸生產(chǎn)的動態(tài)過程，通過運輸組織的實時控制，及時調(diào)整鐵路系統(tǒng)在運營中出現(xiàn)的無序狀態(tài)，尋求設(shè)備的最優(yōu)運營策略。高速鐵路點線能力協(xié)調(diào)的含義如圖1所示。

圖1 點線能力協(xié)調(diào)的含義Fig.1 The coordination’s connotation of station-interval ability

1.2 車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性的度量

協(xié)調(diào)度是在特定的條件下，對一種狀態(tài)或一個方案的協(xié)調(diào)性的度量。[7]本文中區(qū)間-車站能力的協(xié)調(diào)性用兩個個指標來進行衡量：

（1）區(qū)間-車站最終的通過能力

區(qū)間-車站組成的系統(tǒng)最終的通過能力可用下式表示：

式中：N輸入——從區(qū)間向車站輸入的列車數(shù)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(xiàn)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(yè)過程中可能出現(xiàn)多種情況的延誤，不滿足追蹤列車間隔時間、沒有適當?shù)慕影l(fā)車進路和沒有空閑的到發(fā)線，這些情況中只要出現(xiàn)一種列車的作業(yè)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(fā)出列車時間間隔，基本上不會出現(xiàn)列車排隊等待的現(xiàn)象。當列車密集到達，車站的處理能力達到飽和，后續(xù)到達的列車就會出現(xiàn)排隊等待的現(xiàn)象而出現(xiàn)延誤，此時，區(qū)間和車站能力就表現(xiàn)為不協(xié)調(diào)。

2 系統(tǒng)仿真

2.1 仿真主程序流程

進行車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性仿真，首先應(yīng)根據(jù)高速鐵路列車作業(yè)流程的特點將系統(tǒng)進行簡化，建立相應(yīng)的模型，接著將模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C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(shù)并對參數(shù)進行初始化，如車站到發(fā)線的數(shù)目、咽喉進路的集和模擬時間的長度等；然后調(diào)用時間控制程序以便驅(qū)動程序；接著對作業(yè)事件類型進行判定，若是到達事件，則執(zhí)行到達事件處理例程，處理后置事件為已執(zhí)行。按同樣的原理對到發(fā)線作業(yè)事件和出發(fā)事件進行判定和執(zhí)行；最后對仿真的結(jié)果進行處理和保存。主程序的核心問題是到達事件、到發(fā)線事件和出發(fā)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(tǒng)狀態(tài)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(tǒng)的仿真策略

本文運用Matlab來實現(xiàn)系統(tǒng)仿真，根據(jù)仿真模型要求和功能結(jié)果編制程序，程序包括一個主函數(shù)和多個子函數(shù)。主函數(shù)主要根據(jù)列車的種類調(diào)用相關(guān)的子函數(shù)來處理列車的接發(fā)車和出入段作業(yè)，每個子函數(shù)完成一種列車的接發(fā)車或出入段作業(yè)，通過主函數(shù)確定各個子函數(shù)間的關(guān)系，并把這些子函數(shù)集合成一整體，以實現(xiàn)系統(tǒng)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(gòu)成進程，系統(tǒng)會按照預先規(guī)定好的處理規(guī)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(fā)，事件都是隨仿真系統(tǒng)的運行而產(chǎn)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(fā)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(chǎn)生時間時，由仿真系統(tǒng)處理該事件。

由于列車速度主要影響列車相關(guān)作業(yè)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(yè)進程劃分為八大類，見表1。

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

3 重要因素對車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性的影響分析

3.1 到發(fā)線數(shù)量對車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性的影響

本文以南京南站寧安場接發(fā)列車的對數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，其中始發(fā)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(fā)車間隔時間取6min，仿真時間持續(xù)4個小時。為研究到發(fā)線數(shù)目對點線能力協(xié)調(diào)性的影響，本文進行多次試驗來對相關(guān)指標進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖 3為不同到發(fā)線數(shù)目對應(yīng)的區(qū)間-車站通過列車總數(shù)，圖4為不同到發(fā)線數(shù)目對應(yīng)的延誤率。

表2 不同到發(fā)線數(shù)目對應(yīng)的指標Tab.2 Index statistics for different arrival-departure line quantities

圖3 不同到發(fā)線數(shù)目對應(yīng)的區(qū)間-車站通過列車總數(shù)Fig.3 The station-interval total capacity for different arrival-departure line quantities

圖4 不同到發(fā)線數(shù)目對應(yīng)的延誤率Fig.4 Delay rate for different arrival-departure line quantities

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

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

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

試驗 4：到發(fā)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(shù)據(jù)可知，隨到發(fā)線數(shù)目的增加，區(qū)間-車站通過列車總數(shù)增加，說明隨車站到發(fā)線數(shù)目增加車站的能力加大，點線能力的協(xié)調(diào)性逐漸趨于良好；隨到發(fā)線數(shù)目的增加，接發(fā)車的延誤率逐漸降低，系統(tǒng)出現(xiàn)延誤的總時間逐漸下降，當?shù)桨l(fā)線數(shù)目為10、11時延誤率較小且趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，證明車站到發(fā)線的數(shù)目對點線能力的協(xié)調(diào)性影響較大，車站的初始設(shè)計能力能很好地與區(qū)間能力配合。

3.2 列車到達強度對車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性的影響

試驗5：仿真的基本條件不變，始發(fā)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(xù)4個小時，實例車站的11條到發(fā)線全部使用。發(fā)車時間間隔分別取 4min、5min、6min、7min、8min、9min和 10min，實驗的統(tǒng)計結(jié)果見表3、圖5和圖6所示。

由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，隨發(fā)車間隔時間的增大，區(qū)間-車站通過列車總數(shù)減少，證明發(fā)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(xié)調(diào)性有較好影響；隨發(fā)車間隔時間的增大，列車的延誤率逐漸減小，系統(tǒng)的總延誤時間減小，發(fā)車時間間隔為 4min時列車運行延誤的情況較為嚴重，發(fā)車間隔取6min，列車的延誤較小；發(fā)車間隔大于 7min時，系統(tǒng)基本上不會出現(xiàn)延誤，說明其他條件保持不變，對于本車站發(fā)車間隔大于 7min點線能力的協(xié)調(diào)性較好。

表3 不同發(fā)車間隔時間對應(yīng)的指標Tab.3 Index statistics for different train departure time intervals

圖5 不同發(fā)車間隔時間對應(yīng)的區(qū)間-車站通過列車總數(shù)Fig.5 The station–interval total capacity for different train departure time intervals

圖6 不同發(fā)車間隔時間對應(yīng)的延誤率Fig.6 Delay rate of different train departure time intervals

4 結(jié) 論

本文利用計算機仿真技術(shù)對影響高速鐵路車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)性的重要因素進行了研究。通過計算機程序的開發(fā)和設(shè)置一系列初始條件對高速鐵路車站-區(qū)間系統(tǒng)作業(yè)過程進行連續(xù)多次仿真模擬，分析到發(fā)線數(shù)目和列車到達強度對高速鐵路車站-區(qū)間能力協(xié)調(diào)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(yīng)度，能為高速鐵路設(shè)備的配置和運輸組織方法提供一定的依據(jù)。