我國高速鐵路夜間行車組織方法

彭其淵， 楊 奎， 文 超， 陶思宇

(1.西南交通大學交通運輸與物流學院，四川 成都 610031;2.綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 610031)

我國幅員遼闊，主要城市之間的通達時間遠超過其他高速鐵路發達國家，由全國主要節點城市構成的1000多個客流OD對中有328個距離超過2000 km，約有 500個 OD對的旅行時間超過7 h［1-2］.我國高速鐵路的線網規模和縱橫跨度大，單條骨干線路里程長，實現網絡化運營后，長距離高速列車開行數量多、運行時間長、服務范圍廣.

高速鐵路組織夜間行車為旅客利用夜間時間遠距離出行提供了有效途徑，能夠有效拓展旅客出行時間范圍，提升遠距離城市之間高速鐵路出行的時間可達性.此外，組織夜間行車能夠有效利用高速鐵路的夜間運輸能力，充分發揮網絡化運營優勢，提升長距離高速列車相對于長途道路運輸和航空運輸的競爭優勢.我國高速鐵路組織夜間行車是旅客出行和運力資源優化利用的共同需求.同時，從旅客出行需求特征、高速鐵路路網結構與規模來看，我國具有組織開行夜間高速列車的必要性和基本條件，但創新夜間行車組織方法是我國高速鐵路科學運營管理亟待解決的新課題.

國內外科研工作者對高速鐵路夜間行車的研究主要集中在3個方面:

(1)組織開行夕發朝至列車的可行性和開行條件［3-4］;

(2)綜合維修天窗設置形式、技術特點、適用條件及其比較分析［5-10］;

(3)以綜合維修天窗與列車運行的動態關系為基礎，研究夜間列車運行與維修天窗的協調配合［11-15］.

既有研究多以單條高速鐵路為研究對象，未深入系統地研究在高速鐵路網絡化運營背景條件下如何組織開行夜間高速列車.本文系統分析了高速鐵路夜間等線、轉線、一線行車一線維修以及基于客流規律的周期性夜間行車組織方法的技術條件、組織特征和適應性，提出了高速列車夜間運行與綜合維修天窗的協調方法.

1 問題描述

目前，世界上其他高速鐵路發達國家和地區均未在夜間組織開行高速列車，因為這些國家和地區國土面積小，高速列車運行距離和旅行時間較短，沒有組織夜間行車的必要［1］.從旅客出行需求特征、高速鐵路路網結構與規模來看，我國高速鐵路組織夜間行車具備必要性、線網條件和客流條件.我國高速鐵路組織夜間行車能夠充分利用綜合維修天窗以外的夜間時間為旅客出行提供多樣化的快捷運輸服務，是客流輸送和運力資源優化利用的共同需求.

確保技術設備處于良好狀態是高速鐵路安全有序運營的基本保障，可通過設置綜合維修天窗這一技術措施來實現.鐵路綜合維修天窗有矩形和V形兩種基本形式，其中矩形天窗是高速鐵路綜合維修天窗的基本形式，通過組合可以有多種衍生形式，各有不同的特點和適用條件［8］.高速鐵路沿線技術設備需在夜間進行檢查維修作業，無論檢查維修作業持續時間長短，夜間高速列車運行過程在多區段綜合維修天窗聯合約束下難以完全不受天窗影響.在高速鐵路線網縱橫跨度、動車組一級修修程(一般為4000 km，CRH5為5000 km)和旅客出行服務質量等因素綜合約束下，高速列車全程運行過程一般不會跨越2個夜晚，即高速列車在一次全程運行過程中不會兩次受綜合維修天窗的影響.

高速鐵路組織夜間行車主要受夜間綜合維修天窗占用行車資源的影響，列車運行和設備維修作業不能同時進行，組織夜間行車的關鍵在于處理好夜間列車運行與綜合維修天窗的相互關系.夜間列車運行與綜合維修作業在時間上存在相互影響的動態關系，兩者相互協調配合才能在滿足技術設備綜合檢查維修需求的基礎上，為列車夜間運行創造良好條件.

高速鐵路夜間行車有4種可能的行車組織方法:等線、轉線、一線行車一線維修和基于客流需求規律的周期性組織方法.不同夜間行車方法具有不同的技術特征和技術作業過程，夜間列車開行條件與綜合維修天窗的相互關系也有所差異.研究高速鐵路夜間行車組織方法，主要以滿足高速鐵路綜合維修作業的需求為前提，系統分析不同夜間行車組織方法的技術條件、組織特征及夜間列車與綜合維修天窗的協調方法，提出不同夜間行車組織方法的適應條件，為我國高速鐵路組織開行夜間列車提供理論依據和技術支撐.

2 高速鐵路夜間等線行車組織方法

等線方法指夜間高速列車在綜合維修天窗開始前在就近車站停車，等待天窗結束后繼續在高速鐵路上運行至終到站的一種夜間行車組織方法.其特征是列車在其全過程運行中不改變運行線路，遇到綜合維修天窗時列車在車站停車等待至天窗結束后繼續運行，導致夜間高速列車運行時間增加.

高速列車夜間等線時停留在車站到發線上，其運行環境(線路、信聯閉設備和供電等方面的技術條件)未發生任何變化，列車運行全過程對平行既有線路無影響.等線列車在天窗時間內需要占用車站到發線，同時在等線時段內列車基本生活用電必須得到保障.采用等線方法組織夜間行車的實施條件主要包括:

(1)高速鐵路沿線車站到發線配置數量滿足夜間列車等線需要;

(2)等線車站具備保障等線列車生活用電的配套技術設備.

高速等線列車需等到其所在車站和相鄰后續區段綜合維修天窗均結束后才具備基本發車條件，會產生列車在站等待天窗的停留時間，增加高速列車旅行時間，從而降低列車旅行速度.高速列車等線時間主要由綜合維修天窗時間長度、同方向等線列車數量、最小追蹤間隔時分和天窗前后行車間隔時分決定.令t、tb和te分別表示綜合維修天窗持續時間長度、天窗開始前的最小行車時間間隔和天窗結束后的最小行車時間間隔，n和tmin分別為該車站同方向等線列車數量和列車運行最小追蹤間隔時分，tT和t'T分別為列車正常運行旅行時間和等線運行的旅行時間.按照“先到先發”原則組織等線車站列車到發，高速列車夜間等線時間td和列車等線運行的旅行時間t'T為

夜間等線高速列車旅行速度v′由運營里程L、最高運營速度vmax和綜合維修天窗時間t決定，

式中:β1為高速列車的旅速系數，一般取值0.9.

不同運營里程和綜合維修天窗時間下的旅行速度如表1所示.

表1 高速列車等線運行的旅行速度Tab.1 Travelling speed of high-speed train under waiting mode km/h

綜合維修天窗時間長度和列車運行距離是影響列車旅行速度的主要因素，綜合維修天窗持續時間越短、列車運行距離越長，則等線高速列車旅行速度越高，夜間等線對列車旅行速度影響越小.在一定的列車運行距離下，綜合維修天窗時間越長，夜間列車旅行速度越低，列車受綜合維修天窗的影響越嚴重.遠距離高速列車等線運行能夠保證較高的旅行速度，例如哈爾濱至廣州運行里程約為3400 km，設置3 h綜合維修天窗時列車旅行速度高于200 km/h.

在滿足維修作業需求和列車運行基本條件的同時，采用一定的技術措施能夠有效地縮短列車等線時間，提高列車旅行速度，從而降低綜合維修天窗對夜間列車運行的影響.提高等線列車旅行速度的技術措施主要包括:

(1)分段設置綜合維修天窗，通過技術組織措施為列車夜間運行創造良好條件;

(2)強化維修班組配置和維修作業組織，縮短輔助作業時間，提高維修作業效率;

(3)優化列車等線方案，使列車盡量分散等線，降低同一車站同方向等線列車數量.

根據高速鐵路供電設備技術特征和運營維護管理需求等，將高速鐵路劃分為若干天窗分段，這些天窗分段是分段矩形天窗設置的基本單位，不同天窗分段的天窗設置方案組合形成高速鐵路天窗設置方案.根據夜間行車需求，優化分段矩形天窗的開設時段能夠有效縮短列車等線時間，降低綜合維修天窗對列車運行的影響.如圖1所示，在同等條件下，設置分段矩形天窗時的列車等線時間小于設置垂直矩形天窗時的列車等線時間.

圖1 不同綜合維修天窗方案下的列車等線時間Fig.1 Waiting time illustration under different maintenance curfews

夜間高速列車等線運行降低了列車旅行速度，為保證高速鐵路的服務質量和競爭優勢，夜間高速列車運營里程必須大于特定閾值L0以保證一定的旅行速度水平.令v0為夜間高速列車目標旅行速度，

表2為目標旅行速度下的等線列車運營里程閾值，從表2可以看出，綜合維修天窗持續時間越長、最高運營速度越低、目標旅行速度越高，高速鐵路夜間列車運營里程閾值就越高.

表2 目標旅行速度下的等線列車運營里程閾值Tab.2 The mileage threshold value of waiting high-speed train at targeted travelling speed km

此外，高速鐵路采用等線方法組織夜間行車能夠有效拓展夕發朝至列車的開行范圍.夕發朝至列車合理始發時間范圍為［17:00，23:00］，合理終到時間范圍為［6:00，9:00］，列車旅行時間長度為7～16 h，則高速鐵路300 km/h(旅速系數為0.9)列車夕發朝至列車開行最短距離約為1900 km.采用等線方法組織夜間行車，旅行時間增加能夠縮短夕發朝至列車的最短開行距離L，使部分距離較近的城市OD具備開行夕發朝至列車的時間條件，

L=(t'T－ td)β1vmax， 7 h≤t'T≤16 h. (5)

高速列車等線運行增加旅行時間能夠拓展夕發朝至列車開行范圍，同時降低了列車旅行速度.目前我國既有線直達特快旅客列車平均旅行速度為130 km/h左右，為保證夕發朝至高速列車的競爭優勢和服務質量，300 km/h高速列車的速度不宜低于200 km/h，相應的最短開行距離約為1400 km.

等線行車組織方法適用于無平行既有線路或平行既有線路能力特別緊張的高速鐵路組織夜間行車，組織等線行車時高速鐵路沿線車站到發線數量需滿足夜間列車等線需要，等線車站需具備保障等線列車生活用電的配套技術設備.采用該方法能夠在距離較近的城市OD之間組織開行夕發朝至列車，在列車運營里程較長時能夠保證較高的旅行速度.

3 高速鐵路夜間轉線行車組織方法

轉線方法是指高速列車在天窗開始前通過聯絡線轉入平行既有線路，夜間列車沿平行既有線路運行至終到站，或天窗結束后通過聯絡線返回高速線運行的一種行車組織方法.其特征是列車部分運行過程在高速鐵路平行既有線路完成，轉線運行列車在綜合維修天窗時間內利用平行既有線路通過能力，與平行既有線路列車的運行相互影響.

高速鐵路夜間轉線運行過程包括3個階段:

(1)天窗開始前在高速鐵路上的運行階段;

(2)天窗時間內在平行既有線路上的運行階段;

(3)天窗結束后從平行既有線路返回高速線或繼續在平行線運行至終到站.

組織轉線行車應具備的條件包括:

(1)高速鐵路具備平行既有線路以及與平行既有線路的聯絡線;

(2)平行既有線路技術條件滿足高速列車運行需求;

(3)平行線路具有充足的通過能力.

高速鐵路在綜合維修天窗時間組織轉線行車，高速列車轉線運行過程如圖2所示.采用轉線方法時，高速列車在天窗開始前通過聯絡線轉入既有線，在天窗結束后通過聯絡線返回高速鐵路，因此，高速鐵路與平行既有線的聯絡線設置是轉線運輸組織的關鍵技術條件.同時，列車轉線運行與平行線路列車運行過程相互影響，運輸組織過程較為復雜，導致列車晚點將使轉線運輸組織方案難以實施，保證高速列車正點運行是列車轉線運行的重要組織條件.

在既有平行線路技術條件約束下，轉線列車以既有平行線路的最高允許速度運行，導致列車全程旅行時間增加，旅行時間增量

式中:β2為既有平行線路上列車的旅速系數;

vPmax為既有平行線路上列車最高運行速度;

t'1為高速列車轉入既有線路的運行時間;

l為平行既有線區段長度.

列車轉線運行的旅行時間增量較等線方法的旅行時間增量小，在天窗持續時間較長時具有顯著優勢.采用轉線方法組織開行夕發朝至高速列車時，不同線路運營速度和綜合維修天窗時間與列車合理開行距離范圍的關系可用式(7)表示，

式中:t2為在既有平行線路列車運行時間.

不同天窗時間長度和最高運營速度下的合理開行距離范圍見表3.

高速鐵路夜間行車采用轉線方法能夠有效利用運輸資源，提高運輸生產的連續性和均衡性，組織列車轉線運行的關鍵在于為高速列車選定合理的轉線運行區段.列車轉線運行區段的基本條件是列車轉線運行時間大于綜合維修天窗時間及其前后間隔時間之和，tZ為列車轉線運行時間，列車轉線運行區段選擇的基本條件為

圖2 夜間高速列車轉線運行過程示意圖Fig.2 Transferring mode illustration of overnight high-speed railway

表3 轉線方法夕發朝至高速列車的合理開行距離范圍Tab.3 The rational travelling distance range for dusk to dawn high-speed train under transferring mode km

在合理始發終到時間范圍約束下，不同OD城市對夜間高速列車的轉線區段可能有所不同，導致高速鐵路既有平行線路不同區段的轉線列車數量存在差異.列車轉線運行占用既有平行線路通過能力，高速列車轉線運行的不均衡性會導致既有平行線路不同區段的能力占用不均衡.

令tH和tK分別為既有線普通貨物列車和旅客列車追蹤間隔時分，M為該區段轉線列車成組運行的組數，Ki為第i組追蹤運行的列車數量，εk為高速鐵路平行既有線直達特快旅客列車扣除系數.轉線行車對平行既有線路通過能力的影響見圖3，列車轉線運行占用轉線運行區段的通過能力

圖3 轉線行車對平行既有線路通過能力影響的計算方法Fig.3 Calculation method of reduced capacity in parallel traditional rail line under transferring mode

在轉線基本條件和合理始發終到時間范圍約束下，夜間高速列車轉線區段和轉線時間通常具有多種可選方案，不同轉線方案將導致高速鐵路既有平行線路通過能力利用率的不同.夜間高速列車轉線方案需從路網層面統籌考慮列車轉線基本條件、合理始發終到時間范圍和既有平行線路通過能力，以便為既有平行線路列車運行和通過能力的充分利用創造條件.

轉線行車方法適用于具有高速鐵路與平行既有線路轉線運輸組織聯絡線、平行既有線路通過能力富余并具備相應技術條件的高速鐵路組織夜間行車，在綜合維修天窗時間較長時較等線方法具有一定優勢.同時，由于聯絡線設置的限制，列車晚點將導致轉線運輸組織方案難以實施，保證高速列車正點運行是列車轉線運行的重要組織條件.

4 一線維修一線行車組織方法

一線維修一線行車方法是指高速鐵路在綜合維修天窗時間內一線進行維修作業、一線按單線組織列車運行的行車組織方法.其特征是上下行線路在綜合維修天窗時間段內分別用于設備檢查維修和列車運行，列車運行與設備檢查維修作業相互影響.

實施一線維修一線行車方法的技術條件包括:

(1)高速鐵路雙向線路均具備單線反向行車條件;

(2)列車運行速度不超過160 km/h，以降低相鄰線路維修人員安全風險;

(3)強化維修作業防護措施以保證維修作業安全.

在綜合維修天窗時段內，組織一線維修一線行車通常具有單線成對非追蹤運行或追蹤運行兩種組織模式，如圖4(a)和圖4(b)所示.

圖4 高速鐵路一線維修一線行車示意圖Fig.4 Illustration of operation and maintenance in bidirectional lines

一線維修一線行車方法在天窗時間為高速鐵路列車提供了一條可行的夜間單方向運行通道，能夠提高高速鐵路運輸生產的連續性和均衡性.在天窗開始前和天窗結束后，均需進行行車組織方法轉換，運輸組織過程較為復雜.高速鐵路部分特定技術設備檢修作業需要上下行線路同時進行，如渡線、道岔和站內接觸網等技術設備，采用一線維修一線行車方法時，無法同時進行檢修作業，難以滿足這些技術設備的維修需要.與此同時，列車運行影響相鄰線路的維修作業，增加了維修輔助作業時間和線路維修的安全風險，對高速鐵路線路的維修作業效率和安全產生負面影響.

令l為區段限制區間長度和不組織一線維修一線行車時的速度，則綜合維修天窗影響時間長度

設TC為單線成對非追蹤運行圖周期，t′I和t″I分別為上下行方向追蹤列車間隔時分，K為追蹤運行列車數量，則追蹤運行圖周期

綜合維修天窗時段內的通過能力［16］

由此可見，組織一線維修一線行車時綜合維修天窗時段內可開行的列車數量主要取決于線路限制區間長度.在實際運輸組織過程中高速鐵路站間區間較長，以160 km/h組織單向行車時TC較大，導致綜合維修天窗時間內通過能力較為有限.例如，京滬高速鐵路站間區間平均長度為60 km，單線成對非追蹤運行圖平均周期為TC=70 min，設置4 h綜合維修天窗時，以160 km/h成對組織列車單線非追蹤運行和追蹤運行(K=3)，區間平均通過能力分別為4對和6對.

一線維修一線行車組織方法適用于具備單線反向行車條件的高速鐵路組織夜間行車，但高速鐵路部分特定技術設備檢修作業需要上下行線路同時進行，采用一線維修一線行車組織方法難以滿足這些技術設備的維修需要，同時增加了維修輔助作業時間，影響維修作業人員安全.

5 基于客流規律的周期性行車組織方法

我國鐵路運輸組織“按流開車”，客流需求是高速鐵路組織行車的基本依據.我國高速鐵路客流在一周內呈現顯著的規律性:周一至周四工作日客流相對穩定，周五和周日客流顯著增長，周六客流相對較小［16］.根據此客流規律設置5+2周期性天窗(周一至周四以及周六正常設置綜合維修天窗，周五和周日僅設置2 h巡檢天窗)，既能滿足不同維修作業需求，又能在周五和周日夜間出行客流需求較大時為高速列車夜間運行創造良好條件［17］.

高速鐵路周期性夜間行車組織方法，是指針對周期客流規律設置天窗方案并相應地采用前述不同夜間行車方法的一種行車組織方法.這種行車組織方法的特征是周一至周四及周六正常開設綜合維修天窗與周五、周日開設巡檢天窗時分別采用不同的夜間列車組織方法，可以是等線、轉線或一線維修一線行車組織方法的任意單一方法或組合.

采用5+2周期性天窗時，周一至周四以及周六正常設置3或4 h矩形天窗用于線路檢查維修，高速列車夜間運行可根據相應技術條件采用前述3種夜間行車組織方法之一，其中等線方法如圖5(a)所示.周五和周日僅設置2 h巡檢天窗用于線路及設備檢查以保證行車安全，在綜合維修天窗結束后不需開行確認車，巡檢天窗影響時段大幅縮短，分段設置時相鄰區段天窗可能完全錯開，為夜間列車運行提供通道，如圖5(b)所示，京廣高速鐵路部分列車在夜間運行過程中能夠避免受綜合維修天窗的影響.

高速鐵路夜間運行列車通常在時段6:00～9:00密集終到，對于毗鄰動車段(所)的始發終到站，夜間高速列車終到與動車組出段、車站早高峰發車時段重疊.列車密集到發可能導致到發線和咽喉能力較為緊張，需制定配套的列車出入段計劃和組織措施.在網絡化運營條件下，協調不同城市之間夜間高速列車運行方案，組織夜間高速列車在區間連續追蹤運行，在提高夜間通過能力利用率的同時，為夜間列車運行和維修作業創造良好條件.

圖5 基于客流周期性規律的京廣高速鐵路行車組織方法示意圖Fig.5 Demand-based periodic operation illustration of Beijing-Guangzhou high-speed railway

高速鐵路夜間列車運營里程在2000 km以內時，采用車底返回配屬地檢修的雙日交路;里程在2000 km以上則采用在非配屬地進行車底檢修的單日交路，同時通過臥代座套跑短途日行列車能夠有效提高動臥車底利用率.當始發終到站所在地的動車運用所不具備該車型的檢修技術條件時，需在該動車運用所增加特定車型的檢修技術設備或以套跑形式到就近動車運用所檢修.

6 結束語

我國高速鐵路逐步由單線獨立運營轉變為以長大干線為骨架的網絡化運營，長距離高速列車開行數量多、運行時間長和服務范圍廣.我國高速鐵路具備組織夜間行車的基本線網條件和時空條件，開行夜間高速列車可以有效地豐富鐵路客運產品譜系，提高城市之間的時間可達性和路網運輸能力，是旅客出行和企業運營的共同需求.

高速鐵路夜間行車具有等線、轉線、一線維修一線行車和基于客流規律的周期性夜間行車組織4種方法.等線行車方法適用于沒有平行既有線路或平行既有線路能力特別緊張的高速鐵路組織夜間行車，同時高速鐵路沿線車站到發線配置數量滿足夜間列車等線需要，并且相應等線車站需具備保障等線列車生活用電的配套技術設備.采用該方法能夠在距離較近的城市OD間組織開行夕發朝至列車，在列車運營里程較長時能夠保證較高的旅行速度.為保證高速夕發朝至列車的競爭優勢和服務質量，300 km/h高速列車的目標速度不宜低于200 km/h，其最短開行距離約為1400 km.

轉線行車方法適用于高速鐵路與平行既有線路具有滿足轉線運輸組織的聯絡線、平行既有線路通過能力富余并具備相應技術條件的高速鐵路組織夜間行車，在綜合維修天窗時間較長時較等線方法具有一定優勢.高速列車轉線運行與既有平行線路列車相互影響，運輸組織較為復雜，轉線行車組織的關鍵在于為列車選擇合理的轉線運行區段并確保高速列車正點運行.

一線維修一線行車組織方法適用于具備單線反向行車條件的高速鐵路組織夜間行車，但高速鐵路部分特定技術設備檢修作業需要上下行線路同時進行，該方法難以滿足這些技術設備的維修需要.以高速鐵路客流周規律性為基礎設置5+2周期性天窗，既能滿足不同維修作業需求，又能在周五和周日夜間客流需求較大時為高速列車夜間運行創造良好條件，是一種較好的夜間行車組織方法.

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