基于快運的高鐵通過能力計算與利用

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

1 引言

自2008年以來，我國高速鐵路網快速擴張，到2016年底，我國高鐵運營里程突破2萬km，成為世界上規模最大的高速鐵路網。高速鐵路的“速度高、正點率高、運量大、運費低”等優勢，吸引越來越多的快遞物流企業選擇高速鐵路進行“體積小、質量輕、附加值高”的快件運輸。然而在電子商務的蓬勃發展的大環境下，快遞需求的迅猛增長，通過高鐵客運列車捎帶快件這種運輸組織方式已不能適應實際情況，因此開展高鐵快運專列能夠更好發揮高速鐵路快運的技術經濟優勢。

現在的高速鐵路通過能力計算僅適用于全部開行客運列車的情況，而未將開行快運專列的情況考慮在內。本文在高速鐵路網開行快運專列的前提下，將24h分為兩個時間段，不同時間段適用的通過能力計算方法有所不同，從而得到24h內高速鐵路線路的通過能力。

2 高速鐵路快運現狀及開行必要性

2.1 高速鐵路快運需求現狀

近年來，我國產業結構升級、電商行業快速發展，極大帶動了物流快遞行業的飛速發展，快遞運輸市場的業務量增長迅猛。自2011年來，我國快遞業務量增速均保持在45%以上[1]。具體見表1。

表1 2011-2016年我國規模快遞企業業務情況

運輸市場需求不斷增大，競爭也越來越激烈，物流企業對快件運輸安全、快速、準時等要求也隨之提高。公路運輸、高速鐵路運輸和航空運輸的吸引距離分別為短途運輸、中長途運輸和長途運輸。與航空和公路運輸相比較，高鐵快運專列載重量為120t/列，公路運輸中順豐速運常用車型的載重量為20t/輛，航空運輸中順豐航空常用機型的載重量為20余噸。相比于我國航空運輸和公路運輸，高速鐵路的優勢顯而易見。

2.2 開展高鐵快運的必要性

一些高速鐵路新線開通初期，運能有很大富余，具有開展高鐵貨物運輸業務的技術條件，在滿足線路上旅客運輸出行需求的前提下，可利用高速鐵路剩余能力進行高速鐵路貨物運輸。在快遞運輸市場需求缺口大、高速鐵路運能有剩余且存在部分虧損的現狀下，利用高速鐵路卓越的運輸資源發展快運產品就尤為重要。

自2013年起，部分高鐵線路成功試運行高鐵快運，到現在全國范圍內開展高鐵快運，高速鐵路貨物運輸在不斷地試探前行[2]?，F有的高鐵快運主要通過確認車和客車捎帶運送快件，這兩種方式的載貨量分別最多為6t/列和2t/列，遠不如快運專列的載重量。

我國高鐵是按照客運專線的標準修建的，運營時間較短，很多線路的運能有余，在不影響客運運能的前提下開展高鐵快運，利用客運線路開行快運專列，可提高鐵路運輸企業的收益，增加鐵路運輸企業的收益或減少企業虧損。雖然未來高鐵運輸需求會逐年上升，但是高鐵運能趨于飽和時仍可以利用不適宜開行客運列車的時間段開展高鐵快運業務。表2為京滬高鐵各區段不同時段內現有列車數量，可以看到在21:00-24:00、3:00-9:00這些除天窗外非旅客出行高峰時間段內，京滬高鐵線路上能力有余，可以在這個時間段內開行快運專列進行快件運輸，既不影響客運列車的運行，也可以充分利用高鐵剩余能力。

表2 京滬高鐵各區段現有列車數統計表（單位：列）

3 高速鐵路通過能力計算現狀

高速鐵路建設初期是作為客運專線進行修建的，客運專線通過能力是指采用一定類型的動車組和規定的運輸組織方法，鐵路區段或車站可以通過或辦理的最多列數或對數。既有線一般以區段作為通過能力的單位，高速鐵路通過能力一般以一條線路為單位，高鐵通過能力分為全天通過能力、長線能力、短線能力等[3]。

一般條件下，高速鐵路單方向通過能力N公式為：

式中：T檢—列車運行圖的維修天窗時間（min）；

T無效—列車運行圖中無效時間（min）；

ε—高速列車扣除系數；

I—追蹤列車間隔時間。

高速鐵路通過能力受多種因素影響，本文主要研究停站次數及時間、天窗設置對其的主要影響。

在線路上運行的動車組速度等級相同的情況下，由于列車停站產生的停站時分和起停車附加時分，會對高速鐵路能力產生扣除。

高速鐵路設置天窗為保證行車安全以及保持良好地線路和設備狀態，其維修作業時間要求較長，查閱鐵路局運行圖文件得到，天窗一般設置在0:00-6:00，天窗時間一般為2-4h。設置矩形天窗除了對行車產生直接的能力損失之外，還會在天窗兩側產生四個特殊的三角區，將全線能力分為“長線”能力和“短線”能力。對于特長線路，如京廣高速鐵路線，全線開設垂直雙向矩形天窗產生的三角區影響面積過大，極大影響該線路的通過能力，對此考慮在特長線路開設分段矩形天窗，減少三角區的影響面積，以提高線路的通過能力。

現在的高速鐵路通過能力計算方式僅適用高鐵客運專列開行的模式，不能滿足客運專列和快運專列混合開行模式的計算，因此，基于開行快運專列條件下的通過能力需要重新計算。

4 高速鐵路快運能力計算

保證現有客運專列的能力不受快運列車開行的影響，是開行快運專列的重要前提，考慮到未來快件業務量的發展，在客運列車能力緊張的時間段內不增加快運專列，夜間開行快運專列進行大規?？旒\輸。同時要求開行的快運專列采用與客運專列的列車等級、運行速度等均相同的開行方式。

將高速鐵路線路主要分為繁忙線路與非繁忙鐵路。繁忙線路如京滬高鐵、京廣高鐵，其現有客運列車運行時段的能力利用率高達80%以上，非繁忙鐵路如哈大高鐵、滬南高鐵，其現有能力利用率較低。繁忙線路的利用率已經基本飽和，若在白天客運高峰時間段內開行快運專列，必將對原有客運列車的運行產生很大影響，因此不考慮在此時間段內開行快運專列，只考慮在夜間或清晨適時開行快運專列。非繁忙線路若長期內沒有大的發展，白天開行客運列車數少，即可以使用白天的時間開行快運專列，此時，快件運輸組織的過程中不用在站等待天窗，加快了快件的旅行時間，提高了快件運輸的時效性，更加方便貨物運輸。若非繁忙線路經發展到達飽和狀態，與繁忙線路一樣在夜間或清晨適時開行快運專列。

因此，將運行時間分為白天開行時間段Tb和夜間天窗下開行時間段Ty，Tb+Ty=24h，對這兩個時間段采用不同的通過能力計算方法，結合得到適用于客貨混行開行模式的計算方式。

4.1 白天開行時間段的能力計算

由于快運列車在經停站要進行裝卸作業，快運專列在站停留時間多于高鐵客運專列的在站停留時間，這些停留時間差會對區段通過能力產生一定的影響，因此以高鐵客運專列為基準，高鐵快運專列扣除高速客運列車計算的通過能力[4]。

白天時間段內不受天窗、三角區的影響，因此其平行運行圖通過能力為L:

Tb—一天24h內除去天窗影響時間的總時間。

若列車不停站，則其扣除系數為1，若列車途中辦理停站作業，則每次停站都會產生一定的空費時間，因額外占用運行圖ε停，與摘掛列車產生額外扣除系數相似[5]，如圖1所示。

圖1 部分列車在區段內停站示意圖

ε停的算式如下：

n總—該周期內通過的列車總數；

n?！撝芷趦韧Ｕ镜牧熊嚁?；

t起?！鹜＼嚫郊訒r分；

t站—列車在站停留時間；

γ—停站比，途中停站列車數占總通過列車列數之比。

（1）單列列車停站扣除系數。不越行情況下，單列客運專列平均停站比例為k的扣除系數為：。

t客—客運列車在站停站時間。

不越行情況下，單列快運專列平均停站比例為m的扣除系數為：

t貨—快運專列在站停站時間。

（2）多列列車停站扣除系數。不越行的情況下的扣除系數為εb=θ客ε客+(1-θ客)ε貨。

θ客—客運列車的所占比例；

因此，不越行的情況下，白天時間段的高速鐵路通過能力計算公式為：

4.2 夜間天窗影響時間段的能力計算

高鐵快運的需求不斷增長，日均需要的快運專列數量也隨之增長，如果在白天客流高峰時段大規模開行快運專列，對區段通過能力以及高鐵站內客貨走行流線產生很大影響。由于旅客多集中于白天，夜間出行需求較少，可以利用夜間時間對快件進行集中運輸，開行夕發朝至的快運列車，因此，有必要對高速鐵路的天窗進行分析,計算出夜間天窗影響時間段的通過能力。

目前我國高速鐵路維修天窗采用的均是全段垂直矩形天窗，天窗時間一般為2-4h。夜間天窗影響時間內的通過能力與開設天窗的時間長短有關，開設的天窗時間越長，通過能力越小[6]。

圖2 天窗影響時間示意圖

天窗影響時間示意圖如圖2所示。在天窗影響時間范圍內，平圖的通過能力為：

式中：Ty—天窗影響總時間；

Ta—列車到達車站至開設天窗的安全間隔時間；

Tt—維修天窗開設時間；

Tq—天窗結束至確認列車開行之間的安全間隔時間。

為了保證高鐵客運專列的時效性，列車不能在站等待天窗至結束，夜間只能通過三角區開行部分列車，或者在長線路開設分段矩形天窗的情況下，開行夕發朝至高速旅客列車。因此在天窗影響時間段內客運列車開行的列數較少，該時間段內的扣除系數參考既有線扣除系數的計算方法，以快運列車為基準車，計算快運列車平圖通過能力，用客運列車扣除快運列車通過能力。

快運列車的列車等級、運行速度、起停車附加時間和列車發到時間與客運列車均相同，但是快運列車在站作業時間長，因此會產生客運列車越行快運列車的情況。

因快運列車停站引起的扣除系數為：

γ?！Ｕ颈?，途中停站列車數占總通過列車數的比例。

則天窗影響時間段內客運列車的基本扣除系數為：

I到—旅客列車越行貨物列車時產生同方向的列車到達間隔時間；

I發—旅客列車越行貨物列車時產生同方向的列車出發間隔時間。

天窗影響時間范圍內的通過能力為：

5 以京滬高鐵為例的高速鐵路快運能力利用計算

5.1 京滬高鐵簡介

京滬高鐵線路始于北京南站，止于上海虹橋站，全線共設23個車站。京滬高速鐵路服務的OD數量、種類較多，距離從0-1 400km不等，涉及到的區域由北京、河北、山東、江蘇、蘇州、上海擴展到沿線的河南、安徽、浙江、江蘇、湖北等省，連接了以濟南、徐州、南京等為中心的中國南北與東西的通道。線路上幾個主要的車站有北京南站、天津南站、濟南西站、徐州東站、蚌埠南站、南京南站和上海虹橋站。選取這7個站點進行研究，各站點里程見表3。由于京滬高鐵現有客運列車運行時段的能力利用率高達80%以上，能力基本飽和，不適宜在白天時間段開行快運專列，只考慮在夜間天窗影響時間段開行快運專列并進行該時間段的能力計算。

表3 京滬高速鐵路各站點里程

5.2 京滬高鐵能力計算

對京滬現有運行列車進行分析得到客運列車追蹤列車間隔時間為4min，平均停站時間為2.5min，起停附加時分總和為5min，平均停站次數為5.8，停站比例為25%[7]。天窗開設時，列車必須在天窗前10min以上通過或到達車站，天窗結束后10min以上才列車可以通過車站或由車站發出，即安全間隔時間為10min。開行夜間快運專列的運行速度為300km/h，追蹤列車間隔為5min，快運列車停站時間為10min，停站比例取25%。

將夜間天窗影響時間定為21:00-9:00，共計12h，即720min。從表1中可以看出21:00以后各區段的現有列車數較少，可以在此階段開行客運專列的同時開行貨物專列，將天窗分為4h、3h、2h，計算不同種類天窗影響時間內的通過能力。計算得到白天時間段通過能力為123列；夜間4h天窗影響時間內平圖用過能力為63列；3h天窗影響時間內平圖用過能力為72列；2h天窗影響時間內平圖用過能力為80列。夜間天窗影響時間內開行客運列車列數和計算得到開行不同天窗時間段內的各區間的通過能力見表4。

通過比較可以得出，在客運列車既定的情況下，京滬高鐵4h天窗影響時間內上行可開行的快運貨物專列為18列，下行為33列；3h天窗影響時間內上行可開行的快運貨物專列為27列，下行為42列；2h天窗影響時間內上行可開行的快運貨物專列為35列，下行為50列。由此可見，開設天窗的時間對于通過能力的影響大，天窗開設時間越長，能力損失越大。

目前，京滬高鐵采用的是垂直矩形天窗，對于其他距離長的線路，如京廣高鐵，可以開設分段矩形的天窗方式。相對于垂直矩形天窗，分段矩形天窗更加靈活，可以根據不同的需求采用不同的天窗分段、錯位時間、傾斜斜率等，開行夕發朝至列車，減少在站等待天窗的等待時間成本，為快運的時效性提供保障[8]。

表4 夜間不同天窗影響時間內的通過能力（單位：列）

6 結論

目前，我國快遞行業快速發展，高鐵開展快運業務正處于拓展市場的關鍵時期。為提高高鐵運能，要充分利用三角區、無效時間等天窗影響時間。本文在現有的通過能力計算方式基礎上，將運行時間分為白天開行時間段和夜間天窗影響時間段，對兩個時間段使用不同的通過能力計算方式，計算時白天開行時間段以客運列車為基準車，夜間天窗影響時間段以快運專列為基準車，客運列車對其進行扣除，兩個時間段結合得到適用于基于快運的高鐵通過能力計算方式。并以京滬高速鐵路作為我國高鐵的代表，求得其在不同天窗小時下，力求在原客運專列的數量不減少的情況下，充分利用三角區以及無效時間等實現可開行快運專列的列數最大化。

[參考文獻]

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