高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同性分析

莊 河, 李文新, 殷 勇,2, 張永祥, 文 超,2

(1. 西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室, 四川 成都 610031; 3. 中國鐵路總公司運(yùn)輸局調(diào)度部, 北京 100038)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,以四縱四橫為骨架的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)已基本建成.由于高速鐵路線路與既有線線路的不斷交匯與融合,高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)之間的聯(lián)系變得愈發(fā)密切.我國高速鐵路采用的是高速列車下到既有線運(yùn)行的運(yùn)輸組織模式,從而引起高速鐵路與既有線調(diào)度指揮的銜接與協(xié)同問題.因此要求兩個系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)、配合才能保證本線列車和跨線列車的安全、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行.綜上,分析高速鐵路與既有線調(diào)度系統(tǒng)工作間的協(xié)調(diào)情況,建立評價兩系統(tǒng)間協(xié)同性程度高低的方法,把握影響高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同度的關(guān)鍵因素,對于提高鐵路整體路網(wǎng)的運(yùn)輸效率、保證列車安全有序的運(yùn)行具有重要的意義.

近年來相關(guān)學(xué)者對我國高速鐵路和既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的模式和體系等方面進(jìn)行了研究,取得了一定的研究成果.白昭[1]指出高速鐵路調(diào)度與既有線調(diào)度之間的銜接與協(xié)調(diào)是中國高速鐵路綜合調(diào)度需要解決的主要問題之一,并從調(diào)度指揮權(quán)限、車站聯(lián)鎖設(shè)備管理、線路信號設(shè)備控制等方面提出了高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)結(jié)合的原則.王進(jìn)勇等[2]對客運(yùn)專線與既有線調(diào)度指揮工作協(xié)調(diào)問題進(jìn)行了探討,指出實(shí)現(xiàn)兩調(diào)度指揮系統(tǒng)的協(xié)調(diào)需解決好銜接站跨線列車的調(diào)度指揮問題.Peng等[3]從技術(shù)要求、運(yùn)輸組織、信息交流等方面指出了高速鐵路與既有線調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)需滿足的條件,分析了兩系統(tǒng)協(xié)調(diào)的機(jī)理,構(gòu)建了系統(tǒng)協(xié)調(diào)的組織結(jié)構(gòu),闡述了系統(tǒng)工作流程,指出了信息傳遞的方式,為探究兩系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)方式提供了理論支撐.宋嘉雯[4]對比分析了客運(yùn)專線與既有線調(diào)度指揮模式在架構(gòu)、功能與信息聯(lián)系等方面的協(xié)同關(guān)系,并針對跨線列車的開行特點(diǎn),提出了跨線列車調(diào)度指揮的滿意協(xié)調(diào)優(yōu)化模型.

此外,還有一部分學(xué)者從通過能力運(yùn)用、運(yùn)輸產(chǎn)品設(shè)計、列車運(yùn)行圖評價及調(diào)度指揮系統(tǒng)信息傳遞等方面研究了高速鐵路與既有線間的分工與異同點(diǎn).徐利民等[5-6]量化了高速鐵路開通后既有線通過能力的變化情況,定性分析了既有線通過能力的利用特征.趙嵩森[7]和章璐瑜[8]則進(jìn)一步對高速鐵路開通后,既有線貨運(yùn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了研究.楊柳燕[9]從旅客的角度出發(fā),并以蘭新高鐵為例,探討了蘭新高鐵與其平行既有線的合理客流分工方案.鮑晶晶[10]從列車運(yùn)行圖評價的角度出發(fā),深入分析了高速鐵路與既有線列車運(yùn)行圖在編制方法、鋪畫結(jié)構(gòu)及運(yùn)行圖均衡性等方面的差異.薄中旭[11]對高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)和要素間的信息傳遞機(jī)制進(jìn)行了研究,總結(jié)了高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)信息傳遞時機(jī)的規(guī)律.

對高速鐵路與既有線調(diào)度指揮工作的協(xié)調(diào)關(guān)系本文進(jìn)一步的深入研究和比較分析,首先根據(jù)調(diào)度指揮體系不同組成部分的合理分工與權(quán)限劃分對運(yùn)輸生產(chǎn)過程中調(diào)度指揮體系的各組成部分相互協(xié)調(diào)和協(xié)同動作關(guān)系進(jìn)行分析；接著結(jié)合協(xié)同性理論研究高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)兩者在組織日常生產(chǎn)作業(yè)中的協(xié)同關(guān)系,尤其是指揮跨線列車的運(yùn)行,通過分析跨線列車在銜接站上下線時兩系統(tǒng)之間調(diào)度信息的交互以及列車運(yùn)行狀態(tài)信息的準(zhǔn)確傳遞,對高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同性作業(yè)流程進(jìn)行深入分析；最后結(jié)合分析結(jié)果,本文構(gòu)建了一個評判高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)度的評價模型,選取了8類指標(biāo)作為評價模型的評價指標(biāo),運(yùn)用協(xié)同分析矩陣模型,研究兩系統(tǒng)層次之間的協(xié)同性程度,為高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)今后協(xié)同化作業(yè)的提升提供理論支撐.

1 調(diào)度指揮系統(tǒng)間協(xié)同性作用機(jī)理分析

在研究高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)協(xié)同性分析之前,已經(jīng)對高速鐵路調(diào)度指揮和既有線調(diào)度指揮的差異性進(jìn)行了深入的研究[12].從調(diào)度指揮系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成、組織構(gòu)架、作業(yè)內(nèi)容、行車指揮、列車運(yùn)行調(diào)整等方面比較分析出了二者的差異性,并剖析出兩系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行操作上的異同點(diǎn)和協(xié)同化作業(yè)的難點(diǎn)問題,為本文的研究奠定了一定的基礎(chǔ).

高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同的難點(diǎn)在于保障跨線列車的行車組織工作能夠正常進(jìn)行的同時,也確保兩系統(tǒng)上的本線列車安全、準(zhǔn)點(diǎn)、高效的運(yùn)行.由于兩個系統(tǒng)分別控制下的本線列車與兩個系統(tǒng)交替控制下的跨線列車占用共同的運(yùn)輸資源—路網(wǎng)運(yùn)輸資源,所以兩個系統(tǒng)的調(diào)度員在指揮本線列車與跨線列車的行車組織工作上必須做到協(xié)同化處理.

高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)協(xié)同性的實(shí)質(zhì)在于以下3個部分，以跨線列車在高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)與既有線調(diào)度系統(tǒng)之間運(yùn)行為例：(1) 保證跨線列車到達(dá)銜接站時,兩調(diào)度指揮系統(tǒng)調(diào)度指揮權(quán)限的順利交接和跨線列車運(yùn)行狀態(tài)與信息的及時、準(zhǔn)確傳遞；(2) 當(dāng)跨線列車在高速鐵路上運(yùn)行時,高鐵調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度人員應(yīng)及時掌握既有線列車的運(yùn)行狀況,以便及時調(diào)整跨線列車的運(yùn)行使之能與既有線調(diào)度列車較好的協(xié)調(diào)；(3) 既有線調(diào)度員應(yīng)預(yù)先獲取到準(zhǔn)備接收的跨線列車的運(yùn)行狀態(tài)和信息,從而及時的對本系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,使之為跨線列車進(jìn)入運(yùn)行創(chuàng)造一個良好的條件.

跨線列車運(yùn)行的重點(diǎn)在于處理好銜接站的調(diào)度指揮權(quán)限的交接問題.跨線列車進(jìn)入下一個調(diào)度指揮系統(tǒng)時機(jī)的優(yōu)劣以及列車運(yùn)行狀態(tài)信息傳入下一個調(diào)度指揮系統(tǒng)的及時性決定了兩系統(tǒng)之間的協(xié)同化水平.實(shí)現(xiàn)高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同化作業(yè)的前提是保證調(diào)度信息在兩個系統(tǒng)間完整、準(zhǔn)確、迅速的傳遞；做到調(diào)度信息傳入時機(jī)優(yōu)劣的時時反饋是提升協(xié)同化作業(yè)的關(guān)鍵.當(dāng)高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)調(diào)度信息傳入時機(jī)較好時,既有線調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)將信息傳遞效果及時反饋給高速鐵路調(diào)度系統(tǒng),以指導(dǎo)高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)處理其他跨線列車與本線列車協(xié)同化運(yùn)行；反之,當(dāng)高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)調(diào)度信息傳入時機(jī)較差時,既有線調(diào)度系統(tǒng)更應(yīng)將這種傳遞時機(jī)較差的調(diào)度信息反饋給高速鐵路調(diào)度系統(tǒng),此時高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)將適當(dāng)改變跨線列車在該系統(tǒng)上的作業(yè)組織方式,以尋求最佳的跨線列車調(diào)度信息傳入時機(jī),從而維持高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)間的較強(qiáng)協(xié)同性,如圖1所示.

圖1 高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)協(xié)同性作業(yè)流程Fig.1 Cooperative operation process of dispatch systems between high-speed and conventional rail

2 系統(tǒng)間協(xié)同性評價指標(biāo)體系和協(xié)同性模型構(gòu)建

2.1 協(xié)同性評價指標(biāo)體系

通過查閱文獻(xiàn)[13-16],依據(jù)高速鐵路與既有線調(diào)度指揮工作的日常協(xié)調(diào)關(guān)系以及高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)在銜接站交替指揮跨線列車上下線運(yùn)行的調(diào)度指揮內(nèi)容:主要有調(diào)度指揮信息交互和列車運(yùn)行狀態(tài)信息傳遞;系統(tǒng)辦理跨線列車調(diào)度指揮權(quán)限交接過程前后對各系統(tǒng)的本線列車運(yùn)行狀態(tài)造成的影響,基于此,選取指標(biāo)見表1.為了方便說明,本文假定跨線列車由高速線路轉(zhuǎn)到既有線運(yùn)行方向為上行方向,跨線列車由既有線轉(zhuǎn)到高速線路運(yùn)行方向為下行方向.

2.2 協(xié)同性評價模型

由協(xié)同性理論可知,系統(tǒng)只有充分發(fā)揮出各個子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，系統(tǒng)本身才具備最大的活力,也就是表現(xiàn)出最大的協(xié)同性效果；反之協(xié)同性較差的系統(tǒng)會抑制各個子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能,最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓.為了表述方便,把高鐵調(diào)度系統(tǒng)G和既有線調(diào)度系統(tǒng)C看作成系統(tǒng)Y的兩個互補(bǔ)子集,即Y=G∪C(G∩C=φ),且G與C這兩個系統(tǒng)又分別由C1或C2、L1或L2、A1或A2、T1或T2、R1或R2、P1或P2及S1或S27個評價指標(biāo)要素構(gòu)成.各子系統(tǒng)或各層次之間的相互作用能夠反映出系統(tǒng)的協(xié)同性.因此本文建立協(xié)同分析矩陣模型,從各子系統(tǒng)層次之間的協(xié)同性程度入手研究.

設(shè)協(xié)同性矩陣H=(Hij)n×n，如式(1),其中：Hij(i≠j)為指標(biāo)要素j對i的協(xié)同性程度；Hii(i=j)為各指標(biāo)要素自身的協(xié)同性程度.

(1)

Hij∈[0,1],則有

(2)

式(1)～(2)中:

ai為指標(biāo)要素所對應(yīng)的實(shí)際指標(biāo)值；

bi為指標(biāo)要素所對應(yīng)的理想最佳值；

Hij=0為系統(tǒng)間的協(xié)同性處于最低狀態(tài)；

Hij=c為系統(tǒng)間的協(xié)同性處于中間狀態(tài)提供某種配合；

Hij=1為系統(tǒng)間的協(xié)同性處于協(xié)同最佳狀態(tài).

表1 高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)協(xié)同性評價指標(biāo)體系Tab.1 The Collaborative evaluation index system of dispatch systems between high-speed and conventional rail

一般來說,式(1)僅僅體現(xiàn)出指標(biāo)要素j對i的協(xié)同性效果,實(shí)際上在指標(biāo)要素j影響指標(biāo)要素i時,其他指標(biāo)要素也間接的對指標(biāo)要素i產(chǎn)生了一定影響,這種影響可能放大了指標(biāo)要素j對i的影響,也可能抑制了指標(biāo)要素j對i的影響.因此,為全面分析問題,除了建立上述的H之外,還應(yīng)當(dāng)建立完全協(xié)同矩陣HM=(Hgij)n×n，如式(3).

(3)

式中:

Hgij(Hgji)為在其他指標(biāo)要素間接干擾下指標(biāo)要素j(i)對指標(biāo)要素i(j)的協(xié)同性效果；

通過式(1)、(3)可以分別建立系統(tǒng)指標(biāo)要素的直接協(xié)同性矩陣H和完全協(xié)同性矩陣HM.為了更好的對系統(tǒng)各指標(biāo)要素協(xié)同性進(jìn)行分析.這里引入diH、diT、diD3個表達(dá)式進(jìn)行說明,如式(4)～(6)所示.

(4)

(5)

(6)

式中:

diH為要素i對各要素的總的協(xié)同度的數(shù)學(xué)期望,反映出ai對系統(tǒng)有序化發(fā)展下的協(xié)同程度；

diT為各要素對要素i的總的協(xié)同度的數(shù)學(xué)期望,反映出系統(tǒng)有序化發(fā)展下ai與其他各要素之間的協(xié)同程度；

diD為要素i自身的協(xié)同度,在系統(tǒng)有序化發(fā)展過程下,diD越大,其自身協(xié)同化程度越大,通過值的大小找出影響協(xié)同性因素.

最后構(gòu)建系統(tǒng)總體協(xié)同度表達(dá)式,如式(7)所示,據(jù)此用以判斷子系統(tǒng)之間協(xié)同性程度.

(7)

3 實(shí)例分析

以西安站(包括西安北站)—鄭州站(包括鄭州東站)—上海站為列車運(yùn)行的上行方向,其中西安北—鄭州東一段為高速鐵路線路,鄭州站—上海站之間為既有線路.指標(biāo)評價體系中的跨線列車運(yùn)行狀態(tài)(C1或C2)指的是跨線列車在西安站—鄭州站—上海站全線運(yùn)行下的列車運(yùn)行安全狀態(tài)；本線列車產(chǎn)生的晚點(diǎn)增量(L1或L2)指的是跨線列車接入鄭州站前后對兩個調(diào)度系統(tǒng)本線列車造成的晚點(diǎn)增量；銜接站到發(fā)線使用情況(A1或A2)指的是跨線列車接入鄭州站前后該站到發(fā)線使用情況,包括是否能力緊張等；動車組交路與乘務(wù)組交路變化情況(T1或T2)指的是跨線列車接入鄭州站前后對高鐵線路上的動車組交路與既有線線路上的機(jī)車交路產(chǎn)生的影響以及對乘務(wù)組交路產(chǎn)生的影響；跨線列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率(R1)指的是跨線列車在西安北—鄭州東區(qū)段運(yùn)行時,列車到達(dá)和離開各高鐵站的正晚點(diǎn)情況；跨線列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率(R2)指的是跨線列車在上海站—鄭州東站區(qū)段運(yùn)行時,列車到達(dá)和離開各既有線車站的正晚點(diǎn)情況；跨線列車日開行指標(biāo)完成率(P1或P2)指的是每日銜接站鄭州東站或鄭州站完成接入并發(fā)出來自上下行方向的跨線列車的指標(biāo)量；跨線列車在銜接站的停站作業(yè)時間(S1或S2)指的是上下行方向的跨線列車接入銜接站鄭州東站或鄭州站后在該站停留時間.

通過搜集2016年8月1日—9月2日西安站—上海站間主要車次在主要車站(包括高鐵站和既有線車站)的近一個月內(nèi)列車計劃運(yùn)行圖與實(shí)際運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，通過分析歸納與分類整理,本文發(fā)現(xiàn)，跨線列車接入鄭州站前后安全運(yùn)行狀態(tài)并未發(fā)生改變，鄭州站到發(fā)線使用情況也未發(fā)生較大波動,均在正常使用范圍內(nèi)，動車組交路和乘務(wù)組交路均未發(fā)生變化,所以這3類指標(biāo)(C1和C2、A1和A2、T1和T2)無須考慮到矩陣中進(jìn)行計算,而其他4類指標(biāo)均發(fā)生改變,需要考慮到矩陣中計算.結(jié)合式(1)建立高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的直接協(xié)同性矩陣H,如表2所示.

表2 高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的直接協(xié)同矩陣Tab.2 The direct synergy matrix of dispatch systems between high-speed and conventional rail

由表2可知:指標(biāo)要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)對(L1、L2、R1、R2、P1、P2)的協(xié)同程度較高,反映出在實(shí)際運(yùn)營中,跨線列車處于不同調(diào)度指揮系統(tǒng)控制下的運(yùn)行區(qū)間時,兩系統(tǒng)之間協(xié)同性較強(qiáng)；但指標(biāo)要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)對(S1、S1)的協(xié)同程度較差,反映出在實(shí)際運(yùn)營中,跨線列車處于兩系統(tǒng)交接調(diào)度指揮權(quán)限的銜接站時,兩系統(tǒng)之間協(xié)同性較差.

表2只表示兩系統(tǒng)間的直接協(xié)同性矩陣,僅體現(xiàn)出各指標(biāo)要素之間單一的協(xié)同性效果.實(shí)際上,在一種指標(biāo)要素影響另外一種指標(biāo)要素時,其他指標(biāo)要素也會間接的產(chǎn)生一定影響,這種影響可能起到放大作用,也可能是抑制作用.因此,為全面分析兩個子系統(tǒng)之間各指標(biāo)要素的協(xié)同機(jī)理,除了建立高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的直接協(xié)同性矩陣外,還應(yīng)當(dāng)建立兩個系統(tǒng)之間的完全協(xié)同矩陣,如表3所示.由表3可知:在其他指標(biāo)要素共同作用下,指標(biāo)要素之間的協(xié)同性程度發(fā)生一定變化,在指標(biāo)要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)對S2的協(xié)同程度由差變強(qiáng),指標(biāo)要素(L1、L2、R1、R2、P1、P2)對S1的協(xié)同程度有所提高,但仍然較低；(L1、L2、R1、R2、P1、P2)對(L1、L2、R1、R2、P1、P2)的協(xié)同程度依舊較高,不發(fā)生變化.反映在實(shí)際運(yùn)營中,受眾多因素影響下,跨線列車處于不同調(diào)度指揮系統(tǒng)控制下的運(yùn)行區(qū)間時,兩系統(tǒng)之間協(xié)同性作業(yè)程度依舊較強(qiáng)；相反,跨線列車處于兩系統(tǒng)交接調(diào)度指揮權(quán)限的銜接站時,兩系統(tǒng)之間協(xié)同性作業(yè)程度仍然較差.因此,首先必須加強(qiáng)銜接站對跨線列車轉(zhuǎn)線運(yùn)行的調(diào)控力度,保證跨線列車運(yùn)行信息及時、有效、準(zhǔn)確的從上一個調(diào)度指揮系統(tǒng)傳遞到下一個調(diào)度指揮系統(tǒng)；其次,當(dāng)跨線列車通過銜接站時,高鐵調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度人員應(yīng)及時了解既有線列車的運(yùn)行狀況,以便及時調(diào)整跨線列車運(yùn)行狀態(tài)使之在一個合理的時機(jī)進(jìn)入既有線調(diào)度系統(tǒng)；最后,既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)應(yīng)預(yù)先獲取到跨線列車的運(yùn)行狀態(tài)信息,并對本系統(tǒng)做及時調(diào)整,使之調(diào)整到一個較好的狀態(tài)去接收跨線列車的進(jìn)入,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性.結(jié)合表3與式(4)～(6),可計算出diH、diT、diD,如表4.

表3 高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的完全協(xié)同矩陣Tab.3 The full synergy matrix of dispatch systems between high-speed and conventional rail

表4 高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)協(xié)同度Tab.4 The cooperative degree of dispatch systems between high-speed and conventional rail

根據(jù)式(7)可以計算出高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)間的現(xiàn)有整體協(xié)同程度Q=0.975,說明在西安站(包括西安北站)—鄭州站(包括鄭州東站)—上海站一線上,雖然跨線列車在調(diào)度指揮權(quán)限變更的銜接站中轉(zhuǎn)期間兩系統(tǒng)協(xié)同化作業(yè)水平較低,但從整體來看,高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的協(xié)同化程度較高,系統(tǒng)之間處于一個較高的協(xié)同化水平.

4 結(jié) 論

本文給出了從高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同性作用機(jī)理分析到評價指標(biāo)體系和協(xié)同性模型構(gòu)建的完整的兩系統(tǒng)協(xié)同性評價分析步驟與方法.基于列車計劃運(yùn)行圖與實(shí)際運(yùn)行圖數(shù)據(jù),利用協(xié)同分析理論矩陣對西安站—鄭州站—上海站段的高速鐵路與既有線調(diào)度指揮協(xié)同化程度進(jìn)行了定量分析,得出這條線路的高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)間的Q=0.975,說明該線高速鐵路與既有線調(diào)度指揮系統(tǒng)的協(xié)同化程度較高,系統(tǒng)之間處于一個較高的協(xié)同化水平.但從直接協(xié)同矩陣分析出的結(jié)果顯示跨線列車處于兩系統(tǒng)交接調(diào)度指揮權(quán)限的銜接站時,兩系統(tǒng)之間協(xié)同性較差,說明制約兩系統(tǒng)間高協(xié)同化作業(yè)水平的瓶頸在于銜接站的組織工作是否能夠高效、有序的進(jìn)行.

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