高速鐵路運行圖優化研究

李衛華 王淑姍 韓昌

摘 要：本文首先從我國高速鐵路的特點和我國客流特征為切入點進行分析，研究可能存在的影響高速鐵路運營的因素，探討在目前的高速鐵路運營中可能存在的問題，然后研究跨線列車開行的可行性，以及各種跨線客流輸送方式的優缺點，從跨線客流、跨線列車開行速度、高速鐵路綜合維修天窗等方面研究跨線列車對線路通過能力的具體影響。其次取消跨線客流占比低的跨線列車，將其本線客流合并，構建高速鐵路跨線列車開行方案優化模型。最后根據每個時間段內開行列車數，依照京廣高鐵運營數據，確定高鐵列車在區段的區間旅行時分，整理得到優化后的高速鐵路列車時刻表，在此基礎上繪制運行圖，并對結果進行分析。

關鍵詞：高速鐵路;跨線列車;能力利用;開行方案;運行圖

中圖分類號：U292.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0228-02

1 研究背景

我國擁有世界第三大的國土面積，世界第二多的人口數目，而且區域之間發展不平衡，存在著很多中長途客運需求，因此，為了輸送這部分客流，我國目前采取的辦法是開行中長途的跨線列車。尤其是高速鐵路跨線列車兼具旅行速度快、縮短旅行時間、方便旅客等優點，成為越來越多乘客的首選，在實際運營過程中，開行高速鐵路跨線列車十分普遍。有數據顯示，京滬高鐵跨線列車開行比例已經達到64%，本線列車僅僅占據36%。高鐵運行圖是規定列車在區間運行規則以及列車通過時刻、在車站到發時刻的技術文件，是高鐵列車運行組織工作的基礎。它聯系各種鐵路運輸生產活動，對鐵路運輸的服務質量和運輸企業的收益產生直接影響，是一種綜合性運輸計劃，受到多重因素制約。高鐵運行圖無論是利用計算機自動編制還是人工編制，首先，需要根據高鐵列車運行計劃確定各列車的發車時間和到站時間，也就是編制高速列車運行計劃，并按照優先級，首先要繪制跨線列車運行線，然后去繪制本線列車運行線。一旦確定了高鐵列車運行計劃，就會相應確定高鐵列車運行圖的整體框架。

2 國內外研究現狀

張玉召等[1]重點研究客車車底需要數，以開行方案需要最少車底數為目標建立優化模型，在此基礎上，利用遺傳算法進行迭代，解出開行方案中的最佳車底數，作為編制開行方案的依據。

陳釘均[2]研究了運營區內列車始發布點的問題。優化模型的建立是以最少的車輛數量為目標，以車站線路的能力為約束，為此問題建立了三種求解算法：蟻群算法、激發粗糙集和遺傳算法。在以往研究的基礎上，深入研究了旅客列車開行方案問題。結合使用成分分析法和主觀權重法，研究種種對開行方案編制產生影響的要素，以客運站線路的能力為約束條件，乘客出行方便最大化為目標函數，建立了多客運節點和單客運節點旅客列車出發終到時間域的優化模型，建立啟發式遺傳算法求解列車時間占用分配問題。最終以方便旅客，節約車底為目標函數，以線路能力和列車定員為約束條件建立了列車開行方案優化模型，以此來協調客技線與到發線的使用。

朱文亭[3]通過對開行夕發朝至跨線車必要性和跨線列車客流輸送方式的討論分析，研究了跨線列車維修天窗與合理始發終到時間協調性，以乘客時間耗費最短與運輸企業經濟效益最好為目標，最終建立了選擇跨線列車銜接站的模型。

郭富娥[4]基于開行提速列車和準高速列車的實際工作經驗，討論了我國高速跨線列車和中速跨線列車的行車組織措施和開行條件，對高速度等級和低速度等級混行條件下列車的開行方案進行研究。

田松江[5]以合理發車時間、客運需求、跨線列車上座率、區間通過能力等為約束條件，以乘客旅行時間最小、乘客支付票價最小、列車空走距離最短、運輸企業經濟利益最大為目標，建立高速鐵路跨線車開行方案優化調整模型，并構造實際車站進行驗證分析。

3 影響高速鐵路通過能力的因素

本文主要可以從兩個方面進行分析，分別是高速鐵路運輸組織和高速鐵路設備。

首先是運輸組織方面。運輸組織對高速鐵路通過能力的影響主要體現在速度等級不同列車占比、運行圖繪制方式、高速列車停站次數、天窗類型、列車的速度差異等方面。

此外，高速鐵路設備對高速鐵路通過能力的影響有很多，本文將從以下三個角度來分析，分別為區間長度、線路條件、中間站數量等。

3.1 區間長度

在采取高中速混跑的組織模式下，如果區間長度過長，由于高速列車和中速列車之間本身存在的速度差距，會導致高速列車和中速列車之間的追蹤時間過大，并且，在這種情況下，速度差距越大，列車追蹤時間間隔也就越大，將極大地浪費區段的通過能力。所以，在高速列車和中速列車追蹤運行的情況下，區間的長度應不宜過長。

3.2 線路條件

線路條件對高速鐵路通過能力的影響非常直接，在線路條件十分良好的區段，列車的運行速度可以達到一個比較大的穩定值，可是當線路條件不好或者出現問題時，比如面對斜坡、曲線等，在列車的功率和牽引重量一定時，若坡度和曲率半徑不夠合理，那么列車就需要降速做出調整，直接影響了列車在區間的運行速度，使通過能力大大降低。

3.3 中間站數量

列車停站次數與中間站分布有很大關系，當列車停站時，除了產生列車停站時間外，還有列車的起停車附加時分、列車追蹤間隔時間等。列車在運行過程中時間的增加，帶來的直接后果就是列車的平均旅行速度降低，隨之降低了區間的通過能力。但是，當中間站數量多時，可以選取部分車站為待避站，在高速列車和中速列車混行的條件下，待避站的存在可以很好地處理兩列高速列車之間的中速列車的問題，中速列車在待避站，高速列車可以選擇越行，如圖2-5所示，這在實質上變相的縮短了區間長度，對通過能力的利用又有好處。

4 跨線列車開行條件分析

技術條件方面，經過我國鐵路的六次大提速，列車的運行速度提高，鐵路的設備條件也有了很大的進步。

4.1 信號條件

高速鐵路列車和既有線鐵路列車對鐵路通信信號的要求有很大的不同，高速鐵路列車對通信信號的要求比既有線列車要高不少。因此，雖然既有線鐵路列車跨線到高速鐵路運行，通信信號的要求可以得到保障，但是在開行從高速鐵路線路到既有線的下線列車，信號條件則不能滿足要求。而經過鐵路大提速之后，相應的，既有線的信號設備也有了很大程度的改善，如今，既有線鐵路線路的信號設備已經可以基本滿足高速鐵路列車的開行要求。

4.2 線路條件

高速鐵路列車開行要求的線路條件要明顯高于既有線。首先是列車的開行速度，高鐵列車的開行速度現在已經可以達到300km/h，而普速列車的旅行速度為120-160km/h，顯然，兩者之間存在著不小的差距，既有線路的線路條件不能保證高鐵列車高速開行;其次，因為列車的行進速度差異很大，在線路設計上，比如曲率半徑設計、斜坡設計、軌枕、道床、鋼軌設計等方面，都有很大的差異。在我國鐵路6次大提速之后，既有線經過了相關改造，可以承受的列車運行速度已經可以達到200km/h，與高速鐵路相比，運行速度差距進一步縮小，就目前的設備條件，已經完全允許高速鐵路鐵車降速到既有線路運行，滿足開行跨線列車條件。

4.3 機車車輛條件

這主要是對高鐵列車技術條件提出要求。上文提出，高鐵列車在高鐵線路和既有線路的運行條件有一定的差別，所以，在設計高鐵列車時，必須要使其同時滿足300km/h高速運營對機車車輛提出要求，同時也應該適應200km/h速度運行條件下的要求。近年來，我國高鐵在設計制造過程中，不斷研發，持續創新，已經掌握了動車組在200km/h的速度條件下開行的核心技術，滿足開行跨線列車的機車車輛要求。

4.4 牽引供電系統

高速鐵路列車運行需要的牽引供電系統的要求高于既有線普速列車，良好的供電系統不僅可以提升車務組的工作效率，更是列車安全運行保證。不過，我國既有線經過了電氣化改造之后，電氣化程度明顯提高，目前來看，已經基本滿足高鐵列車在既有線上運行的各種需求。

客流條件方面，上文分析了我國高速鐵路客流的特征，具有開行跨線列車的可行性和必要性。我國人口眾多，幅員遼闊，這必然導致了我國客流具備流動區域大、旅行范圍廣的特點，為了方便旅客出行，保證列車直達性，開行一定數量的跨線列車是非常有必要的。在實際運營過程中，跨線客流也已經占到了很大的比例，以京滬高鐵為例，跨線客流已經占據全部客流的50%以上。

綜上所述，在我國現有的情況，開行一定數目的跨線列車是很有必要的，也滿足開行跨線列車的必要條件。

5 優化模型

本文是要在現有線路運輸能力約束下，通過調整列車開行方案，盡可能的利用運輸能力，減少能力浪費，提高運輸效率。

基于對高速鐵路能力利用現狀的分析和跨線列車對線路能力利用率的影響，考慮取消開行部分客座率很低的跨線列車，將這一部分跨線客流采取中轉換乘的方式輸送，并入到本線短途客流之中，再以高鐵列車空走距離最小、旅客停站等待時間最小為目標構建開行方案模型，并使用CPLEX軟件進行求解，之后，用京廣高鐵實際運營數據驗證結果的可行性，將解得的停站方案作為繪制運行圖的基礎。

6 有待繼續研究的問題

高速鐵路基于跨線列車和本線列車調整的開行方案和運行圖的優化是及其復雜的一項工作，本人研究時間不足，能力十分有限，對此問題的研究深度遠遠不夠，就本論文來說還存在許多十分明顯的缺陷。

（1）數據樣本太小。本文的實例研究對象區間里程短，列車數目不夠，對客流量的采集樣本也不夠大，分析難免會有所偏差。

（2）取消跨線列車開行條件過于簡單。本文中，為了方便計算，將所有跨線客流在共用區段占比不足40%的直達跨線列車全部取消，雖然會釋放很大的區間能力，但是可能會導致客流的嚴重流失，也對旅客造成很大不便有脫離實際情況的可能性，應該通過客流調查等方式，將旅客服務滿意度和運輸部門效益有機結合，深入綜合分析是否可行。

（3）模型只考慮區段內列車開行方案，完全忽略了路網中其他部分對本區段列車開行造成的影響，導致所得出的結果在全路不一定可行。此外，模型中完全忽略車站到發現能力的限制，當某車站接發車超過能力極限時，模型結果將失去可行性。

（4）模型和運行圖只考慮到高鐵列車。而在實際運營過程中，存在很多的中速列車和既有線普速列車上到高速鐵路運行線，對運行圖繪制造成很大的干擾，極大的提高了運行圖繪制的難度，單純考慮高鐵列車可能造成運行圖不能滿足實際運營需求。

參考文獻

[1] 張玉召，嚴余松.客運專線跨線列車合理始發范圍的確定方法研究[J].蘭州交通大學學報，2010，29（03）：79-82.

[2] 陳釘均，徐長安，倪少權，潘金山.路網條件下旅客列車運行方案圖編制問題研究綜述[J].交通運輸工程與信息學報，2015，13（04）：68-76.

[3] 朱文亭.高速鐵路"夕發朝至"跨線列車運輸沮織研究[D].西南交通大學，2011.

[4] 郭富娥.高速鐵路高中速旅客列車混行的運行方案探討[J].中國鐵路，1998（09）：15-19.

[5] 田松江.高速鐵路跨線列車開行方案優化研究[D].西南交通大學，2014.