京滬通道型高速鐵路列車運行圖結構分析

曲思源 榮 劍 徐瑞華

(1.中國鐵路上海局集團有限公司, 上海 200071; 2.同濟大學， 上海 201804)

京滬高速鐵路由北京南站至上海虹橋站，全長 1 308 km，設24個車站，設計最高速度為380 km/h。京滬高速鐵路作為連接我國東部發達地區的關鍵通道型線路，集中體現了通道型高速鐵路能力的特征。我國鐵路“十三五”發展規劃中提出，在全面貫通“四縱四橫”高速鐵路主骨架的基礎上，推進“八縱八橫”主通道建設，基本形成高速鐵路網絡，2020年高速鐵路運營里程達到3萬km。隨著高速鐵路網絡的擴展與完善，通道內的本線客流與跨線客流日益增長。因此，有必要結合通道型高速鐵路在線路結構、行車組織方法及客運需求下所形成的通道能力特征，為進一步優化列車開行方案措施，特別是為京滬高速鐵路增加開行350 km/h列車對數后列車運行圖結構設計提供輔助決策。

1 京滬通道型高速鐵路客流特征分析及列車開行情況

1.1 京滬通道型高速鐵路客流特征

自2011年6月30日開通以來，京滬高速鐵路客流逐年快速攀升，取得了良好的經濟效益和社會效益。截至2019年6月30日，京滬高速鐵路已開通運營8年，共發送旅客9.3億人次，運送旅客年平均增長19.5%，列車開行數量年平均增長17.6%。京滬高速鐵路客流特征如下：

(1)客流總量呈逐年上升趨勢。2012年開通初期(完整年)，京滬高速鐵路客流量為 6 479萬人次，每年增量基本保持在 2 000萬左右，2017年客流量已經達到 17 483.9萬人次，6年來累計增幅達到319.1%，年均增幅接近22%。特別是2018年京滬高速鐵路開行高品質“復興號”列車，進一步吸引了民航商務客流。

(2)商務客流占半壁江山成為主體。自京滬高速鐵路開通以來，通過多次客流調查發現京滬高速鐵路商務和出差客流占52.1%，旅游和訪友客流占30.8%，通學及通勤客流占6.4%。

(3)跨線客流漸漸大于本線客流。2012年、2013年開通初期，京滬高速鐵路本線客流超過跨線客流，但是隨著近年來高速鐵路路網不斷完善，開行跨線列車數量不斷增多，跨線客流逐年大幅度上升，至2017年跨線客流已達到 11 832.5萬人次，是本線客流2.1倍，跨線客流占總客流量67.7%[1]。

1.2 京滬通道型高速鐵路列車開行情況

在2019年“7.10”運行圖中，京滬高速鐵路運行圖安排日常線、周末線和高峰線207.5對。15對整點開行速度350 km/h列車。日常線183對，周末線11對，高峰線13.5對；本線53對、跨線154.5對；終到北京南站77對，其他130.5對。其中，滬寧段123對、寧蚌段128對、徐蚌段155對。京滬高速鐵路通道內開行不同類型與速度等級的列車[2]：

(1)從列車運行速度看，主要開行了350 km/h、300 km/h兩種速度等級的列車。

(2)從列車運行徑路看，開行了本線列車和跨線列車，本線列車指始發站、終到站均為京滬高速鐵路車站的列車，跨線列車指途經至少兩條線路的列車。

(3)從列車運行距離看，開行了全程列車和區段列車，全程列車指運行了京滬高速鐵路全線的列車，區段列車指僅開行通道內一段距離的本線列車。

2 京滬高速鐵路列車運行特征

2.1 多種速度等級列車共線運行

京滬高速鐵路跨越距離長，沿途經過幾大重要城市，為滿足旅客的不同出行需求，自開通運營以來，列車運行速度經歷了多次變化，開通初期實行300 km/h與250 km/h兩種速度等級混跑的開行模式，列車的運行距離包括了全程列車、短程列車以及跨線列車等不同類型列車[3]。2017年9月21日起，7對“復興號”列車在京滬高速鐵路率先實現了時速350 km運營，提速不提價。2018年4月10日起，京滬通道型高速鐵路上時速350 km的 “復興號”列車開行對數從7對增加至15對，“復興號”既有本線列車也有跨線列車，在通道上僅停3、4站(上海虹橋-南京南-濟南西-北京南)，將京滬全程運行時間從約5 h壓縮到4.5 h，“提速不提價”極大提高了旅客出行舒適度，滿足了旅客長距離出行需求。“復興號”列車平均客座率達94%，始發、終到正點率分別為98.7%和94%。目前，通道內上行“復興號”列車通常為整點開行，15對列車中包含上海虹橋-北京南間本線列車11對、杭州東-北京南和合肥南-北京南間跨線列車各2對。

2018年4月10日運行圖上，時速300 km的本線與跨線列車有200余列。除了時速350 km、300 km的高速列車以外，運行圖上還有少量D字頭動車組列車。自2018年7月1日，部分D字頭列車已改為高速動車組列車，其中時速350 km列車占7%，時速 300 km列車占91%，時速250 km列車占2%。

由于時速350 km列車旅行速度快，服務水平高，客流需求大，因此，增加時速350 km列車的開行數量是滿足客運需求、提高服務水平、提升旅客出行體驗、打造京滬高速鐵路精品的重要舉措之一。京滬高速鐵路未來將以速度等級350 km/h和300 km/h的列車為主，兩種列車存在著速度差，對全線的通過能力會產生不利的影響。

2.2 分區段跨線列車運行

基于我國鐵路旅客出行習慣以及現有運輸組織模式，成網條件下開行跨線直達列車仍然是列車運行組織的主要方式。因此，開行起訖點跨越2條甚至2條以上線路的跨線列車是我國高速鐵路運輸組織的主要特點之一。京滬高速鐵路上存在較大跨線客流需求，且跨線列車上的跨線客流比例也較大。京滬高速鐵路連通津秦、徐蘭、合蚌、滬昆高速鐵路，膠濟客運專線，滬蓉鐵路等，通過以上線路又與京哈、沈大、京廣、合福高速鐵路，秦沈、哈齊、柳南客運專線，杭深鐵路等連通，基本覆蓋了我國大陸各省會、直轄市。京滬通道在高速鐵路網絡中的骨干地位、通道上關鍵節點的樞紐定位，必然要求通道型高速鐵路不僅服務起訖點均在通道內的列車，同時也需要服務經由通道的列車。京滬高速鐵路上連接其他線路的車站除了兩端的上海虹橋與北京南站以外，還有南京南、蚌埠南、徐州東、濟南西、天津南5站。京滬通道型高速鐵路全線接入的其他高速鐵路線路多，存在開行經過多種運行區段的跨線列車的客觀需求。跨線列車接入的車站有的是省會城市所在地，是集政治、經濟、工業、旅游等要素的大節點，如南京南、濟南西、天津西站；有的車站連接的線路是全國鐵路網中“八縱八橫”的重要骨干，如連接徐蘭高速鐵路的徐州東、連接合蚌高速鐵路的蚌埠東等。因此開行的列車數多，客運需求較大。在目前中轉換乘服務還不完善的情況下，跨線旅客更愿意乘坐直達的跨線列車出行，跨線列車的開行也能更好地服務鐵路網上的旅客出行。

2017年1月，京滬高速鐵路上跨線列車比例為70.0%。2018年4月10日運行圖上行方向，京滬高速鐵路開行列車共計約230列，其中本線列車約60列，跨線列車約170列，跨線列車開行比例高達74.0%，其中既有時速350 km的“復興號”列車，也有時速 300 km的高速動車組列車，還有極少量D字頭列車。

目前京滬高速鐵路的跨線列車接入點有北京南、天津南、濟南西、徐州東、蚌埠南、南京南和上海虹橋站7個車站，各區段跨線列車比例都大于50%。其中徐州東站及蚌埠南站作為我國另外兩條關鍵高速鐵路(徐蘭、合蚌高速鐵路)與京滬通道的交匯點，對于服務國內東西向和南北向的客運需求至關重要，是開行跨線列車最多，也是能力最緊張的區段，跨線比例達到了68%。

跨線列車在京滬通道型高速鐵路上的開行距離分布較為均勻，但最大與最小值相差較大。其中最短的是“天津西-北京南”122 km，最長的有從杭州始發，接入上海虹橋開行全程的跨線列車 1 307 km，以及“上海虹橋-天津西”1 185 km。

京滬通道型高速鐵路各個接入點上跨線列車的接入時間如下：跨線列車在清晨(6:00～7:00),中午(11:00～12:00)，深夜(22:00～23:00)接入較少，在上午(8:00～9:00，10：00～11:00)，下午(16:00～17:00)和晚上(20:00～21:00)接入較多。數量上看，從南京南接入的跨線列車數最多，其他接入站的跨線列車數量大致相當。

從以上分析可以得出，京滬通道型高速鐵路上跨線列車在不同區段的數量、開行區間、開行距離、接入站分布、接入時間分布等特征較為復雜，導致不同區間通過能力受到跨線列車的影響不同。京滬通道型高速鐵路作為我國最繁忙的鐵路，連通東部沿海的主要城市，未來將有更多線路直接或間接接入京滬高速鐵路，將會帶來更多跨線列車[4]。

2.3 列車停站方案多樣

京滬通道型高速鐵路沿線設24個車站，車站數量多，客運需求大，因此為了在盡量滿足客流需求的情況下保證旅行速度，設置了多樣化的停站方案。本線列車中，停站數量最少的列車僅停上海虹橋，南京南，北京南3站，最多的停13個站；跨線列車中，由于開行區段不同，停站方案更加復雜，最少的僅停上海虹橋、南京南兩站，隨后跨入其他線路(上海虹橋-合肥南)，最多的停10個站(上海虹橋-丹東)。

對京滬通道內的本線列車和跨線列車的平均停站距離及平均旅行速度進行統計，如表1所示。

表1 京滬通道高速鐵路停站數據統計表

對不同停站次數(包含起終點停站)的本線列車和跨線列車比例進行統計，大部分本線列車停站次數較多，而大部分跨線列車停站次數較少。而且，跨線列車的平均運行距離短，平均停站次數少，本線列車平均開行距離長，停站次數多，總體來看跨線列車平均停站距離比本線列車短。其中平均停站距離小于100 km的本線列車占比19.7%，跨線列車占比26.5%。跨線列車平均旅速205 km/h,本線列車平均旅速 224 km/h。短距離停站(<100 km) 的跨線列車數量及比例也遠大于本線列車，并且跨線列車停站時分高于本線列車。

3 通道型高速鐵路通過能力影響因素分析

3.1 時速350 km列車開行對通過能力的影響

京滬高速鐵路目前主要開行的列車時速為 300 km，隨著“復興號”動車組的廣泛運營，時速為350 km的列車逐漸增多，該類列車一般途中僅停2站，旅行速度高，與時速300 km高速列車相比，兩種列車全線旅行時間相差可達1～1.5 h，未來不同時速列車將長期共線運行，因此有必要分析開行時速350 km列車對通過能力的影響[5]。

在單個區間內，為保證追蹤間隔，后發的快車會為了避讓先發的慢車而增大發車間隔，如圖1所示(I2>I1) ，而在京滬高速通道上，站間距最大的是“德州東—滄州西”(103.8 km)，時速350 km與時速300 km列車的通通時分相差2 min 6 s，達到了4 min發車間隔的一半。

圖1 單個區段內速度差對通過能力的影響圖

而在全線范圍內，為保證高等級快車優先開行，慢車被快車越行，如圖2所示，被越行的列車停站時間一般在6～7 min左右，遠大于一般的停站時間2 min。此時快車占用運行圖時間并不決定于限制區間，而需要按整個通道考慮其影響范圍，在各站都可能存在一定的空費時間，對整體通過能力造成影響。在京滬通道內，時速350 km列車與時速300 km列車全程通通時分相差27 min，則若在以4 min間隔追蹤開行時速300 km列車的情況下，開行時速350 km列車，快車將越行約7列慢車。

圖2 多個區段內速度差對通過能力的影響圖

時速350 km列車除了與時速300 km列車存在速度差，同時為提高該類列車的服務品質，在始發站的發車時刻也有一定的特殊性，目前運行圖上均為7：00～19：00整點發車，由此產生了運行圖上的時間帶，其他列車只能開行在時速350 km列車之間，無法按照最小發車間隔開行列車，造成了分割效應，影響通過能力。從實際運行圖分析，每列300 km/h的列車至少在京滬高速鐵路區段被350 km/h的列車越行1次；能力最緊張的徐蚌段越行比例超過30%，滬寧段和寧蚌段為40%。

3.2 跨線列車對高速鐵路通過能力的影響

跨線列車在一定程度上滿足了旅客多樣化的直達需求，在通道型高速鐵路上具有可行的必要性和必然性。在目前的運行圖編制過程中，由于牽涉到銜接線路列車開行的影響，因此跨線列車優先級相對較高，其在跨線點有著比本線時速300 km的列車更嚴格的時間窗，和時速350 km列車一起基本上固定了京滬高速鐵路的列車運行圖框架，本線時速300 km列車只能在跨線列車和時速350 km列車開行的固定結構之下確定開行時間，制約了列車運行圖編制的靈活度，降低了線路通過能力。例如“沈陽北-蒼南”列車運行全程15 h 20 min，經過7條線路，列車跨線數量越多，其開行時間點的約束也就越大，在上海虹橋站接入時間基本只能在10:15～11:00之間。同時，跨線列車的接入還存在一定的空費時間及時間約束，如圖3所示。對2018年4月10日運行圖中接入站全天的跨線列車接入空費時間進行統計，如圖4所示。雖然鋪畫較為緊密，跨線列車在接入點的平均空費時間較小，但考慮到跨線列車接入數量較大，因此整體空費時間也較長。

圖3 跨線列車接入空費示意圖

圖4 京滬高速鐵路各接入站上行方向接入跨線列車平均空費時間圖

跨線列車交出后，若列車所占據的這一時空范圍下的高速鐵路通道內，沒有其他列車補充利用未被占用的運行線，則該運行線的后續通過能力沒有被充分利用；同理，跨線列車在接入通道之前，該列車所占據的通道時空范圍內沒有其他列車與之接續，也說明通過能力未被完全利用。跨線列車接續示意圖如圖5所示，列車1有接續，列車2和3無接續。

圖5 跨線列車接續情況示意圖

無接續列車主要包含兩種情況：

(1)客運需求有限，不需要補充開行短程區段列車，例如在天津南-北京南區段沒有必要高密度鋪滿運行線，因此從天津西交出的跨線列車，其后續運行線可能無接續列車。

(2)跨線列車交出后，后半程的能力被該列車的后方列車占用或被該列車越行的列車占用(如圖6所示)，即前后兩列車在滿足追蹤間隔約束下出發后，通道內可以完整地開行兩列車，但是因為速差、停站等因素，某一列車的部分通道能力被占用且無可接續的列車。

綜合以上分析，跨線列車的開行也具有相對固定的發車間隔與交接地點，因此無法與其他列車組成最優開行方案，產生空費時間；且跨線列車一般只開行通道內的部分區段，同一時間段內其他區段的通過能力難以得到利用[6]。

3.3 停站對通過能力影響

針對高速鐵路上列車停站對于通過能力的影響，許多學者從理論層面進行了分析，指出單次停站的空費時間，以及提出優化停站方案能夠減少停站對通過能力的浪費。以京滬高速鐵路為例，列車每一次停站，都會產生約2倍發車間隔的空費時間(I=4 min，t停=t起停+t站=8 min)，如圖7所示，列車停站對通過能力影響較大，實際運行圖編制中，通過優化不同列車的停站方案，可以減少空費時間的累積，如圖8所示，“由遠及近”的停站方案能夠顯著減少停站帶來的空費時間。

圖7 停站產生的空費時間圖

圖8 停站方案組合減少停站空費圖

由于京滬通道型高速鐵路上同時存在多種速度等級的列車，且京滬通道跨越距離長，則一列時速 350 km的列車通常會越行多列時速300 km列車，因越行而產生的停站時間更長。跨線車接入點的時間和位置通常在運行圖鋪畫前就固定，因此時速300 km列車在鋪畫時為了避讓這些跨線列車，也會造成停站，同時使得通道內列車的停站方案多種多樣，難以按照“由遠及近”等較優方案進行設置。實際運行圖鋪畫中，通過優化具體運行線的停站方案，可從一定程度上減少由于停站所產生的空費時間[7]。

4 通道型高速鐵路列車開行方案優化

根據客流需求和通過能力評估，本研究認為，通道型高速鐵路列車開行方案的設置是在現有運行條件基礎上，按照一定的優先順序，協調配置不同速度列車的數量以及本線列車和跨線列車的開行比例，再以客流需求為主要約束優化全線的列車停站方案，盡量挖掘線路通過能力潛能，提高對增長的客流需求的適應性。

4.1 有計劃增加時速350 km高速列車開行數量

速度差是影響線路通過能力的重要因素[8]。在通道型高速鐵路主要開行時速350 km與時速300 km兩類列車的情況下，兩類列車的數量關系決定了通過能力的數量級和變化趨勢。根據同濟大學徐瑞華課題組模擬實驗可知，利用傳統鐵路通過能力的計算原理，從整體通道出發，綜合考慮通道上開行列車的速度、跨線列車比例以及列車停站方案等因素，采用計算機鋪畫滿表運行圖的方法，計算各區段通過能力，并進一步銜接成為全線滿表列車運行圖，最終得到通道整體通過能力，為列車開行方案的確定、列車運行圖的編制提供依據。在時速350 km列車數量增加的過程中，通過線路的能力會有一個先降后升的過程。對于時速350 km高速列車開行數量的增加，應在進一步量化評估的基礎上采取最佳的時間方案。為盡量減少對通過能力的影響，時速350 km列車的增加可劃分為三個階段：

(1)平穩投放階段。這一階段列車上線15～26對，通過能力隨時速350 km列車增加而有一定程度下降，應控制時速350 km列車的上線數量，采取均衡鋪畫，以保證服務質量，并通過調整跨線車和時速 300 km本線車的方案減少通過能力降低的影響。這期間，部分跨線列車也升級為時速350 km列車。

(2)快速布局階段。這一階段的上線數為27～143對，通過合理的開行方案保證穩定的通過能力。這一時期可主要采取0.5 h均衡鋪畫和1 h均衡鋪畫，并加快時速350 km列車上線，盡快度過可能存在的服務不均衡時期。主要銜接通道跨線列車也升級為時速350 km列車。

(3)全面換代階段。這一階段根據需要投放上線143～195對，京滬通道全面淘汰時速300 km列車，運行速度和線路通行能力全面達到新的平臺。這期間，大部分跨線列車升級為時速350 km列車。

4.2 控制跨線列車開行比例

跨線列車的開行具有充分的客流量基礎。同時從客流調查發現旅客中轉換乘的顧慮主要在時間因素和可靠性上，旅客出行選擇的主要偏好還是跨線直達。現階段的中轉換乘時間和列車銜接的可靠性還很難吸引跨線出行旅客的選擇。減少跨線列車會降低旅客服務水平。跨線列車由于時間窗的限制和運行區段限制，會形成前后本線列車接續的空費時間，造成通過能力的損失。同時，隨著跨線車數量增加，會對本線時速350 km的全程列車數量產生影響。某一區段運行的跨線列車數的增加對本線列車和通過能力的影響不是線性的，在一定范圍內，跨線列車的開行對通過能力影響較小，而當跨線列車比例增加到一定值，才會對通道通過能力及本線列車的開行造成較大影響。因此，應在時速350 km列車基本框架確定的基礎上將跨線列車控制在合理的比例范圍。跨線車合理比例確定的方法建議如下：

(1)選取基準區段確定該區段接入接出跨線車的合理數量。因為跨線列車對各區段的影響是不同的，應選取跨線列車開行需求最大的區段作為基準區段，確定該區段不影響線路能力的合理跨線列車比例。以京滬通道為例，“蚌埠南-徐州東”區段接入接出跨線列車需求最大，可作為跨線列車比例的基準區段。經仿真計算可知，當該區段開行蚌埠南接入、徐州東接出跨線列車的數量在70列以內時，對線路的通過能力影響很小。故基準區段接入接出列車跨線列車合理數量為0～70列。超出70列則無法避免對線路通過能力產生影響。

(2)確定各區段跨線車數量，調整跨線車開行和銜接方案。以基準區段接入接出跨線列車數量為依據，對跨越該區段的其他跨線列車進行分解計算，計算其他銜接區段的跨線列車數量。原來1趟跨線列車在邏輯上可分解為2～3趟銜接的跨線列車或區段列車。在列車開行時，可在蚌埠南和徐州東通過增加停站或在線解編或在線重聯，實現跨線客流的無換乘中轉；也可將一趟跨線車在蚌埠南站或徐州東站分成兩趟列車接續開行，旅客在銜接站中轉換乘。

4.3 優化列車停站方案

通道型高速鐵路的停站應既滿足長途出行旅客的快速出行需求，又滿足短途旅客的便捷出行需求。對于列車停站方案的優化應從線路功能上確定各站的停站優先級別，以滿足客流出行需求，再確定列車間的停站協調方案，以減少對通過能力的影響。

(1)各站停站優先級別的確定。根據客流調查、客票數據和社會經濟數據確定高速鐵路通道沿線各站的到發客流需求，并確定停站優先級別。根據客票數據統計可知，京滬通道各站的到發客流量可分為三個級別：到發客流量大：上海虹橋、蘇州北、南京南、徐州東、濟南西、天津南、北京南；到發客流量較大：昆山南、無錫東、常州北、鎮江南、蚌埠南、宿州東、曲阜東、泰安；到發客流量較少：丹陽北、滁州、定遠、棗莊西、滕州東、德州東、滄州西、廊坊。根據上述各站客流分級確定停站比例和服務頻率。同時，上海虹橋、南京南、蚌埠南、徐州東、濟南西、天津南、北京南等跨線列車接入接出車站可考慮適當增加10%的停站，以方便跨線客流的中轉換乘，作為跨線直達方式的補充和拓展。京滬通道沿線各站的停站次數與平均間隔建議設置如表2所示。

表2 京滬通道各站停站優先級表

(2)單趟列車停站方案的銜接。應在單趟列車上做好通道上主要客流OD之間的直達運輸，即每趟列車應根據其運行時段，優先設置該時段主要OD對的停站和座席預留，最大限度銜接滿足該時段主要OD之間客流出行的需求。例如，早高峰上海虹橋到南京南、徐州東、濟南西的客流量巨大,應在該時段多預留虹橋到這三站的座席和增加南京南、徐州東、濟南西站停車的次數。在通勤時段合理安排滬寧區段內部、京津冀、濟南西和徐州東之間各站間的短途列車和停站。

(3)多趟列車停站方案的協調。為減少列車停站對通過能力的影響，應在列車之間做好停站方案的協調，減少停站帶來的時間空費。基本方法是在前后行列車上成組采取由遠及近的階梯停站方法。應根據客票數據獲知主要客流OD，優化列車在通道上的停站方案，長短途列車結合、大站停和站站停交錯，既能提供全程和跨區段中長途旅客的高速送達，也能提供區段內短途旅客的便捷送達。以京滬通道為例，虹橋站出發列車，根據客流OD，去往北京南、徐州東、濟南西等跨區段大站和南京南、蘇州北、無錫東、常州北、昆山南、鎮江南等區段內車站的客流量較大，列車停站方案應優先考慮這些客流的送達服務。