高速铁路车站通过能力计算方法探讨

高速铁路车站通过能力计算方法探讨
段博韬
【摘要】To solve the problem that the traditional analytical calculation method is not applicable to the carrying capacity calculation of high-speed railway station, this paper studies the key technologies in computer simulation applied to the calculation of carrying capacity of high-speed railway station. Firstly, the differences of the operation organization between the high-speed railway station and the existing traditional railway station are analyzed, and the characteristics of carrying capacity of high-speed railway station are studied intensively. Secondly, the overall train of thought of using simulation calculating method to calculate the carrying capacity of high-speed railway station is put forward. Additionally, the integration of high-speed railway station's throat with arrival-departure track operation is presented in detail. Finally, the computer simulation algorithm process for high-speed railway station's operation is offered.%针对传统分析计算方法不适用于高速铁路通过能力计算的问题，研究计算机模拟法应用于高速铁路车站通过能力计算的关键技术。

首先，分析高速铁路车站与传统既有铁路车站作业组织上的不同，对高速铁路车站通过能力的特点进行深入研究。

其次，提出计算机模拟法计算高速铁路车站通过能力的整体思路流程，并提出高速铁路车站咽喉、到发线作业一体化模型的详细构建思路。

最后，给出高速铁路车站作业计算机仿真模拟算法流程。

【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】6页(P43-47,48)
【关键词】高速铁路;车站通过能力;算法流程
【作者】段博韬
【作者单位】西南交通大学交通运输与物流学院，成都 610031
【正文语种】中文
【中图分类】U238;U292.5
高速铁路车站是高速铁路网中的节点和中枢，其作业组织直接影响整个高速铁路系统的通过能力。

高速铁路车站通过能力的计算对于铁路运输组织优化有着十分重要的意义。

我国高速铁路采用客运专线、高中速旅客列车共线运行的运输组织模式，高速铁路车站上仅办理动车组列车的技术作业和客运作业，不办理货物列车的相关作业，且高速铁路采用的旅客运载工具为动力与运输载体一体化的电动车组，以往既有铁路客运站上的旅客列车摘挂和换挂机车等作业在高速车站上均不会出现。

考虑上述因素，在高速铁路车站能力计算中不应再考虑货物列车到发、客货列车的调移及机车出入段等作业的固定设备占用时间，以及对其他道岔组产生的敌对妨碍时间及由此引入的空费系数[1-3]。

因此，不能模仿既有站利用固定设备占用时间和空费系数对高速铁路车站通过能力进行计算，为了适应高速铁路车站作业的特殊性，应对其通过能力计算方法单独研究。

《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中指出车站通过能力的计算应该在一定的车站设备配置和作业组织条件下，以车站平行进路的最大限度利用和车站股道的
合理使用为原则，分别对车站咽喉、到发线通过能力以及车站高峰时段到发线需要量进行计算。

高速铁路车站客流、固定设备以及运输组织方法与既有铁路车站不同，造成其通过能力的计算存在一些自身特点。

(1)高速铁路车站通过能力的计算应该主要围绕高峰时段进行。

目前，国内外对于高速铁路车站通过能力还没有一个准确一致的定义，主要沿用了普通铁路车站通过能力的定义，即高速铁路车站通过能力指在一定的设备条件下，配合一定的列车开行方案并且采用合理的作业组织方法情况下，车站在1昼夜时间内所能接发(通过)的最多动车组数。

高速铁路车站客流的特点决定了高速铁路列车开行方式与普通铁路旅客列车的开行方式有所不同。

为方便旅客出行，高速铁路上列车开行具有不均衡性[4]，存在接发列车高峰时段这样的特点，高峰时段内高速铁路车站客流量更大，为方便旅客出行，需要运用动车组数比平峰时段多，接发车密度更高，造成车站到发线和咽喉能力紧张，而平峰时段能力则有富余，高峰时段是限制车站能力的最重要阶段[5]，只要满足高峰时段的通过能力，平峰时段的通过能力就可以得到相应的满足。

如果按照传统车站能力计算方法计算高速铁路车站一昼夜的通过能力，则只能反映出车站全天时间内最大接发车能力，并不能实时地反映出一天内某一时段内高速铁路车站的接发动车组的能力[6]。

因此，沿用以前的计算方法忽略了高速铁路车站和传统铁路作业特点上的区别，直接应用到高速铁路上具有很大的局限性。

结合高速铁路车站作业特点，对高速铁路车站能力的计算应该着重于高峰时段，求解能反映出高峰时段车站到发线和咽喉的最大接发动车组的能力，这样的通过能力才能对车站实际工作起到指导作用。

(2)研究高速铁路车站咽喉和到发线一体化通过能力，不能简单地将咽喉区和到发线作为两个独立的系统，应该在两者之间建立联系，考虑两者作业协调情况下的高
速铁路车站高峰时段通过能力[7-9]。

高速铁路车站高速动车组要满足高密度、小编组开行，由于运输组织结合紧密，作业环节紧密相关，要求车站咽喉和到发线作业紧密衔接，不像传统既有车站一样对车站咽喉和到发线的通过能力分别计算，应该求解车站咽喉和到发线作业协调一致情况下的综合通过能力，即采用一体化思想计算高速铁路车站通过能力。

(3)应该分车种别以组合能力的形式体现高速铁路车站通过能力构成。

车站接发不同种类的列车作业流程以及占用设备时间并不相同，单纯地以接发车总数并不能反映车站实际作业情况。

(4)高速铁路车站通过能力的计算应该在作业进路优化的基础之上进行。

在高峰时段内对列车作业进路的合理安排尤为重要，它是保证准确求解车站最大接发车能力的关键。

结合以上分析，需要对高速铁路车站通过能力的计算进行重新认识和修正。

在一定的设施设备和作业组织条件下，对进路安排优化的基础上，求解能反映高峰时段车站咽喉和到发线作业协调配合下的最大接发车组合能力，以此来判断现阶段车站设备能力能否满足车站高峰时段高密度接发车需求，并在能力不满足要求时得出相应的改进措施。

运用计算机模拟法计算高速铁路车站通过能力的整体思路，可以按照确定车站相关作业时间标准、构建车站网络拓扑图、建立通过能力模型、计算机仿真模拟列车在站作业过程等4个步骤逐项进行，如图1所示。

在计算车站通过能力之前，应该查明车站的相关作业时间标准。

主要包括咽喉占用时间标准、到发线占用时间标准以及接发车间隔时间标准。

动车组列车对车站咽喉的占用时间包括直接占用时间及列车进路准备及解锁时间，具体包含列车接车占用咽喉区时间、列车发车占用咽喉区时间、不停站通过列车对咽喉和到发线的占用时间、动车组转入(转出)占用时间等。

动车组列车对到发线的占用时间主要包括列车进出站时间、列车停站时间以及动车组出入段时间3个部分。

接发车间隔时间包含通通、发发、到到、通到、到通等共9种由前后两列车的到、发、通3种不同运行状态组合而成的车站间隔时间。

(1)根据道岔分组原则对车站咽喉区道岔进行分组，简化车站布置。

如图2所示。

(2)在对道岔分组的基础上建立车站网络拓扑图。

将网络图中的车站正线与区间相连接的点的集合抽象为S={i=1，2，3，…，n}，
车站到发线的集合抽象为T={i=1，2，3，…，m}，而咽喉区道岔组集合抽象为中间节点V={i=1，2，3，…，k}，定义点集U=S∪T∪V表示网络图节点集。

各节
点之间的连接线抽象为边e，边的容量函数为c(e)，费用函数为W(e)，定义边集
E={[ui，uj]}(i≠j，i<j，ui，uj∈U)表示节点ui，uj之间的有向弧。

如图3所示将
咽喉区抽象为多源多汇网络图N(U，E)。

5.1 建立车站咽喉通过能力模型
首先要对车站作业进路进行优化，主要是指对道岔占用的优化，即作业进路的优化。

(1)接发车进路应该首先考虑选用相应两个节点之间的最短进路。

因此首先对车站
建立最短进路模型，寻求列车走行时间最短的进路，并运用比较成熟的Dijkstra
算法进行求解。

(2)对于计算出来的最短进路，对应的车站平行作业数量不一定达到最优，因此还
需要考虑车站剩余平行作业数量与最短进路之间的协调，进一步优化作业进路选择，疏解进路在时间和空间上的交叉干扰，保证一定的平行作业数量。

平行进路的优化主要包括如下内容。

①选用有利于平行作业的次短进路。

当最短进路由于敌对占用而不能使用时，需要搜索满足平行作业关系的次短进路。

②平行进路空间优化模型。

以实现最大剩余平行进路数量为目标函数，以进路空间
上的相互限制为约束条件，建立一定的进路选择情况下的剩余最大平行作业进路数量的空间优化模型。

③占用咽喉进路时间有交叉的进路疏解模型。

尽管上述对咽喉平行进路的优化保证了后续作业的最大平行进路数量，但对于具体的行车任务而言，进路的选择也受占用时间和到发线固定使用方案等因素的影响，这些剩余平行进路不一定能够发挥最大效用。

因此，还需要根据具体的行车作业，对占用咽喉存在时间交叉的进路进行疏解，建立相应的疏解模型。

综合考虑上述所分析的分方向最大接发车数、最小费用(最短进路)、最大平行作业数量、进路交叉疏解等目标，结合上述列车占用咽喉进路时间和空间上的约束条件，建立车站咽喉区通过能力模型，如图4所示。

5.2 建立车站到发线通过能力模型
对到发线通过能力的研究应该建立在到发线合理使用的基础上，因此首先需要对到发线的合理使用提出一定的条件。

5.2.1 到发线合理使用因素分析
(1)列车的接发作业应符合到发线的固定使用方案
对到发线按照列车在车站的作业性质及其运行的方向的不同分类，并设置某类到发线运用接发某类列车的权值，以此来体现到发线的接发车类型约束条件。

(2)满足到发线使用的唯一性
对于到发线的使用来说，列车在一定的时间内应该只占用一条到发线；同样对于一条到发线来说，在一定时间内只能办理一列旅客列车作业。

对于一定时间的划分可以参考现有的对于车站作业时间片的定义[10]，以此来简化占用车站到发线之间的约束关系，针对到发线占用唯一性的以上两个方面建立相应的约束条件。

(3)满足各类型列车在站作业停留的时间要求
可以分为不停站通过列车和其他需要在站进行停站作业的列车两种类型，分别考虑
其在车站到发线上的作业时间约束要求，满足各类列车的到发线客运作业。

(4)保证不间断接发列车，减少列车的等线时间
车站咽喉和到发线之间作业衔接不紧密可能会导致列车作业完毕后不能及时发车[11-12]，由此产生一定的列车额外等待时间，因此对于到发线的合理使用应该考
虑到该等待时间的限制，尽量缩短列车在站额外等待时间，构建车站最短等线时间模型。

(5)车站到发线占用的均衡
车站到发线均衡使用是车站到发线合理使用的一个重要方面，可以通过到发线的占用时间与到发线平均占用时间之间的离差得以体现，建立占用时间离差最小的车站到发线均衡使用模型。

5.2.2 建立车站到发线合理利用模型
综合以上对于到发线合理使用因素的分析，建立车站到发线合理使用模型。

5.2.3 建立车站到发线通过能力模型
到发线通过能力根据到发线接发车类型的不同，可分别计算车站到发线总的接发车能力以及车站同类型到发线接发车能力。

在到发线合理运用的基础上，考虑到发线接发车能力最大、列车额外等线时间最短、到发线均衡使用等几个方面为目标函数，并考虑列车占用到发线时间和空间上的约束条件，建立车站到发线通过能力计算模型，如图5所示。

5.3 车站咽喉和到发线通过能力的协调
车站最终通过能力并不能简单取车站咽喉和到发线能力中较小者，而是要充分考虑两子系统之间作业的协调性，只有在相互匹配下的车站接发车能力才是有效的高速铁路车站通过能力。

为了实现车站咽喉区和到发线通过能力的协调，需要将两个子系统进行联系。

因此需要考虑两子系统之间的约束。

(1)车站同方向同时接发车的约束
车站隔开设备的设置会影响车站接发车作业，因此需要引入控制参数对同方向同时接发车进行一定的限制。

(2)列车在站作业径路的约束
列车在站完整的作业径路应该保证时间和空间上的连续性。

时间上的连贯性体现在列车在站内各个系统间的作业时间的连续性，空间上的连续性体现在同一列车接发车进路占用同一条到发线。

将列车作业径路在时间和空间上的连续性约束作为联系车站咽喉区和到发线的一个约束条件。

5.4 建立高速铁路车站总体通过能力模型
考虑车站咽喉区和到发线作业协调一致情况下，结合上述两子系统之间的约束，将高速铁路车站看作路网上的节点，则相应的高峰时段通过能力为通过该节点的列流量，据此建立高速铁路车站总体通过能力计算模型，如图6所示。

在对相关模型及列车在站作业时间标准以及各类型接发车比例进行输入的基础上，对列车在站作业过程进行模拟。

首先判断将要发生事件的类型，基本事件分为出发事件和到达事件两类，选择相应的作业子程序。

其次判断列车作业类型，分为始发列车、终到列车、通过列车(包括停站通过列车
和不停站通过列车)、折返列车几种作业类型。

再次按照各种不同类型列车在站作业流程办理相应作业。

(1)办理接车作业：判断现在能否为列车安排接车进路(这里将动车组出段也抽象为车站的接车作业)，搜索目前平行进路中可以利用的进路，如有对应进路可以使用，则为其安排进路和到发线；如没有可以使用的进路，则列车等待。

(2)对需要停站作业的列车，办理列车停站作业，组织旅客乘降；对不需要停站作
业的列车可以直接准备发车进路。

(3)办理发车作业：根据不同类型列车安排发车进路(这里将动车组入段也抽象为车站的发车作业)，同理，搜索平行进路，对列车发车进路进行一定的安排。

最后输出高峰时段各次列车占用车站咽喉及到发线的起止时间、占用股道、列车种类、速度等级等参数输出，分列车种类别统计车站接发车数量，从而得到高速铁路车站高峰时段组合通过能力。

高速铁路车站作业仿真流程设计如图7所示。

高速铁路车站以其独有的作业特点，在通过能力计算方面与传统既有站存在诸多差异，考虑到高速铁路车站通过能力的特点，不能简单地套用既有车站通过能力计算方法，解决高速铁路车站能力计算问题的正确途径应为计算机模拟法。

本文提出的高速铁路车站通过能力计算的整体思路，咽喉到发线作业一体化模型构建思路，以及所设计的高速铁路车站作业计算机仿真模拟算法流程，对于我国高速铁路车站通过能力计算领域的研究发展有一定的借鉴价值和参考意义。

在进一步的研究中应该主要围绕计算机具体实现过程，运用计算机技术编制高速铁路车站通过能力计算系统，真正实现列车接发车作业计算机可视化仿真模拟，并运用实例证明所设计系统的可行性。

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