李新毅,李海鷹,張 倫,廖正文,王 瑩
LI Xin-yi1, LI Hai-ying2, ZHANG Lun3, LIAO Zheng-wen1, WANG Ying1
(1.北京交通大學(xué)?交通運(yùn)輸學(xué)院,北京?100044;2.北京交通大學(xué)?軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)?????實(shí)驗(yàn)室,北京?100044;3.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司?運(yùn)輸處,北京?100860)
(1.School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2.State Key Lab of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3.Transport Department, China Railway Beijing Group Co., Ltd., Beijing 100860, China)
近年來,隨著高速鐵路客流迅速增長,高速動車組的行車密度迅速增加,高速鐵路能力緊張的局面逐漸顯現(xiàn),衡量高速鐵路的運(yùn)輸能力利用情況、辨析高速鐵路網(wǎng)絡(luò)能力瓶頸成為迫切的任務(wù)。而目前對高速鐵路通過能力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和評估普遍缺乏一個有效的工具。
各鐵路局集團(tuán)公司主要借助運(yùn)行圖編制系統(tǒng)的能力計(jì)算功能,輔以人工經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用扣除系數(shù)法[1]計(jì)算高速鐵路的通過能力,但扣除系數(shù)法存在固有的缺陷,面對高速鐵路能力運(yùn)用的新局面表現(xiàn)出不適應(yīng)性[2-3]。一些學(xué)者運(yùn)用平均最小列車間隔時間計(jì)算法[4]、直接計(jì)算法[5]、計(jì)算機(jī)模擬法[6-7]等分析法計(jì)算高速鐵路通過能力;部分學(xué)者利用計(jì)算機(jī)仿真功能分別研究列車運(yùn)行圖能力仿真[8]、車站作業(yè)計(jì)劃仿真[9]等。但是,既有的研究大多將高速鐵路整個系統(tǒng)的能力割裂成區(qū)間通過能力、車站通過能力等若干部分,打破了車站到發(fā)線、車站咽喉與區(qū)間通過能力之間的相互制約。此外,高速鐵路的通過能力計(jì)算往往只考慮固定設(shè)備的通過能力,較少考慮上線運(yùn)行動車組的數(shù)量對通過能力的影響。基于上述方法研究的高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng),其計(jì)算結(jié)果往往不能夠落實(shí)到實(shí)際的運(yùn)行計(jì)劃中。
因此,需要一個綜合考慮各方面因素的高速鐵路能力評估工具,以解決高速鐵路系統(tǒng)能力計(jì)算與評估的問題,為運(yùn)輸計(jì)劃編制的決策提供依據(jù)。針對上述問題,結(jié)合高速鐵路運(yùn)營實(shí)際需求,考慮區(qū)間通過能力、車站到發(fā)線通過能力和動車組運(yùn)用等影響因素,通過研究開發(fā)一套一體化、可視化的高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng),更好地實(shí)現(xiàn)不同需求下的高速鐵路運(yùn)能評估功能。
高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)可以解決當(dāng)前高速鐵路通過能力評估系統(tǒng)性與整體性不強(qiáng)、評估結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差的問題,滿足一體化、可視化的高速鐵路運(yùn)能評估工具的需求。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。
(1)一體化。為了避免高速鐵路區(qū)間通過能力、到發(fā)線能力、動車組運(yùn)用相互割裂產(chǎn)生的局限性,提高高速鐵路運(yùn)能評估結(jié)果的可靠性,高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)需要綜合考慮區(qū)間通過能力、車站到發(fā)線數(shù)量及其分配應(yīng)用和動車組立即折返運(yùn)用的影響,從整個高速鐵路系統(tǒng)的層面對高速鐵路能力進(jìn)行一體化評估,使評估分析的運(yùn)能利用情況更加接近實(shí)際,從而為高速鐵路運(yùn)輸組織決策提供技術(shù)支持。
(2)可視化。一方面,針對既有的高速鐵路運(yùn)能評估依賴于公式運(yùn)算,缺乏可視化界面查看分析評估結(jié)果,因而需要設(shè)計(jì)用于展示評估分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)報(bào)表,并提供實(shí)時監(jiān)控評估計(jì)算步驟的顯示界面,幫助技術(shù)人員更加直觀地了解高速鐵路運(yùn)能利用現(xiàn)狀,識別運(yùn)能瓶頸。另一方面,缺乏人工作業(yè)界面設(shè)定運(yùn)能評估場景,需要為技術(shù)人員提供運(yùn)能評估場景 (包括既有運(yùn)行圖、交路圖、計(jì)算參數(shù)等)設(shè)置的人機(jī)界面,通過人工調(diào)整與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的手段,實(shí)現(xiàn)不同場景下的高速鐵路運(yùn)能評估功能。
為實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)一體化、可視化的設(shè)計(jì)目標(biāo),高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。
(1)系統(tǒng)性。綜合考慮區(qū)間通過能力、車站到發(fā)線運(yùn)用、動車組運(yùn)用等各方面影響因素,從整個高速鐵路系統(tǒng)的層面給出運(yùn)能評估的解決方案。
(2)實(shí)用性。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)應(yīng)具有開放性,交互能力強(qiáng),用戶界面簡潔、友好,便于實(shí)際使用。
(3)可擴(kuò)展性。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)各模塊間耦合度低,易于擴(kuò)展,適用于不同線路、多場景下的高速鐵路運(yùn)能評估。
高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)采用 3 層體系結(jié)構(gòu),根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和功能需求劃分為顯示層、核心層和數(shù)據(jù)層,使用 XML 數(shù)據(jù)文件作為信息交互的規(guī)范。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.1 Logical structure diagram of system
(1)顯示層負(fù)責(zé)與用戶的交互,包括界面部分和邏輯處理部分。其中,界面部分是在 WPF 用戶界面框架下,開發(fā)的一系列人機(jī)交互界面,包括運(yùn)行圖顯示與調(diào)整、交路圖顯示與調(diào)整、計(jì)算參數(shù)設(shè)定、運(yùn)能評估結(jié)果顯示、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入與管理等界面,以達(dá)到高速鐵路能力評估與分析可視化的目標(biāo);邏輯處理部分負(fù)責(zé)顯示層與核心層間的數(shù)據(jù)交互處理,包括對能力計(jì)算結(jié)果的評估分析、計(jì)算參數(shù)的設(shè)定等。
(2)核心層是系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)能評估分析的內(nèi)核,負(fù)責(zé)生成并管理計(jì)算數(shù)據(jù)和計(jì)算高速鐵路通過能力。
(3)數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理,采用 XML 格式文件存儲和交互各模塊需要的數(shù)據(jù),如線路數(shù)據(jù)、視圖數(shù)據(jù)、運(yùn)行圖數(shù)據(jù)、交路圖數(shù)據(jù)、運(yùn)行圖計(jì)算參數(shù)、交路圖計(jì)算參數(shù)和項(xiàng)目評估文件等。
結(jié)合高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)功能模塊如圖 2 所示。
(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能?;A(chǔ)數(shù)據(jù)是高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)的基石,需要設(shè)計(jì)規(guī)范、可擴(kuò)充的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以適應(yīng)多場景的高速鐵路線路的評估。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括線路數(shù)據(jù)、車站及股道數(shù)據(jù)、區(qū)間數(shù)據(jù)、徑路數(shù)據(jù)和視圖數(shù)據(jù)。針對上述不同類型的數(shù)據(jù),設(shè)計(jì) XML 文件格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且分別設(shè)計(jì)簡潔友好的數(shù)據(jù)管理界面,提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的增加、刪除、查找和修改功能,實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的可視化。
圖 2 高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)功能模塊Fig.2 Functional structure diagram of system
(2)運(yùn)行圖顯示與編輯功能。運(yùn)行圖的顯示與編輯界面為修改、調(diào)整列車運(yùn)行圖提供了一個可以用于人工操作的界面。用戶可以根據(jù)需要,修改列車運(yùn)行圖的結(jié)構(gòu),并以此作為高速鐵路能力計(jì)算的初始數(shù)據(jù)集,便于計(jì)算和評估不同結(jié)構(gòu)下的高速鐵路通過能力,實(shí)現(xiàn)不同需求下的高速鐵路運(yùn)能評估功能。同時,運(yùn)行圖顯示與編輯界面也可以作為能力評估結(jié)果的顯示工具,不僅可以顯示最佳能力利用方案下的運(yùn)行圖,還可以查看各車站到發(fā)線的運(yùn)用情況,實(shí)現(xiàn)區(qū)間通過能力和車站到發(fā)線運(yùn)用情況的可視化。
(3)交路圖顯示與編輯功能。交路圖的顯示與編輯界面為修改、調(diào)整列車接續(xù)關(guān)系,構(gòu)建動車組交路計(jì)劃提供了一個人工作業(yè)的界面。用戶可以根據(jù)需要,修改列車的接續(xù)關(guān)系,并以此作為高速鐵路能力計(jì)算的初始數(shù)據(jù)集,便于計(jì)算和評估不同動車組運(yùn)用下的高速鐵路通過能力。同時,交路圖顯示與編輯界面也可以作為能力評估結(jié)果的顯示工具,顯示計(jì)算得到的最佳車底接續(xù)關(guān)系方案,實(shí)現(xiàn)動車組運(yùn)用情況的可視化。
(4)能力計(jì)算功能。針對高速鐵路的通過能力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算是研究的關(guān)鍵問題。李海鷹等[10]使用基于壓力測試法的通過能力計(jì)算方法求解既有線的通過能力取得了良好的效果?;趬毫y試法的通過能力計(jì)算方法是通過不斷向當(dāng)前的運(yùn)行圖中插入運(yùn)行線,往復(fù)循環(huán)直至不能繼續(xù)添加運(yùn)行線為止,將已經(jīng)不能繼續(xù)插入運(yùn)行線的圖稱為“滿圖”,以“滿圖”上的列車運(yùn)行線數(shù)量作為通過能力計(jì)算的結(jié)果。從理論上說,通過壓力測試法求解的列車運(yùn)行圖通過能力,是在生產(chǎn)實(shí)際中能夠?qū)嵤┑淖畲竽芰?。本研究基于壓力測試法,考慮區(qū)間通過能力、車站到發(fā)線通過能力和動車組運(yùn)用等影響因素,運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬列車運(yùn)行圖的鋪畫和動車組交路的勾畫,直觀、高效、準(zhǔn)確地求解高速鐵路通過能力?;趬毫y試法的通過能力計(jì)算過程如圖 3 所示。
由此可見,能力計(jì)算功能模塊包括 2 項(xiàng)功能:一是能力計(jì)算數(shù)據(jù)處理;二是能力計(jì)算求解。其中,能力計(jì)算數(shù)據(jù)處理指的是編輯求解參數(shù)、車站、區(qū)間、列車等求解數(shù)據(jù),進(jìn)行能力計(jì)算數(shù)據(jù)的預(yù)處理;能力計(jì)算求解指的是綜合考慮區(qū)間通過能力、車站到發(fā)線和動車組運(yùn)用的影響,基于壓力測試法動態(tài)地添加列車,一體化地鋪畫列車運(yùn)行圖和勾畫動車組交路,進(jìn)而計(jì)算高速鐵路通過能力。此外,高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)還可以自動生成求解日志,用戶在能力計(jì)算求解界面,實(shí)時了解求解的總進(jìn)度,查看壓力測試法添加列車的動態(tài)變化情況,實(shí)現(xiàn)能力計(jì)算過程的可視化。
圖 3 基于壓力測試法的通過能力計(jì)算過程Fig.3 Calculation process of carrying capacity based on pressure testing
(5)評估結(jié)果展示功能。在 WPF 用戶界面框架下,提供美觀簡潔的運(yùn)能評估結(jié)果展示報(bào)表,用于統(tǒng)計(jì)分析并輸出能力評估結(jié)果。根據(jù)能力計(jì)算結(jié)果,高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)分析當(dāng)前通過能力情況和動車組運(yùn)用情況,統(tǒng)計(jì)輸出各區(qū)段、各時段、各方向的始發(fā)列車數(shù)量,不同場景下的能力利用飽和度及動車組的上線數(shù)量,實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)能評估結(jié)果的一體化和可視化。
在功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)需要將各功能模塊按照合理的流程組織,構(gòu)成一個有機(jī)整體以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)整體流程如圖 4 所示。加載待評估的項(xiàng)目文件后,用戶可查看、調(diào)整運(yùn)行圖和交路圖;確認(rèn)開始計(jì)算后,還可以生成能力計(jì)算數(shù)據(jù)集;通過能力計(jì)算結(jié)束后,可以顯示評估結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)多場景下的高速鐵路運(yùn)能評估,采用人工調(diào)整手段與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的手段,用戶可在運(yùn)行圖顯示與編輯界面和交路圖顯示與編輯界面進(jìn)行人工調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對高速鐵路能力運(yùn)用的優(yōu)化評估。
圖 4 高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)整體流程Fig.4 Whole process of high-speed railway transportation assessment system
2017 年 10 月,高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)在中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司進(jìn)行了測試與試用,使用該系統(tǒng)對京津城際鐵路 (北京南—天津) 的通過能力進(jìn)行評估。
(1)車站數(shù)據(jù)。京津城際線路含北京南、亦莊、永樂、武清、天津站 5 座車站及南倉線路所。研究范圍內(nèi)的京津城際中間站有亦莊、永樂、武清站 3 個車站,其中僅武清站辦理客運(yùn)業(yè)務(wù)。
(2)列車數(shù)據(jù)。以 2016 年 5 月京津城際列車運(yùn)行圖為原圖對系統(tǒng)進(jìn)行測試,原圖列車開行數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖 5 所示。其中,上行列車 98 列,下行列車 99列,具體包括長編組跨線列車 6 列、長編組京津城際列車 54 列、短編組京津城際列車 137 列。
(3)各類時間標(biāo)準(zhǔn)。列車的起動附加時分為 2 min,停車附加時分為 3 min;車站同一到發(fā)線占用間隔時間為 7 min;不同編組類型列車的折返作業(yè)與追蹤間隔時間標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。
(4)動車組數(shù)量。原圖上線動車組數(shù)量 19 組,其中短編組動車組 15 組,長編重聯(lián)動車組 4 組。
系統(tǒng)加載測試數(shù)據(jù)后對京津城際線路通過能力進(jìn)行評估,滿圖列車開行數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖 6 所示,除了原圖中存在的列車外,加開的列車均為短交路、短編組列車。20 ∶ 00 以后列車對數(shù)較少,原因是長編組車底結(jié)束運(yùn)營。
測試結(jié)果顯示,滿圖的列車開行數(shù)量為上行列車 121 列,下行列車 121 列;上線動車組數(shù)量為21 組,其中短編組動車組 17 組,長編重聯(lián)動車組4 組。結(jié)果表明,在保留了原有的基本列車開行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,京津城際鐵路通過能力為 121 對/d,比原圖增加 22.5 對/d 列車,但需要多配備 2 組短編組動車組。
京津城際原圖與滿圖客流高峰時段的列車開行數(shù)量對比如表 2 所示,京津城際客流高峰時段通常指的是 8 ∶ 00—11 ∶ 00、13 ∶ 00—16 ∶ 00 和 16 ∶ 00—19 ∶ 00[11]。
由表 2 可以看出:①滿圖的列車數(shù)量在 13 ∶ 00—16 ∶ 00 下行區(qū)段和 16 ∶ 00—19 ∶ 00 上行區(qū)段與原圖列車數(shù)量十分接近,而在客流高峰時段原圖的列車數(shù)量接近于實(shí)際的通過能力,說明研究在考慮了車站到發(fā)線運(yùn)用和動車組運(yùn)用等影響因素后,對通過能力的評估結(jié)果基本符合實(shí)際情況。②滿圖的列車數(shù)量在 8 ∶ 00—11 ∶ 00 上行區(qū)段和 13 ∶ 00—16 ∶ 00 上行區(qū)段與原圖的列車數(shù)量相比較多,原因是研究沒有考慮車站咽喉的進(jìn)路交叉對通過能力的影響,使得評估結(jié)果比通過能力的實(shí)際情況偏大。
圖5 原圖列車開行數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of the number of original timetable
表 1 列車的折返作業(yè)與追蹤間隔時間標(biāo)準(zhǔn) minTab.1 Time standard of train reentrant operation and tracking interval
圖 6 滿圖列車開行數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of the number of calculated timetable
表2 原圖與滿圖客流高峰時段的列車開行數(shù)量對比Tab.2 Comparison of the number of trains between the original timetable and the calculated timetable during peak hours of passenger flow
采用高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)對京津城際鐵路通過能力進(jìn)行評估,從測試的過程中展現(xiàn)出系統(tǒng)界面簡潔、運(yùn)行流暢、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)貼近運(yùn)輸生產(chǎn)實(shí)際,既能方便、準(zhǔn)確地計(jì)算高速鐵路通過能力,又能對運(yùn)輸資源的有效利用起到關(guān)鍵作用。
在中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司的試用結(jié)果表明,在.NET 平臺下運(yùn)用 C# 語言開發(fā)的高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作簡單,有助于技術(shù)人員直觀了解高速鐵路運(yùn)能利用現(xiàn)狀,識別運(yùn)能瓶頸,可以為高速鐵路運(yùn)輸組織優(yōu)化工作提供有力的技術(shù)支撐。同時,高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)集成了先進(jìn)的高速鐵路能力計(jì)算模型和算法,可擴(kuò)展性較好。高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)一步考慮車站咽喉進(jìn)路交叉對高速鐵路通過能力的影響,提升能力評估的準(zhǔn)確性,從而為提高我國高速鐵路運(yùn)輸資源利用率提供可靠的技術(shù)支持。
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