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)

0 引言

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。

1 高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

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。

1.2 設(shè)計(jì)原則

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。

1.3 邏輯架構(gòu)

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。

1.4 功能設(shè)計(jì)

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。

1.5 主控流程

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。

2 高速鐵路運(yùn)能評估系統(tǒng)試用情況

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。

2.1 測試數(shù)據(jù)

（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。

2.2 測試結(jié)果

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。

3 結(jié)束語

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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