京沪高速铁路高中速列车共线混行模式下
中速列车晚点影响的仿真分析*
张星臣 杨 浩 胡思继 胡安洲
(北方交通大学 北京)
提 要 利用高速铁路列车运行仿真实验系统，在已定的列车运行调整原则和模式的基础上，对高中速列车共线混行模式下的列车运行影响进行了仿真分析，给出一系列仿真结果数据和结论，为我国高速铁路运营模式的确定提供决策依据。
关键词 运行调整 列车延误 仿真
中图分类号 U292
A Simulation Analysis of Middle Speed Train
Delay Influence under the Operating Mode with High
and Middle Speed Train in Jinghu High Speed Railway
Zhang Xingchen Yang Hao Hu Siji Hu Anzhou
(Transportation Management Engineering Department,Northern Jiaotong University,Beijing 100044,China)
Abstract Utilized the simulation experiment system of high speed rail which has been built and based on the determined operating modes and principles of train operating dispatch,the influence analysis of high speed rail operation for middle speed train delay under the operating mode with high and middle speed trains in one line has been completed,and a series of simulating result data and conclusiones have been set out.This will provide a decision basis for the determination of our high speed railway operating mode.
Keywords operating dispatch; train delay; simulation
京沪高速铁路列车运行仿真实验系统的研制为高中速列车共线混合运行条件下各种运营参数的深化研究提供了先决条件，从而为确定我国高速铁路运营模式提供决策依据。本文将对高速列车严格按图行车条件下，中速列车晚点上线对高速线列车运行的影响进行仿真研究与分析，并给出一系列仿真结果数据和结论。
1 仿真系统中高中速列车运行调整的原则及模式
为了充分利用高速线的运输能力，最大限度地分流既有京沪铁路旅客列车对数，京沪高速铁路拟采用高中速列车共线运行的运输组织模式。在高速线上运行两种不同速度的客车，且中速车还要经过既有线跨高速线运行，既有线中速列车的运行延误必然会传播到高速线上产生交叉影响，甚至造成中速列车上线困难的局面，因而在技术上和行车组织上增加了一定的管理难度，高中速列车运行延误时的调整也变得比较复杂。根据国外高速铁路运行组织的实际经验，并考虑到我国京沪高速铁路的实际情况，京沪高速铁路仿真实验系统在高中速列车运行调整上，采用了如下的原则、方法及调整模式。
1.1 高中速列车运行调整的原则
应运输组织管理和技术上的需要，高中速列车仿真运行的运行调整应遵循如下原则：
(1)为了研究方便，设定高速列车按图行车，必要时采用预留备用线形式。
(2)中速列车上线晚点时，其分布率和分布参数可事先确定，也可在运行中改变或修订。
(3)中速列车上高速线后，其区间运行时分被认为能满足运行要求，只考虑因上线晚点导致同向中速列车连带晚点及运行秩序重新调整所产生的影响。
(4)中速列车调整既可使用备用线，同时为了缩短其实际旅行时间，也可插空调整。
(5)中速列车的晚点运行，原则上不能影响高速列车的运行。
(6)中速列车之间的调整坚持一保长线、二保正点的原则，以相邻中速列车间的剩余运程比较和列车等级比较为主要判据。
(7)中速列车备用线使用规则规定如下：①若在0.5 h内有备用线可用，应优先使用备用线，以达到按图行车之目的；②使用备用线时应优先考虑长线车；③无备用线可用的或离备用线太远的中速列车，应采用插空走的调整方法，但不能影响高速车的运行；对中速车的影响也要限制在一定范围之内；④晚点中速列车无备用线时，应优先保证正点和长线车列车先行。
(8)在调整过程中，应充分利用运行图中的冗余时间。
1.2 高中速列车共线运行的调整模式
由于既有线列车晚点现象比较普遍，因而难以保证中速列车上线时全部正点，中速列车一旦从高速站上线时出现晚点延误，则该中速列车将不能在高速线上按图行车。这样，当中速列车晚点时间较多或高速线运行图负荷较高时，必将产生中速列车与其他列车之间的运行冲突。由于高速列车的等级高，且规定要按图行车，中速列车的晚点延误一般不应影响高速列车的运行，因而，中速晚点列车只能利用备用线或运行图中预留的冗余时间挤线运行。在这种调整过程中，既要考虑列车等级，又要考虑中速列车之间长线与短线问题，调整过程及模式与既有线有所不同，也比较复杂，因此下面仅就仿真中遇到的几种主要调整模式进行描述。
设高中速列车运程等级标志变量（class marking variable)为cv(j),(j=1,2,…，n； n为运行的高中速列车数，其中：n=n1+n2，n1为高速列车数量；n2为中速列车数量），标志变量的取值为1～6，分别代表高速列车不同的剩余运程；标志变量的取值为7～12，分别代表中速列车不同的剩余运程，其取值的含义分别为
这样，无论是高速或中速列车，对于同一类型的列车，cv(j)越高其剩余运程越远。因此在调整过程中，运程等级变量值越高的列车，优先级也就越高。下行列车的分类亦此，这里不再赘述。
又设S(j)为高中速列车的运行状态变量（state variable)，则S(j)=(s(1,j),s(2,j),…,s(i,j),…,s(m,j))T为第j个列车的状态空间(i=1,2,…,m;m=27，为车站数)，并令：
再设Tgd={tgdij}27×n为高中速列车到达各站的图定时间矩阵，Tgc={tgcij}27×n为高中速列车在各站出发的图定时间矩阵，Td={tdij}27×n为仿真时高中速列车实际到达各站的时间矩阵，Tc={tcij}27×n为仿真时高中速列车在各站实际出发的时间矩阵，T={tij}27×n为仿真时高中速列车对应于时钟而进入各区间的瞬时运行时分矩阵，其中j=1,2,…,n设定为高中速列车按到达i站的时间顺序而确定的列车序列。
( 1 )冲突模式1
运行线j、j+1、j+2为连续追踪的中速列车运行线，j运行线列车在i站的晚点时间为t，0＜t＜I,j+1运行线的列车在i站正点，j+2运行线为备用线，则无论j线列车是长线列车与否，均应按备用线方式调整，调整后应满足
R={tcij=tgcij+2｜tgdij<tdij<tgdij+I,tdij+1=tgdij+1,tgdij+2∈ψ备,cv(j)>6,cv(j+1)>6,s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i),j+1∈ψ(i)}
式中，ψ备——备用列车运行线集合；ψ(i)——i站滞留待发列车集合。
( 2 )冲突模式2
j-1、j、j+2为中速列车运行线，j+1为高速列车运行线，其中j+2为中速备用线。j-1、j运行线的列车晚点，且晚点量均不大于下趟运行线列车的图定时间。
①若j-1运行线的列车为长线车，j线的列车为短线车，则j-1线的列车应走j运行线，j线的列车走备用线，必然满足下面的条件
R={tcij-1=tgcij,tcij+1=tgcij+1,tcij=tgcij+2｜tgdij-1<tdij-1<tgdij,tgdij<tdij<tgdij+2,tgdij-1<tgdij<tgdij+1,tgdij+2∈ψ备,cv(j-1)>cv(j),cv(j-1)>6,cv(j)>6,cv(j+1)<7,s(j-1)=1 and s(j)=1,j-1∈ψ(i),j∈ψ(i)}
②若j-1运行线的列车为短线车，j线的列车为长线车，且j线的列车晚点量大于I/2，则j-1线的列车走j运行线，j线的列车走备用线或后移，必然满足
R={tcij-1=tgcij,tcij+1=tgcij+1,tcij≥tgcij+2｜tgdij-1<tdij-1<tgdij,tdij>tgdij+I/2,tgdij-1<tgdij<tgdij+1,tgdij+2∈ψ备,cv(j-1)<cv(j),cv(j-1)>6,cv(j)>6,cv(j+1)<7,s(j-1)=1 and s(j)=1,j-1∈ψ(i),j∈ψ(i)}
③若j-1运行线的列车为短线车，j线的列车为长线车，且j线列车的晚点量小于I/2，则j线列车挤线开行，j-1线列车靠近备用线利用冗余挤线开行或后移，其约束条件为
R={tcij=tdij+sptij,tcij+1=tgcij+1,tcij-1≥tgcij+2｜tdij-1＞tgdij-1,tgdij<tdij<tgdij+I/2,tgdij-1<tgdij<tgdij+1,tgdij+2∈ψ备,cv(j-1)<cv(j),cv(j-1)>6,cv(j)>6,cv(j+1)<7,s(j-1)=1 and s(j)=1,j-1∈ψ(i),j∈ψ(i)}
式中，sptij——列车j在i站必须的停车时分。
( 3 )冲突模式3
中速列车晚点上线时，应以不影响已上线正点列车的运行为原则。设j-1线列车为高速线上正点运行的中速列车，j列车为既有线晚点列车在i站等待上线，则有
R={tcij-1=tgcij-1,tcij>tcij-1｜tdij-1=tgdij-1,tcij>tcij-1-I,cv(j-1)>6,cv(j)>6,s(j-1)=1 and s(j)=1,j∈ψ(i)}
( 4 )冲突模式4
①高速线上运行的中速列车，当晚点列车的剩余运程不超过正点列车两阶段时，正点列车优先开行。设j线和j+1线的列车为中速列车，j线列车的剩余运程比j+1线列车的剩余运程不差两阶段，j线列车晚点运行，j+1线列车正点运行，两列车在i站出现运行冲突，其调整模式应满足
R={tcij+1=tgcij+1,tcij＞tcij+1｜tdij+1=tgdij+1,tdij＞tgdij,tdij+sptij＞tcij+1-I,cv(j)≤cv(j+1)+2,cv(j)＞6,cv(j+1)＞6,s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i)}
②中速长线晚点列车的剩余运程超过后行短线正点列车两阶段及以上时，为了考虑长线列车能有充余时间跨过高速线而不致于进入高速线的矩形天窗，长线列车优先开行。设j和j+1线列车为中速列车，j线列车的剩余运程大于j+1线列车的剩余运程两阶段以上，j线列车晚点运行且晚点时间不大于后行列车，j+1线列车正点运行，两列车在i站出现运行冲突，其调整模式为
R={tcij=tdij+sptij,tcij+1>tgcij+1｜tgdij<tdij<tgdij+1,tdij+sptij>tgcij+1-I,tdij+1=tgdij+1,cv(j)>cv(j+1)+2,cv(j)>6,cv(j+1)>6,s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i),j+1∈ψ(i)}
( 5 )冲突模式5
①两中速列车在i站有越行与待避关系，当越行列车出现晚点，其晚点量大于I/2，同时剩余运程不大于待避列车两阶段时，待避列车按图行车，且不能早开，晚点列车后移。设j、j+1线列车为中速车，j线列车为待避列车，j+1线列车为越行列车，则有
R={tcij=tgcij,tcij+1>tgcij+1｜tgdij<tgdij+1 and tgcij>tgcij+1,tdij+1>tgdij+1+i/2,cv(j)>6,cv(j+1)>6,cv(j+1)≤cv(j)+2,s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i),j+1∈ψ(i)}
②两中速列车在i站有越行与待避关系，当越行列车出现晚点，越行列车的剩余运程大于待避列车两阶段及以上，且晚点量小于待避列车正点开行点加I/2时，待避列车继续待避，晚点长线列车先行。仍设j、j+1线列车为中速车，j线列车为待避列车，j+1线列车为越行列车，则有
R={tcij+1=tdij+1+sptij+1,tcij>tgcij｜tgdij<tgdij+1 and tgcij>tgcij+1,tgdij+1<tdij+1<tgdij+1+i/2,cv(j)>6,cv(j+1)>6,cv(j+1)>cv(j)+2,s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i),j+1∈ψ(i)}
( 6 )冲突模式6
①多列晚点中速列车在某一站出现运行冲突时，长线晚点列车具有较大优先权。设j、j+1线列车为晚点运行的中速车，j＋1线列车为长线列车，两列车在i站出现运行冲突，则有
R={tcij+1<tcij｜tdij>tgdij,tdij+1>tgdij+1,cv(j)>6,cv(j+1)>6,cv(j)<cv(j+1),s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i),j+1∈ψ(i),sptij>0,sptij+1>0}
②多列晚点中速列车在某一站出现运行冲突时，同级的通过列车优先开行。设j、j+1线列车为同等级晚点运行的中速车，图定j+1线列车在i站不该停车,两列车在i站出现运行冲突，则有
R={tcij+1<tcij｜tdij>tgdij,tdij+1>tgdij+1,cv(j)>6,cv(j+1)>6,cv(j)=cv(j+1),
s(j)=1 and s(j+1)=1,j∈ψ(i),j+1∈ψ(i),sptij>0,sptij+1=0}
2 高中速列车共线运行仿真效果分析
2.1 同一方案不同列车出发晚点比例的仿真效果分析
高速铁路列车运行仿真过程是在选定典型高中速列车开行方案的基础上进行的。不同的高中速列车运行方案的仿真结果数据可能有一定差异，对仿真效果分析也可能有一定影响，因此方案的选定应是先决条件。为了剔除不同方案之间对研究分析所带来的影响，首先针对一种方案，采用不同的中速列车出发晚点比例来模拟分析高中速列车混合运行的效果指标。
(1）方案特征(满足运量、适当均衡、1 min冗余方案)
本方案是根据给定的预测运量，按照满足运量、适当均衡的原则，运行线间尽可能预留1 min的冗余所铺画的京沪高速铁路全线下行列车运行图。高中速列车的分布相对均衡，高速列车之间的连发列数有所限制，一般连发追踪不超过2列。中速列车相对均匀地插入铺画在高速列车的空隙处，中速列车之间存在连发现象，但集中连发并不太多。方案全天开行高速列车106对，中速列车29对，单方向合计共135列。
(2）仿真结果数据分析
考虑到我国既有线客车的运行晚点较多，实际运行中很难达到客车双95%的要求，但若采取一定措施，使其达到80%以上的正点率是完全可能的。因此，本文针对该方案并分别设定中速列车上线晚点概率为5%，8%，10%，12%，15%，18%，20%等7种情况在仿真实验系统上进行运算，列车的晚点时间分布采用正态分布，限定区间取值，分布参数根据各上线站有所差异，列车最小的晚点量为1 min，最大晚点量为45 min。运行后的主要数据结果见表1，由表中数据可作如下分析：
①首先比较5%晚点比例与8%晚点比例仿真结果数据。前者晚点列数为近程1列，晚点时间26 min，后者晚点列数3列，其中中程列车2列，平均晚点时间6.5 min，近程列车1列，平均晚点时间13.25 min。从表中数据不难发现，由于前者一近程列车晚点时间较多，造成调整困难，列车终到晚点也就较大，因而该仿真方案的各种指标均受其影响。而后者的两列中速列车晚点时间不多，在运行调整中其出发的晚点量被运行图中预留的冗余时间所吸收，终到正点，因而其运行指标不比前者有明显恶化。由此可知，列车晚点时间的长短对列车运行效果有较大影响。
②随着列车出发晚点率的增加，列车运行延误加剧，当晚点率超过10%时，出现列车中途下线现象，尤其远程列车只要稍微延误，就很可能下线。因而制定远程列车运行方案时，应考虑在天窗前预留一定量的时间储备，以便使中速长线列车晚点时能调整过高速线，这样就必然要求远程中速列车在7、8点钟以前能够始发。由于下线列车数据不在表中统计之内，该仿真方案的列车运行指标并没有明显恶化，这是可以理解的。
③当列车出发晚点率增加到20%时，列车运行延误有明显增加，下线列车已达5列，下线列车的运行指标也开始变低，因而，高速线上中速列车出发晚点率一般不要超过20%才好。
2.2 同一列车出发晚点比例、不同方案的仿真效果分析
预定晚点比例时各种运
发表于 2007-7-13 13:41:54
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