（交通运输规划与管理专业论文）车站通过能力模拟分析系统研究.pdf

摘要 近年来，我国铁路运输逐渐走向市场，客货运输需求发生了 结构性的变化。铁路运输部门需要不断提高路网的输送能力来适 应运输市场需求。 秦沈客运专线正是在这一形势下，为缓解既有沈山线运能不 足的矛盾而建设的。秦皇岛站是秦沈客运专线的起点站，目前是 全路日均办理车数最多的车站之一，其中绝大多数车流是通过车 流。待秦沈线建成以后，车流会大大增加，秦皇岛站通过能力能 否适应未来秦沈客运专线的运营需求，是我们研究的目的。区间 通过能力提高后，车站通过能力能否与之相适应，也是我们要分 析的问题之一。) 7 u 本文简要分析了当前确定车站通过能力的各种理论计算方法 的特点，指出理论计算方法的不足之处，提出运用计算机模拟来 方法来确定车站通过能力的新思路，提出离散事件系统中事件等 级的概念。事件等级的提出，解决了车站作业过程模拟中同时事 件的发生顺序和处理事件优先级问题。 文章提比计算机模拟来方法来确定车站通过能力的思路是， 采用计算机模拟方法对各个方向多个不同行车量方案进行检验， 逐渐增加行车量，即增加到达列车流，车站的通过能力会逐渐达 到饱和，若再继续增加到达流，交叉干扰将会增加，作业延误就 会增加。模拟通过逐步逼近获得车站的通过能力。若到达列流存 在随机晚点情况，那么产生交叉干扰的机会会增大，输出列流的 晚点率可能增加，那么，我们能接受的晚点率条件下的车站能够 实现的最大行车量，就是车站的通过能力。 根据秦皇岛站现行行车组织办法、现场调研以及秦沈客运专 线相关资料，文章简要分析了秦皇岛站运营特点和列车运行的交 叉干扰形式。采用计算机模拟方法，以秦皇岛站为模拟对象，设 计开发了车站通过能力模拟分析系统。文章简要分析了给定条件 ) 下的模拟运行结果。7 7 f 文章指出了运用计算机模拟方法计算车站通过能力的条件以 及计算机模拟方法是进行车站能力利用研究的有效工具。1。 关键词：车站，通过能力，计算机模拟 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nof o u r c o u n t r ys t e p p i n g i n t om a r k e tg r a d u a l l y ，t h ed e m a n d6 r p a s s e n g e ra n df e i g h tt r a n s p o r t h a si n c r e a s e do na l a r g e s c a e i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d0f t h et r a n s p o r tm a r k e t ， r a i l w a ys e r v i c en e e dt oe n l a r g et h et r a n s i tc a p a c i t y0f r a i l n e t w o r kc o n t i n u a 1 y t h ed e d i c a t e dl i n ef d rp a s s e n g e rt r a i n s f r o mo i n h u a n g d a ot os h e n y a n g ( d l p t q s ) i sj u s tb u i l tu n d e r t h i ss i t u a t i o n i tw i l lc o n d u c et or e l i e v i n gt h ei n t e n s e t r am cc a p a c i t yo nt h ee x i s t i n gl i n ef o r es h e n y a n gt o s h a n h a i g u a n w h e nt h en e w l yb u i l tl i n es h a r e se x i s t i n gs t a r i o n sw i t h t h eo l d1i h e w h e t h e rt h et r a 蛆c c a p a c it i e s oft h e s e s t a r i o n sc a nm a t c ht h et r af f icc a p a c i t i e sofs e c t i o n sw i l l b e c o m eo n e0fo u rr e s e a r c hp r o j e c t s t h i sd i s s e r t a t i o nb r i e ya n a l y s e st h ec h a r a c t e r is t i e s ofv a r i o u sm e t h o d sw h i c ha r eu s e dt oc o m p u t et h et r af t ic c a p a c i t y 0fas t a t i o n a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n tt r a i n o p e r a t i o nof t h es t a t i o n0f d i n h u a n g d a o ，t h er e s e a r c ho nt h e s p o ta n d t h e c o n c e r n i n g m a t e r i a l sa b o u td l p t q s ，ih a v e d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e m f d rt h et r a 髓cc a p a c i t y0f as t a t i o n w i t ht h em e t h o d0f c o m p u t e r s i m u l a t i o n a 1 s oie s t i m a t e dt h eea s ib i l i t y0f u s i n g t h em e t h o d0fc o m p u t e rs i m u l a t i o n t o c o m p u t e t h e p a s s i n gc a p a c i t y0fs t a t i o n k e yw o r d s ：s t a r i o n ，t r a f f icc a p a c i t y ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 3 鹅一章绪论 第章绪论 第一节选题的背景及意义 铁路运输能力合理利用关系到铁路日常生产活动的合理计划、 组织和调度指挥，关系到中长期铁路扩能措施的科学规划、配套和 实施，具有重大理论及现实意义。 目前，我国铁路运输发展远远落后于运输需求，特别是，供求 结构性矛盾比较突出。全路大多数干线牵引区段能力利用率在8 0 以上。运输业已经走向市场，铁路运量的增长和波动将不断加剧， 运输质量要求不断提高的条件下，铁路运输能力将面临更为严重的 挑战。 因此，应用高新技术，提高铁路运输能力，缓解供需矛盾，提 供优质服务，适应运输市场需求，使货畅其流、人便其行，将是今 后一个时期内铁路工作的重点。 秦沈客运专线作为我国第一条客运专线，正是在这个形势下， 为缓解沈山线运能不足的矛盾而修建的。它是我国内地既有铁路和 新建铁路中迄今技术层次最高、最具有创新意义的项目。该线建成 后将与沈山线合理分工，实现客货分线运输，既可发挥客运专线强 大的客运能力，又能释放沈山线长期紧张的货运能力，并使两线能 力之和达到最大，实现进出关客货运输的畅通无阻。同时，该线又 是联系哈大、京沪的纽带，近期通过京秦、哈大铁路，远期与京沪 高速铁路相连，形成我国东北至关内的快速通道。 开发车站通过能力模拟分析系统的目的是对铁路车站咽喉与到 发线改造方案用计算机模拟方法进行检验，以证明其在未来的各种 运营条件下的可靠性，特别是，揭示客运专线引入既有车站的能力 第一章绪论 利用及运营特点，为决策提供参考；同时能够对既有车站即将实施 的新运行图进行检验，以发现其在现有条件下潜在的问题和不足。 第二节车站通过能力利用研究的现状及问题 车站通过能力利用研究旨在确定车站的通过能力以及各种行车 量下车站设备的能力利用水平。能力的确定方法对计算结果有直接 影响，只有充分考虑各种影响因素及其复杂协调关系的方法才能确 定出符合实际的能力值，因此对能力计算方法的研究是车站通过能 力研究的关键所在。通过不断改进和完善计算方法，才能获得客观 地反映车站通过能力状况的各项指标，以便有效地规划车站的新建 和改建，指导车站的运输生产。 车站通过能力是固定设备、活动设备及组织管理有机结合的产 物，它的计算不仅要考虑各种运输设备的数量、时空配置、运营特 点以及生产过程的组织管理，而且要考虑各种变化条件下能力的可 现实性，即能力的利用以及运输工作质量要求有机结合起来的有效 能力：车站各设备的能力水平不仅取决于各设备间的相互作用、相 互制约的关系，而且取决于活动设备占用和腾空车站设备的频率、 延续时间和先后顺序关系等，因此它的计算带有不确定性和模糊 性。可见，建：立一种能够准确地确定出车站能力及车站设备能力利 用水平的方法并非易事。 在提出本论文的研究方法之前，有必要对目前采用的车站通过 能力利用研究方法进行认真分析，一方面可以了解车站通过能力利 用研究的现状的，另一方面有助于在此基础上提出改进方法。 目前车站通过能力利用研究采用的主要方法有三种：分析计算 法、图解计算法、计算机模拟法。下面简要予以介绍。 第一章绪论 分析计算法 国内外许多学者对分析计算法进行了大量研究，发表了大量的 论文、专著，提出了不少改进方法。大多数分析计算法是在首先确 定车站各设备的能力的基础上，根据各项设备中能力最薄弱的那项 设备的能力来确定车站通过能力，其重点在于如何计算单项设备的 通过能力，如咽喉通过能力、到发线通过能力等。不同类型的车站 具有不同的设备构成，因而能力计算的对象、方法也有所不同。 l 咽喉通过能力的计算 确定咽喉通过能力的核心问题是如何处理好平行进路和敌对进 路对咽喉占用的影响。对此国内外专家提出了许多解决办法，大致 可以分为两类： 一类方法是，计算整个咽喉区的能力利用率，以确定咽喉的通 过能力。采用该法的有前苏联k k 塔里教授和波兰铁道科学院等。 k k 塔里教授的主要理论依据是概率论，先确定各项作业占用咽喉 的概率及其时间，在此基础上确定咽喉区的利用率和通过能力，此 法的特点是各条进路均按同一个利用率计算能力并考虑了两条平行 进路与一条进路交叉时两条平行进路一昼夜平行作业的概率：波兰 铁道科学院也采用概率论，但与塔里教授方法不同的是它首先计算 了咽喉区各条进路的占用概率及时间负荷，然后确定各条进路的能 力利用率和咽喉区的通过能力，其计算结果较前法更接近实际；文 献 1 中介绍一种前苏联采用的确定咽喉负荷量的分析计算法，该 法通过咽喉结构分析，提出六种基本进路交叉类型，利用概率论方 法推导出每种类型平行进路列车运行的重合率及咽喉负荷量的计算 方法，此法虽然在一定程度上考虑了进路的相互配合，但只描述了 简单咽喉的特点，不适用于进路多的复杂咽喉；文献 2 认为既然 咽喉道岔占用之间的相互干扰对能力的影响难以确定，不妨从保证 运营的稳定性出发，根据实际情况给定一个容许的运行延误率( 表 鹕一章绪论 示各次占用请求发出时恰遇咽喉被占用的概率) ，再根据这个容许 延误率计算咽喉能够实现的通过能力，文中还讨论了延误率的确定 方法。 另一类方法则是，首先确定各咽喉道岔组的能力利用率，然 后按负荷最大的道岔组来确定咽喉的通过能力，所要解决的问题主 要集中在咽喉道岔组的妨碍时间和空费时间的计算上。采用这类方 法有前苏联h b 普拉夫金教授等。h b 普拉夫金教授引用了两个参 数( 咽喉区平行作业同时发生的系数和时间损失系数) 来扣除妨碍 时间和空费时间的影响，并给出了按不同平行进路数规定的参数 值；文献 3 的方法提出了关于咽喉道岔间接妨碍时间的计算方法， 根据咽喉区平行进路的不同，给出了不同的计算公式；文献 4 着 重对客运站的咽喉道岔通过能力计算进行分析，在它提出的能力利 用率的计算公式中运用了参数n ( 由于敌对进路造成咽喉道岔使 用的中断系数) ，并通过对若干个车站的咽喉道岔总负荷量进行计 算，运用一元线性回归找出了此参数的确定方法。 类似的咽喉通过能力的计算方法还有很多，总的思路方法都是 力争计算出比较符合实际的能力值。但这些方法大都孤立地研究车 站咽喉、孤立计算各道岔组的能力利用率，没有充分考虑咽喉道岔 组间的相互影响，未考虑车站进出站咽喉与到发线之间的联系，对 复杂的咽喉能力计算也没有找到较好的解决办法。 2 到发线通过能力的计算 铁运 1 9 9 1 1 6 号文件颁布的车站行车工作细则编制规则中 规定，到发线通过能力利用率按下式计算： 到发线通过能力 ，7 1 一钿 肛而证袁嚣习( 1 4 4 0 川一：f 闭) ( 1 一r 卒) ：旦 k 4 筘一章绪论 公式说明： t 到发线总占用时间 f 圈一一周定作业占用到发线总时间 i l l _ i = j 于办理车站技术作业的到发线数 r 空一到发线空费系数( f 空= 0 1 0 0 2 0 ) 该方法简单易行，但仅适用于车场的每条到发线都有独立进路 的情况，应用的前提是假设在车场配置图中大量采用了跨线桥，可 以完全消除由于列车进路的相互作用而引起的时间损失：另外，公 式中仅给出了空费系数的取值范围，具体系数值无法根据车站的类 型、车流特点、技术设备和作业条件等分别确定。文献 4 对客运 站到发线通过能力计算进行了研究，仔细分析了空费系数的影响因 素，并利用图解和回归经验公式进行确定。这种改进可提高计算结 果的可信度。 通过以上讨论，可以把分析计算法存在的问题归纳如下： 1 ) 孤立地计算车站各个部分能力，未充分考虑车站各项设备 在空间上的相互配置及在能力利用上的相互影响、相互制约的关 系，未将车站作为一个有机整体来进行能力计算，得到的车站最终 通过能力只是各单项设备能力的简单比较的产物，并非实际的综合 通过能力，得到的车站能力利用水平也难以真实反映车站的实际情 况： 2 ) 未充分考虑车流在时间分布上对通过能力所造成的损失。 分析计算法的一个重要前提是：假定计算周期内车流的分布是平 均的，但这是不符合车站作业的实际情况的： 3 ) 车站通过能力的计算是建立在通过能力利用率与车站作业 负荷度成线性关系的基础上的，但是，实际上随着负荷量的增加， 作业延误和妨碍时间会急剧增加，因而能力的利用系数与负荷是 非线性关系； 4 ) 作业占用时间采用固定的数值不符合车站作业的实际情 第一章绪论 况，将技术作业过程规定的时间标准化只适用于理想状态，实际 上占用时间呈离散型波动。尤其是等待时间的确定，采用解析法 存在很大局限性； 5 ) 由于区间运行图与车站技术作业过程不相协调，作业相互 交叉妨碍，及不可避免的空费等都将会导致能力损失。 二图解计算法 图解法是根据相邻区段的列车运行图、车站既有设备实况、到 发线固定使用方案以及列车技术作业过程等资料，用图解方式表示 出一昼夜或作业高峰期内各种列车、各项作业连续占用到发线、咽 喉的状况，然后将各项设备的占用时间加总，采用利用率计算法计 算各设备的通过能力。 图解计算法在很大程度上避免了分析计算法的本质缺点。计算 时考虑了车站各部分之间、车站与所衔接的进站线路间的配合关 系，可直观地表示出车站各部分的负荷量和设备占用时间等，但是， 图解计算法的计算结果只来源于作为计算基础用的某一种运行图， 在一定程度上它取决于编图的技巧，最大缺点是难以揭示各影响因 素间复杂的相互关系，而且仅获取一种关系模式就需要花费较多的 人力和对问。 图解计算法主要是供设计人员、车站、分局和路局工程技术人 员用来解决局部问题，如对小型车站、个别车场和咽喉进行能力计 算，以及在给定的技术作业过程和列车运行图的情况下，对车站的 薄弱环节进行验算等。 计算机模拟法是把整个车站各组成部分视为一个系统，建立车 站作业模型，编制模拟程序，利用计算机对车站的作业过程进行模 筘一章绪论 拟，得出车站各种作业占用各项设备的状况，通过模拟过程的统计 分析，得出有关设备的利用情况，计算出车站的通过能力。 计算机模拟法的优势在于它能够获得比分析计算法更加准确的 计算结果，又比图解计算法节省时间和手工劳动，并以被实践证明 对解决复杂系统的行为研究具有较好的灵活性和适应性，尤其适用 于对大型车站实际运营中某设备或技术作业过程进行各种计算和综 合研究。 六十年代初，前苏联专家就已经开始利用计算机模拟法研究车 站能力，我国专家学者也进行了有益的探索。文献 1 中介绍了前 苏联1 9 7 0 年编制的车站作业模拟程序，在此程序中采用进路框图 描述车站配置图，并给出了使用该图确定“平行进路”、“敌对进 路”及其它各种进路的方法，它为车站配置图的数学描述开辟了 新的途径。但在模拟过程中，列车的进路分配方案需事先由人工确 定，这样就降低了模拟的自动化程度，尚不能充分发挥出计算机模 拟法的优势。文献 5 中提出了采用计算机模拟法的基本原则和算 法，并分析了办理一次作业的必要和充分条件，为模拟法的发展奠 定了理论基础。文献 6 2 5 介绍了编组站技术作业过程模拟系统 的到达流描述方法、基本构成及各子模块的功能和处理流程等，为 以后对大型车站的模拟提供了有益的借鉴。 在对目前车站通过能力利用研究的各种方法进行研究和分析的 基础上，本文提出了一种充分考虑车站系统中各种因素及相互之间 复杂协调关系的车站通过能力模拟分析系统，在利用计算机模拟法 研究车站通过能力方面做了一些探索。 第一章车通过能力模拟分析系统设计思想 第二章车站通过能力模拟分析系统 设计思想 第一节车站遥过能力模拟分析法的提出 车站通过能力利用研究的复杂性在于能力的确定具有多元性、 不确定性和模糊性等特点，许多影响通过能力的因素( 如组织管理 水平) 难以量化，因此单纯利用解析方法研究车站通过能力利用问 题存在一定局现。 例如，通常指车站通过能力n 与车站的线路数量x 的函数关系 可表示为： n = x )( 1 ) 而实际上，n 的大小不仅与线路数目有关，还与线路“质量” y l 、线路的配置方案y 2 ，线路的使用方案y 3 等等有关，因此f 所 隐含的函数关系式应该是： n = y 1 ，y 2 ，y 3 ，)( 2 ) 解析法的局限就在于( 1 ) 式不能准确反映车站通过能力，而 ( 2 ) 式的函数关系又难以得出。 计算机模拟方法则不同，它不依赖于简单的某种函数关系，而 是通过对系统中各种组成元素的行为分析，来考察各个元素及他们 的组合对系统工效的影响，因此对于解决复杂系统的行为研究是相 当有效的。 本文的车站作业过程模拟分析系统法将车站看作一个有机整 体，在模拟系统中包括所有参加车站作业的相关元素，如车站配置 第一：章车通过能力模拟分析系统设计思想 图、列车运行图、列车编组计划、车站作业的组织方式、车站技术 作业过程及时间标准等，模拟车站作业的全过程。 利用车站通过能力模拟分析法，可以对以下几个方面进行研 究： 1 基于某个列车运行图方案进行模拟时，可以得出以下结果： 该方案是否存在交叉干扰：不同列车晚点水平下的交叉干扰及增加 晚点情况： 2 计算车站各设备的通过能力及整个车站的有效通过能力。所 谓有效通过能力是指车站在一个长时间内，按照规定的运输质量指 标而办理一定结构的列车流的能力。有效通过能力有助于指导车站 的运输生产组织，如果固定设备的实际负荷超过了有效通过能力， 则不能保证车站作业的质量指标的完成和运行图的稳定性： 3 车站通过能力模拟分析系统是进行车站能力利用研究的重要 工具。从中可以获得大量模拟数据，可以考察各种变化条件下能力 的可实现性和有效性( 如车流的结构及在时间分布的变化对车站作 业质量指标和能力的影响) 可确定加速技术作业过程某些环节可 能取得的效果： 4 可以反映出车站设备能力的匹配状况，准确寻找出车站的薄 弱环节，以制定加强能力的措施。 5 在设计模拟分析系统时，充分考虑了运行图与车站技术作业 过程的协调配合，因此，模拟分析系统能够辅助制定计划运行图方 案。例如在安排维修施工作业需改变列车运行线时，即可通过模拟 获得新的运行图方案，模拟系统对尽可能大的行车量下的某个运行 图方案进行模拟时，如果模拟通过，既说明该车站能够完成这一行 车量，此运行图方案与车站技术作业过程相适应：如果模拟失败， 可能是由于行车量超过车站通过能力，也说明此运行图方案与车站 技术作业过程不相适应。当某个随机生成的运行图方案模拟成功后 即可获得一个有效的运行图方案，为制定运行图提供参考。 总之，本文所提出的车站通过能力模拟分析法，是在对铁路运 9 第二章车通过能力模拟分析系统设计思想 输能力概念和理论总结的基础上，总结车站作业组织人员制定和实 施车站技术作业的实践经验，建立作业组织规则及相应的组织机制 和调整体制，通过对影响车站作业能力的设备因素、车流因素及组 织管理的复杂相互关系进行追踪，实现对车站设备利用和作业组织 的全方位模拟。采用的是系统工程、随机理论与计算机模拟技术相 结合的方法，综合利用了理论分析、思维分析及模拟数据分析。作 为探索，车站通过能力模拟分析法的建立为车站能力利用研究提供 了一种有效的工具。但由于车站作业过程十分复杂，影响因素很多， 模拟难度很大，本文提出的模拟方法还有待于进一步探讨和改进。 秦皇岛站是秦沈客运专线的起点站，目前是全路日均办理车数 最多的车站之一，其中绝大多数车流是通过车流。待秦沈线建成以 后，车流会大大增加，秦皇岛站通过能力能否适应未来秦沈客运专 线的运营需求，是我们研究的目的。区间通过能力提高后，车站通 过能力能否与之相适应，也是我们要分析的问题之一。 秦皇岛站作为三大干线( 含在建的秦沈线) 的交汇点，主要衔 接四个方向，各个方向的区间通过能力、预期行车量不同。而由于 车站的站场结构及车流中变向列车( 即变更列车运行方向，如：京 秦线列车上京山线、京山线列车上秦沈线等) 的存在，使得上行或 下行方向的列车运行在进出车站过程中可能产生相互干扰和相互影 响。而理论计算方法由于存在前述缺点，不能全面地反映这些新问 题。 车站通过能力模拟分析系统总体设计思路的特点是： 1 ) 模拟分析系统应能够适应车站不同的行车量和列车运行晚点 率水平，按照规定的行车组织办法及行车组织水平，比较客观地模 拟现实运营过程。 2 ) 采用计算机模拟方法对各个方向多个不同行车量方案进行检 验。逐渐增加行车量，即增加到达列车流，车站的通过能力会逐渐 达到饱和，若再继续增加到达流，交叉干扰将会增加，作业延误就 1 0 第一章 车通过能力模拟分析系统设计思想 会增加，而系统的输出流可能不再增加。模拟通过逐步逼近并获得 车站的通过能力。若到达流存在随机晚点情况，那么产生交叉干扰 的机会会增大，输出流的晚点率可能增加，那么，我t f f l b 接受的晚 点率条件下的最大行车量，就可确定为车站的通过能力。 第二节车站技术作业过程的特征分析 作为铁路基层生产单位的车站的运输生产活动，是在高层管理 的生产计划和集中统一指挥下完成的。列车编组计划是车站解体和 编组列车的基本依据，列车运行图是车站与路网、车站内部各有关 部门工种间协调配合，组织运输生产的综合计划。车站根据列车编 组计划和列车运行图，结合本站具体设备配置特点，制定的车站技 术作业过程，其中规定了各项作业的接续关系、设备的占用关系和 作业时间标准，作为指导车站的日常作业的准则。因此，列车编组 计划、列车运行图和车站技术作业过程是对车站运输生产进行调控 和管理的主要手段，体现铁路运输生产集中统一、追求稳定、节律 有序的特点。 铁路运输系统是一个开放性的时变系统，环境的变动所带来的 随机干扰随时都在影响和改变着实际生产中的每一个具体的作业过 程，因此，车站运输生产中的随机干扰是经常发生和不可避免。车 站作业过程，实际上是在列车编组计划、列车运行图及车站技术作 业过程的控制下的一种有控随机过程。 车站的每一个单项作业主要由作业内容、空间因素( 设备占 用) 、时间因素( 起止时间) 及人的因素( 作业组织者和执行者) 构成。 作业内容规定了该项作业与其他作业时间接续关系，这种接续 关系既反映作业之间的有机联系，例如作业时间上的先后顺序、在 线路和股道的接续、机车运用的接续、车底运用的接续等，又反映 了作业过程的后效性，即某项作业完成后效地影响它的下一个后继 第一章车通过能力模拟分析系统设计思想 作业，这种后效性反映在前一个作业的延误必然要推迟下一个作业 的正常开始时间。单项作业的设备占用有两种情况：静态占用与动 态占用，前者如列车在到发线上进行到达技术作业，后者如接发列 车和调车作业在进路上的移动。 设备的空间占用有一个最重要的特点，就是活动设备对固定设 备的独占性和排他性，即在同一时刻同一设备只能由某一项作业独 占，而不能与其它若干作业共享。与此同时，一个作业直接占用某 些设备或设备组合的同时，可能要限制或影响其它相关设备被其它 作业同时占用，这种间接影响称为妨碍占用，是车站能力利用中的 重要特点。 作业的起讫时间反映该项作业在对设备占用的延续时间。作业 的起讫时间一般分为两个部分：作业时间及等待时间，前者是作业 过程的必要的有效的生产时间，其标准由车站技术作业过程规定， 但由于实际情况不同，完成作业的时间不一定严格遵守标准时间， 而是在标准时间左右波动。后者则是由于环境干扰和作业队列拥挤 产生的排队等待所消耗的时间确定的，是不可避免的，因此，等待 时间也应是作业生产时间的一部分。总之，一昼夜所有作业的起讫 时间反映设备的能力利用状况。这里需要讨论一下空费时间的概 念。所谓空费时间，是指一昼夜中设备可能存在的最小的不能被利 用的时间。空费时间的确定带有一定的理想化。实际上，设备除被 占用外( 包括实际占用与妨碍占用) ，其余时间均处于闲置状态， 其最小闲置时间本身就是一个模糊的、不确定性的数值，它的逼近 可以通过对具体设备和系统元素进行大量模拟实验来获得。 作业过程中人的因素是使最活跃的因素，作业人员既可以在可 能的范围内选择对设备在占用，又可以在保证作业安全和组织规则 的前提下，加速作业的时间进程，用比标准时间更少的时间来完成 作业，消除列车延误的影响，还可以根据车流及其设备条件，尽可 能组织平行作业和临时改变作业顺序来缓解由于车流密集到发所造 成的作业困难。 第二章车通过能力模拟分析系统设计思想 整个车站作业组织过程始终贯穿着统筹兼顾、合理安排、协调 配合的思想，所以，把车站作业组织中的专家知识和经验进行概括 和总结是优化车站作业组织的重要一环。 通过上述分析，可以概括出车站技术作业过程具有以下特征： 1 ) 车站技术作业过程是一种多元化、多约束条件的复杂的过 程，涉及列车运行图、列车编组计划、车站设备的数量及配置、车 站作业人员、作业组织规则等因素。 2 ) 车站技术作业过程是随机可控过程，包含可控与不可控因 素。可控因素是指那些车站作业人员根据作业的需要在一定程度上 可以进行调控的因素，如各项作业的进路、调车作业的时间、机车 出入段时间等：不可控因素是指那些在一定时间内不以车站作业人 员意志为转移的因素，如列车运行图、列车编组计划、车站各种设 备的数量及配置以及类似列车到达延误等随机因素等。 3 ) 车站技术作业过程的性质、内容主要由车站的性质及在路 网上的性质决定。区段站和编组站、客运站和货运站，由于车站性 质的不同，它们的车站技术作业过程也不相同。 4 ) 车站技术作业过程是整个铁路运输组织过程的重要组成部 分，既有相对独立和灵活性，又必须服从全局的统一指挥。 5 ) 车站作业人员的素质及其作业组织水平的高低对车站技术 作业过程完成的质量好坏有很大的影响，作业的组织管理是车站技 术作业过程形成的关键所在。 车站技术作业过程是在车站作业的组织过程中形成的。本模拟 系统试图通过模拟车站作业的组织来达到模拟车站技术作业的目 的。即让计算机充当车站调度员的角色，根据列车编组计划提供的 有关车流的构成、数量及类型，列车运行图提供的有关车流的时间、 方式、性质，以及车站固定设备配置、活动设备配置状况，车站技 术作业时间标准的等信息，是按照车站作业的组织规则来安排接车 股道、线路，发车进路，机车出入段的时间、进路，调车作业的时 间、进路等，组织完成车站作业过程，保证列车运行图的实现。 第一帝车通过能力模拟分析系统设计思想 它是通过建立以约束条件、状态方程，按照时间或事件的推移 来考察列车在系统中状态的转移来进行过程模拟，形成事件依时间 顺序排列的序列，即过程。这种模拟方法能实时地反映出到发线和 咽喉状态的变化，客观地对车站进行从车站配置图到作业组织方法 的全方位模拟。 车站作业以2 4 4 , 时为周期循环往复，但本模拟系统的模拟周期 可以取2 4 d , 时，也可以取多日，以便取多日模拟结果的均值。同时， 多工作日模拟也可反映车站作业的连续性和不均衡性。 第三节秦皇岛站及相邻线路概况 1 秦皇岛站概况 秦皇岛站位于河北省秦皇岛市北侧，依邻对外经济开发区，上 行方向是京山线、京秦线汇合点，下行方向是京山线、秦沈客运专 线的汇合点。上行方向衔接京山线，西邻南大寺站；京秦线，西邻 义h 寨站。下行方向衔接京山线，东邻龙家营站；秦沈客运专线( 建 寮秦 露山 曩山 囊寨 图2 - 3 1 秦皇岛站站场示意图 1 4 = m t l 正下 i | 谴上 囊山上 第一章车通过能力模拟分析系统设计思想 设中) ，东邻山海关站。 按技术性质为中间站，按业务性质分为客货运站。等级为一等 站。车站配置为通过式车站。联锁设备为6 5 0 2 电器集中，闭塞设 备为自动闭塞。秦皇岛站站场示意图如图2 3 1 所示。 表2 - 3 一l 秦皇岛站运量 客运量( 1 9 9 2 年日均) 旅客人数行包件数 发送 直通管内 到达中转发送到达 1 2 3 45 0 6 8 11 0 3 5 42 9 81 6 9 83 2 8 3 货运量( 1 9 9 2 年日均) 发送吨1 4 9 3 2 t使用车数装车数2 5 7 2 5 7 到达吨1 9 2 8 5 t卸空车数卸车数3 4 3 3 4 3 2 秦沈客运专线概况 秦沈客运专线是为缓解既有沈山干线运能紧张而修建的。全长 4 0 4 6 4 k m ，双线电气化铁路。西起秦皇岛，经由山海关客站，东至 沈阳北站，新建绥中北站、葫芦岛北站等6 个中间站，预留兴城西 站、凌海站等6 个车站。枢纽内最小曲线4 0 0 m ，山海关至沈阳枢 纽外最小曲线3 5 0 0 m ( 困难地段3 0 0 0 m ) ，限制坡度1 2 0 。到发线 有效长6 5 0 m 。设计由s s 8 牵日1 。预计2 0 0 2 年底完工，投入运营。 秦沈客运专线在秦山地区经山海关站内，引入秦皇岛站，与 既有京秦线、京山线、大秦线相连。因而需要对山海关站改造，计 划秦皇岛站下行咽喉不做改造工程，而是秦沈客运专线在区间引 入。变更到发线的使用方法。 秦沈客运专线自秦皇岛站外，利用既有京山线至d k 4 0 9 + 8 7 6 第二章车通过能力模拟分析系统改计思想 后，新建双线在龙家营北侧经过中疏解区至山海关站。京山下行正 线与秦皇岛至秦东下行线共线自秦皇岛站引出，至秦龙下行线路所 后，新建京山下行线至龙家营站前与既有京山下行线接通。京山上 行线与秦东至秦皇岛上行线共线自秦皇岛站引出，至秦龙上行线路 所分开，新建京山上行线至龙家营站前与既有京山线接通。形成秦 沈上、下行线在山海关站北侧，京山线在南侧分线运行。如图2 3 2 所示。 图2 - 3 2 秦皇岛站位置示意图 3 秦皇岛站车流特点 规划京山线、京秦线客货列车混线运行，秦沈线承担直通旅客 列车运输，京山线秦皇岛一山海关间、沈山线除承担发往沟海、大 郑等支线的客流运输任务以及全部货物列车的运输任务外，还承担 地方客流运输任务，两线基本实行客货分线运输。 秦皇岛衔接京山线上下行、京秦线、秦沈线四个主要方向， 以及大秦线、秦东两个次要方向。因此，秦皇岛站的到发列车数量 较大，而这些车流又以通过流为主。同时，由于秦沈线与京山线下 6 第二章车通过能力模拟分析系统设计思想 行方向( 衔接沈山线) 的分工，出现列车变更运行方向。可能存在 交叉干扰。而上行方向又存在少量的始发终到客车流量。根据铁三 院预测 7 ，2 0 0 5 年与2 0 1 0 年的行车量如下表2 3 2 ： 表2 - 3 2 预测秦皇岛站客运列车行车量( 对) 方向 缸芋量 义h 寨南大寺 合计 方向、 ( 京秦线)( 京山线) 山海关( 秦沈线)2 1 ；2 6 2 8 ：3 5 4 9 ；5 1 龙家营( 京山线)2 ；33 ；35 ；6 秦皇岛2 ；21 1 ：1 41 3 ：1 6 合计2 5 ：3 14 2 ；4 26 7 ；7 3 注：1a ：b - a 为2 0 0 5 年旅客列车对数 b 为2 0 1 0 年旅客列车对数。 2 各方向列车成对运行。 4 秦皇岛站相邻区间线路能力 根据秦山地区各线运输组织分工：大秦线发往三四期码头、绥 中电厂、出关的列车由秦皇岛北站经柳村发往目的地：发往秦东秦 南列车，经大秦线转京秦联络线，发往秦东秦南：京秦发往山海关、 出关列车经秦皇岛一龙家营一山海关运行，并有部分竟秦皇岛发往秦 东秦南；京山线列车经秦皇岛一龙家营一山海关运行，并有部分列车 经秦皇岛发往秦东秦南；京山线列车经南大寺、秦皇岛一龙家营一山 海关直通旅客运输及大量的地方客货运输任务，通过能力已经饱 和，利用率均在8 5 以上。预测该线最大客货运量：2 0 0 5 年为5 0 对客车，5 4 2 0 3 3 5 0 1 0 4t 货运量；2 0 1 0 年5 3 对客车，5 8 0 0 3 8 2 0 1 0 4 t 货运量。而京秦线现行为电力牵引，牵引定数为4 0 0 0 t ， 主要承担北京以远至山海关( 秦皇岛) 直通货运和部分客运任务及 不大的地方客货运输任务，追踪间隔为1 0 m i n ，能力尚有富余。根 第一带车通过能力模拟分析系统设计思想 - ，一。- _ 一 据经济运量预测：该线2 0 0 5 年1 9 对客车，4 5 6 0 5 1 5 0 l o 4 t 货运 量；2 0 1 0 年3 l 对客车，4 5 0 9 0 5 8 2 0 1 0 4 t 货运量。设计年度考虑 京山线适当改造，采用大马力机车，列车追踪间隔压缩到7 m i n ， 货物列车牵引定数提高到5 0 0 0 t ，同时对京秦线亦略加改造，并将 列车追踪间隔压缩到7 m i n ，牵引定数提高到5 0 0 0 t ，两线能力均有 提高，同时合理组织客货流经路，充分发挥京秦线能力，使京山京 秦两线能力均衡利用，这样能力适应至2 0 1 0 年以后，见表2 3 3 及表2 3 4 ： 表2 - 3 - 3秦皇岛站邻接线路情况表 线正 牵引类型机车类型牵引定数 晟小 路线闭塞 等数 曲线 方式 级目 现行设计现行设计现行设计 半径 京秦线 l积 电力电力s s 4s s 4 4 0 0 05 0 0 08 0 0 自动 京山线1 、双内燃电力d f 45 s 44 0 0 05 0 0 04 6 0自动 秦沈线 l双 电力s s 8s s 48 6 05 0 0 03 5 0 0自动 注：在建线路 表2 - 3 4 京山线京秦线秦沈线能力分析表 八 客 客车摘挂摘挂 货车 需要通过 能力能力t 船 车 扣除列车扣除 对数西对 系数对数系数 n 需n 通 别年趴 数 尿 2 0 0 54 72 。223 o4 81 8 21 8 8 山 2 223o5 21 8 71 8 82 0 1 04 7 2 0 0 5 1 026 23 04 71 3 01 8 8 尿 1 2 28 丰 秦 1 52 5 2 0 1 023 o5 21 7 81 8 8 2 1 2 8 木 秦 2 0 0 55 31 88 01 8 2 沈 2 0 1 06 51 59 81 8 2 注：$ 为快速列车 第二章车通过能力模拟分析系统设计思想 5 秦皇岛站列车运行交叉干扰形式 当同时有两列车需要使用两相互敌对或交叉的运行进路时，很 显然只能有一列车可以立即运行，而另一列车则必须等待，从而使 这- - y i j 车的运行受到了干扰，这种干扰称为交叉干扰。 虽然秦皇岛站上下行方向均有立交疏解，但是存在京山线、京 秦线客运列车上下秦沈线，京秦线列车上下京山线等列车进路，因 此，秦皇岛站有大量的列车变更运行方向；如果两列车同时要求同 一进路或进路有共同部分或两进路互为妨碍，就会产生列车运行干 1 同方向不i n 线别两，0 车同时要求通过车站，如； 义i - 寨( 京秦线)龙家营( 京山线) 南人寺( 京山线)秦皇岛站山海关( 秦沈线) 2 同方向不同线别两列车同时要求到达或通过车站，如： 义h 寨( 京秦线)龙家营( 京山线) 南大寺( 京山线)秦皇岛站 3 不同方向不同线别两列车同时要求到达或通过车站，如； 义h 寨( 京秦线)龙家营( 京山线) 南大寺( 京山线)秦皇岛站 4 同方向不i n 线别两列车同时要求通过车站或进入同一线别，如； 三三罗 图2 3 4秦皇岛站列车运行交义干扰示意图 第二章车通过能力模拟分析系统设计思想 扰，虽然这些干扰可以通过提高运行图编制质量得以避免，但由于 增加行车量的需要与存在列车运行晚点等原因，秦皇岛站存在行车 干扰问题是不可避免的。 秦皇岛站列车运行交叉干扰形式有十四种，主要是同方向运行 列车之间的干扰，而且由于始发与终到客运列车一般停靠基本站台 和车底转线入库的需要，终到列车受到的干扰可能较多。 其中下行方向列车在秦皇岛站运行交叉干扰形式简要示意如图 2 3 4 所示。 第四节设计模拟分析系统考虑的问题 1 系统的边界 秦皇岛站西端衔接京山线、京秦线、大秦线，东端衔接秦沈线、 京山线，由于大秦线货物列车主要是经由秦皇北岛站进入煤港，与 秦皇岛站内列车运行干扰基本无关，因此秦皇岛北站不作考虑，大 秦线经汤河桥线路所进出秦皇岛站的车流考虑在内( 简化为按京秦 线车流计算) 。京山线秦龙间与京秦线秦皇岛至秦东间车流在秦东 线路所分开，故在秦皇岛站合并计算。其它线路及其作业不作考虑。 2 各线列车运行方案 秦沈线运行1 6 0 k m h 和2 0 0 k m h 两种客运列车，京山线秦皇岛 以西运行2 0 0 k m h 、1 6 0 k m h 、1 2 0 k m h 客运列车和普通货物列车， 京山线秦皇岛以东运行1 2 0 k m h 客运列车和普通货物列车，京秦线 运行2 0 0 k m h 、1 6 0 k m h 、1 2 0 k m h 客运列车和普通货物列车，大秦 线运行1 2 0 k m h 客运列车和普通货运列车。各线列车运行方案体现 在列车运行时刻表中列车等级、列车运行时分不同，以便决定列车 第一章车通过能力模拟分析系统设计思想 的会让、越行和待避等的次序。 3 列车运行交叉干扰的处理原则 模拟分析系统处理交叉干扰时，按照以下原则进行调整、安排 接发列车等作业顺序与进路：尽量接近现场实际，最大可能地采用 平行进路疏解交叉，接车照顾发车，旅客列车优先，正点列车优先， 高等级列车优先，列车到达( 进站) 优先于出发( 出站) ，列车运 行优先于调车作业。 4 模拟系统的设计原则 为充分、系统地反映影响车站通过能力的各种因素，客观地模 拟车站作业组织过程，计算出比较准确的车站通过能力，模拟系统 设计遵循以下几项原则： 1 ) 客观性 模拟结果的精度取决于对车站及所作业过程和各个系统元素进 行研究的详细程度。在进行系统设计时，采用实际的车站配置图( 车 流资料可以是现行的，也可以根据模拟需要产生) ，遵守适合于该 车站的组织作业规则，力求反映作业过程的实际，以保证模拟结果 的可靠性。 2 ) 系统性 车站是一个由若干子系统组成的复杂系统，比如到发线子系 统、咽喉道岔子系统、机务段子系统、货场子系统及客车整备子系 统等等。本模拟系统是依据系统理论，通过模拟列车从到达至出发 的全过程以及在这个过程中各个子系统对作业过程的影响及其状态 变化，在不割裂系统关联性的同时，在较大范围内考察系统整体行 为特征，研究各子系统间的动态联系和相互作用。 3 ) 科学性 第二章车通过能力模拟分析系统设计思想 模拟系统的设计充分利用计算机模拟方法的特点和优势，科 学、合理地模拟车站设备、车流特点、作业制度以及作业组织过程。 4 ) 实用性 本系统以秦皇岛站为原型设计。在设计中力求实用，充分考虑 秦皇岛站的特点，可为分析秦皇岛站能力利用现状及扩能方案提供 有价值的参考方法及建议。 5 ) 可扩充性 模拟系统设计采用了层次化、模块化结构，可以随车站配置和 功能的调整和扩充而重组。 笫三章车站通过能力模拟分析系统的实现 第三章车站通过能力模拟分析系统的实现 第一节模拟模型 分析车站作业过程可知列车运行与调车作业可以抽象为各自相 互独立的离散事件过程。如：列车通过车站可以表述为列车在某一 时刻开始通过车站，持续一定时间，然后离开车站。其中包含的作 业有准备进路、开放信号、列车通过走行等等。因此，列车运行与 调车作业等活动可用事件来表述。 车站的各项固定设备( 道岔、到发线、牵出线、机走线等等) 因列车运行或调车作业而随时改变状态，即占用状态或空闲状态， 用占用的开始与结束时刻来表示。 因此，根据离散事件系统的规范 9 建立车站模拟分析系统所 建立的模型，主要有三个方面： 1 活动事件主体即移动设备及其状态( 输入变量) 活动事件主体主要包括客货列车、本务机车、调车机车等。其 中各自状态分别为： 客货列车( i ，t ) = 区间运行，机外停车，进站( 到达( 或终到) 或通过) ，停留，出站( 出发或始发) ) 本务机车( i ，t ) = f 列车( i ，t ) ，停