（系统工程专业论文）高速动车组下线运行合理范围的研究.pdf

摘要 摘。要 我国自上世纪8 0 年代末开始研究高速铁路建设问题，并以京沪 线为蓠选基标进行了初步可行性研究。在运输组织模式的探讨中，专 家通j 遘分析高速铁路的特点和我国既肖铁路的现状，褥出京沪高速铁 路建成初期采用“以高为主、离中有中”的运输组织模式，后期逐步过 渡到纯高速的运输组织模式。这在当时我国瓯有铁路线路等缀普遍较 低、黼速动车组造价蹄贵的实际情况下，这无疑是一种比较现实的选 择。 随着近十几年来我国经济和科技的不断进步，人民生活水平的逐 步撵离，篌褥瀣行需求更为多元纯，帮分旅客瓣窭嚣鹣茯捷、舒适等 性能提出了更高的要求；另外，原本制约高速动车组下线运行的路网 环：瓷鞠离磊静葫车缓成本等酶碍，氇璇着我嚣铁路事熊耱飞逮发震舔 大大弱化。因此，进一步开展对高速铁路多种运输组织模式的研究分 辑变终卡分毖要蟊遥韬，论文瓣磅究裁是在这一骛景下开震懿。 论文首先对京沪商速铁路影响区域的客流特点进行了分析，对比 了铁路运输金嫂可采臻戆3 秘跨线窖渡运输缎织方案，麸毫逮客运专 线长远发展的角度阐明了高速动车组下线运行模式所黩有的优势。 通过分据我国既肖线与嵩速铁路的不同运营特点，论文对德合下 线动车组开行的既有线技术条件提出了相关建议。并猩技术环境满足 的基磁上，对高速动车组下线的一系列限制因索，如众业投资回收、 旅客支付能力、动车缀整备梭修、衔接线路的实际线路条件等做以定 性分柝。然后从旅客和企业两个角度出发，探讨高速动车组下线开行 的经济效益和社会效蘸，对院中速上线、高速下线和高速换乘遥3 种 跨线客流运输组织方絮，建立确定高速动车组下线合理范围的双层规 翔模型。 最后，以v i s u a lb a s i c 语言编制模型求解程序，得到了高速动车 缝静下线合瑾范围，缡舍京沪篱速铰潞影嫡送壤豹实舔情嚣，彳罨妥不 同区段高速动车组下线开行的具体方案。 关键运：篱逮魂车缝下线；双层麓鲻；灵敏度分援 a b s 锄c a b s t r a c t l | ss 鑫e e | 魏e 强do f 王9 8 瓠。珏f 珏m f y 蠡叠sb o 辫珏| o 瓣s e 戚| 瓣l s s 珏eo f h i g h s p e e dr a i l w a va n dt a k e nt h eb e i ! i 王n 鼢s h a n 曲a il i n ea st h es e l e c t e c l t a r 卫e tt oc a n vt h r o u 柚t h ep r e f e a s i b i l i t vs t u dv w h e ns e l e c t 协gt h e t r a n s p o n a l i o no r 空a n i z a t i o np a t t e m ，e x p e n sr e a c h e dac o n c l 璐i o n 如f o u 憩 a n a l v z 涵窖攮es p e c l a l i l l e so f 壕eh l 瞳- s 聱o e d 涮1 w a ￥a 1 堪氇ea c 瓣嬲押o f 壤e e x i s t i n gl i n e s t h e0 0 n d u s i o ni 8t h a ti nm ee a d vv e a r st h ep a t t e 抛i s “h i g l l s p e e dt r a i n sa r cc h i e fw i t hs e v e f a lm e d i u m s p e e dt r a i n s ”a n dl a t e ri s “h i 曲一s p e 嬲l 穗i n sa o u n | f o r 越l ”。曩l i sp a t l e mh a sal 觚区s he 纸c lo b 也e h i g h s p e e d 糟i l w a y 妇n s p o n a 蛀o no f g a 珏耋z a l 耋o n 琢娃t a 蔽n gt h ea d u a 珏t y i n t oa c c o u n t ，t h a tt h ec o n d i t i o no ft h ee x i s t i n gl i i l e sa r e 口0 0 ra i l dt h e h i 曲s p e e dt f a i ni sv e r ye x p c n s i v e ，t h i si sar e a l i s t i cc h o i c e u n d c rt l l i s p a l e 芏珏，攮oh i i 蠹臻i l w a ye a 珏e x e ni 拓枉利嬲ca b i l i l y 纯芏耋基e s t 蠢l 酶珏硅氇e h i 曲- s p e e dt f a i n sa f en o te n o u 醢i nt h ee a 娃yt i m e 1 w 1 t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r v se c o n o m va n ds c i e n c ea n d l e c h n o l o g v ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r cn e c c s s a r v8 赫dl l r g e n tt os t u d v f a 狂s f | 采i o 拄o f 瓣i z 藤泌鑫氆o d oo f 氇oo | 萎l 强eh i 馥* s 辩e dt f a 攮溉。蠡e h a n d ，t h e 辑r o w t ho ft h el i v i n gs t a n d a r dm a k e sp o o p l e st r a v e ld e m a n d s d i v e r s i f o m l 。m o r ea n dm o r ep e o p l el o d g el l i g l l e rd a i mo nt h es e r v i c eo f 也e 难i l w av s u c ha sq u i c k e fa n dm o r ec o m f o n a b l c 。0 撞m eo t h e rh a n d ，o n r 0 0 娃氆f v s 粕1 w a vh 鑫sa l s oa 融鑫n c e dv e f vq u i e 警l v 瓤f e e o 珏ll ov 潲。 t i l r o u g i lt h ea l t e r a t i o n so ft h ee ) 【i s t i n 蕺l i n e s ，t h od r a w b a c k sw h i c h r e s t r i c t e dt h eh i 曲一s p o e dt r a i nm o v e do f fl i n eh a v ew o mo 正m e a n w l l i l e ， b e c a u s c 谯ei 珏v 髂辔冀t o 拄o fo u r u m w so w nh i 砖- s p e e d 舡面n 嚣d v a n o e s q h c 醢v ，场o s to f t h et f a 主nd e p 辩s s e s 矗1 0 1 1 m ep a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ef c a t u r e so ft h ep a s s e n g e r si nt h e b e 题i n g s h a n g h a ih i 曲幅p e e dr a j l w a yi i l n u e n c e 瑚g c ，a n dt h e n n t r a s t s l 搪e ea v a i l a b l e 拄a | l s p o 娃a 耋主。珏o f p 蚓z a 钿珏 p a t l e f n s 壬b fo v 材 l i n e p a s s e n g 掰sa 鼍| h ee n d ，d a 矗蠡e s h ea d v a n t a g e so f 量h eo f f l i f l e 重l i g h s p e e d t r a i nt r a n s p o n a t i o no 鞭辑n i z a t i o nm o d ef o rt h el o n g r a n g ed e v e l o p m e n to f t h eh i g h - s p e e dr a i l w a 弘 熟eo l l i 魏e 矗i g 蠡- s 争o o d 妇i 魏 糟鑫s 筘o r 瞧| 赫珏o | g 蓬鼓 z 撼醴b o 曲 氧 j n 矗u e n c c db vm a n vf a c t o f s ，s u c ha sr e c l a i mo fi n v e s t m e n t ，n a s s c n g e f s p a v m e n ta b i l i t v ，s e t t l ea n dr e p a i ro ft h et r a i n c o n d i t i o no ft h ee x i s t i n gl i n e s oi ti sn e c e s s 舡v od e e p l vs l u d vn l es c o p eo ft h er e a s o n a b l oo f _ l i n e d i s 鼍a n c ea 藤氇e 班i e ef o f 氇ep 矗s 辩珏g e f s | a 瓤n 鐾氇e 拄a i 藏。 1 m r o u 曲a n a l v z i n gt h ed i f f e r e i i tb e t w e e nt h eo p e 豫t i o ns 口e c i a l i t i e so ft h e h i 曲- s p e e dr a i l w a ya n dm ee x i s t i n gl i n e s ，t h ep a p e rb d n g su ps e v e r a l s u g g e s t i o n so i l 也ee x i s 垃b gl i 珏e so nw h 妊| hl h eh i g h s p e e dt r a i nw i l ll f a v e l 。 f f o mt h ev i e w so f 攮ep a s s e n 冀e f sa 珏de n t e r p s e ，o o n | r l s l j n 窭谯e 睡r e e o r e a n i z a t i o np a t t e m s ，t h ep a p e fr e s e a f c h e st h ee c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a l j e 哀交遵大学顼学使论文 p r o f i t ，锄dt h e nb u i l d sa b i l e v e lp r o g r a m m i n gt oc o n f i r mt h es c o p eo ft h e r c a s o n a b l eo 承l i n ed i s l a n c e 。 飘l e 辫p e r 鹊e sv i s 珏狂a s i c 考op f o g 灌拄t os o l v e 氇el s s 驻岛a n d 鑫。c 0 罐i n g t ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no ft h e b e 玎i n g - s h a n g h a ih i g h - s p e e dr a i l w a y i l l n u e n c er a n g c ，r e a c h e st l l eu l t i m a t e n c l u s i o no ft h es 0 0 p eo ft h e f e a s o 珏a b l eo | l i n ed i s t 簌巍c e ， k c p r d s o 雕l i n eh i g l l s p e e dt r a nb i - l 州e lp r o 酽a m m i n g s e n s i t i v j t ya n a l y s i s 鞋 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 关于我国高速铁路的运输组织模式，在上世纪8 0 年代后期，以 拟建京沪轮轨高速铁路为背景进行了系统的研究。针对京沪线跨线客 流较大这一特点，提出了京沪高速铁路建成初期采用“以高为主、高 中有中”的运输组织模式，后期逐步过渡到纯高速的运输组织模式。 这种模式在当时我国既有线运行环境差、高速动车组造价昂贵的条件 局限下，是一种比较现实的选择。 然而，这种运输组织模式的缺点也相当明显，例如对中速列车的 车辆条件要求较高、对高速铁路线路养护不利以及行车组织工作复杂 等。而且从现今世界高速铁路发展的潮流来看，一般将高速铁路作为 开放系统纳入整个铁路旅客运输系统和综合交通运输系统中。如果京 沪高速铁路在后期采用封闭式的纯高速运输组织模式的话，那么无疑 将高速铁路人为地孤立于路网体系之外，不利于高速铁路的发展。当 年的研究指出，限制高速动车组下线运行有两个主要原因：首先，与 京沪线相连的既有线线路条件差，且均为非电气化铁路，这些铁路线 不具备高速动车组下线运行的硬件环境；其次，高速动车组造价昂贵， 若采用高速动车组下线运行模式，将会大大增加高速动车组的运用数 量，投资巨大，经济上不合理。 随着最近十多年来我国铁路事业的飞速发展，我国铁路运行环境 有了大幅度的改善、运输组织水平有了相当程度的提高。尤其是在铁 路跨越式发展战略的推动下，我国的铁路客运正全面向高速化迈进。 到目前为止，我国铁路己先后进行了5 次大提速，并筹划在2 0 0 6 年 1 0 月1 日进行第6 次大提速。从现在的情况看，在铁路提速改造的影 响下，与未来京沪高速铁路相连的既有线线路条件得到了极大的改 靶豪交遥大孥硬学位论文 善，线路运营体系的技术装备和旅客列车速度有了明鼹提高。同时， 在铁路快速客运网络建设和发展规划指导下，秦沈客逡专线建成、哈 大和京秦电气化构成了连接华北秘东北的快速客运干线；与京沪线相 连豹葭济线、溅海线囊沪菝、溪赣绫瓣毫气诧改造氇纛惫惹开震送行； 铁道部2 0 2 0 年铁路中长赣发展蕊矧，己将京沪高速铁路帮京广、京 哈、陇海、沪汉蓉等客运专线纳入客运专线网络体系。因此，我国高 速铁路建设和落营的技术条件和环境条件已经有了较大的进步，高速 动车组下线运行的硬件条件已经成熟。 另一方瑟，我国在裹逮动车缀鹣磺发王终上氇取褥了缀大熬进 步，高速动率缀遁产纯成灸可髓。我国自行研制静“审肇之星，动车缝 在测试过程中，最高时速达到了3 2 1 5 k m 。同时我国也通过技术引进 来促进高速动车组的国产化。根据最近与德国西门予公司签订的合 同，我国将向髑门子公司购买6 0 列最高髓速可达3 0 0 烛胁的高速列 车，蓄挺3 列列车耱一些重要都绺程疆门子公司生产，葵余列车将在 串国j 车集鬻疆蠡撬车车辆厂生产。在壹接麴买国终胬遴舞车静基穑 上取得列车和部件生产的技术支持和技术转让，这一攒施必将加快我 国高速动车组的研发工作，促进高速动车组国产化的步伐。高速动车 组制造成本的降低，使锝制约高速幼车组下线运行的成本问题大大弱 讫。 在这耱溃溅拳，臻究毫速动露缀下线运行熬台理魏获下线运霉瓣 合理范围就e l 菔必要和紧追，论文就是在这一背景下袋w 开的。论文良 拟建的京沪高速铁路为背景，从用户和企业两个角度进行研究，通过 分析旅客和众北两者的收益得到高速动车组下线运行的合理范围。 l 。2 国外离速铁路跨线列车弹行现状分析 ( 1 ) 法国运行情况 法国和德圈是目前欧洲高速铁路运营成功的典型。法国的t g v 模式是采用的高速动车组下既有线逡彳亍的组织模式。遇过高速铁路新 线与既有铁路路网兼容，可以使t g v 高速动车组利用既有线到达更 多的边远城市，提高高速动车组的通达性。1 1 g v 高速动车组下高速线 后，以既有线允许的速度( 通常为1 6 0 _ _ 2 2 0 k m h ) 继续前行到达离新 线终点站几百公里的城市和地区。例如，东南线加延伸线的高速区段 长度为5 6 5 k m ，但通往法国南部的高速通行网络却达到3 2 1 5 k m ；大 西洋新线长度为2 8 2 k m ，通往西部和西南部的通行网络达2 4 4 0 k m 。 至2 0 0 1 年法国已拥有的高速新线为1 5 7 6 k m ，但高速动车组的通达里 程已达到5 8 0 0 k m ，这个联结1 3 6 个车站、通行高速动车组的网络， 既有铁路占了大部分，同时该网络的形成，使法国每日发车4 0 0 列高 速动车组完成的客运量达到法铁全部客运量的一半。 ( 2 ) 德国运行情况 德国的高速铁路在路网中起着主要通道的作用，高速列车可在既 有线运行。德国新建并投入运营的高速线路为4 2 7 k m ，线路允许的最 高运行速度为2 8 0 k m h ；既有线改造后可允许列车以2 0 0 k 1 l l 速度运 行的线路达到6 5 0 k m ；新建线和改造线的总长为1 0 7 7 k m ，但高速列 车i c e 可提供服务的路网范围却达到了4 0 0 0 k m 。与法国高速铁路作 为客运专线不同的是，德国高速铁路昼间运行旅客列车，夜间运行货 物列车( 货车的运行速度为8 0 一1 6 0 k i i 汕，一般载重2 5 0 0 t ) 。同时， 高速铁路除了开行l c e 动车组外还开行为集散旅客服务的地方及短途 旅客列车，即高、中速混跑。 总之，欧洲国家建设的高速铁路，普遍重视高速线和既有线运行 的兼容性，提高高速动车组的通达里程，有效扩大高速动车组的服务 范围。 ( 3 ) 日本运行情况 日本高速铁路由于高速线采用标准轨距，与既有线轨距不同，互 不连通，多年来一直采用换乘设备和换乘组织解决高速线与既有线问 的旅客换乘问题。这种“纯高速”的运输模式尽管取得了成功，但是日 本铁路仍然着手对既有线进行适当的改造( 一般是在不改变既有线平 纵断面的情况下，将窄轨改为宽轨；同时尽量利用原有设备，在某些 北京交通大学硕士学位论文 区段将既有线变为三轨线以同时适应新干线列车和既有货运列车的 运行) ，采用将新干线列车开行到既有线的措施，并已开通山形小型 新干线和秋田小型新干线，取得了较好的效益。由于小型新干线的建 成，拓展了新干线高速动车组的运营范围，从东京到山形全长 3 5 9 9 k m ，新干线开通之前，旅行时间需要4 h 4 9 m j n ；新干线开通后， 从东京到福岛再换乘既有线列车需要3 h 0 9 m i n ；山形小型新干线开通 后，旅客不需换乘，旅行时间缩短到2 h 2 7 m i l l 。东京到秋田全程 6 2 2 6 k m ，旅行时间在新干线建成前为7 h 5 8 m i n ，乘新干线到盛冈换乘 则需4 h 3 7 m i i l ，现在不需换乘，旅行时间缩短到3 h 3 9 m i n 。山形小型 新干线开通前，东京到山形的航线每天有5 次航班，山形小型新干线 开通后已减为每天3 次航班，山形小型新干线旅客年运输量的变化情 况见表1 1 ，高速动车组跨线运行的竞争力可见一斑。 表1 1 山形新干线旅客年运输量的变化 时期运输人数( 万人) 1 9 9 0 71 9 9 1 6 ( 开通前) 2 0 6 1 9 9 2 7 1 9 9 3 6 3 2 2 7 1 9 9 3 7- 1 9 9 4 63 1 3 3 1 9 9 4 7 1 9 9 5 63 1 6 9 1 9 9 5 7 1 9 9 6 53 2 5 2 0 0 0 1 2 - _ 2 0 0 1 1 13 6 1 4 通过对国外高速动车组开行方式的分析，可以看出高速动车组下 既有线运行是在国际上取得了很大的成功，很值得我们借鉴。 1 3 京沪高速客运专线预研现状分析 上世纪八十年代后期，我国铁路运输能力紧张，无法满足经济发 展的需要，铁路已成为国民经济健康发展的瓶颈。1 9 8 9 年中国科学技 术协会在制定我国中长期科技发展规划时，提出要发展速度2 0 0 k m h 以上的高速交通工具，由此引发了我国高速客运专线问题的研究热 潮。铁道部和国家科学技术委员会进行了大量准备工作。尤其是铁道 部所属科研机构、学术协会和高等院校进行了大量探索性研究。 1 9 9 2 年由网家科学技术委员会、国家计划委员会、豳家经济委员 会、国家体制改薄委员会和铁道部缀成“京沪高速客运专线重大技术 经滚霾题蘸期磷突”漂题慧彝缀，羧会全蓍五令磊秀究攀位虢家护线 为背景开展了我黼发展商速客运专线的重大技术经济阕题研究，主要 研究了世界高速客运专线发展概况、京沪高速客运专线遮输模式与技 术方案、筹资与经营机制方案、经济效益评价、技术引谶与国际合作 等主要技术经济润题，于1 9 9 3 年掇出了“京沪高速客邋专线重大技 零经济趣题裁攒磺究”研究擐告，戏蔻我国第一次大瓣撩开展熬嘉速 客运专线主要技术经济阖题磅究成蹙。 1 9 9 4 年，强国家“八五”重点科技项目计划中，歹灏进行“高速 客运专线关键技术研究”。其中“我日高速客运专线发展模式研究” 子课题研究了离遮客运专线建设和逡营的一些技术经济问题。主要包 括高速列车的运营缀织模式磅巍( 鞠麓中速列车共线方絮与缝高速方 案) ，不霹运营缌织模式下毫逮客运专线懿窖运需求颈蓼i | | ，不同发曩 模式的项目财务效益与国民经济效擞评价等。1 9 9 5 年握出了研究报 告，得出根据我圈京沪交通走廊的实际情况，宜采用商中速旅客列车 共线运行方案的结论。 1 9 9 5 年3 粥，铁道部成立京沪麓遮客运专线预可行糕研究办公室， 组织铁逶罄爨溪翁三及羹鏊设诗魏、铁道秘擎疆究菠、铁道邦经济霾 划研究院、铁邋部所属高等院校翻黧家计委综合运输研究所等单位， 开展“京沪高速客运专线预可行性研究”，于1 9 9 6 年提出了研究报告。 该课题主要研究了京沪高速客运专线的运输需求、京沪高速客运专线 的主要技术经济情况、沪宁高速客运专线主要技术经济情况、京沪高 速客运专线建竣资金筹集方案、沪宁莲速客运专线筹姿秘经营管理模 式、京沪高速客运专线成本与效蕊、寒沪离速客运专线扩能效果、蘸 有京沪线电气化后的运输能力等问题。该项研究的主嚣特点是从客运 需求角度认证修建京沪高速客运专线的必要性，阐明既有铁路电气化 所增加的运输能力不能解决京沪通道运能紧张的问题。邋过较深程度 北京交通大学硕士学位论文 的技术研究取得了较准确的基础数据，以此进行京沪高速客运专线项 目的财务效益和国民经济效益分析。并探讨京沪高速客运专线筹资和 经营管理模式。该项研究是我国对高速客运专线主要技术经济问题研 究力量和研究费用投入最多、研究范围广泛的研究项目。 1 9 9 6 至1 9 9 7 年，铁道部根据京沪高速客运专线投资巨大、技术 复杂、我国缺少建设和运营经验的实际情况，考虑到全线一次贯通方 案具有一定风险性，提出研究分段( 分期) 建设、分段运营、分段受益、 最后全线贯通的建设方案的可行性。设立了“京沪高速客运专线分段 建设的技术经济研究”课题，主要研究分段建设的必要性、建设阶段 的划分、分段建设方案的运量预测、分段建设对应的列车开行方案、 分段建设的扩能效果、分段建设的经济效益以及不同分段方案的技术 经济效果分析等。 此外，国内铁路领域的设计、科研单位和高等院校以及个人还开 展过一些规模较小的高速客运专线技术经济问题研究。如铁三院、铁 四院进行过不同速度目标值的土建工程投资比较，西南交通大学及一 些设计院进行过不同列车运行速度的运输支出比较、不同速度和票价 对客运需求的影响等。何邦模( 1 9 9 5 ) 介绍了法、德、日3 国在高速铁 路上组织列车运行的情况及开行多种速度的列车的经验，分析了京沪 高速铁路的客流特点及中、近期高速车组的供应能力，认为一段时期 内采取“高、中速混跑”的运输组织模式是我国高速铁路发展过程中 不可逾越的过渡阶段。胡思继( 1 9 9 6 ) 针对“全高速”方案的缺点提 出了京沪高速“快速换乘”的组织办法。该文献提出的模式虽有明显 的优势，但关键在如何做到“快速换乘”、中高速列车的衔接上缺乏 足够可行的、可靠的办法予以保证，操作上有一定困难。赵鹏( 1 9 9 8 ) 提出了动车组不固定区段使用的概念，并就使用和检修相结合等问题 进行了研究，同时构造出高速铁路动车组不固定区段使用条件下动车 组周转优化的数学模型，提出了动车组使用数量的公式。刘万明 ( 2 0 0 2 ) 研究了我国高速铁路客运专线主要技术经济问题，包括商速 客运专线的客运需求、速度目标值、建设时机、技术系统选择、国民 绪论 经济评价方法等问题进行了研究。 通过上述研究，达成共识的京沪高速铁路运输组织模式为：京沪 高速铁路为客运专线，以输送本线大站间到发客流为主，在运营的前 期兼顾跨线中速客流，京沪既有线仍采取客货混行，以货运为主，兼 顾普通客运列车，这是我国铁路特定行车组织条件下采用、运营组织 十分复杂和困难的运输组织模式。 近几年，在铁路跨越式发展战略的推动下，我国的铁路客运正全 面向高速化迈进。高速客运专线建设和运营的技术条件和环境条件已 有较大的进步，高速动车组下线运行组织模式正越来越受到人们的重 视。北京交通大学( 2 0 0 3 ) 年在对新形势下的京沪高速客运专线运输 组织模式的研究中对高速动车组的下线问题进行了细致的研究。该报 告以中速上线和高速换乘为基础方案，以高速下线为目标方案，对高 速动车组的下线范围进行了计算，确定了只要目标方案的收益大于基 础方案就开行高速下线动车组的原则。 总体上看来，在京沪高速客运专线运输组织模式的研究中，对“以 高为主、高中有中”模式研究的比较多，对高速动车组下线问题的研 究很少。本文在参考学习上述文献的基础上，以下线高速动车组的合 理开行范围为研究方向，从铁路和旅客两个角度，确立“用户费用最 小化、企业收益最大化”的下线高速动车组开行原则，采用双层规划 模型( b i l e v e lp r o g r a m i n g ) 研究高速动车组的合理下线范围。 1 4 主要研究方法( 双层规划) 综述 层次性是系统的六大特征之一，对于大系统和复杂系统，层次性 更是主要特征。随着人类社会的发展，经济全球化的加剧，实际问题 的规模越来越大，层次性愈加明显，结构越来越复杂。因此，层次性 的研究就具有非常重要的意义。多层规划正是为了研究系统层次性问 题而产生的，而这类问题的研究已经有了很久的历史。 2 0 世纪5 0 年代提出来的s t a c k e l b e r g 对策，是一种多人非零的 兹京交通大学硕士学位论文 对策，其中局中人有上下层关系并且备自有不同的目标，而各自的策 略集通常是彼此分离的。多层规划问题与这类对策有些共同点，各层 次豹决策者必须婊次骰出决策，各巍的策略集不必完全分离的。 2 0 整纪6 g 年健，魏n t z i n g 稳弹o l f 疆窭了大穰线瞧瀵翔翡分解 算法，相当予承认有个核心决策者，他的目标是高于一切的，其他 各层次的决策者实现自己的目标只不过是为实现核心决策者目标的 一种分工，他们的目标必须与核心决策者的目标完全一致，没有自己 独立豹剩益。多鼷貔划承认有最高决簸者，但不是绝对豹，它容许下 蒺决蓑考毒冬囊不弱黪稳蓑。 2 0 世纪7 0 颦代发展起来酶多隧轹溉划通常是寻求个决策者酶 互相矛盾的多个目标的折衷解，有魑技术，如分层优化救术，也可以 用来求解层次问题，但下层的决策不影响上层的耳标，因而可以逐层 独立求解。而多滕规划正是要强调下滕决策对上层目标的影响，因此 多层援翻薅题懑鬻不韪逐层独立求艇。 2 0 毽纪7 0 霉代以来，入键在务稀凌实的层次分教系统往证决策 问题的研究中，遇到了用上述方法不能解决的实际问题，因而人们寻 找各种特定的方法并成功地解决了这魃问题，并逐渐形成了多层规划 的概念和方法。如c a s s i d y ( 1 9 7 1 ) 的政府政策效力分析，k y l a n d ( 1 9 7 5 ) 豹经济层次分橱，8 r a c k e n 等人( 1 9 7 3 一1 9 7 7 ) 豹战略武器酝罄臻究， e 懿d l e r 稻瓣o r t o 齄( 1 7 7 ) 静墨嚣罨农澈貘鍪 等。多瑟蕊翔( 瀚l t i l e v e l p r o g r a 珊i n g ) 一词就是c a n d l e r 和n o r t o n 首先提出来的，它的原意 是嵌套着的数学舰划问题，即在约柬条件中含有优化问题的数学规 划。 2 0 世纪8 0 筇代至今，多层规划的数学模型更加明确釉形式纯了。 文翌乎，c a n d l e r 鞠手瓣n s l e y ，8 i a l e s 帮k 8 r w 锄，b 料d 簿先嚣提出 了一般的二层规划或n 层规划的数学模型；b e n s o n 、阮国被把上述数 学模型推广到容许集是无界的情形；汪寿阳等人深入研究了二层非线 性问题；王先甲、冯尚友和盛昭瀚也分别出版了关于二艨规划理论与 算法的专著。焱过去的2 0 多年中，多层规划理论、方法殿应用都有 缝论 了很大的发展，正在逐渐形成一个新的运筹学分支。多屡规划通常有 如下的特点： ( 1 ) 系统楚分攫管理豹，各层次筑者袄次设出块策，下层月骚飙上 罄，毽下瑟煮鞠警貔鱼主较。 ( 2 ) 各层决策者有不同的目标，这些目标往往是相厩矛盾的。 ( 3 ) 各层决策者各自控制一部分决策变最，以优化释自目标。 ( 4 ) 上层决策者优先做出决策，下层决策者在为优化自己的目标 嚣选择策略时，不能违背上层的决策。 ( 窜上层熬凌繁鼍能影稳銎l 下溅豹簸疼集，透瑟部分穗影穗下瑟 藩标的达成，德上层不能完全控制下滋的决策，在上朦决策允许范匿 内下层有自主决策权。 ( 6 ) 下层的决策不但决定着自身目标的达成，而且也影响上层目 标的达成。因此，上层在选择策略以优化自己的目标达成时，必须考 虑妥下层可嶷采敬熬羡瘘对骞己豹蚕释影响。 ( 7 ) 各层决策者静容许策略集遴常楚不可分离酶，德稍往往形成 一个相关联的憋体。 ( 8 ) 由各个状策者共同作出的最后决策应当是各个决策者均可接 受的满意决策。 在多层规划貔应愆孛，以双层怒划最戈豢觅，这怒因为现实熬决 策系统大嫠哥虢麓藏是双瑟决策，键翔：孛夹纛蝰方，公霹弱子公司， 工厂的厂部和车间，高校的校部和院所等。实际上，任何多层决策系 统都是一系列双层决策系统的复合。因此，双层规划的模型能很好地 描述管理系统中的分级管理决策间蹶。 双层确定性援则是在生产技术不凝发展的基础上产生躺数学规 越方法，主要麓凌盔骞袋戆粪潦条传下，土下嚣墨决蒙卷黪嚣蠡耀互 依赖、相互制约时的最优决策问题。 双层规划模型应用很广，最初主要应用于经济领城，如。自然资源 管理问题、项圈选择问题、水资源保护和分配政策的战略规划问题、 农业部门的战略规划问题等。近年来，随着交通分配模型的发展，科 北京交通大学硕士学位论文 学技术的进步，双层规划模型在交通问题中的应用逐渐增加，如k i m 和s u h ( 1 9 9 0 ) 以及f r i e s z 等人( 1 9 9 0 ) 用双层规划模型研究了网络设计 问题，y a n g 和y a g a r ( 1 9 9 4 ) 将双层规划模型应用于最优匝道合并问题。 y a n g 和y a g a r ( 1 9 9 5 ) 以及w o n g 和y a n g ( 1 9 9 7 ) 用双层规划模型描述交 通信号控制问题。y a n g ( 1 9 9 5 ) 用双层规划模型来预测交通流，y a n g 和 l a i i i ( 1 9 9 6 ) 以及y a n g 和b e l l ( 1 9 9 7 ) 用双层规划模型研究了公路拥挤情 况下的价格问题，国内高自友，宋一凡、四兵锋等用双层规划模型研 究了连续平衡网络设计问题，四兵锋、高自友、陈建华等用双层规划 模型研究了市场经济条件下铁路票价的制定问题，安梅、高自友等用 双层规划模型研究了交通需求o d 估计问题。 本文在参考学习上述模型，特别是国内学者关于市场经济条件下 铁路票价制定问题的双层规划模型的基础上，将双层规划模型用于确 定高速定动车组下线合理范围这一问题上。 1 5 研究的主要内容和思路 在研究高速动车组下线合理范围这一问题上，论文主要从以下几 个方面展开： ( 1 ) 拟建京沪高速客运专线的背景材料分析。从京沪高速客运 专线的影响区域的经济、人口情况入手，分析出沿线的客流特点；提 出三种跨线客流组织方案，即高速换乘、中速列车、高速下线，评价 分析三种方案的优缺点；最后对高速动车组下线开行组织模式的边界 条件进行定性界定。 ( 2 ) 分析满足高速动车组下既有线运行的技术条件，制定满足 动车组下线运行的建议线路技术标准、列车整备检修方式、既有线客 运服务设施及调度指挥方式。 ( 3 ) 从旅客和企业两个角度分析影响高速动车组下线开行的因 素。对旅客而言，明确选择出行方案选择的目标是“以尽可能小的代价， 高质量地实现空间位移”；对铁路运营部门，高速动车组是否跨线以及 跨线的合理范围是使企业收益达到最大。 ( 4 ) 利用双层规划模型( b i l e v e lp r o 铲a m m i n g ) 来建立高速动车 组下线合理范围的确定模型，以拟建的京沪高速客运专线为背景，在 充分考虑用户和企业两个主体的不同要求下确定动车组下线的合理 范围。 ( 5 ) 编制程序求解高速动车组下线合理范围确定模型，在符合 京沪高速动车组下线范围界定的基础上，结合我国城市布局，铁路路 网发展的现状及中长期规划，制定出合理的下线方案。 图1 1 高速动车组合理下线范围确定过程示意图 1 6 本章小结 本章主要论述了选题的背景及意义，分析了国外高速铁路跨线运 行的现状以及国内的相关研究状况，确定了论文研究的主要方法和思 路。 北京交通大学硕士学位论文 第二章拟建中的京沪高速客运专线 背景资料分析 2 1 拟建京沪高速铁路客流情况分析 2 1 1 京沪沿线地区社会经济情况 京沪高速铁路联接以京、津为中心的环渤海地带和以上海为中心 的长江三角洲两大沿海经济区，贯通北京、天津、河北、山东、安徽、 江苏和上海四省三市。区位优势得天独厚，东临渤海、黄海和东海， 海岸线长达5 0 0 0 余k m ，有天津、秦皇岛、烟台、青岛、连云港、张 家港和上海等良港，其中天津和连云港系欧亚大陆桥桥头堡。京沪铁 路沿线气候温和，自然风光绚丽，名胜古迹遍布，有驰名中外的历史 文化名城2 2 座，自然和人文旅游资源十分丰富。 京沪沿线地区历来就是我国社会经济最发达的地区。京、津、沪 三大直辖市及七个人口逾百万的大城市构成了一条经济实力雄厚、辐 射能力强的轴线。北京是首都，是全国政治、文化和国际交往中心； 上海是全国最大的经济中心，并在世界经济活动中占有一席之地。四 省三市面积不到全国的1 1 5 ，而人口却超过全国的1 4 ，人口密度是 全国平均水平的6 至7 倍。发达的经济、高密度的人口以及发达的旅 游业，使得京沪沿线地区存在着大量工作性出行( 如商业出行) 和非 工作旅游( 如旅游、探亲等) 。 2 1 2 京沪沿线客运情况分析 通过对京沪沿线客流进行分析，按照出行距离可将其分为以下3 拟建中京沪高速客运专线背景资料分析 类： 短途客流源：在京津唐和沪宁杭两个城市密集区内，各城市之间 的距离小，人员交流极为频繁： 中途客流源：京沪高速线上的各大城市间有大量的人员交流，出 行者般希望当天办完事并返回，因而对朝发夕归列车和夕发朝至的 旅馆列车十分青睐； 长途客流源：紧邻京沪线的辽东南半岛、山东半岛以及长江三角 洲等地城市密集区，按照我国铁路路网中长期规划的设定，与京沪高 速客运专线相连接的高等级线路将会迸一步强化城际问的关系。由北 京、天津、济南、徐州、蚌埠、南京、上海衔接全国各地的铁路网， 将给京沪高速铁路输送大批中长途高速客流。 由于京沪铁路与其它各线乃至整个路网的密切联系，中长途客流 中存在相当数量的跨线旅客运输。京沪线客运距离为1 4 6 3 k m ，可划 分为3 个自然段，即京津段、津浦线、沪宁线，相应的典型区段是北 京天津、徐州一济南、南京一上海，各区段现有旅客列车对数见表 2 1 表2 ，1 京沪线主要区段客车对数分析表 旅客列本线列本线列车跨线列跨线列车 列车类型 区段 车对数车对数所占比例车对数所占比例 ( 对)( 对) ( ) ( 对) ( ) 北京天津 5 32 64 9 12 7 5 0 9 济南徐州 5 11 73 3 33 4 6 6 7 南京上海6 6 2 2 3 3 34 46 6 7 通过对现行旅客列车运行资料分析可以看出，京沪本线列车数量 较少，通过京沪线去京哈、石德、胶济、兰烟、兖石、新兖、陇海、 水蚌、宁芜、沪抗、浙赣等线的跨线列车数量所占比例很大。扣除跨 线列车中的本线乘客，跨线客运量占到全线客运总量的3 0 9 扛巧0 ， 各区段所占比重不同。 北京交通大学硕士学位论文 对我国铁路运输企业而言，考虑到区域经济的发展、通道中各种 运输方式的技术经济特征和客流特点，必须采取相应的服务措施来适 应客运市场发展需求，提高服务质量，从而吸引更多的客流选择铁路 这一运输方式。特别是要针对跨线客流的特点，开行相应的旅客列车 满足旅客需求。因此，在修建京沪高速铁路时，需要统筹解决跨线旅 客运输问题。 2 1 3 跨线客流的运输组织模式 就高速铁路来讲，有3 种运输组织模式：一是普通列车与高速列 车在高速线上混跑；二是将高速旅客动车组延伸到普通线路上去；三 是高速线上只跑停站不同的高速列车，运输组织与其他线路完全分 开。对于与既有线并行运营的高速铁路，其运输组织有以下几种形式： ( 1 ) 全高速换乘模式 高速线上只运行高速列车，长途跨线客流均在高速铁路的出入口 衔接站换乘高速列车。货物、沿线小站停车的旅客慢车和停站较多的 普通旅客快车在既有线上运行。这种运输组织模式将长途跨线客流卡 在高速线与既有线衔接处，既增加高速列车停站和旅客换乘时间，又 给旅客旅行造成不便。但是由于高速线上运行的全都是高速列车，运 输组织方便，可以大大提高线路的通过能力。 ( 2 ) 中速列车上线方案 在高速线上既开行本线到发的高速旅客列车，又有来自既有线路 的跨线中速旅客列车，而货物列车、旅客慢车及部分普通旅客快车仍 在既有线上运行。这种运输组织模式下多数旅客不必换乘，但由于在 高速线上运行有不同速度等级的旅客列车，势必增加列车行车组织工 作的复杂性，必然影响高速线的通过能力。 ( 3 ) 高速动车组下线方案 在高速线上只运行高速列车，跨线的长途客流也由高速动车组运 送，但行驶在既有线上的高速动车组要按规定的速度运行。货物列车、 拟建中京沪高速客运专线背景资料分析 沿途小站停车的旅客慢车和停站较多的普通旅客快车在既有线上运 行。采用这种运输组织模式，需要配各较多数量、价格昂贵的高速动 车组，在经济上不合理，而且必须改造既有线路以满足高速动车组的 运行条件。但在这种模式下，跨线运输方向上有较大的稳定客流，扩 大了高速铁路的吸引范围。 。一。1 崧。一。一 公路 全程中速 高速下线 跨 l l i l i l l i l l i i l i i i i i i i l i l i 跨 线绩 客客 流 - 。亭够奄 流 商 l i- l l i l i i l i l l l i l i l l l i l i lk d鞫 术 线 客 流 中建列车 公路 。一。1 崖。一一 本 线 客 流 图例：目目：l 车高速列车- - - 换乘站 = = ：i 孵“高搿布 一公路 一 线城市 航空口蓟 下线城市 图2 1 京沪高速铁路潜在客流组织方案 专家们经过一系列研究，提出在京沪高速客运专线建成初期，采 用“以高为主、高中有中”的运输组织模式，后期逐步过渡到纯高速的 运输组织模式，也就是中速列车上高速线运行模式。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 跨线客流运输组织模式分析 2 2 1 “以高为主、高中有中”运输组织模式分析 “以高为主、高中有中”的运输组织模式下，高、中速旅客列车在 高速线上共线运行，由此将产生如下问题： ( 1 ) 高速线上列车等级太多 首先为了供中速客车待避高速列车，必须增设越行站，但高速铁 路间距就越短，经过的道岔区越多，高速列车也就无法发挥其速度优。 此外，增设越行站需增大工程费。跨线中速列车受全路旅客列车运行 图影响，在高速线上也要保持必要的旅行速度，因而不能过多或随意 地待避高速列车，且高、中速列车追踪间隔时问不同，速度差大，将 引起高速线能力的较大空废和铺画运行图的困难。 ( 2 ) 中速车上高速线对中速车体提出较高的要求 中速车与高速车的车体、牵引方式不同。高速车是动车组，中速 车可能是动车组，也可能是由机车牵引车辆组成。因为高速列车通过 时对中速列车产生的气流压力较大，且根据环保要求，中速车需装设 集便装置，这对中速车体提出了较高的要求，增加了中速车的造价和 运营支出。 ( 3 ) 高、中速列车共线运行对轨道养护不利 高、中速车的轴重、簧下重量及走行部分的力学参数差异较大， 在轨道维修中既要保证高速车所要求的轨道几何偏差标准，又要克服 由于中速车轴重较大对轨道几何状态的影响及对轨道维修作业带来 困难。 ( 4 ) 中速列车不正点运行对高速线产生的影响 在高速线上始发运行的中速列车，可能易于保持正点运行。但从 路网其它干线上高速线运行的中速列车，到达联轨站时则有可能晚 点，此时中速列车不能按运行线规定的时间进入高速线运行，高、中 拟建中京沪高遮客运专线骜最资料分檐 速列车共线运行给运输组织带来很大困难。 ( 5 ) 中遴列车在裹速线上的信号阉题 京沪高速铁路不是地面信譬机指挥行车，而是聚用驾驶室内的车 载信号，为了解决这个问题，必须对跨线中速列车改装车载傣号或者 在裹速线土安装售号灯设荟。 2 2 2