（交通运输规划与管理专业论文）铁路枢纽点线能力协调性研究.pdf

摘要随着武广客运专线的开通，我国铁路正式进入高速铁路时代。根据中长期铁路路网的规划，在未来1 0 年，我国将进一步扩大铁路路网规模，在主要繁忙通道实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络，这就对铁路枢纽点、线能力的协调匹配提出新的要求。本文主要针对铁路枢纽各环节间的匹配程度的量化，以及强化限制枢纽系统能力的薄弱环节等问题，研究铁路枢纽点线能力协调问题。全文以系统学和协同学为理论依据，阐述了系统协调度的概念，并将铁路枢纽划分为一个由点系统和线系统组成的多环节系统。分析了枢纽点线能力协调的基本内容和基本原则，确定了由小到大，由简到繁的协调思路，即从最小的子系统能力的协调入手，逐步向大系统能力协调转化。首先，分析了不均衡运输产生的原因及其对枢纽内系统能力的影响，并根据车流不均衡性，以输入流强度为基础，将阶段时间内车流划分为密集、稀疏和正常三个到达状态。结合分析计算法，分析表明枢纽内设备能力是随车流状态的不同而动态变化的。其次，以编组站实际作业过程为背景，在确定编组站的动态平衡方程基础上，结合不同车流的到达强度，给出了编组站系统内部能力协调的计算模型。以此为基础，研究了区间线路与到达场和出发场间能力以及枢纽内衔接干线与客货运站能力的协调机制，给出了能力协调的计算模型。最后，结合襄樊枢纽的具体实例，对其能力协调进行了实证分析。通过研究枢纽系统在车流密集到达阶段内各子系统间的协调关系，按到发列车的方向别，分别探讨了到解系统和出发系统与衔接线路间能力的协调程度。分析了枢纽内客货运站与所衔接线路的能力协调状况i 找出了目前襄樊枢纽存在的主要问题，提出了近期和远期的能力协调的有效措施。全文所作的研究为以后铁路枢纽内车站、线路的新建或扩能提供了有益的借鉴作用。关键词铁路枢纽，能力协调，编组站，协调度，不均衡运输a b s t r a c tw i t ht h ea c c o m p l i s h m e n to f 。m ep a s s e n g e rd e d l c a t e dl m eb e t w e e nw u h a na n dg u a n g z h o u ，c h i n ah 弱e n t e r a dm eh i 曲一s p e e dm i l w a yp 甜o d a c c o r d i n gt om el o n gt i m er a i l w a yn e t w o r kp l a n n i n g ，c h i n aw i l l 允r t h e re x p a n dt h er a i l w a yn e t w o r ks c a l ei nt h ec o m i n g1oy e a r si no r d e rt om a k ep a s s e n g e ra n d向。i g h tt r a i n sm i x e d1 1 l n n i n gi nm em a i nl i n ep o s s i b l e ，如n d a m e n t a l l yg e n e r a t et h ec l e a rs t r u c t u r e ，r e a s o n a b l ep l a n n i n g ，p e r f e c t如n c t i o na n ds m o o t hc o n n e c t i o n ，w h i c hp u tf o r w a r dn e wr e q u i r e 毋e n tf o rr a i l w a y sc o o r d i n a t ec a p a c i t yo fp o i n ta n dl i n e i i lt h i sd i s s e r t a t i o n ，i tr e s e a u n c h e dt h ep o i n tl i n ec o o r d i n a t ec 印a c i t yo fr a i l w a yb a s e do nq u a n t i 矽t h ec o o r d i n a t eo ft h ee v e 巧1 i n 虹a n ds t r | e n 舀h e nm i l w a yt 锄n a lc a p a c i 够7sr e s t r i c t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do ns y s t e mm e o 巧t o g e t h e rw i ms y n e 唱e t i c sm e o 巧a n dt h e np u tf o 州a r dt h ec o n c 印t i o no fs y s t e i i lc o o r d i n a t i o n ，b e s i d e s ，t h er a i l w a yt e m l i n a l i sd i v i d e di n t oam u l t i 巾r o c e s ss y s t e mc o n s i s t e do fp o i n ts y s t e ma n d1 i n es y s t e m a n a l y s i so ft h eb a s i cc o n t e n ta n d 如n d a m e n t a lp r i n c i p a lo ft h et e m l i n a l sc o o r d i n a t i o nc 印a c i 够a n di td e t e 姗i n e dt h ec o o r d i n a t ei d e ao fs i m p l et oc o m p l i c a t e ，w h i c hm e a n si ts t a r t s 行o mt h es m a l l e s ts u b s y s t e m7sc 印a c i t ) ，a n dg r a d u a l l yt l l m st ot h el a 唱e ro n e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra i l a n l y s i st h er e a s o n sf o rt h ei l i l _ b a l a n c et r a n s p o r t a t i o na n di t si n f l u e n c et ot h et e m i n a l7ss y s t e mc 印a c i 劬b a s e do nt h ei n l b a l a n c eo fv e h i c l en o wa n di m p o r tv e h i c l en 硼m e r d i v i d e dt h ev e h i c l ef l o wi n t ot h r e es t a t i l sa sn o m a l ，d e n s i t ) ，a n ds c a t t e r t h ep a p e ra l s of i n d so u tt h a tt h et e n n i n a le q u i p m e mc a p a c i 够c h a n g e sw i mm ev e h i c l ef l o ww i t ht h eh e l po fa n a l y z ec a l c u l a t i o n f u r t h e n n o r e ，m i sp 印e rb a s e do nt h er e a l t i m eo p e r a t i o np r o c e s so ft h et e m i n a la n dt h eb a c k g r o u l l do ft e m i n a l sd ) ，1 1 锄i cb a l a n c ef - o m u l a ，o 仃e r e dm et e n n i n a ls y s t e 血呷si n n e rc 印a c i t yc o o r d i n a t ec a l c u l a t i o nm o d a l b a s e do nt h i sm o d a l ，i t 向r c h e ro f f e r e dt h ec 印a c i t yc o o r d i n a t i o nc a l c u l a t i o nm o d a lb ya n a l y z et h ei n t e r v a l l i n ea n dt h ea r r i v a l d 印a 咖r ef i e l d7sc a p a c i t yt o g e t h e rw i t hm et e m l i n a l7sm a i nl i n ec o n n e c t i o na n df r e i g h tp a s s e n g e rs t a t i o n7兮c 印a c i t yc o o r d i n a t er u l e a tl a s t ，t h i sp 印e rr e s e a r c h e dt h er e a le x 锄p l ef 如mx i a n g f a nt e r m i n a ls oa st om a k ear e a le x a 如【p l ea n a l y z eo ft h ec a p a c i t yc o o r d i n a t i o n i tr e s e a r c h e di it h es u b s v s t e m s c0 i o r d i n a t i o nr e l a t i o nw h e nt h e 仃a i n sa 而v ei nad e n s i t ys t a t l l s ，w h i c ha c c o r d i n gt ot h et e m i n a ls y s t e m sa 币v a l d 印a 咖r er a i l7sd i r e c t i o n ，b a s e do nt h a t ，i ta n a l y z et h ec u r r e n ts t a t u so ft h et e 咖i n a l7sp a s s e n g e 卜f k i g h ts t a t i o na n di t s7r e l a t e dl i n e s7c o n s t i t u t i o nt h e ni tf i n do u tt h em a i np r o b l 锄o ft h ex i a n g f a nt e m i n a l i no r d e rt os o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o no f f e r e da ne a e c t i v es o l u t i o nt ob o t hc o m i n ga n d 凡t u r ep e r i o d s i tg i v e sag o o dr e f e r e n c et ot h e 凡t u r e1 i n e so rs t a t i o n s7r e c o n s t r u c t i o no rc a p a c i t ye x p a n s i o n 1 ( e yw o i m sr a i l w a yt e m i n a l ，c a p a c 时c o o r d i n a t i o n ，m a s h a l l i n gs t a t i o n ，c o o r d i n a t e ，u n b a l a n c e d1 r a n s p o r tu i1 1 选题背景和意义第一章绪论铁路枢纽是路网上具有客流、货流、车流相互交流的三个以上铁路方向的交汇处或铁路与港口、工矿企业专用铁路的衔接地点，由若干专用车站( 编组站、客运站、货运站) 和连接这些车站的联络线、迂回线、进出站线路及其他分界点等技术设备所构成的综合体【l ，2 】。枢纽的综合运输能力取决于点( 车站) 、线( 区间) 能力的较小者。因此，要提高铁路枢纽的综合能力，发挥建设投资的最大效益，必须做到点线能力相互匹配和彼此协调。铁路枢纽作为车流的集结、分送和中转作业点，常常也有大量货流集散和货物换装及中转作业，是联结各铁路干线及支线的纽带，在路网上占有十分重要的地位。因此枢纽运输组织工作的好坏，不仅关系到枢纽本身，而且对路网的运输工作都有决定性的作用【3 】。铁路枢纽运输能力作为一种多环节的系统能力，则系统中任一薄弱环节不仅将限制整个系统的输送能力，而且会造成其它各环节投资和能力的浪费，因此系统中各个环节能力必须协调。其中最主要表现为铁路线路与车站，铁路干线与枢纽之问的点线能力的协调【4 】。在铁路网上，点和线两者相互关联，密不可分，一同构成了完整的运输网络，如何做到枢纽运输系统中点、线能力的协调，使路网在合理的管理组织下，充分发挥其设备能力，保证客货运输畅通将直接关系到铁路运输效率和经济利益。随着我国铁路建设的高速发展和设施设备自动化程度的大大提高，运输组织朝市场化方向迈进，大量歼行夕发朝至旅客列车，这对铁路枢纽总体格局及客运、解编、货运系统和机辆设施的布局提出了新的要求。既有铁路枢纽已不能满足运输市场的变化和铁路自身发展的需要，点线能力不协调现象变得尤为突出。主要表现在以下几个方面：1 铁路枢纽内主通道的线路能力和主要车站能力均不足，交叉影响。在铁路建设过程中，重线轻点的思想表现突出。枢纽内主要编组站、客运站能力紧张，缺乏应有的储备，车站建设滞后现象依然存在。2 枢纽结构不完善，缺乏必要的疏解线、联络线。主要车站( 特别是客运站)咽喉缺乏必要的平行径路，不适应客货分线和大城市问多线的需要，不能满足黄金时段列车密集到发、客货列车同时到发的作业要求。同时，由于市场的需要，旅客列车夕发朝至，客货运输不均衡，列车分阶段密集到发使点的能力受到极大的影响，如江村、广州、株洲、怀化等车站能力紧张状况已经严重影响到京广、沪昆等铁路的畅通与线路能力的利用。3 车站作业组织不尽合理，不适应集约化经营的需要。编组站有调作业比重较大，编组计划有待进一步优化。客运站作业复杂，客车到发占用到发线时间长，客车车底长时间进库停留等待，严重影响了运用效率。铁路枢纽作为一个系统，其综合能力往往受限于能力最小的子系统，因此，为使枢纽内各设备能力得到充分利用，就必须寻求一个合理的协调机制。如何对现阶段铁路枢纽点线能力的协调问题进行探讨和研究分析，从而找到改善路网点线能力协调的新的方法和途径，对促进我国铁路运输的发展具有重大的现实意义。1 2 国内外研究现状1 2 1 国外的研究现状发达国家由于点线能力较大，运输能力大于运输需求，尽管在高峰时段也存在点线能力紧张情况，但由于其点的能力大于线的能力，区间能力利用的紧张程度也远不及我国，与我国铁路情况有很大的不同。日本铁路主要采用的是客货分离的运输组织模式，在高速线上只运行高速旅客列车，货物列车主要在既有窄轨铁路上运行，自1 9 8 4 年取消编组站之后，同本基本全部实现直达化运输。由于日本客货分线运输，同一线路上基本不会出现多速差列车混行的情况，而且旅客列车的开行也对货物列车不产生影响，点线能力协调主要体现在同类型列车到发与线路运行的关系上，相对容易解决【5 】法国铁路采用高速列车可下既有线的运行组织模式，高速线上主要运行高速t g v列车。货运方面，法国铁路在高速铁路上首次实验了包裹快件列车，当时的最高运行速度达到2 8 l l ( 1 1 1 l l ，目前其速度被限定在1 6 0 l 【n 讹以内。但该类列车数量不多，线路上多速差列车种类少，且列车运行速度差别不大，点线能力之问的矛盾不突出。客运方面，法国铁路一般根据客流量大小配备相应的旅客列车对数，列车满员率高，停站较少，有利于提高列车的平均速度，获得较好的经济效益，但阶段内列车密集到发，需要增加列车车底的数量和车场的规模，容易造成点线能力不协调。德国铁路有很大一部分是既有线提速线路，最高时速可达2 0 0 k m ，它们与高速铁路共同组成了德国的铁路网。德国目前采用的是“客货混行”的组织模式，既要运行i c e列车，又要运行货物列车和短途市郊列车，整个路网繁忙有序。德国高速动车组实行的是节拍运输，列车以相对固定的时间间隔运行，能为大多数旅客提供全天较均衡的列车产品，易于旅客出行，也方便了铁路运营人员的工作，减少了运营过程中的不规则性。缺点是线路能力利用率较低，货车运行线会受较大的影响。p r o k o p ya n dr u b i n 在文献【6 】中运用模拟方法评估了铁路运输能力的多个特性，将铁路运输能力定义为各种延迟的函数，并提出了与能力有关的多个延迟函数( 如列车速度、区间长度、闭塞分区长度和单线或双线等) ，论证了运行速度影响运输能力的2最重要参数，阐明了运行速度对运输能力的影响情况。k h a i l 在文献【7 】中提出了一种新的铁路能力分析方法，并实际应用于加拿大铁路网分析中，分析结果表明路网中的诸多因素( 包括各个组成设备、专业车站的布局规划、机车车辆类型和货物类别等) 都会影响到楸纽运输能力的畅通。1 2 2 国内的研究现状国内学者在研究点线能力协调方面，成果颇丰。毛保华在文献【8 】中首先从系统控制理论与协同论思想出发，提出了运输系统协调理论的概念框架，研究了在运输系统中实施协调的过程与步骤；其次，根据运输系统规划与运营的机制，探讨了以运输系统协调模型的参数确定及协调模型的基本分类，为后续的研究提供了重要的理论依据。刘文、杨月芳在文献【9 中通过对我国铁路点线能力的现状和问题的分析，论述了路网点线能力协调的意义、原则和方法，并以西北路网中宝鸡一中卫铁路为例，说明了在运量增长的实际条件下，协调点线能力的具体措施。杜绍军在文献 1 0 中根据山海关编组站近、远期车流中以直通车流为主的特点，结合津秦沈电化工程，分析确定山海关编组站在路网中的地位和作用，建议其改扩建方案宜在既有格局的基础上，采用优化的西延方案。刘仍奎在文献 1 1 】中以车站作业的实际过程为背景，通过建立动态传递方程，着重探讨了车站系统能力的动态协调问题，同时提出了模糊协调的概念和协调概率的计算方法。从理论上详细阐述了铁路点线能力协调的机理。王争鸣在文献【1 2 】，【1 3 】中以解决长期以来我国铁路点线能力不配套的问题为重点，以创新的思路对路网和车站的规划进行研究。他以编解作业集中为主的原则，根据车流集散规律，提出了“铁路编组站的布局与规模应按照统一规划、合理分工、并考虑适应长机车交路和开行远程、直达列车等多种因素进行布局，以达到强化路网性编组站建设、加强装卸基地编组站建设、减少一般编组站建设、缩短列车在途时间”的规划思想。胡思继、孔庆铃，刘其斌等在文献 4 】，【1 4 】中给出了编组站内部系统协调的基本条件以及加强铁路枢纽运输能力的有效措施。吴家豪在文献 1 5 】中从系统工程的角度，运用排队论对编组站各子系统设备数量以及合理负荷的优化设计进行了研究。林柏梁、胡安洲在文献【1 6 】中基于模糊整数规划及系统优化的观点研究大型复杂铁路网上线路能力、编组站能力的协调利用问题。为此，建立了该问题的模糊非线性p 1 规划模型。寻求在总费用最小目标下的全路网编组站负荷分配及线路负荷分配方案。模型中采用了模糊能力资源限制条件。从而使得全路网的能力利用率在合理利用率附近做小幅度振荡。3硕士学位论文第一章绪论王德、谢文炳、胡思继、郑时德等在文献【1 7 】中利用计算机对编组站到达解体系统与区间通过能力进行了整体模拟，得出了编组站的列车延误率和延误条件下的丢线概率，建立了蒙特卡洛随机方法公式及协调模型，得出研究点线能力协调关系的结论和关系式。姚加林、陆凤山在文献 1 8 】中分析了编组站的作业过程，并运用概率论和数字模拟等方法导出了编组站和区间最终通过能力的计算公式。毛保华、秦作睿在文献【1 9 中根据点系统和线系统互相联动的特点，将点线系统内设备配置的优化目标扩展为系统投资、运营费用、延误损失三个方面，提出了建模及优化的初步思路。宋玉春、沈有佐在文献 2 0 】中分析了点线能力协调存在的问题及其产生的原因，阐述了区间与编组站及编组站内部各主要设备在运输生产过程中的地位与作用及各设备间能力协调的基础，研究了设备问能力协调量比系数的确定方法，根据我铁路现有的组织水平提出了设备间能力协调的量比值。李海鹰、杨肇夏在文献 2 1 中通过分析列车到达不均衡对编组站作业的负面影响，结合编组站作业系统的特点，把编组站的工作时间分为忙、闲和普通三个阶段，以编组站的核心内容解体作业作为计算能力的基础，考虑了其它设备能力的影响，提出用编组站通过能力、编组站车流结构条件通过能力和驼峰小时解体能力三个概念来计算编组站的能力。陆凤山、谢文炳在文献 2 2 中从系统工程的角度出发，根据编组站各子系统的作业过程和设备协调关系建立了编组站系统的排队模型，应用排队论计算编组站到、解、编、发各子系统合理的设备数量和负荷。朱晓立、李夏苗在文献 2 3 】，【2 4 】中分析了提速干线上编组站货物列车到发时刻不均衡的特征，运用排队论和随机过程理论，定量分析系统出现饱和状态的条件，对驼峰作业临界负荷、出发子系统转场和接车可靠性、临界密集到达和出发时间进行了计算分析。最后提出相应改善到解系统、出发系统匹配与协调关系的有效措施。唐睿在文献 2 5 】中针对既有线列车提速以及各种运输产品的开行，导致列车不均衡到达编组站的现状，从编组站内部各子系统之间的能力协调和区间与编组站到解系统的点线能力协调两个方面来研究编组站的能力协调。文献中规定两个能力之间的后一能力除以前一能力的结果为能力比值，并且考虑了一个换算方法，把能力比值换算为协调度的值。蒋健在文献 5 】中对我国铁路点线能力协调的现状和“客货混跑”模式下多速差列车的运行组织方案进行了深入的研究，分析了影响点线能力协调的因素，提出了车站到发能力限制条件下，线路能力利用最大化的列车开行基本单元结构的确定方法，建立了相应数学模型，给出其求解方法。王焱在文献【2 6 】中通过对不均衡运输对编组站产生的影响及对传统编组站能力计4算公式体系的分析，引进阶段不均衡系数和密集时间段两个参数对编组站能力计算公式体系进行优化，并提出针对不同列流类型的编组站应采用不同的不均衡系数。应用随机过程理论，从编组站到解子系统和出发子系统两部分分析密集时问段，根据密集时问段推导出阶段不均衡系数，以求得改进传统编组站能力计算公式体系；并辅以丰台西站为例验证改进后公式体系的应用性，提出针对不均衡运输造成编组站图定兑现率低的改进措施。代科建在文献【2 7 】中运用系统思想对编组站系统的环境和功能进行分析，介绍传统的按车辆作业流程划分编组站子系统的方法，提出根据编组站实现的功能来划分编组站子系统的新思路，将编组站系统分成接发子系统和改编子系统。利用系统协调的基本原理，运用模糊数学知识对编组站系统能力协调进行探讨，并基于编组站状态分析建立编组站系统协调度隶属函数，最后提出能力协调的措施。刘志军在文献 2 8 中谈及铁路快速发展的目标时，提到在未来发展阶段，要搞好点线能力配套，完善枢纽结构、强化主要车站，使铁路主要客运站、编组站在路网中定位清楚、能力适应，满足路网的总体要求。综上所述，国内学者在铁路车站能力协调以及提速干线条件下线路能力的研究方面己取得积极进展。但如何结合我国铁路枢纽发展的新形势，从点线能力协调的角度出发，分析列车不均衡到达对枢纽内系统能力的影响，以研究枢纽车站内部子系统以及线路与车站间点线能力的协调机制的相关研究尚不够深入。基于此，本文就如何深入量化协调机制，来研究铁路枢纽内系统的能力匹配，以优化铁路运输组织，指导点线设备的改造与能力加强，从而使整个枢纽运输畅通。1 3 本文的主要研究内容随着铁路朝市场化方向发展，铁路运行图的不断调整，大量夕发朝至旅客列车的开行，客、货列车出现阶段性密集到发，导致铁路枢纽能力与线路能力不协调的现象更加严重，以往的研究成果很难适应新的运输要求。本文在国内外相关文献的研究基础上，将对我国铁路枢纽点线能力协调问题做进一步的研究。本论文共分为六章，内容如下：第一章，阐述论文选题的研究背景、研究意义和国内外研究现状，介绍论文的主要研究内容。第二章，介绍枢纽点线能力协调的理论依据，提出系统协调度的概念。阐述枢纽内点系统和线系统的构成以及协调的基本内容和原则。第三章，将对枢纽车流不均衡性及产生原因进行分析，研究不均衡运输对枢纽内系统能力的影响，主要是对线路通过能力和编组站、货运站、客运站作业的影响分析。第四章，以车站实际作业过程为研究背景，从动态协调角度推导出编组站系统能5硕十学位论文、第一章绪论力协调度的计算模型，以此为基础给定枢纽内与点衔接的线路( 包括枢纽衔接干线、区间联络线、迂回线，环线等) 能力协调的量化方法。第五章，将对襄樊铁路枢纽点线能力的量化分析，掌握该枢纽点线能力协调现况，分析襄樊枢纽存在的主要问题，从近期和远期分别提出加强襄樊枢纽地区综合运输能力以改善枢纽能力协调的方法和途径。第六章，对全文进行总结，并对论文的后续研究做进一步的展望。6第二章铁路枢纽点线能力协调概述2 1 铁路枢纽点线能力协调的理论依据2 1 1 系统理论系统论是美籍奥地利生物学家l 贝塔朗菲创立的，是一门逻辑和数学领域的科学。系统论认为，人们只有按系统的观点，才能处理和解决好复杂l u j 题。系统论是从整体性的原则出发，从整体与部分、部分与部分、整体与外部环境相互联系、相互制约、相互作用的关系，对系统运行舰律进行综合地、精确地考察和揭示，以求得整体最佳效果的一种科学方法和科学理论。坚持系统论的观点对研究铁路枢纽点线能力协调问题是十分必要的【2 9 ，3 0 ，3 1 1 。1 系统的开放性系统存在于一定的环境当中，系统和环境之间进行各种信息的交换以保证自身的发展。系统与环境进行信息交换的过程中，会受到环境的影响，同时也会影响环境。2 系统的整体稳定性和局部变异性系统内部要素彼此问的互相作用，也可能会发生故障。只有那些在经受干扰和故障后能保持或恢复自身状态的系统，才有继续发展的可能。这种抗拒干扰以保存自身的属性，称为整体稳定性。在外界干扰和内部故障作用下，系统也会发生要素局部更替、结构局部改变以及功能局部丧失等情况，这是系统的局部变异性。这些局部变异一般不影响系统的整体稳定性。而且，不少系统都有把局部变异后形成的状态改变过来的能力。但是，随着局部变异的积累达到一定程度之后，系统的整体稳定性则会丧失，其结果就是旧系统瓦解，新系统诞生。由于系统的整体稳定性，使得系统能被区分丌来，不同功能的系统有不同的作用。系统的局部变异性，也使得系统能够发展变化。这是两种对立的倾向，一个维护系统的稳态，另一个则促使系统失稳。这会形成系统稳定一失稳一再稳定的自我调节进程。在不同的条件下，这个进程会有不同的发展方向。既可能朝进化的方向推进，也可能朝退化的方向运动。对于任何一个具体系统，只有弄清它发展的动因、趋势、途径、内部机制和外部条件，才有可能在实践中不断的改进系统。3 系统的整体性系统论认为，系统是构成事物的诸多要素相互作用与相互联系的综合体，系统的性质功能和运动规律只有从整体上才能显示出来，系统的这种整体性呈现了各个组成要素所没有的新特性。如果系统中各要素之间有内耗，系统整体所输出的功能小于各要素功能的简单加和；如果系统中的各要素相互配合，系统整体输出的功能大于系统内各要素功能的简单加和。在对系统整体性所产生的效应分析时，应根据不同类型系7硕士学位论文?第二章铁路枢纽点线能力协调概述统的具体目标，从数量和质量两个方面寻找实现系统整体功能大于部分功能之和的方法和途径。4 系统的动态性系统论认为，系统是有机的统一体，是“活”的动态系统，会随时间的推移经历发生、发展、稳定和衰亡的动态变化或演化过程。系统虽然会受到外部环境和内部要素的双重干扰，但其具有自调节、自适应等特性，使其不仅能够生存，而且系统功能还有所提高，呈现更稳定状态。系统的稳定是相对的，系统只能在一定范围和一定时间界限内保持稳定。当条件变化后，组成系统的子系统和要素发生局部变异，达到一定程度，系统就会不稳。这时，系统会有两种演变结果：一种是在与外界交换物质、能量和信息的情况下，系统重新有序而呈现稳态；另一种是系统由于周期震荡或干扰越来越大而走向衰落【3 0 1 。2 1 2 协同学理论协同学( s y l l e r g e t i c s ) 是由著名学者h 哈肯( h e h n a 衄h a k e n ) 于1 9 6 9 年创立的。协同学主要是站在中观的角度，研究开放系统通过内部子系统之间的协同合作形成宏观有序结构的机理和规律的一门学科。协同学的主要贡献是，把不同学科共同存在的协同现象抽象出来，建立了一种用统一观点去处理复杂系统的概念和方法，应用范围非常宽广，对系统协调理论与方法的研究具有十分重要的作用【3 0 ，3 2 1 。协同学给出的协同含义是：系统中各组成要素之间、各子系统之间在操作过程中协调一致、共同合作产生新的结构与功能。在宏观上，这一概念表现为整个系统的有序化。协同学认为，系统内的各子系统总是存在着自发的无规则的独立运动，同时又受到其它子系统对它的共同作用存在着子系统之间关联而形成的协同运动。子系统之间的协同运动决定了系统的功能和类型，并促使系统朝着相反的两个方向发展或演化：一种趋向是从有序状态自发地向无序状态变化，另一种趋向是在一定的条件下系统可以从无序状态变为有序状态。在协同学中，平衡态是指系统状态参量不再随时间变化，系统内部不会有宏观迁移现象发生，达到一种不变状态。平衡态具有两个特征：一是系统状态参量不再随时间等变化，即达到了定态；二是系统内部不存在物理量的宏观流动，如热流、粒子流等。凡不具备这两个特征的，称之为非平衡态或远离平衡态。无论是处于平衡态的系统，还是处于非平衡线性区( 即近平衡态) 的系统，其演化的总倾向都是趋于无序，不能形成有序结构。只有处于非平衡态的系统，才能形成有序结构。孤立系统的定态就是平衡态，而开放系统因为与外界有交流，系统内部各子系统和要素之间又存在着复杂的非线性的相互作用，系统即便达到平衡态也只是相对的平衡态。协同学对枢纽点线能力协调提供的启示：1 铁路枢纽运输系统是一个开放系统，它不断与外界环境之间进行客流与货流的交换，从外界获得形成有序的客货流。2 铁路枢纽运输系统的协调发展需要宏观控制，系统的协调发展，主要在于固定设施的使用和运输组织模式，因此，系统外部的宏观调控，对于铁路运输系统实现协调发展起到非常重要的作用。系统外部的宏观调控，总会使铁路运输系统产生或大或小的波动。如果系统外部的宏观调控合理，会加快铁路运输系统协调发展进程，如国家出台的相关运输政策，对铁路运输系统结构的完善和功能的发挥产生很大的推动作用。3 系统波动是形成铁路运输枢纽系统有序结构的源动力。交通科技的发展、社会经济的发展、运输政策的合理实施等，都会导致铁路枢纽运输系统发生波动。这些波动使得各子系统的独立运动不会停止，枢纽运输系统就会从无序走向有序或从低层次的有序走向高层次的有序。4 序参量是控制铁路运输系统结构和功能的决定性因素。找到系统的序参量，就可以描述系统发展的状态。在不同状态下或不同的发展阶段，会有不同的序参量主宰着铁路枢纽运输系统。在不同发展阶段，主宰系统的序参量不同，才会有系统结构的改变和功能的扩大。本文针对不同阶段内系统列流强度的强弱来对铁路枢纽运输系统的协调问题进行研究。5 各子系统和要素的自组织行为足铁路枢纽运输系统实现协调发展的内因和决定性力量。铁路枢纽运输系统由多个子系统构成，每个子系统又都自成系统，各自有其独特的技术经济特征，完成相应的技术过程。同时，在外界环境( 如旅客列车开行、五定班列以及天窗维护时间等) 的影响下，各子系统都要受到其它子系统非线性的的影响和作用，这种复杂的非线性影响又形成着某种反馈调节的机制，彼此之间产生了协同运动。每个子系统，对其自身而言，又是由若干个更微小的子系统构成，同样遵循自组织原理。如果从更高层次的系统角度看，铁路枢纽运输系统是更高系统路网大系统中的子系统，它们之间也会产生协同作用。2 1 3 系统协调度的含义协调是指为达到共同目标，有关系统、现象或事物问的相互协作、相互配合、相互促进，所形成的良性循环的发展态势，也就是协同动作，相互配合的意思【3 1 ，3 3 ，3 4 1 。枢纽系统能力是否协调，主要取决于点线所组成系统内部主要设备间能力合理匹配的程度，找出影响提高枢纽系统综合能力的限制“点”，并且采用合理的运输组织模式及设备设施的改造，以提高铁路枢纽综合能力。为衡量枢纽内部协调程度，结合系统和协同学理论，引入系统能力协调度的概念。论域x 上的“模糊集合”彳定义为：彳= ( x ，彳( x ) ) lx x 或者彳= ( x ，心( x ) ) lx 彳 ，其中彳( x ) 或心( z ) 称之“隶属函数”，它满足彳：x 斗m 。这里，m 成为“隶属空间”。最常见的隶属空间为区间f o ，1 1 。根据定义不难推出，模糊集9l硕士学位论文第二章铁路枢纽点线能力协调概述合实际上是论域x 的隶属空问的一个映射【”】。隶属函数彳( x ) 用于表示元素x 对模糊集合隶属的匹配程度，即协调度。所以，模糊集合彳的每个元素( z ，彳( x ) ) 都能明确的表示出石的隶属协调等级。彳( x ) 的值越大，z 的隶属程度就越高，协调度就越大，反之亦然。协调度，是对系统协调性的度量，是反映客观事物的内外作用力与其发展方向是否协调一致的数量指标。协调度是人们对某一事物或某一现象，在心理上、主观上或经过科学的分析、计算基础上对其协调性、一致性的评判的数量指标。协调度是在特定的条件下，对一种状态或一个方案的协调性的度量 2 5 ，3 1 1 。系统的协调度足衡量各子系统之间以及系统与外部环境之间的协调关系。通过协调度计算，可以分析系统整体的协调状况。以编组站系统中的协调度为例，该系统的协凋度是研究编组站内部子系统能力的匹配程度，进而实现各作业环节的匹配，各子系统问能力的协调，最大限度的发挥编组站系统作业能力。在编组站系统中，基于模糊集合下隶属函数的隶属程度，定义论域x 表示某时段由到达列流强度所确定的需求能力；m 表示编组站系统设备作业能力；隶属函数p f 石1表示阶段列流量对该阶段设备能力的匹配程度，集合m 中的每个元素( 石，p ( x ) ) 能明确的表示出x 的协调等级，以刻画子系统间能力的协调度。而实际上系统的协调程度不应该只是“是”与“非”两个答案，它应是一个在肚1 之问连续变化的量，定义“l ”表示协调，“o ，表示不协调，o 1 之间的数表示协调的程度，只有这样才能更好地与铁路运输的实际情况结合起来【5 ，1 6 ，2 7 1 。如表2 1 所示，给定系统能力协调度的等级表。表2 一l 协调度等级划分表表2 一l 中，协调度的等级划分并不是依照协调度的值平均划分，而是考虑到铁路运输设备能力的具体情况，其在设备空闲的情况下，每增加一列列车，对设备能力的影响并不大，而在设备能力紧张的情况下，每增加一列列车，都会对车站设备能力产生较大的影响。1 极不协调：协调度在 o 0 ，0 1 0 】之间，当系统处于此状态时，能力浪费极其严重或者能力完全饱和，这是最不利的情况。2 不协调：协调度在 o 1 0 ，0 1 9 】之间，当系统处于此状态时，能力有浪费严重，或在未在繁忙时期车站发生排队现象，列车接入延误，运行调整难度大。3 中度不协调：协调度在 o 2 0 ，o 3 9 】之间，当系统处于此状态时，能力有较多1 0浪费，或在繁忙时期车站发生排队现象，列车接入延误，运行调整难度较大。4 基本不协调：协调度在 o 4 0 ，0 5 9 】之间，当系统处于此状态时，能力有较少浪费，或在繁忙期间内列车接入延误，运行调整难度进一步降低。5 基本协调：协调度在 0 6 0 ，o 7 5 】之间，系统能较好的完成运输任务，能力稍微有一点浪费，或在繁忙期间内能按照一定的接车延误率接入列车。6 良好协调：协调度在 0 7 6 ，o 8 9 】之间，系统能很好的完成运输任务，能力有一定的储备，在繁忙期间内能按照呵接受的接车延误率接入列车。7 优质协调：协调度在【o 9 0 ，1 o 】之问，系统处于最佳的状态，保证能力不浪费的情况下，无延误的完成各种运输任务，系统适应能力很强。+ 2 2 铁路枢纽点线能力协调的基本内容枢纽点线能力协调实际上就是能力的相互适应性，铁路枢纽作为一个由点系统和线系统综合构成的多环节系统，其中的任一薄弱坏节不仅将限制整个系统的能力，而且会造成其它环节能力的浪费。因此，铁路枢纽系统中各环节能力必须保持相互协调，一方面可以适应不断增长的运输需求；另一方面可以充分发挥系统设备能力潜力，保证枢纽运输畅通，实现铁路运输的低耗高效。如何量化各环节能力的匹配程度，在现有条件下充分发挥设备能力，来提高枢纽的运输能力，将作为点线能力协调中重要的研究方向。铁路枢纽的点线能力协调主要包括以下三个方面：一是枢纽的车站内各子系统问的协调；二是枢纽的区间能力( 包括枢纽内联络线、迂回线、，直径线等) 与枢纽内的点系统( 车站) 能力的协调；三是枢纽与其衔接线路之间的能力协调。2 2 1 枢纽内点系统能力的协调枢纽的点系统主要由四个子系统组成，它们包括编组站系统、客运站系统、货运站系统和机务段系统。对于车站能力的协调工作，首先是要找出车站作业过程中各环节之间的关系，其次分析它们之间的相互制约因素，找出限制车站能力的薄弱环节。最后，从最小的限制坏节入手，采取相应的加强措施，组织其他方面的工作与之协调，或者通过合理有效的办法最大限度地分担起一部分限制环节的任务。只有这样，才能发挥整个“点系统的能力的功能。1 编组站内部各子系统之间的协调根据排队论和车列在站内的作业流程，编组站系统又可以分为三个服务子系统：到解子系统、解编子系统和编发子系统。( 1 ) 到解子系统的协调到解子系统的协调关系是指到解子系统应具有一定的技术作业能力和技术作业硕士学位论文第二章铁路枢纽点线能力协调概述设备数量，以使到解子系统处于运输组织所允许的运行状态。这种协调关系主要是指到解子系统与所衔接区间的匹配关系，表现为保证一定的接车可靠性的条件下，一昼夜驼峰解体能力和列检作业能力均大于到达解体的列车数，重点考虑系统出现饱和状态时的匹配关系。( 2 ) 解编子系统的协调当调车场有足够的线路供集结车辆使用时，解编子系统能力的协调主要是驼峰和峰尾牵出线能力的协调。应使解体车辆集结完毕后能及时地编组并转往出发场，以保证驼峰不问断地解体，不延误到达场的接车作业。其协调的基本条件是一昼夜编组系统能力大于由车站集结的自编列车数。一般情况下，解编子系统又分为解体和编组两个给小的系统，而这两个系统问是相辅相成的。如果解体能力不足，编组机车就可能出现等待集结车流的情况。当解体能力和编组能力相差较多时，可采取调整措施，比如增减凋车机台数，灵活使用机车协助编组，或重新分配峰上、峰尾的作业量，使解体和编组能力都不浪费，达到相互协调的目的。( 3 ) 编发子系统的协调编发子系统能力协调的基本条件是一昼夜该系统具备的发车能力应大于系统需要的发车能力和列枪能力。否则，出发场线路将被待发列车所充塞，从而引起编组系统乃至剑解系统工作的停顿。由于牵出线与驼峰具有相近的性质，要维持编组作业与区间出发作业的协调，也必须适当增加出发场的容量，以解决区间发车与牵出线作业之间的矛盾。( 4 ) 全站作业的协调，由于车流的不均衡性以及各项技术作、i 匕时间的波动，在满足基本协调条件下车流在各子系统中仍有排队等待现象。为了减少各种等待时间，各子系统的作业能力应具有一定的储备，并在繁忙时期采取一些可行的技术组织措施。为了保证整个编组站各子系统工作的协调，须从整体最优的原则来确定各子系统的能力、设备数量和作业组织方法。提高编组站的总体能力，必须做好编组站各作业系统内部及作业系统间的协调工作。2 客运站内部各子系统i 日j 的协调客运站的能力是由到发线、咽喉、客车整备线三个子系统构成的，它们之间既相互制约又相互转移，例如尽头式客运站到发线的通过能力在很大程度上受咽喉能力的控制。而当整备场线路不足时，客车车底又会占用到发线进行整备，吃掉到发线的能力，使能力产生转移。此外，由于旅客列车性质不同，始发、终到旅客列车的能力决定于客运站的到发线、咽喉能力以及整备场的整备线能力。只有在三个子系统的能力合理匹配时，才能充分发挥到发线通过能力的作用。保持点线能力协调畅通。3 货运站内部各子系统间的协调1 2货运站是由车场和货场两大部分组成的，货运站的能力也主要受车场到发线能力、专用线通过能力和货场综合作业能力的控制。它们之间相互制约又相互转移，因此在考虑货运站内部系统能力的协调中，必须使各项作业相互协调配合，从而整体提高货运站能力。另外，诸如调车机车、搬运货物的汽车等设备可以根据需要随时增加，往往不会构成货运作业能力的限制环节。4 机务子系统及其能力协调机务子系统设备构成：机务子系统设备包括枢纽内各客货机务段、折返段的机车检修设备和整备设备。机务子系统的能力主要取决于机务设备的能力包括检修能力、整备能力及机车供应能力。目前，在我国铁路网中机务子系统往往不会构成车站甚至枢纽的限制环节，本文亦不予考虑。一铁路枢纽内为避免重复作业，充分利用枢纽设备，各车站有着明确的分工。其中编组站的任务主要是办理货物列车的解体、编组及无改编中转列车的通过作业。一方面，铁路枢纽位于铁路干线的交叉点，枢纽内的编组站需要处理路网上产生的大量的改编列车；另一方面，铁路枢纽大多位于大中城市、大工矿企业或河海港口等，地方车流的比例相当大，编组站还需承担接发、编解小运转列车的任务。安全、及时地办理地方车流的作业对保证工业企业连续生产，合理组织列车的连续车流，保持枢纽的畅通，都有巨大的意义。因此，本文主要讨论枢纽内编组站内各子系统间的协调问题。2 2 2 枢纽内线路系统与车站能力的协调枢纽线路子系统包括枢纽区间、跨江河枢纽的大桥等，枢纽内各个车站就是通过楸纽线路子系统而相互联系，进而实现车流的交换及货物的装卸车作业。因此线路子系统也必须保证提供充足的通过能力，才能充分发挥枢纽设备的作用，保证枢纽的畅通，完善枢纽内点线能力的协调。二1 枢纽线路区间与车站能力的协调枢纽区间子系统的通过能力与线路区间通过能力的概念相同，它与区间线路长度、坡度、闭塞方式、列车运行速度、采用的列车运行图等因素有关：枢纽区间子系统