（交通运输规划与管理专业论文）既有客货双线铁路最大行车量研究.pdf

西南交通大学硕士研究生 第1 页 皇曼皇i i 一一i ii曼皇曼曼曼皇曼笪曼曼曼!曼曼曼曼曼舅舅曼鼍量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼巴曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼 摘要 为缓解我国铁路运输的压力，铁道部先后一共进行了六次大提速，伴随着多次大 提速后，我国铁路区段列车运行图的结构发生了本质上变化，客货列车流的开行规律 出现了新的特征，不均衡运输现象也越来越凸显，使得传统的区间通过能力计算方法 已不能客观地反映区段的通过能力。因此，如何合理地计算客货双线铁路的最大行车 量是判定铁路路网运输资源利用情况的重要问题，也是进一步系统地协调优化铁路运 输系统点线能力利用的关键所在。 在查阅大量文献资料并结合最新研究动态，运用铁路运输组织、最优化、系统控 制等相关理论，本文对客货双线铁路的最大行车量计算方法和系统点线能力协调这两 个主要问题进行了系统地研究，主要内容如下几个方面： 1 介绍了影响客货双线通过能力的各个因素；并对各种区间通过能力的计算方法 进行详细地论述和分析其各自的特性。 2 结合我国2 0 0 8 年暑运期间的列车运行图资料，利用统计理论方法进行初步统计 分析，得出既有客货双线铁路的列车运行图结构规律和特点，为通过能力计算提供依 据。 3 以既有客货双线列车运行图结构特征为依据，在原有的通过能力计算方法和理 论的基础上，提出适合当前客货双线列车运行图结构特征的通过能力算法思路。并以 京广、京沪、京九、陇海和胶济线等五大干线为例，运用三种不同的计算方法对干线 区段通过能力利用情况进行计算和比较分析，得出各种方法的适应性情况；最后，运 用新方法提供均衡一集中型运行图铺画方式下的分类线路最大行车量参考值，并对各 种因素的影响规律进行分析比较。 4 最后，采用大系统控制和系统耦合协调理论和方法，以系统结构特征为出发点， 对客货双线铁路系统点线能力协调的内容、原则、目标和优化方法进行初步的探讨性 研究。 关键词：双线铁路；通过能力；扣除系数；点线能力；系统协调优化 西南交通大学硕士研究生第l i 页 a b s t r a c t i no r d e rt oa l l e v i a t et h ep r e s s u r eo fc h i n ar a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t h em i n i s t r yo f r a i l w a y sh a sa l t o g e t h e rs i xd e g r e e ss p e e d u p a f t e rt h es p e e d u p ，t h et r a i nd i a g r a m s 臼1 l c t l 】r eo fc h i n ar a i l w a yh a se s s e n t i a l l yc h a n g e t h eo p e r a t i o nr u l eo fp a s s e n g e ra n d # e i g h t t r a i nf l o wa p p e a r sn e wf e a t u r e s ，t h en o n e q u i l i b r i u mt r a n s p o r t a t i o np h e n o m e n o nb e c o m e s m o r ea n dm o r ef r e q u e n t t h e s ec a u s e st h et r a d i t i o n a ls e c t i o nc a r r y i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o n m e t h o da l r e a d yc a n n o to b je c t i v e l yr e f l e c tt h ea c t u a lc a p a c i t yo ft r a i ns e c t i o n s t h e r e f o r e ，i t m u s tr e p o s i t i o nt h et r a n s p o r t a t i o nr e s o u r c eu t i l i z a t i o no fr a i l w a yn e t w o r k e s p e c i a l l y , p e o p l e p a ym o r ea t t e n t i o n st ot h ei s s u e sh o w t oc a l c u l a t et h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fp a s s e n g e ra n d f r e i g h tm i x e dd o u b l e - t r a c kr a i l w a y s ，a n dh o w t oc o o r d i n a t et h ec a p a c i t yu t i l i z a t i o no ft h i s r a i l w a ys y s t e m sd o t sa n d l i n e s b a s e do nc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fp a p e r s ，d o c u m e n t s ，a n dt h el a t e s tr e s e a r c h d e v e l o p m e n t si nt h ef i e l d ；u s i n gr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no r g a n i z a t i o n s ，t h et h e o r i e so f o p t i m i z a t i o n s ，s y s t e me n g i n e e r i n g a n d l a r g e - s c a l es y s t e m s c o n t r o l ，t h et e x th a s s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e dt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n ds y s t e md o t s a n dl i n e sc o o r d i n a t i o n t h em a i np o i n t sa sf o l l o w e d ： 1 t h ea u t h o ra n a l y z e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dc o m p o n e n te l e m e n t so fc a p a c i t y , a n d i n t r o d u c e st h em e t h o d so fc a l c u l a t i n gt h er a i l w a y ss e c t i o n sc a r r y i n gc a p a c i t y , a l s oa n a l y z e s t h ea d a p t i o no ft h e s em e t h o d s 2 b a s e do nt h ec h i n ar a i l w a yd i a g r a m sd a t ad u r i n g2 0 0 8s u m m e rv a c a t i o n ，u s i n gt h e m e t h o d so fs t a t i s t i c st h e o r y , t h ec h a p t e rp r e l i m i n a r ya n a l y z e st h e m a f t e rt h a t ，i td r a w sa r e s u l to ft h es t r u c t u r er e g u l a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fc h i n ap a s s e n g e ra n df r e i g h tm i x e d d o u b l e - t r a c kr a i l w a y s ，a n dp r o v i d eb a s i sf o rt h r o u g hc a p a c i t yc a l c u l a t i o n 3 s t a r t i n gw i t ht h er e g u l a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft r a i nd i a g r a ms 订u c t u r e ，b a s e do n t h eo r i g i n a lc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h e o r y , i tp u t sf o r w a r dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o db es u i t a b l e f o rt h ec u r r e n tr e g u l a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft r a i nd i a g r a ms t r u c t u r e t a k i n gj i n g h u ， j i n g g u a n g ，j i n g - j i t hl o n g h a ia n dj i a o - j il i n e sa se x a m p l e s ，u s i n gt h r e ec a l c u l a t i o nm e t h o d s ， t h eu t i l i z a t i o no ft h es e c t i o nc a r r y i n gc a p a c i t yh a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d a tl a s t ，u s i n gt h i s m e t h o d ，i tc a l c u l a t e st h em a x i m u mc a r r y i n go fd i f f e r e n tk i n d s ，a n da n a l y z e st h ed i f f e r e n t i n f l u e n c i n gf a c t o r s 4 u s i n gs y s t e ma n a l y s i st h o u g h t ，t h ep a p e r a d o p t i n gb o t hq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e m e t h o d s ，a n a l y z et h es y s t e mc a p a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c t h e nt h ec o n t e n t ，p r i n c i p i a , g o a la n d 西南交通大学硕士研究生第1 i i 页 m e t h o do fp a s s e n g e ra n df i e i g h tm i x e dd o u b l e t r a c kr a i l w a y ss y s t e ma b i l i t yc o o r d i n a t i o ni s s t u d i e du s i n gc o u p l i n gc o o r d i n a t i o nt h e o r y k e y w o r d s ：d o u b l e t r a c kr a i l w a y s ；c a r r y i n gc a p a c i t y ；d i s c o u n tc o e f f i c i e n t ；c o o r d i n a t i o n a n do p t i m i z a t i o no fs y s t e m s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密 2 不保 年解密后适用本授权书； 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：呷窿确 指导老师签名：珀呜 同期： 2 形侈歹日期：j 一，f o 5 ， 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 论文在查阅大量研究文献和论文的同时，结合最新研究动态，首先对既有客货双 线铁路列车运行图结构特征进行数理统计分析；接着在已有的理论方法基础上，提出 新的区段通过能力计算方法，结合实例进行验证；并提供了在均衡一集中型运行图铺 画方式下较为全面的分类线路的最大行车量参考值；最后，运用系统控制和耦合协调 理论方法，对客货双线铁路系统点线能力协调优化方法进行初步的研究。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：如汐 即茬焰 i 占、 f 西南交通大学硕士研究生第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 铁路运输作为国家重要的基础设施，国民经济的大动脉以及交通运输体系的骨干， 在当今飞速发展的社会和经济中担负着重要的运输任务。从目前情况来看，随着国民 经济的飞速发展，我国铁路发展长期保持一定的滞后状况，运输能力远不能满足运输 需求的增长，从而导致运输能力在客流高峰期十分紧张( 特别是春运和暑运期间) ，限 制型运输状况仍然严重，这些问题的主要矛盾点集中于繁忙干线上。我国铁路繁忙干 线大多是采用双线自动闭塞，客货共线运行的区段，所途经的地区均是经济发达、人 口密集或客货运输需求大的地区【7 】。 一方面，为缓解我国铁路运输的压力，铁道部通过既有线改造、提高列车速度、 增加运输密度，在短时间内扩充运输能力。我国铁路从1 9 9 7 年至2 0 0 7 年的十年时间 里，一共进行了六次大面积提速，每次提速对运输能力都有较大的提高，仅2 0 0 4 年的 第五次和2 0 0 7 年的第六次提速，运输能力就提高了5 0 以上。伴随着铁路的多次提速 后，列车运行图结构发生了本质的变化主要体现在客货运行速度、追踪列车间隔时间、 客货列车开行数量比例、客车分布等等。因此，对铁路的路网运输资源，尤其是客货 繁忙干线通过能力的实际利用情况必须从总体上有一个较为科学准确的判定和计算方 法。 另一方面，目前我国既有双线铁路通过能力的计算方法是采用传统的扣除系数法， 属于一种静态确定型的计算方法，仅适用于客货列车速度种类少、速差不大、客车所 占比例较低等情况。为适应交通运输市场竞争和铁路自身发展的需要，旅客列车对数 大幅度增加，行车组织方式有了较大的变化，在列车运行计划中安排了大量列车的群 发、群到运行，从而呈现出客、货列车铺画不均衡的局面【8 】。此外，现有双线铁路中， 有部分区段，应用传统的扣除系数法计算出其能力利用率接近饱和或超饱和，这也是 传统的通过能力计算方法存在问题的种表现。于是，应用传统的扣除系数取值难以 准确反映双线铁路区段通过能力，对于新建客货混跑双线的最大行车量设计也不能提 供有效的指导。 因此，研究我国目前客货混跑双线铁路的最大行车量计算方法以及如何合理地协 调系统点线能力利用不仅在理论上十分必要，而且对于新线的规划设计上也具备重要 的参考价值。本文的研究正是在这种背景下展开的。 西南交通大学硕士研究生 第2 页 1 2 国内外研究现状综述 作为既有和新建铁路线路能力评定和设计的理论指导依据，铁路通过能力的研究， 长期以来都是铁路运输能力的重要研究问题。其中，研究铁路通过能力的问题包括能 力利用、计算方法、点线能力协调等方面的一系列研究。 1 2 1 国外研究现状 国外的高速铁路，尤其是欧洲和日本，高速铁路路网己基本成型，运输组织方式 也基本固定。由于这些国家相对客运量小、线路能力富裕，国外通常采用全高速的运 输组织模式，其对应的通过能力计算方法也比较简单。 在通过能力利用方面，目前，国外一些国家主要是以路网运行图的形式，运用运 筹学和计算机模拟法理论对线路通过能力进行定性和定量的研究分析。近年来，借助 计算机技术，利用现代化科学理论与方法，考虑各种要素的影响关系，针对各种变化 条件下的可实现性提出理论方法。如日本高速铁路为适应全时段的客流需求，在路网 通道能力设计上具有超前性和富余性，制定不同时期的列车运行图，为市场竞争和大 能力输送提供保证。 在通过能力计算方法方面，国外对铁路通过能力计算方法系统研究比较深入的有 德国和日本，共同特点都是以列车运行图结构为基础，考虑各种种类列车的开行数量、 在运行图上排列顺序的随机组合因素充分以及一定的运输质量要求来进行综合计算分 析【6 】o 1 2 2 国内研究现状 在我国，国内铁路运输专家、学者对有关涉及通过能力问题己经进行了卓有成效 的研究，研究成果各有侧重和特色。 在通过能力利用方面，杨浩等人( 1 9 9 4 年) 首次提出能力利用中的无效能力概念， 进一步指出无效能力的客观性、产生的不可避免性、变化的动态性和随机性、影响的 后效性以及转化为有效能力的特性，特别论述了能力损失具有延迟、吸收和迭加的传 递规律，提出建立动态能力储备以增强运输系统稳定性的观点f 8 】。张星臣等人( 1 9 9 4 年) 首先提出能力储备的概念，并对储备能力的基本含义及特征进行了分析，认为能力储 备是研究铁路通过能力相关问题的重要组成部分【l o 】；张星臣、胡安洲与杨浩( 1 9 9 7 年) 基于列车运行方案综合撒点或冗余铺画模型，采用计算机模拟方法研究了不同分配模 式下的铁路运输的能力利用问题以及提出了能力合理分配的方法，部分结论在市场经 西南交通大学硕士研究生 第3 页 济条件下仍具有实用价值，为能力储备问题提供了良好的参照【l l 】。 在通过能力计算方法方面，由于我国对铁路通过能力的计算研究从1 9 6 0 年之前的 按限制区间分析，7 0 年代按相邻区间分析，发展到8 0 年代按全区段整体分析，主要都 集中于双线自动闭塞区段。张玲( 1 9 8 2 年) 对旅客快车在复线自动闭塞区段列车运行图 上的铺画规律，及其影响因素进行了研究，根据理想越行图以及偏移量确定使得基本 补充扣除系数的最小的最优越行方案，这是与传统的以区间为基本计算单元的一种变 革【7 1 。朱家荷等人( 1 9 9 0 年) 根据大量实际区段的资料统计和图解，运用运行图理论全面 分析了影响旅客列车扣除系数的各种因素，通过建立数学模型来推导出旅客扣除系数 的计算公式f 1 2 】。严余松( 1 9 9 7 年) 首先提出旅客列车影响区和非影响区的概念，假设相 邻旅客列车的间隔分布服从均匀分布，以分析计算的形式推导出旅客列车扣除系数公 式，为之后对通过能力计算方法的研究提供了前提【1 4 1 。孙焰等人( 2 0 0 1 年) 用数学方法 分析和推导双线区段内各种因素对旅客列车扣除系数的影响关系，给出旅客列车在多 种不同场合下求扣除系数的数学模型和计算公式，设计了求双线区段旅客列车扣除系 数和区段通过能力的多项式算法，通过大量实例计算，分析了客货列车速度、追踪列 车间隔、旅客列车对数等各种因素对通过能力影响的变化关系【2 1 1 。铁科院“全路线路 通过能力计算方法的研究”专题组( 2 0 0 3 年) 研究的区间通过能力计算方法取名为直接 计算法，其主要思想是按照时间共享、能力共享的原则，根据列车运行图结构中不同 列车排列组合方式下，每列车在运行图上必须占用的最小间隔时间之总和，直接计算 出通过能力的大小；列车运行图整体结构可以按横向和纵向两个角度进行规律性的分 析研究【l3 1 。兰鹏等人( 2 0 0 9 年) 提出了一种新的方式，在客车数量大于货车数量的情 况，提出以客车为基础，货车作为一种扣除因素加以考虑的计算方法，并对其扣除系 数的计算进行分析【2 6 】。 在点线能力协调优化方面，基于系统理论和运输需求目标，对铁路路网系统的点 线能力进行了相关研究。如文献 3 2 】、【3 4 1 、 3 5 等，从大系统控制理论和协同思想为 出发点，提出了运输系统协调理论的概念和实施步骤，并基于设备优化配置为目标， 建立点线能力的量化模型和求解方法。既有线点线能力协调方面，如文献 5 1 1 ，基于模 糊整数规划及运输系统协调优化理论，对大型复杂铁路网上点线能力的协调进行研究， 以总费用最小化为目标，建立非线性o 1 规划模型并进行求解。 西南交通大学硕士研究生 第4 页 1 2 3 国内外研究存在的问题 通过对以上研究情况的分析可以看出，国外的高速铁路大都已建成较为完善的运 输网络，其运输组织体系和方法己基本形成，其对于通过能力计算方法的研究也比较 完善，具有一定的独特性。 从国内的研究现状也可以发现，我国运输专家、学者对铁路通过能力问题的研究， 取得了一定的成果，但也存在一定的不足： ( 1 ) 在通过能力利用方面，主要利用大量的定性分析方法，提出了相关能力储备 等概念，建立能力动态储备模型，但能缺少定量方面的理论研究； ( 2 ) 在通过能力计算方法方面，由于我国铁路经历了多次大提速，原有传统的通 过能力计算方法已不适应当前的运输组织模式；有关学者、专家也通过分析影响通过 能力的主要因素，提出了新的计算方法和理论依据，但是因各种原因这些方法仍需要 进一步科学的验证； ( 3 ) 在点线能力协调研究方面，国内以往的大部分研究都集中于静态协调，即在 新站和新建建设方案、技术改造方案下进行的系统静态优化，已取得了不少研究成果； 但是对动态协调( 即在最优化运营策略方面) 的研究则是很少，动态协调所取得的长 时期的观察值和规律性的结论，是静态协调的基础。 1 3 论文的研究内容和思路 通过对国内外各种文献中关于通过能力和系统协调的研究思路和方法的比较分 析，并结合本研究领域的最新研究动态，在已有的理论基础上，确定本论文的研究思 路和研究方法应该从现有的实测数据入手，根据我国既有客货双线列车运行图的结构 特征为出发点，重点研究适合当前客货双线铁路的最大行车量计算方法和客货双线铁 路系统点线能力协调优化方法等问题。主要研究内容的思路如下： ( 1 ) 先分析影响客货双线通过能力的各个因素，从理论上揭示双线铁路通过能力 受各种因素变化影响的规律；再对相应的各种通过能力的计算方法进行详细论述和不 适应性分析。 ( 2 ) 结合我国既有铁路2 0 0 8 年暑运期间的列车运行图资料，利用统计理论方法 进行初步统计分析，得出既有客货双线铁路的列车运行图结构规律和特点，为通过能 力计算提供依据。 ( 3 ) 以列车运行图结构特征为出发点，在原有的计算方法和理论的基础上，通过 西南交通大学硕士研究生 第5 页 ,i, i i i i 皇曼曼皇量曼曼皇曼曼曼! ! 蔓曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼 研究分析后提出适合当前列车运行图结构特征的计算方法思路；接着，结合实例运用 三种不同的能力计算方法对干线区段通过能力利用情况进行计算和比较分析，得出各 种方法的适应性情况；最后，从列车运行图铺画方式入手，以均衡一集中型运行图铺 画方式为设定条件，运用新方法计算出各种情况下的客货双线最大行车量参考值，并 对各影响因素进行分析比较。 ( 4 ) 最后，采用大系统控制和系统耦合协调优化的理论和方法，从系统结构特征 为出发点，对客货双线铁路系统点线能力协调的内容、原则、目标和优化方法进行初 步的探讨性研究。 西南交通大学硕士研究生 第6 页 ! m m , _-,_ i i i i i 皇曼舅曼曼曼曼 第2 章铁路通过能力影响因素与计算方法概述 2 1 铁路通过能力影响因素 根据文献【4 中铁路通过能力的定义，是指在采用一定类型的机车车辆和一定的行 车组织方法条件下，铁路区段的各种固定设备，在单位时间内( 通常指一昼夜) 所能 通过的最多列车数或对数【4 】。通过能力在一定程度上取决于铁路工作者的协同动作和铁 路固定设备、机车车辆的合理运用。因此，通过能力会随着技术设备和行车组织方法 的改善而提高。通过能力一般要通过区段表现出来，运输设备和行车组织方式都是通 过能力不可缺少的组成部分，二者共同作用、相互影响，最终形成区段通过能力。区 段通过能力可以定义为在单位时间内( 通常是一昼夜) 某一区段所能通过的最大行车 量或列车数、列车对数，是制定运输计划、新建、改建铁路线路、装备运输设备的重 要依据和指标。 区段通常由多个区间组成，一般是分别对每一区间研究列车对区间的占用情况进 行研究，从中找出列车运行最困难的区间，并把这一区间作为整个区段通过能力的标 准区间。区段通过能力是区间通过能力的整体反映。 影响铁路区段通过能力的因素诸爹3 1 ，包括区段内中间站的数量及各车站的站间 距、列车在各车站的追踪、到达和出发间隔时分、客货列车在各站的起停车附加时分、 客货列车运行速度、客货列车对数和客货列车的分布结构等这些都是在通过能力计算 中应当考虑的因素。 铁路区间通过能力是指铁路区段的每一区间在一定的行车组织条件下，一昼夜最 多所能通过的列车数或对数【4 】。区间通过能力主要受下列因素影响： ( 1 ) 区间正线数目以及区间长度。单线的区间通过能力将小于双线、三线和四线 的区间通过能力；当客货列车运行速度一定时，区间长度的大小对区间的通过能力往 往起着决定性的影响。 ( 2 ) 线路平纵断面。当列车重量一定时，线路的坡度和曲线半径的不同将影响列 车的运行速度，从而影响列车占用区间的时间。 ( 3 ) 牵引机车类型。各类机车在牵引性能、构造速度、计算速度、制动等方面存 在着差别，因此，各种不同类型的机车牵引一定重量的列车在同一区间运行时，将有 不同的速度，从而产生不同的运行时间。 ( 4 ) 信、联、闭设备。各种类型的信、联、闭设备制式的性能、操纵方式、办理 西南交通大学硕士研究生第7 页 曼皇曼曼_一- - i i i h i 鼍鼍 作业时间均存在差异性，从而影响区间通过能力大小不同。 ( 5 ) 施工“天窗”设置。使用大型机械进行线路整修以及电气化铁道的供电设备需 要停电进行维修时，需要在列车运行图上设置固定的施工“天窗”，将会对区间通过能 力产生一定的影响。 ( 6 ) 行车组织方式。主要体现在运行图结构上，不同的运行图结构，具体反映在 列车运行图上列车开行方案的不同；如在双线区间，列车采用追踪运行方式的区间通 过能力与采用非追踪运行方式的区间通过能力存在一定的差别。 计算区间通过能力所需要考虑的时间因素【5 】主要有列车区间运行时分和起停车附 加时分、列车技术作业停站时间、车站间隔时间、追踪列车间隔时间、施工“天窗”时 间等，这些因素也是列车运行图的主要组成因素。 2 2 铁路通过能力计算方法 一般情况下列车在各区间的运行时分不相同，各车站的间隔时间也可能不同，所 以每一区间的运行图周期常常是不等的。根据各种列车运行速度的对比关系，可将列 车运行图分为两类，一类是平行运行图，另一类是非平行运行图。因此，本章节从平 行运行图和非平行运行图这两种结构为基础，分别阐述了各种结构下现有的区段通过 能力计算方法，并且对其各自的特性进行论述说明。 2 2 1 平行运行图通过能力 在平行运行图上，同一区间内同方向列车的运行速度是相同的，上下行方向列车 在同一车站采用都采用相同的交会方式，并且在任何一个区间内的列车运行线总是以 同样的铺画方式周期性地一组一组地反复排列着，如图2 1 所示，。 单线运行图 图2 1 单双线列车运行图示意图 当考虑固定作业时间占用和有效度系数时，平行运行图区间通过能力可用下列一 般公式表利4 】： 西南交通大学硕士研究生第8 页 锋：( 1 4 4 0 - - t e 目) 略效( 对或列) ( 2 一1 ) ，z 平2 j 一d 有效【) ( 习戮夕u ) l lj 周 式中： 平行运行图的最大通过能力； 运行图周期，m i i l ( 分钟) ； 为进行线路养护维修、技术改造施工、电力牵引区段接触网检修等作业， 须预留的固定占用区间时间以及必要的列车慢行和其他附加时分； 刀周一个运行图周期内所包含的列车对数或者列数； 略效扣除设备故障和列车运行偏离、调度调整等因素所产生的技术损失后， 区间时间可以供有效利用的系数，一般可取o 9 1 o 8 8 ； 在双线自动闭塞区段，通常采用追踪运行图。该运行图的运行图周期就是追踪列 车间隔时间k ，因而每一方向的区间通过能力为： 峰：掣( 列) ( 2 一2 一) 峰2 _ _ 妙u j l j 追 2 2 2 非平行运行图通过能力 采用平行运行图可以达到最大的通过能力，但这种运行图只在能力特别紧张的特 殊情况下采用。在通常情况下采用的是非平行运行图。非平行运行图的通过能力是指 在旅客列车数量及其铺画位置既定的条件下，该区段一昼夜所能通过的货物列车和旅 客列车对数或列数。 一 当前，计算非平行运行图区间通过能力的方法大致有图解法、分析法和计算机模 拟法三种。 1 图解法 图解法是以人工方式模拟运输生产，用特定图形表示和确定通过能力的方法，在 运行图上首先铺画旅客列车，然后在旅客列车间隔内，铺画其他货物、摘挂列车等。 在运行图上最大限度铺画的客货列车总数即为该区段的非平行运行图的通过能力。图 解法的优点是综合考虑各种影响因素，其计算结果比较可靠和精确；缺点是计算过程 比较繁琐，工作量大，不具有一般的指导性，有一定的随意性和近似性，并且随着铺 画人员的经验不同铺画的结果也不同，而且只反映结果不反映过程，难以分析影响因 素，故一般很少采用，只在特殊需要时采用。不过随着计算机编制列车运行图软件在 西南交通大学硕士研究生 第9 页 全路投入应用，这一方法发展为计算机模拟法而得到更多的运用。 2 分析法 分析法是在对实际情况进行分析研究的基础上，考虑各种影响因素，运用相关理 论方法建立数学模型公式，最终利用公式进行求解的一种计算方法。分析法的优点在 于其计算简便易行，通用性强并可以据此分析各种因素对能力的影响；缺点在于对研 究对象和影响因素都进行了一定的简化处理，不可能完全符合实际。 分析法包括有扣除系数法、平均最小列车间隔法和直接计算法三种方法。 ( 1 ) 扣除系数法 扣除系数法是我国既有线采用的传统通过能力计算方法，是以平行运行图通过能 力为基础，在非平行运行图中每开行一列旅客列车需扣除若干列货物列车来进行能力 的折算，以求非平行运行图通过能力。根据旅客列车和摘挂列车的扣除系数，可以近 似地计算出非平行运行图的通过能力，计算公式为【4 】： 簧= ，z 一客，2 客一( 货一1 ) 刀快赁一( 钿挂- 1 ) 挂 ( 2 3 ) 2 玎薹+ ( 2 - 4 ) 式中： ，l 薹非平行运行图的货物列车通过能力； 在运行图上铺画的旅客列车对数或列数； 货在运行图上铺画的快运货物列车的对数或列数； 以撕挂在运行图上铺画的摘挂列车的对数或列数； 货快运货物列车的扣除系数； 旅客列车的扣除系数； 挂摘挂列车的扣除系数。 根据上述公式可知，要确定非平行运行图的通过能力，首先就必须研究确定扣除 系数的原理以及合理的取值，这就是分析计算区间通过能力最为关键的一步；接着就 对双线自动闭塞区段的旅客列车扣除系数进行分析。 在双线自动闭塞区段运行的旅客列车，按其与货物列车旅行时间的对比可分为旅 客快车和旅客慢车两大类；对于旅客快车又有运行线分散铺画和追踪( 连发) 铺画两 种情况；而旅客慢车则分区段内有越行和无越行两种铺画方式。 西南交通大学硕士研究生第1 0 页 目前我国铁路采用的双线自动闭塞区段旅客列车扣除系数表( 表2 1 ) 是根据铁道 科学研究院运输及经济研究所的课题研究成果，由铁道部运输局在1 9 9 0 年铁运函2 8 6 号“关于部分修改铁路区间通过能力计算办法的通知”中公布，并于1 9 9 0 年1 0 月1 日起正式开始实行。 表2 1 双线自动闭塞区段旅客列车扣除系数表 5 1 02 3 2 42 1 5 2 32 0 5 2 21 9 5 2 1 1 1 2 02 3 2 3 52 1 5 2 22 0 5 2 11 9 5 2 0 2 l 3 02 4 2 4 52 2 2 2 52 0 5 2 11 9 5 2 0 1 8 5 1 9 3 1 - - 4 02 5 2 5 52 3 2 3 52 1 2 1 51 9 5 2 01 8 5 1 91 7 5 1 8 4 1 - 5 0 2 4 - 2 4 52 2 2 2 5 2 0 2 0 51 8 5 - 1 9 5 1 - 6 02 3 2 3 52 1 2 1 51 9 1 9 5 注：本表中数值，是根据三显示自动闭塞研究确定；采用四显示自动闭塞区段或6 1 对以上客 车扣除系数，可用图解法并参照本表中取值确定 该课题在研究过程中，根据大量实际区段的资料统计和图解，首先分析影响扣除 系数的纵向因素，得出在不同追踪列车间隔时间条件下，不受客车数量影响的单列旅 客快车扣除系数，然后在此基础上，分析影响扣除系数的横向因素，得出受客车数量 影响的多列旅客快车扣除系数。 ( 2 ) 平均最小列车间隔法 平均最小列车间隔法属于动态的不确定型的计算方法，它是在分析研究各该区段 当前实际列车运行状态的基础上，依据它的列车进入晚点概率、晚点列车平均进入晚 点时间和列车种类平均最d , n 车间隔时间取值，按给定反映列车运行工作质量要求水 平的允许列车后效晚点时间总值等条件计算区间通过能力的方法。具体计算过程如下： 划分列车种类组； 确定类别运行列车组数以及出现相同运行列车组的概率形； 确定类别运行列车组最小列车间隔时间，和平均最d , y u 车间隔时间，； 确定晚点列车平均进入晚点时间乙和出现列车进入晚点概率g ； 查定平均必要列车运行图缓冲时间乙； 计算确定区间通过能力n ，公式为： 西南交通大学硕士研究生第1 1 页 曼曼曼曼! 皇曼皇曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼蔓曼皇量曼曼i l l i = i = 。= = 。= = i = = 。曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇! 曼曼曼皇! 曼兰 n = 二童塾( 2 5 )= = 鼍三一l 2 - ，) l 七t 嚼 其中：舀效为昼夜内列车运行有效时间，m i n 。 ( 3 ) 直接计算法 直接计算法是铁科院“全路线路通过能力计算方法的研究 专题组在2 0 0 3 年提出 的，其基本思路是按照时间共享和能力共享的原则，根据列车运行图结构中不同列车 排列组合方式下，得出对应的不同列车组单元占用运行图的最小列车间隔时间计算公 式，再通过综合演算的方式得出一昼夜内列车组合的综合平均最小间隔时间，最终 利用公式= 1 4 4 计算求出其的通过能力值。这里需要指出的是：间隔时间是指同 方向下本列车与相邻前方列车由车站出发( 或通过) 时间之差的最小值，其大小与相 邻前方列车的种类和在运行图上的排列方法有关。该方法研究的关键问题在于列车运 行图的整体结构，从横向和纵向两个角度进行规律性的分析研究，进而建立合理、直 观的通过能力计算方法。 3 计算机模拟法 计算机模拟法是一种兼具图解和分析计算功能的新方法，是基于列车运行图的图 解法，由计算机模拟人工铺画来确定区段通过能力的方法。既可以在模拟人工铺图中 综合把握各种影响因素的特点，又可以在大量模拟铺画的基础上进行统计分析，研究 各种因素的变化对能力的影响。相对于其他方法而言，计算机模拟法能够有效地克服 因各种因素而造成的不精确性，对解决复杂系统的行为研究具有较好的适应性和灵活 性。 2 2 3 各种通过能力计算方法分析 1 扣除系数法 扣除系数法基于充分发挥运输设备效能为出发点的理论，所规定的计算前提过于 理想化，片面地追求铁路运输设备的最大发挥，甚至不惜以浪费其它运输资源，降低 运输质量和运输安全为代价，使得计算结果与实际利用情况脱节，计算出来的能力没 有达到如实评价能力利用状况的效果，而且难以解释和处理复杂的运输系统能力利用 与协调m ，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 扣除系数法属于静态确定型的计算方法，它只有在严格按图行车、设备无故 障、工作不间断、列车占用时间均等及运行无延误的条件下才是正确的，事实上，上 西南交通大学硕士研究生第1 2 页 述条件很难具备，列车在运行过程中具有很强的随机性。扣除系数法计算的结果造成 铁路能力在实际运用中利用率过大，铁路日常运营组织和运输调整柔性较差、难度较 大。用确定型方法计算的通过能力一般很难实现，必然导致超负荷运输，列车晚点多， 运输秩序混乱，运输质量下降，这种状况已经不适应运输市场竞争机制的需要【3 】。 ( 2 ) 采用扣除系数法计算铁路区间通过能力时，通常在旅客列车相比货物列车数 量少( 在运行图只占一少部分) 的情况下需要先计算平行运行图的通过能力，双线自动闭 塞区段平行运行图通过能力是利用货物列车之间的追踪间隔时间，计算出来的，但随 着旅客列车数量和种类的增加，旅客列车和货物列车运行速度差值的加大，甚至在某 些繁忙干线区段出现旅客列车数目大于货物列车数目的情况，这就对传统扣除系数的 取值提出了质疑。 ( 3 ) 扣除系数法一般是在各区间能力分布均匀的情况下计算出的一昼夜所通过的 最大列车数或对数。由于扣除系数的取值主要是取决于客车数，故对于客车数相同且 运行图分布不同的区段，扣除系数法采用相同数值的扣除系数，这是不准确的，也是 不合理的；而且快速客车扣除系数与一定的快速客车和普通客车的开行数量、铺画方 案等因素有关，要得到精确值较为困难。 2 平均最小列车间隔法 相对而言，该方法属于动态不确定型计算方法，它是在分析研究各区段实际列车 运行状态的基础上，依据列车进入晚点概率、晚点概率平均进入晚点时间和列车类别 平均最d , y u 车间隔，按给定反映列车运行工作质量要求水平允许列车后效晚点时间总 值等条件计算区间通过能力的方法，更能反映客观计算条件的要求和实际运用条件， 确切反映客观运输市场的要求。它是以排队论为理论基础，确保实现列车运行工作质 量要求为决策依据所建立起来的方法，实现主客观条件下是可以实现的区间通过能力。 但是，平均最小列车间隔法中列车进入晚点参数和最小列车间隔时间是随着列车 运行工作质量要求水平变化的一个动态参数，也可按高层决策者意愿而改变的不确定 值，故较难确定；另外我国铁路列车运行图上旅客列车种类多，往往会出现某种旅客 列车还要待避更高等级的旅客列车，这些情况使这种方法的计算变得很复杂。 3 直接计算法 直接计算法是分析列车运行图横向结构和纵向结构对列车平均最小间隔时间的影 响，得出列车最小间隔时间，求出通过能力值。其中，横向结构分析主要是采用列车 组合方案图表法，解决各种列车在运行图上的序列分布问题；纵向结构分析主要是根 西南交通大学硕士研究生第13 页 据列车运行速度、车站布置、列车停站等因素确定不同列车组合的间隔时间。 该方法提出的情况主要是针对客货列车采用种和两种不同追踪列车间隔时间、 以及有两种至三种的列车运行速度等级的区段，有效地考虑各种影响因素对通过能力 的影响情况；但是，随着第六次铁路大提速后，既有铁路的列车运行图结构发生了本 质的变化，特别是某些繁忙干线区段上出现三种不同的列车追踪间隔时间、四种甚至 五种以上的列车运行速度等级的情况，使得该方法在一定程度上存在不适应当前列车 运行图结构的不足之处。 4 计算机模拟法 虽然，计算机模拟法已被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，它的优势是获得比分析法更加准确的计算结果，但是高等级列车运行线铺画方 案的生成，货物列车列车运行线的满表铺画以及图形结构合理性判断、铺画方案调整 等问题，由于满足铺图约束条件的可行方案数量巨大，因此方案的比选和优化算法相 当复杂。此类问题属于非结构化或半结构化问题，一般只能应用专家系统方法或借助 人机对话方式进行寻求问题的近似最优解或满意解。在计算过程中，分析法和计算模 拟法应相互补充，也可以把计算机模拟法当作分析法的验证【2 4 】。 从上述分析可以看到，传统的计算通过能力的方法已不能适应当前铁路运输组织 的需求。在市场经济条件和既有铁路的运输组织环境下，我国客货双线铁路的通过能 力计算的基本思路应当是以列车运行图结构为基础，也就是以各种类列车的开行数量 以及在运行图上排列顺序的随机组合因素为基础，结合当前列车运行图结构特征，充 分考虑各种通过能力的影响因素，符合客货双线铁路的列车运行图结构特征，有效发 挥铁路设备能力，同时要求计算方法要具有实用性和有效性，计算过程要求简便性， 计算结果要求具有科学合理性，。 2 3 本章小结 本章对铁路通过能力的影响因素和目前各种通过能力计算方法进行论述和研究分 析，得出以下两点结论： 1 影响区间通过能力的因素诸多，其中区段通过能力的影响因素包括区段内的车 站数目、站间距、列车在车站的各种间隔时间、列车起停附加时分、列车运行速度、 列车对数和列车分布结构等；区间通过能力包括区间正线数目以