我国高速铁路列车运行图采用模式的分析.docx
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我国高速铁路列车运行图采用模式的分析
我国高速铁路列车运行图采用模式的分析
时颢
摘 要：
分析了我国高速铁路列车运行图与既有铁路列车运行图的主要区别，提出并论述了在高速铁路列车运行图编制中如何满足旅客运输市场需求、合理利用通过能力以及便利列车运行调整的几个关键问题；借鉴国外高速铁路列车运行图编制思想，研究了我国高、中速列车共线运行的具体实现形式，综合分析后提出了高速铁路运行图初期采用集中-均衡模式，远期采用合理负荷下的规格化饱和运行图模式的论点，并对这种模式下高速铁路的通过能力进行试算，提出了高速铁路沿线车站设置的原则。
关键词：
列车运行图；高速铁路；运输市场；通过能力；列车运行调整；规格化饱和运行图
分类号：
U292.41 文献标识码：
A
文章编号：
1001-8360（2000）01-0092-06
Analysisonrationalappliedmodesofhigh-speedtraindiagraminourcountry
SHIHao
（Transportation&EconomicsInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China）
Abstract：
Thispaperanalysesthemaindifferencesbetweentheexistingtraindiagramandthehigh-speedtraindiagram.Itadvancesanddiscussesseveralimportantquestionsonhowtosatisfytheneedsofpassengertransportmarket,howtotakeadvantageofcarryingcapacityreasonablyandfacilitatethetrainoperationadjustmentduringdesigningthetraindiagram.Referringtodesignideasofhigh-speedtraindiagramfromforeigncountry,itstudiestheconcreterealizationofmixedrunninginvolvinghighandmediumspeedtrains.Baseonsyntheticallyanalysis,itadvancesthatthehigh-speedtraindiagramsapplyconcentrated-regularmodeintheearlystagesafterthehigh-speedrailwayisconstructed,whileapplyregularsaturatedmodeunderrationalloadinginaspecifiedfuturedate.Italsomakespreliminarycalculationofcarryingcapacityofhigh-speedrailwayinthismode,andbringuptheprincipleforstation-layoutalonghigh-speedrailway.Keywords：
traindiagram;high-speedrailway;transportmarket;carryingcapacity;trainoperationadjustment;regularsaturatedtrainoperatingprogram
我国开展高速铁路研究以来，高速铁路的运输组织问题作为高速铁路建设论证的重要组成部分，得到了深入和发展，特别是在高速铁路建设的必要性与可行性的论证中对其发展模式进行了比较详细的论述，并取得基本共识。
之后，许多专家学者围绕着运输组织相关技术问题又进行了长期而深入的研究，提出了我国高速铁路运输组织的若干设想，但是，到目前为止，许多问题研究的深度距离实际运营的要求相差依旧很远，其中，高速铁路列车运行图的编制就是一个非常重要且急需深化的问题。
高速铁路列车运行图是高速铁路运输组织的核心，在市场经济条件下，如何合理组织列车运行，以稳定、可靠的列车运行计划最大限度的满足旅客需求是实现高速铁路经济效益和社会效益的关键。
因此，运行图中采用的行车方式，可简称运行图采用模式，直接影响着高速铁路的运用效率和经营效果。
本文结合几年来对京沪高速铁路运输组织问题的研究［1,2,5］，从分析我国高速铁路运行图的特点入手，提出了有关高速铁路运行图编制的一些设想。
1 我国高速铁路运行图与既有铁路运行图的主要不同
几十年来围绕着挖潜扩能，我们在运行图的编制和运用上积累了丰富的经验，但以此来理解高速铁路运行图是远远不够的，因为两者存在着根本的不同。
主要差别体现在以下3个方面。
（1）运行图中的列车种类及等级关系不同
既有铁路运行图中铺画的是客、货列车，旅客列车的速度和行车等级高于货物列车，在运行调整时货物列车让路于旅客列车。
高速列车运行图中尽管有高速列车和中速列车，且高速列车速度高于中速列车，但它们均是旅客列车，车上旅客对列车的正点运行均有较高要求，因此，在运行调整时同等重要。
（2）运行图的编制方法不同
既有铁路运行图中旅客列车具有绝对的优先权，货物列车发车时间在编制运行图时可以随机安排。
按照现行列车运行图编制办法，大致的编制程序是：
铁道部首先安排跨局的直通旅客列车，之后安排局管内旅客列车，最后各路局（分局）按区段铺画货物列车。
另外，由于货物列车（除快运货物列车和部分直达列车外）是在技术站产生和消失，因此，最后用于指挥运输生产的运行图所铺画的区段长度一般在150km左右，区段内（除了与大枢纽衔接区段）多数情况下开行的是区段全程列车。
高速铁路运行图与既有铁路在这一点上有很大不同，按照1997年的统计数字，铁路旅客平均行程达到386km，旅客列车平均运行距离达到550km左右，可见，我国旅客列车的运行距离较长，高速铁路上旅客列车的运行速度更高，运行覆盖里程将会更长。
再有，旅客列车的始发终到时间在高速线上有一定的限制范围，且来自全国各地的中速列车在高速沿线不同的地点、时间上下高速线，其在高速线上的始发、终到点最好显示在同一张图上，因此，高速铁路运行图所铺画的线路比较长，甚至超过1000km。
基于综合考虑，在体现高速列车和中速列车同等重视程度的前提下，高速铁路运行图合理的铺画顺序应是：
首先铺画长途高速列车，这是高速铁路运行图的基本骨架，之后铺画长途的跨线中速列车，这是兼顾中速列车“合法权益”，最后铺画短程的高速列车和跨线中速列车，同时，对先铺画的长途中速列车进行适当调整。
（3）综合维修天窗开设及使用方式不同
受旅客出行时间影响，高速铁路运行图上会形成较长的“行车空闲”时间带，目前既有铁路一般没有，特别是非电气化铁路。
旅客列车的始发和终到时间要适应旅客作息时间规律和城镇公交运输状况，因此，旅客列车的最早始发时间不宜早于6点，最晚终到时间不宜晚于24点。
这在运行图上形成了约6个小时的旅客非出行（上下车）时间带，如图1。
对于既有铁路运行图来说，虽然也存在这样的时间带，但其可被利用的机会比较多，主要原因有：
①我国幅员辽阔，既有铁路已经成网，旅客列车来自全国四面八方，尽管旅客列车的始发、终到时间要符合旅客的出行规律，但运行至其它区段很可能是在该区段的旅客非出行时间带内。
②旅客列车的旅行速度较低，许多旅客列车的旅行时间超过8h，旅客可以在列车上度过一个完整的夜晚。
为满足这些旅客的旅行需要，既有铁路开行了夕发朝至列车。
③既有铁路运行着货物列车，编制运行图时货物列车的运行时间可以在一天24h内自由选择。
高速列车的最高运行速度可以达到250～300km/h，平均旅行速度可达到220～260km/h，照此计算，若要求高速列车旅行时间达到8h以上（与旅客夜间休息时间相当），高速铁路应长于1760km。
对于长度小于1760km的高速铁路，高速列车不宜夜间行驶。
我国拟建的京沪高速铁路长度约1300km，因此，旅客非出行时间范围也就形成了高速列车的“空闲”时间带。
但所谓的“空闲”并非该时间带内不运行其它旅客列车，对于来自全国各地有条件的跨线中速列车还将在该时间带内运行。
图1 旅客出行合理时间范围
从线路、供电系统等的维修标准来看，高速铁路的维修养护标准高于既有铁路，日常维修所需要的时间也较长。
我国电气化铁路的维修天窗时间一般在90min左右，采用大型养路机械区段维修天窗时间一般也不超过3h。
而高速铁路维修天窗根据国外经验需要5h。
基于上述因素，既有铁路维修天窗的设置可采用矩形方式也可采用V形方式，但高速铁路由于天窗时间较长，天窗的设置不应占用高速列车运行的合理区域，否则对通过能力的影响较大。
因此，高速铁路宜采用矩形综合维修天窗形式，这种设置对能力的占用和运行秩序的干扰最小，天窗时间内可通过反向行车组织中速列车运行。
根据以上比较可以看到，虽然高速铁路运行的全部是旅客列车，列车种类不如既有铁路多，但运行图的编制要比既有线难度大。
2 高速铁路运行图编制中的关键问题
针对高速铁路的服务对象和所提供服务方式的特点，高速铁路运行图的编制需要解决以下3个问题。
2.1 高速铁路运行图的编制必须满足旅客运输市场需要
市场经济条件下的行车组织，应适应旅客运输市场的需要，而不是“强迫”旅客服从于铁路的“时间表”。
随着国民经济的发展和我国城市化进程的加快，城间旅客运输的需求量迅速增长，公务及商务出行比例增加，旅客对早出晚归等时效性较强列车的需求量增大。
如短途旅客比较关注早、晚列车的发、到时间，从而形成了客流集中式的到发；长途旅客较为在意铁路能够提供出行机会的多少，形成了客流比较均匀的到发［4］。
这些特点表现在列车运行图上是短途旅客列车分时段集中发车，长途旅客列车发车时间分布比较均匀的运行规律。
如图2所示为下行方向与客流规律相匹配的高速列车分布示意图。
上行方向与此类同。
图2 与客流规律相匹配的高速列车分布示意图
值得一提的是，只有在高速铁路具备足够通过能力的条件下，运行图中列车的开行才可能实现这种格局，否则集中发车的时间带将会延长。
从通过能力的利用率分析，客流集中发到的程度越大，即使全图能力利用率并不高，但一定时间段内的能力利用率将会很高甚至达到100％。
运输需求量越大，这种不均衡性越小，全图能力利用率越高。
当高速铁路所能提供的列车开行数量不能进一步提高对客流的吸引力时，尽管全图通过能力利用率还没有达到设计的能力负荷，但用旅客的满意程度来衡量，也可以说运输能力已经不能满足旅客运输的需求了，而实际却出现了运输能力的浪费。
我国的高速铁路出现这种浪费的可能性较小，主要原因是除了我国具有较大的运输市场之外，高速铁路上还运行着各种运程的高速列车，且作为整个铁路网的一部分，有足够的跨线列车来填补高速线上的空闲时间。
2.2 高速铁路运行图的编制必须考虑共线运行模式下通过能力的合理利用
“高、中速共线运行”只是对高速铁路建设及运输组织模式作了原则性的界定，对于在高速（250～300km/h）和中速（160～200km/h）列车速差比较大的情况下如何组织共线运行更有利，并没有明确的阐述，而这是影响高速铁路通过能力的较大因素。
既有铁路当旅客列车数量一定时，可开行的货物列车数量基本上不变，计算也比较容易。
高速铁路通过能力不仅与高、中速列车速度差有关，而且与高、中速列车运行组织方式等也有关。
研究可知，共线运行的行车组织方式有多种，但体现在运行图上归纳起来主要有集中式、相对集中式、均衡式3种方式。
以下行方向为例如图3、图4、图5［6］所示。
图3 集中式
图4 相对集中式
图5 均衡式
不同的行车组织方式对高速铁路的能力影响较大，集中式能力最大，均衡式能力最小，相对集中式介于二者之间。
机车车辆（动车组）的使用效率以均衡式最优，集中式最差，相对集中式介于二者之间。
根据跨线中速车上、下高速线的时机分布看，图3所示的集中式编制方式是理论化的，不符合旅客的出行规律，不可能实现。
相对集中式和均衡式方式是可供比选的运行图编制方式，其中均衡式的铺画形式相对单一，相对均衡式根据集中的程度有多种方案，可依据旅客运量构成的不同而异。
2.3 高速列车运行图编制必须便利列车运行调整
在多种运输方式的竞争中,方便快速的旅行是旅客选择高速铁路的重要原因，列车运行正点是保证高速铁路在竞争中取胜的关键因素之一。
但列车晚点是不可避免的,特别是跨线中速列车上高速线时的接入晚点在所难免。
因此，出现晚点后，需要通过运行调整在短时间内予以恢复或缩小影响。
要做到这一点，对于运行准确性要求很高的高速行车系统而言，在运行图编制时就为列车运行调整创造便利条件是非常必要的。
与既有铁路相比，由于货物列车可以随时待避旅客列车，待避时间和待避地点均可自由选择，因此，既有铁路列车运行调整要比高速铁路容易的多。
高速铁路在进行运行调整时可以借鉴既有线的方法，但不能照搬。
考虑高速铁路运营的特点，通过研究，高速铁路列车运行调整的主要方法可以归纳为：
晚点列车使用备用运行线、插空运行、走既有线、运休等方法。
（1）晚点列车使用备用运行线
备用运行线是指在高速列车运行图上铺画一些日常不用的高速和中速列车运行线，供晚点列车使用，如图6。
其优点是：
备用线可为晚点列车提供有计划的完整的运行时间点；列车虽已晚点，但不再增晚，运行调整工作“一步到位”，晚点列车对其它列车基本上没有影响；尽管列车晚点出现的随机性较强，但晚点列车在等待最多不超过备用线的时间间隔内就会找到可使用的备用运行线。
其缺点是：
列车晚点出现的时机难以准确估计，确定合理的备用线数量是一关键问题。
数量少，将导致晚点列车等待时间延长，相应增加晚点时间；数量多，会浪费高速铁路的通过能力。
因此，备用线数量的多少要视高速铁路通过能力利用程度及允许的增晚时间而定。
再是高、中速列车停站和终到站各自不同，备用线对于随机出现的晚点列车难以准确考虑停站需要。
图6 备用运行线
（2）晚点列车插空运行
晚点列车插空运行是指晚点列车利用高、中速列车速度差造成的时间空档运行，如图7。
其优点是：
晚点列车对其它列车的影响较小。
但缺点是：
“插空”是随机的，晚点列车运行的计划性较差，容易增晚且旅行速度进一步降低；当通过能力紧张，甚至局部时间紧张时，这种调整方式将难以实施。
图7 列车插空运行线
（3）晚点列车走既有线
这种调整方法一般针对晚点的中速列车而言，列车不上高速线，在既有线上运行至终到站。
其优点为：
晚点列车不影响高速线其它列车的正常运行。
缺点是：
该调整方法在技术上可行，但高速铁路与既有铁路必须有与这种调整方法相适应的管理体制；同时，此法干扰了既有线的列车运行秩序，但既有线运行调整比较容易，此法仍有使用的可能；由于旅行速度降低，停站地点变更给旅客旅行及上下车增添了麻烦，将会招致旅客抱怨。
（4）晚点列车运休
晚点列车运休是指晚点列车停止运行，旅客全部换乘其它列车。
优点是：
晚点列车就地运休，不会影响高速线其它列车的正常运行。
缺点是：
旅客换乘增添了旅行不便，旅客难以接受；客流组织困难。
由于我国旅客列车定员较大，上座率较高，换乘客流将给其它列车造成一定的压力，需要多趟后续列车才能接运完运休列车造成的换乘客流，旅客等待时间延长；在中速列车晚点时，如果没有及时接续的中速列车，换乘高速列车带来技术和经济上的问题。
综上所述，尽管采用
（1）、
（2）方法会损失一定的运输能力，但可以实现。
晚点列车走既有线和运休方法只能作为紧急措施采用。
就日常运行调整而言，应采用备用运行线和插空运行方法。
从可进行调整的实效看，采用备用运行线这种调整方法比较可靠，因为这种方法在事先就有了计划性安排，而插空运行虽然表面看来对能力的损失较小，但这种调整能够实现的前提条件同样是在运行图中有一定的富余能力，这种效果和采用备用运行线意义相同，与采用备用运行线相比，插空运行的缺点主要是其运行调整带有一定的盲目性，这与高速铁路高效准确的运行要求不相符，因此，高速铁路运行调整应首先考虑采用备用运行线的方法。
3 我国高速铁路运行图采用模式的选择
3.1 法国、德国、日本高速铁路列车运行图简述
法国高速铁路尽管运行着不同速度的列车，但速度均在200km/h以上，速度等级差别不大，全部是高速列车。
高速列车追踪间隔4min，但列车实际运行间隔时间较大，旅客出行高峰时段高速列车密集发车，非高峰时段列车密度较小，列车运行图能力较富余，做到了既照顾旅客的出行需要，又有较大的运行调整余地。
德国高速线路按客货共线运行设计，但只是指高速铁路的技术装备具备共线运行的性能，而实际列车运行的组织方式为白天运行不同速度的旅客列车（ICE、IC、TEE等），夜间运行货物列车。
这是德国高速铁路运行图的主要特点，且旅客列车运行也有高峰期和非高峰期，运行图能力较富余，运行调整比较容易实现。
日本东海道。
山阳新干线运行着3种不同速度的高速列车，最高速度均高于200km/h。
从列车运行图可以看出，运行图中每小时最多运行11列高速列车，每日开行271对不同运程的高速列车，站间距离短，高速列车频繁地停站和相互越行，但列车起动和制动速度快，停站时间较短，列车的旅行速度仍然较高。
在不等速列车之间待避、越行时，列车发车时刻与沿途停站时间及站间距离得到较好的协调。
值得一提的是，日本高速铁路运行图的能力利用率比较高，运行图是一种均衡运输的模式，看不出明显的运行高峰与非高峰时间。
但图中编制了相当多的假日运行线，这些运行线在平日可作为备用线使用。
这是日本高速运行图的显著特点。
3.2 我国高速铁路运行图采用模式
众所周知，京沪通道是繁忙的运输通道，京沪高速铁路必将承担繁重的旅客运输任务。
根据铁路建设经验，新建铁路的运量必将经历一个由少到多的过程，只是过渡时间有长有短。
另外，京沪高速铁路与既有京沪铁路一样，具有较多的衔接方向。
建成初期，高速线上将运行相当数量的中速列车，其数量将随着高速铁路的发展而逐步减少，因此，高速铁路运行图的采用模式必须适应这种变迁的要求。
根据前面的分析，我国高速铁路运行图必将是一个“短途集中、长途均衡，同类列车局部集中、不同种类列车全图均衡”的运行图，且要经历一个“初期集中、远期均衡”的发展过程。
同时，在采用矩形综合维修天窗的条件下，为考虑运行图能力的合理利用，需要将运行图的均衡方式和相对集中方式结合编制，并在此基础上，为便于高速铁路列车的运行调整，运行图需要预留运行线。
综合这些运营要求，建议我国高速铁路运行图在高速铁路建成初期采用集中-均衡式运行图模式，远期采用合理负荷下的规格化饱和运行图模式（简称规格化运行图模式）。
3.2.1 集中-均衡式运行图
高速铁路建成初期的运输能力相对旅客运量而言应该是比较富余的，此时运行图的编制思路主要以考虑旅客出行的需要为主，根据长、短途旅客的出行规律，高峰时间组织列车追踪运行，非高峰时间组织均匀行车，如图2所示。
可以铺画较多数量的备用运行线，满足高、中速列车运行调整的需要，以最大限度地满足旅客的需求，此时的运行图基本上是集中-均衡式运行图。
3.2.2 规格化运行图
规格化运行图是在运输能力合理负荷下以一定时间间隔（单元时间）为单位，循环重复铺画的饱和运行图。
所谓规格化是指单元时间内的高、中速列车开行方案及停站方案基本相同。
如以小时为单元时间，运行图上每小时内的高、中速列车种类、数量以及停站地点和时间基本相同。
在运量需求较大的近、远期，采用这种运行图具备以下4个优点：
（1）编制合理的规格化运行图虽然不易，但为运行图的铺画提供了可遵循的方法。
通过合理编制单元时间内的高、中速列车运行方案，就可以完成全图的运行图编制，简化了高速铁路运行图铺画过程中由于列车等级及长短途列车不同形成的复杂铺画程序。
（2）规格化运行图的使用具有“以不变应万变”的特点，为运营创造了最大的自由度。
由于铺画的运行图是合理负荷下高、中速列车饱和运行图，对于旅客出行高峰期，运行图中已铺画了最大行车密度的运行线，可以用来开行长短途的高、中速列车。
如果仍然满足不了旅客的运输需求，只能靠扩大高速列车编组或延长高峰期运行时间予以解决。
对于非高峰期，多铺画的列车运行线可以作备用线使用。
这样较好地解决了高峰期与非高峰期的列车运行线如何确切铺画问题。
（3）规格化运行图较好地解决了晚点列车运行调整问题。
依据前面的分析，由于列车晚点的随机性较大，对于非规格化运行图，备用运行线设置的数量、种类、时间和停站方案等均难以确定，这是采用备用线方法进行运行调整较难解决的问题。
对于规格化饱和运行图，由于在各单元时间内高、中速列车行车方案和停站方案基本相同，且饱和图为晚点列车提供了最大的选择机会，晚点列车在等待最大不超过一个单元时间间隔就可以找到与原运行线相同的运行线，这就比较好解决晚点列车的若干相关问题。
另外，按照概率分析，晚点列车的平均等待时间约为单元时间的1/2n，n为单元时间内同种列车的数量。
（4）便于编制和评价高速铁路的运输能力。
采用非规格化运行图时，高速铁路的区间通过能力将随着计算区段的长短不同而不同，造成在评价高速铁路运输能力时出现多种不确定性，使得对高速铁路的能力大小众说不一。
采用规格化运行图尽管各区段高、中速列车实际开行的数量不同，但作为能力评估，各区段可以采用同样的行车模式和计算方法，因此，规格化运行图为高速铁路能力计算分析提供了可确定性前提。
3.3 规格化运行图通过能力的分析
单线铁路利用限制区间运行图周期评价通过能力；双线自动闭塞线路由于站间距离一般较小（10km左右），追踪列车间隔时间较大（6～10min），客货列车区间运行时间之差一般不会大于追踪列车间隔时间，因而,基本上可以不考虑区间长度对通过能力的影响，通过确定追踪列车间隔时间计算通过能力；高速铁路可认为是双线自动闭塞线路，但由于其站间距离较长，追踪列车间隔时间较小，高中速列车速度差较大，最大区间也会对通过能力产生影响。
原有评价既有双线自动闭塞铁路通过能力的方法已经不适应高速铁路情况。
考虑限制区间的影响，高速铁路规格化运行图的区间通过能力可用下式计算。
式中，N为单方向高、中速列车列数；tm为中速列车限制区间运行时间（min）；th为高速列车限制区间运行时间（min）；Id为运行图列车越行到通间隔时间（min）；If为运行图列车越行通发间隔时间（min）；tmqt为中速列车起停车附加时间（min）；Ih为高速列车追踪间隔时间（min）；Im为中速列车追踪间隔时间（min）；Tw为维修天窗时间（min）；n为单元时间内高速列车追踪数量（列）；m为单元时间内中速列车追踪数量（列）。
比如设定：
Id=3min，If＝1.5min，tmqt＝3.5min，Ih＝4min，Im＝5min，Tw＝360min。
在m=n=1的情况下，考虑0.85的能力负荷，高速铁路线路通过能力见表1。
表1 高速铁路线路通过能力
最大区
间距离
/km
线路能力
/列
高、中速列车速度匹配方案
300、160 250、160 300、200 250、200
/km。
h-1
40
计算能力
合理负荷能力
140
119
158
134
178
151
209
178
80
计算能力
合理负荷能力
94
80
112
95
132
112
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