高速铁路运能评估系统的设计与实现

李新毅，李海鹰，张 伦，廖正文，王 莹

LI Xin-yi1, LI Hai-ying2, ZHANG Lun3, LIAO Zheng-wen1, WANG Ying1

（1.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点     实验室，北京 100044；3.中国铁路北京局集团有限公司 运输处，北京 100860）

(1.School of Traffic and Transportation， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China；2.State Key Lab of Rail Traffic Control and Safety， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China；3.Transport Department， China Railway Beijing Group Co.， Ltd.， Beijing 100860， China)

0 引言

近年来，随着高速铁路客流迅速增长，高速动车组的行车密度迅速增加，高速铁路能力紧张的局面逐渐显现，衡量高速铁路的运输能力利用情况、辨析高速铁路网络能力瓶颈成为迫切的任务。而目前对高速铁路通过能力进行准确计算和评估普遍缺乏一个有效的工具。

各铁路局集团公司主要借助运行图编制系统的能力计算功能，辅以人工经验，运用扣除系数法[1]计算高速铁路的通过能力，但扣除系数法存在固有的缺陷，面对高速铁路能力运用的新局面表现出不适应性[2-3]。一些学者运用平均最小列车间隔时间计算法[4]、直接计算法[5]、计算机模拟法[6-7]等分析法计算高速铁路通过能力；部分学者利用计算机仿真功能分别研究列车运行图能力仿真[8]、车站作业计划仿真[9]等。但是，既有的研究大多将高速铁路整个系统的能力割裂成区间通过能力、车站通过能力等若干部分，打破了车站到发线、车站咽喉与区间通过能力之间的相互制约。此外，高速铁路的通过能力计算往往只考虑固定设备的通过能力，较少考虑上线运行动车组的数量对通过能力的影响。基于上述方法研究的高速铁路运能评估系统，其计算结果往往不能够落实到实际的运行计划中。

因此，需要一个综合考虑各方面因素的高速铁路能力评估工具，以解决高速铁路系统能力计算与评估的问题，为运输计划编制的决策提供依据。针对上述问题，结合高速铁路运营实际需求，考虑区间通过能力、车站到发线通过能力和动车组运用等影响因素，通过研究开发一套一体化、可视化的高速铁路运能评估系统，更好地实现不同需求下的高速铁路运能评估功能。

1 高速铁路运能评估系统设计

1.1 设计目标

高速铁路运能评估系统可以解决当前高速铁路通过能力评估系统性与整体性不强、评估结果与实际情况存在偏差的问题，满足一体化、可视化的高速铁路运能评估工具的需求。高速铁路运能评估系统的设计目标如下。

（1）一体化。为了避免高速铁路区间通过能力、到发线能力、动车组运用相互割裂产生的局限性，提高高速铁路运能评估结果的可靠性，高速铁路运能评估系统需要综合考虑区间通过能力、车站到发线数量及其分配应用和动车组立即折返运用的影响，从整个高速铁路系统的层面对高速铁路能力进行一体化评估，使评估分析的运能利用情况更加接近实际，从而为高速铁路运输组织决策提供技术支持。

（2）可视化。一方面，针对既有的高速铁路运能评估依赖于公式运算，缺乏可视化界面查看分析评估结果，因而需要设计用于展示评估分析结果的统计报表，并提供实时监控评估计算步骤的显示界面，帮助技术人员更加直观地了解高速铁路运能利用现状，识别运能瓶颈。另一方面，缺乏人工作业界面设定运能评估场景，需要为技术人员提供运能评估场景 (包括既有运行图、交路图、计算参数等)设置的人机界面，通过人工调整与计算机技术相结合的手段，实现不同场景下的高速铁路运能评估功能。

1.2 设计原则

为实现高速铁路运能评估系统一体化、可视化的设计目标，高速铁路运能评估系统的设计应遵循以下原则。

（1）系统性。综合考虑区间通过能力、车站到发线运用、动车组运用等各方面影响因素，从整个高速铁路系统的层面给出运能评估的解决方案。

（2）实用性。高速铁路运能评估系统应具有开放性，交互能力强，用户界面简洁、友好，便于实际使用。

（3）可扩展性。高速铁路运能评估系统各模块间耦合度低，易于扩展，适用于不同线路、多场景下的高速铁路运能评估。

1.3 逻辑架构

高速铁路运能评估系统采用 3 层体系结构，根据运行环境和功能需求划分为显示层、核心层和数据层，使用 XML 数据文件作为信息交互的规范。高速铁路运能评估系统逻辑架构如图 1 所示。

图 1 高速铁路运能评估系统逻辑架构图Fig.1 Logical structure diagram of system

（1）显示层负责与用户的交互，包括界面部分和逻辑处理部分。其中，界面部分是在 WPF 用户界面框架下，开发的一系列人机交互界面，包括运行图显示与调整、交路图显示与调整、计算参数设定、运能评估结果显示、基础数据录入与管理等界面，以达到高速铁路能力评估与分析可视化的目标；逻辑处理部分负责显示层与核心层间的数据交互处理，包括对能力计算结果的评估分析、计算参数的设定等。

（2）核心层是系统进行运能评估分析的内核，负责生成并管理计算数据和计算高速铁路通过能力。

（3）数据层负责提供统一的数据接口，实现数据的统一规范管理，采用 XML 格式文件存储和交互各模块需要的数据，如线路数据、视图数据、运行图数据、交路图数据、运行图计算参数、交路图计算参数和项目评估文件等。

1.4 功能设计

结合高速铁路运能评估系统设计目标，采用模块化的设计思想对高速铁路运能评估系统功能进行设计。高速铁路运能评估系统功能模块如图 2 所示。

（1）基础数据管理功能。基础数据是高速铁路运能评估系统的基石，需要设计规范、可扩充的数据结构，以适应多场景的高速铁路线路的评估。高速铁路运能评估系统的基础数据主要包括线路数据、车站及股道数据、区间数据、径路数据和视图数据。针对上述不同类型的数据，设计 XML 文件格式的数据结构，并且分别设计简洁友好的数据管理界面，提供基础数据的增加、删除、查找和修改功能，实现高速铁路运能评估系统数据管理的可视化。

图 2 高速铁路运能评估系统功能模块Fig.2 Functional structure diagram of system

（2）运行图显示与编辑功能。运行图的显示与编辑界面为修改、调整列车运行图提供了一个可以用于人工操作的界面。用户可以根据需要，修改列车运行图的结构，并以此作为高速铁路能力计算的初始数据集，便于计算和评估不同结构下的高速铁路通过能力，实现不同需求下的高速铁路运能评估功能。同时，运行图显示与编辑界面也可以作为能力评估结果的显示工具，不仅可以显示最佳能力利用方案下的运行图，还可以查看各车站到发线的运用情况，实现区间通过能力和车站到发线运用情况的可视化。

（3）交路图显示与编辑功能。交路图的显示与编辑界面为修改、调整列车接续关系，构建动车组交路计划提供了一个人工作业的界面。用户可以根据需要，修改列车的接续关系，并以此作为高速铁路能力计算的初始数据集，便于计算和评估不同动车组运用下的高速铁路通过能力。同时，交路图显示与编辑界面也可以作为能力评估结果的显示工具，显示计算得到的最佳车底接续关系方案，实现动车组运用情况的可视化。

（4）能力计算功能。针对高速铁路的通过能力进行准确计算是研究的关键问题。李海鹰等[10]使用基于压力测试法的通过能力计算方法求解既有线的通过能力取得了良好的效果。基于压力测试法的通过能力计算方法是通过不断向当前的运行图中插入运行线，往复循环直至不能继续添加运行线为止，将已经不能继续插入运行线的图称为“满图”，以“满图”上的列车运行线数量作为通过能力计算的结果。从理论上说，通过压力测试法求解的列车运行图通过能力，是在生产实际中能够实施的最大能力。本研究基于压力测试法，考虑区间通过能力、车站到发线通过能力和动车组运用等影响因素，运用计算机模拟列车运行图的铺画和动车组交路的勾画，直观、高效、准确地求解高速铁路通过能力。基于压力测试法的通过能力计算过程如图 3 所示。

由此可见，能力计算功能模块包括 2 项功能：一是能力计算数据处理；二是能力计算求解。其中，能力计算数据处理指的是编辑求解参数、车站、区间、列车等求解数据，进行能力计算数据的预处理；能力计算求解指的是综合考虑区间通过能力、车站到发线和动车组运用的影响，基于压力测试法动态地添加列车，一体化地铺画列车运行图和勾画动车组交路，进而计算高速铁路通过能力。此外，高速铁路运能评估系统还可以自动生成求解日志，用户在能力计算求解界面，实时了解求解的总进度，查看压力测试法添加列车的动态变化情况，实现能力计算过程的可视化。

图 3 基于压力测试法的通过能力计算过程Fig.3 Calculation process of carrying capacity based on pressure testing

（5）评估结果展示功能。在 WPF 用户界面框架下，提供美观简洁的运能评估结果展示报表，用于统计分析并输出能力评估结果。根据能力计算结果，高速铁路运能评估系统分析当前通过能力情况和动车组运用情况，统计输出各区段、各时段、各方向的始发列车数量，不同场景下的能力利用饱和度及动车组的上线数量，实现高速铁路运能评估结果的一体化和可视化。

1.5 主控流程

在功能设计的基础上，高速铁路运能评估系统需要将各功能模块按照合理的流程组织，构成一个有机整体以实现系统的功能。高速铁路运能评估系统整体流程如图 4 所示。加载待评估的项目文件后，用户可查看、调整运行图和交路图；确认开始计算后，还可以生成能力计算数据集；通过能力计算结束后，可以显示评估结果。为了实现多场景下的高速铁路运能评估，采用人工调整手段与计算机技术相结合的手段，用户可在运行图显示与编辑界面和交路图显示与编辑界面进行人工调整，实现对高速铁路能力运用的优化评估。

2 高速铁路运能评估系统试用情况

图 4 高速铁路运能评估系统整体流程Fig.4 Whole process of high-speed railway transportation assessment system

2017 年 10 月，高速铁路运能评估系统在中国铁路北京局集团有限公司进行了测试与试用，使用该系统对京津城际铁路 (北京南—天津) 的通过能力进行评估。

2.1 测试数据

（1）车站数据。京津城际线路含北京南、亦庄、永乐、武清、天津站 5 座车站及南仓线路所。研究范围内的京津城际中间站有亦庄、永乐、武清站 3 个车站，其中仅武清站办理客运业务。

（2）列车数据。以 2016 年 5 月京津城际列车运行图为原图对系统进行测试，原图列车开行数量统计如图 5 所示。其中，上行列车 98 列，下行列车 99列，具体包括长编组跨线列车 6 列、长编组京津城际列车 54 列、短编组京津城际列车 137 列。

（3）各类时间标准。列车的起动附加时分为 2 min，停车附加时分为 3 min；车站同一到发线占用间隔时间为 7 min；不同编组类型列车的折返作业与追踪间隔时间标准如表 1 所示。

（4）动车组数量。原图上线动车组数量 19 组，其中短编组动车组 15 组，长编重联动车组 4 组。

2.2 测试结果

系统加载测试数据后对京津城际线路通过能力进行评估，满图列车开行数量统计如图 6 所示，除了原图中存在的列车外，加开的列车均为短交路、短编组列车。20 ∶ 00 以后列车对数较少，原因是长编组车底结束运营。

测试结果显示，满图的列车开行数量为上行列车 121 列，下行列车 121 列；上线动车组数量为21 组，其中短编组动车组 17 组，长编重联动车组4 组。结果表明，在保留了原有的基本列车开行结构基础上，京津城际铁路通过能力为 121 对/d，比原图增加 22.5 对/d 列车，但需要多配备 2 组短编组动车组。

京津城际原图与满图客流高峰时段的列车开行数量对比如表 2 所示，京津城际客流高峰时段通常指的是 8 ∶ 00—11 ∶ 00、13 ∶ 00—16 ∶ 00 和 16 ∶ 00—19 ∶ 00[11]。

由表 2 可以看出：①满图的列车数量在 13 ∶ 00—16 ∶ 00 下行区段和 16 ∶ 00—19 ∶ 00 上行区段与原图列车数量十分接近，而在客流高峰时段原图的列车数量接近于实际的通过能力，说明研究在考虑了车站到发线运用和动车组运用等影响因素后，对通过能力的评估结果基本符合实际情况。②满图的列车数量在 8 ∶ 00—11 ∶ 00 上行区段和 13 ∶ 00—16 ∶ 00 上行区段与原图的列车数量相比较多，原因是研究没有考虑车站咽喉的进路交叉对通过能力的影响，使得评估结果比通过能力的实际情况偏大。

图5 原图列车开行数量统计Fig.5 Statistics of the number of original timetable

表 1 列车的折返作业与追踪间隔时间标准 minTab.1 Time standard of train reentrant operation and tracking interval

图 6 满图列车开行数量统计Fig.6 Statistics of the number of calculated timetable

表2 原图与满图客流高峰时段的列车开行数量对比Tab.2 Comparison of the number of trains between the original timetable and the calculated timetable during peak hours of passenger flow

采用高速铁路运能评估系统对京津城际铁路通过能力进行评估，从测试的过程中展现出系统界面简洁、运行流畅、实用性强的特点。高速铁路运能评估系统贴近运输生产实际，既能方便、准确地计算高速铁路通过能力，又能对运输资源的有效利用起到关键作用。

3 结束语

在中国铁路北京局集团有限公司的试用结果表明，在.NET 平台下运用 C# 语言开发的高速铁路运能评估系统人机界面友好、操作简单，有助于技术人员直观了解高速铁路运能利用现状，识别运能瓶颈，可以为高速铁路运输组织优化工作提供有力的技术支撑。同时，高速铁路运能评估系统集成了先进的高速铁路能力计算模型和算法，可扩展性较好。高速铁路运能评估系统还应进一步考虑车站咽喉进路交叉对高速铁路通过能力的影响，提升能力评估的准确性，从而为提高我国高速铁路运输资源利用率提供可靠的技术支持。

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