京滬高速鐵路列車運(yùn)行模式研究

鄒蔥聰，呂苗苗，呂紅霞，張 姣

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031；4.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 軌道交通與地下工程設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310000)

我國(guó)高速鐵路網(wǎng)初步建成，高速鐵路線路里程長(zhǎng)，路網(wǎng)復(fù)雜度高，中、長(zhǎng)距離客流運(yùn)輸以跨線運(yùn)輸組織模式為主，不同速度等級(jí)列車在不同速度等級(jí)線路運(yùn)行[1]。高速鐵路列車運(yùn)行模式的研究包括我國(guó)鐵路運(yùn)輸組織模式的內(nèi)涵和影響因素[2]，“高、中速混跑”模式和全高速換乘模式的特點(diǎn)[3-6]，不同列車運(yùn)行模式對(duì)通過(guò)能力的影響[7-8]等。何邦模[9]基于高速鐵路早期的運(yùn)營(yíng)條件，研究和比選京滬高速鐵路的不同列車運(yùn)行模式。目前，我國(guó)高速鐵路網(wǎng)初步形成，新型動(dòng)車組技術(shù)逐漸成熟，因而有必要分析高速鐵路列車運(yùn)行模式的發(fā)展趨勢(shì)，以應(yīng)對(duì)將來(lái)的發(fā)展。以京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)開通后的歷年運(yùn)行圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析不同速度共線運(yùn)行模式，以及本線與跨線列車共線運(yùn)行模式的演變趨勢(shì)?；?018年底運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，對(duì)各區(qū)段通過(guò)能力和本線全程列車始發(fā)時(shí)段與停站次數(shù)的關(guān)系等現(xiàn)狀進(jìn)行具體分析。針對(duì)現(xiàn)行列車運(yùn)行模式存在的問題，提出“區(qū)域路網(wǎng)直達(dá)”結(jié)合“跨區(qū)域換乘”的運(yùn)行模式是京滬高速鐵路的發(fā)展方向。

1 京滬高速鐵路列車運(yùn)行模式分析

1.1 基本情況

京滬高速鐵路是我國(guó)“八縱八橫”快速鐵路網(wǎng)的縱向長(zhǎng)大干線之一，2011 年開通運(yùn)營(yíng)，全線1 318 km，設(shè)24 個(gè)車站，設(shè)計(jì)速度380 km/h，沿途與多條線路銜接，服務(wù)輻射范圍基本覆蓋沿線各直轄市和省會(huì)，承擔(dān)了大量中、長(zhǎng)距離客流[10]。京滬高速鐵路日均運(yùn)送旅客持續(xù)增長(zhǎng)，由2011 年的13.4 萬(wàn)人次/d，到2017 年的近50 萬(wàn)人次/d，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到24.3%[11]。

1.2 開行列車數(shù)量

為滿足不斷增長(zhǎng)的客流需求，京滬高速鐵路2011—2018 年列車開行總數(shù)如圖1 所示。

在成網(wǎng)的條件下，高速鐵路列車運(yùn)行圖編制沿用了“先路網(wǎng)后局部，先直通后管內(nèi)”的普速鐵路列車運(yùn)行圖編制思路。由于受到路網(wǎng)條件限制，京滬高速鐵路的運(yùn)輸組織模式是混合運(yùn)行模式。從列車的運(yùn)行速度角度看，大部分高速鐵路采用不同速度等級(jí)列車混合運(yùn)行模式；從列車的運(yùn)行徑路角度看，高速鐵路普遍采用本線列車與跨線列車混合運(yùn)行模式。

圖1 京滬高速鐵路2011—2018 年列車開行總數(shù)Fig.1 Trains operated on Beijing-Shanghai HSR in 2011—2018

1.3 列車開行速度

不同速度等級(jí)列車共線運(yùn)行的運(yùn)輸組織模式，是指在高速鐵路線路上同時(shí)運(yùn)行高速度等級(jí)列車和低速度等級(jí)列車。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，上述2 種速度等級(jí)列車以G 類列車和D 類列車區(qū)分。京滬高速鐵路2011—2018 年不同速度列車開行趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 京滬高速鐵路2011—2018 年不同速度列車開行趨勢(shì)Fig.2 Trains operated at different speeds of Beijing-Shanghai HSR in 2011—2018

由圖2 可見，京滬高速鐵路G 類列車的比例逐年擴(kuò)大(至2018 年達(dá)到99.2%)，D 類列車逐漸縮小(至2018 年不足1%)。

1.4 列車運(yùn)行徑路

本線列車與跨線列車共線運(yùn)行的運(yùn)輸組織模式，是指在高速鐵路線路上同時(shí)運(yùn)行本線高速列車和跨線高速列車。本線高速列車與跨線高速列車共線運(yùn)行如圖3 所示。

圖3 本線高速列車與跨線高速列車共線運(yùn)行Fig.3 Overlapping routes of main line and cross-line high-speed trains

圖3 中，A，B表示本線起終站，C，D表示跨線起終站，E，F(xiàn)表示跨線列車上線和下線車站。設(shè)路網(wǎng)車站集合{S|s= 1，2，…，m}，列車集合為{T|t= 1，2，…，n}。規(guī)定某一高速鐵路線路為本線，從起始站到終到站的車站順序集合為lben= {S1，S2，…，Si}。如果第i列車Ti的運(yùn)行徑路li?lben，則稱Ti為“本線列車”。其中，li=lben時(shí)，稱Ti為“本線全程列車”；，li?lben時(shí)，稱Ti為“本線區(qū)段列車”。如果第i列車Ti的運(yùn)行徑路li?lben且li∩lben≠ 0，則稱Ti為“跨線列車”。

2011—2018 年，京滬高速鐵路的跨線列車開行數(shù)量和比例不斷增加。2016 年底運(yùn)行圖實(shí)行后，本線列車全部為G 類列車，線路上運(yùn)行的D 類列車均為跨線列車。京滬高速鐵路2011—2018 年本線與跨線列車開行趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 京滬高速鐵路2011—2018 年本線與跨線列車開行趨勢(shì)Fig. 4 Main line and cross-line trains operated in 2011—2018

2 京滬高速鐵路列車開行規(guī)律和特點(diǎn)

2.1 本線全程列車始發(fā)時(shí)段與停站次數(shù)分布

2018 年底，京滬高速鐵路日常開行跨線列車191.5 對(duì)/d，本線列車56 對(duì)/d，其中本線全程列車42 對(duì)/d，本線區(qū)段列車14 對(duì)/d。本線區(qū)段列車的開行可以滿足節(jié)點(diǎn)間的客流需求，優(yōu)化了運(yùn)行圖結(jié)構(gòu)，提高了高速鐵路通過(guò)能力，是對(duì)本線全程列車必要的補(bǔ)充。10 對(duì)本線全程列車為350 km/h 高速動(dòng)車組列車，其他本線列車為300 km/h 動(dòng)車組列車。本線全程列車上、下行的平均停站次數(shù)均為7 次。以下行方向?yàn)槔滦蟹较虮揪€全程列車的全天始發(fā)時(shí)刻與停站次數(shù)如圖5 所示。

圖5 下行方向本線全程列車的全天始發(fā)時(shí)刻與停站次數(shù)Fig.5 Departure time periods and stopping times of down direction main line trains

由圖5 可見，本線全程列車呈現(xiàn)出較為規(guī)律的周期性，具有以下開行規(guī)律。

（1）全天始發(fā)時(shí)段多集中在7 : 00—19 : 00，且始發(fā)時(shí)刻的分鐘數(shù)多為5 的整倍數(shù)。此外，每個(gè)小時(shí)的50 分鐘至下個(gè)小時(shí)的5 分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)應(yīng)開行1 列車。

（2）整點(diǎn)始發(fā)的本線全程列車，其停站次數(shù)僅為1 ～ 3 次。例如，G17 僅經(jīng)停南京南站，G1 僅經(jīng)停南京南站和濟(jì)南西站，G9 僅經(jīng)停天津南站、濟(jì)

南西站和南京南站。（3）不同停站次數(shù)列車的數(shù)量存在較大的差異，停站少的列車數(shù)量較少。

2.2 各區(qū)段列車開行密度

京滬高速鐵路2018 年底各區(qū)段列車開行密度如圖6 所示。

由圖6 可知，京滬高速鐵路區(qū)段繁忙程度不同，能力利用不均衡。具體的能力利用情況如下。

（1）各區(qū)段的能力利用不均衡。各區(qū)段列車開行基本在100 對(duì)/d 以上，限制區(qū)段為徐州東—蚌埠南，運(yùn)行的列車超過(guò)150 對(duì)/d。

圖6 京滬高速鐵路2018 年底各區(qū)段列車開行密度Fig.6 Train density of the sections of Beijing-Shanghai HSR by the end of 2018

（2）各區(qū)段本線與跨線列車比例差距大?？缇€列車開行比例在各區(qū)段均大于本線列車比例，平均跨線列車比例為59.5%。其中，徐州東—蚌埠南是跨線列車比例最高的區(qū)段，跨線列車比例高達(dá)70%。

2.3 各區(qū)段上、下行列車均衡性

京滬高速鐵路2018 年底各區(qū)段上、下行列車數(shù)量如圖7 所示。由圖7 可知，在京滬高速鐵路線路中間段(濟(jì)南西—南京南)，本線的上、下行列車分布較為均衡，而在線路兩端的北京南—濟(jì)南西和南京南—上海虹橋區(qū)段，上、下行列車分布的不均衡性較為明顯。

圖7 京滬高速鐵路2018 年底各區(qū)段上、下行列車數(shù)量Fig.7 Train operated in each section of Beijing-Shanghai HSR by the end of 2018

3 京滬高速鐵路列車運(yùn)行模式的發(fā)展方向

3.1 列車運(yùn)行的特點(diǎn)

（1）列車速度差異變小，且高速度列車規(guī)模擴(kuò)大。京滬高速鐵路從250 km/h 與300 km/h 列車混跑模式發(fā)展成250 km/h，300 km/h 和350 km/h 列車混跑模式?！皬?fù)興號(hào)”動(dòng)車組上線運(yùn)營(yíng)后，350 km/h 列車比例逐年上升，250 km/h 列車規(guī)?？s小至4 列/d。

（2）本線列車呈現(xiàn)周期規(guī)律。大部分整點(diǎn)始發(fā)的本線全程列車具有停站次數(shù)少(?？垦鼐€大站)的特點(diǎn)。例如，下行方向的7 : 00，9 : 00，10 : 00，12 : 00，14 : 00，15 : 00，17 : 00，18 : 00，19 : 00 開行的列車平均停站次數(shù)為2 次。該列車旅行時(shí)間短，發(fā)車時(shí)刻方便旅客記憶，滿足大城市間旅客快速出行的需要，因而吸引了主要OD 間的客流，構(gòu)成京滬高速鐵路的本線核心骨架列車結(jié)構(gòu)。

（3）跨線客流組織復(fù)雜?？缇€客流比例高是我國(guó)鐵路旅客運(yùn)輸?shù)闹匾卣?，路網(wǎng)條件下旅客列車運(yùn)行組織非常復(fù)雜。以京滬高速鐵路為例，跨線列車與本線列車開行比例從開通初期的約4 : 6 發(fā)展到2018 年底的約8 : 2。銜接線路的開通，進(jìn)一步促進(jìn)跨線客流需求，導(dǎo)致跨線開行比例進(jìn)一步增加，對(duì)跨線客流組織的要求越來(lái)越高。

（4）區(qū)段通過(guò)能力緊張。高速鐵路全路網(wǎng)的列車運(yùn)行線互相交織，具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系?？缇€列車與本線列車運(yùn)行線相互影響和制約，跨線列車對(duì)本線列車的開行影響顯著，導(dǎo)致區(qū)段能力不均衡等問題出現(xiàn)。例如，在徐州東—蚌埠南區(qū)段，自津秦客運(yùn)專線(天津西—秦皇島)、膠濟(jì)客運(yùn)專線(青島—濟(jì)南西)、鄭徐高速鐵路(鄭州東—徐州東)接入的下行跨線列車，以及自合蚌高速鐵路(合肥—蚌埠南)、滬寧城際鐵路(上?！暇?接入的上行跨線列車在該區(qū)段集中運(yùn)行，導(dǎo)致該區(qū)段通過(guò)能力緊張，運(yùn)行列車數(shù)量達(dá)到153 對(duì)/d。

3.2 高速鐵路列車運(yùn)行模式發(fā)展方向

跨線列車對(duì)本線列車的開行產(chǎn)生很大的影響，是京滬高速鐵路當(dāng)前列車運(yùn)行模式的突出問題，也是我國(guó)高速鐵路普遍存在的癥結(jié)?？缇€列車的運(yùn)行距離較長(zhǎng)，在多條線路上運(yùn)行，與各條線路上的本線列車相互交織。為此，在列車運(yùn)行圖鋪畫時(shí)，需要充分協(xié)調(diào)本線列車和跨線列車之間的關(guān)系，本線列車需要為跨線列車的順利鋪畫提供有利條件，能力損失難以避免。在實(shí)際運(yùn)行中，某條線路上的列車延誤容易隨跨線列車傳播到路網(wǎng)的其他線路上，影響路網(wǎng)的運(yùn)輸秩序。此外，跨線列車的上座率在不同運(yùn)行區(qū)段存在不均衡現(xiàn)象，某些區(qū)段上座率較低，造成運(yùn)輸能力浪費(fèi)。為滿足旅客日益增長(zhǎng)的出行需求和對(duì)旅行速度的追求，可以考慮控制跨線列車數(shù)量，縮短列車運(yùn)行距離，提高區(qū)段通過(guò)能力的均衡性，釋放高速鐵路線路通過(guò)能力。為此，可以將全路網(wǎng)合理劃分為若干個(gè)區(qū)域路網(wǎng)，在區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)開行直達(dá)列車，同時(shí)組織跨區(qū)域路網(wǎng)換乘?！皡^(qū)域直達(dá)+跨區(qū)域換乘”列車運(yùn)行模式的具體實(shí)現(xiàn)如下。

（1）區(qū)域路網(wǎng)劃分。我國(guó)路網(wǎng)規(guī)模龐大，線路及車站錯(cuò)綜復(fù)雜。區(qū)域路網(wǎng)的劃分可以將整體路網(wǎng)劃分為若干獨(dú)立的子網(wǎng)，減小路網(wǎng)規(guī)模，降低運(yùn)行圖鋪畫復(fù)雜性。為此，可以基于圖論及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，研究我國(guó)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，建立以車站和線路重要度為基礎(chǔ)的路網(wǎng)劃分理論。

（2）“區(qū)域路網(wǎng)直達(dá)”和“跨區(qū)域路網(wǎng)換乘”。在合理劃分路網(wǎng)的基礎(chǔ)上，在區(qū)域路網(wǎng)范圍內(nèi)的客流可以乘坐直達(dá)列車出行，跨區(qū)域路網(wǎng)客流可以在區(qū)域間的銜接節(jié)點(diǎn)換乘直達(dá)列車，實(shí)現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)開行直達(dá)列車結(jié)合跨區(qū)域路網(wǎng)換乘的運(yùn)行模式。

在這種模式下，由于路網(wǎng)規(guī)模龐大導(dǎo)致的列車運(yùn)行圖編制困難可以得到一定程度的緩解，依照區(qū)域路網(wǎng)的劃分，全路網(wǎng)列車運(yùn)行圖可以分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域路網(wǎng)運(yùn)行圖，將列車運(yùn)行圖編制的“緊耦合問題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八神詈蠁栴}”，有利于鐵路部門提高適應(yīng)客運(yùn)市場(chǎng)動(dòng)態(tài)需求的能力。此外，該模式可以根據(jù)各區(qū)域路網(wǎng)的需求情況，靈活調(diào)整運(yùn)能結(jié)構(gòu)，釋放能力緊張線路的通過(guò)能力，提升整體路網(wǎng)的運(yùn)輸能力。為了使區(qū)域路網(wǎng)能力最大化，應(yīng)根據(jù)客流需求，盡可能開行同速度等級(jí)列車，或開行速度差異較小的列車，以減小能力損失。

4 研究結(jié)論

（1）分析京滬高速鐵路不同速度列車的運(yùn)能結(jié)構(gòu)變化以及本線與跨線列車的開行數(shù)量和比例的變化，表明列車運(yùn)營(yíng)速度提高，且列車速度差異變小，同時(shí)跨線列車對(duì)本線運(yùn)輸能力造成了顯著影響，導(dǎo)致本線各區(qū)段通過(guò)能力的不均衡。

（2）針對(duì)目前列車運(yùn)行模式的現(xiàn)狀和問題，提出基于區(qū)域路網(wǎng)的“區(qū)域直達(dá)+跨區(qū)域換乘”模式是將來(lái)的發(fā)展方向。

（3）在該模式下，路網(wǎng)的合理劃分、區(qū)域路網(wǎng)列車運(yùn)行圖編制優(yōu)化、換乘方案編制優(yōu)化、換乘列車運(yùn)行線接續(xù)方案等問題，都是值得深入研究的問題。