高速铁路夕发朝至列车行车组织方式分析

贾 皓,韩宝明,张 琦

(北京交通大学交通运输学院,北京 100044)

高速铁路夕发朝至列车行车组织方式分析

贾 皓,韩宝明,张 琦

(北京交通大学交通运输学院,北京 100044)

夕发朝至列车在开行时段上具有很大的固有优势,对中高收入水平且对舒适度和安全性有较高要求的中长距离旅客来说有很大吸引力。目前,高速铁路综合维修天窗均设置在夜间,在高速铁路上开行夕发朝至列车受到综合维修天窗的严重制约。通过选择合适的行车组织方式,为夕发朝至列车在高速铁路上的开行提供条件。基于此,从综合维修天窗的设置方式、需要满足的技术条件和面临的主要问题等方面,系统分析高速铁路夕发朝至列车的3种行车组织方式(即等线、下线和不下线),并对3种方式的适用性提出建议。

高速铁路;夕发朝至列车;行车组织;综合维修天窗;隔日天窗;错开天窗;日间天窗

夕发朝至列车是我国铁路的一种典型客运产品,一般在晚上19～23时始发,早上6～9时终到,全程运行时间在7～14 h,且提供卧铺席位。对大部分旅行时间在该范围的中长距离旅客来说,乘坐夕发朝至列车不会占用白天的时间,且节省夜晚的住宿费用,对比其他列车,夕发朝至列车具有很大的固有优势。考虑我国内地的省会城市和直辖市,上述OD之间的客流量一般很大。若在高速铁路上开行夕发朝至列车,一般应采用卧铺动车组,最高速度250 km/h,旅速系数取0.80,平均速度200 km/h,则距离(基于我国客运专线网)在1 400～2 800 km的省会城市和直辖市OD之间适合开行夕发朝至列车,符合条件的OD(如北京至长沙、北京至广州)较多[1]。事实上,距离在该范围内且客流量较大的地级市OD更多。因此,考虑夕发朝至列车的固有优势,以及动车组的安全性和舒适度等因素,在高速铁路上开行夕发朝至列车,预计具有较强的竞争优势和一定的市场需求。

目前,夕发朝至列车在我国高速铁路上尚未开行,一个主要原因是高速铁路网的通达范围还比较有限,这种情况将在最近几年得到明显改善。除京沈客运专线预计在2019年通车运营外,在2015年底,我国四纵四横客运专线网将基本形成。另一个主要原因是高速铁路综合维修天窗设置在夜间,全线(或分段)双向同时停电检修,直接制约了夕发朝至列车在夜间的运行。

1 高速铁路综合维修天窗

高速铁路综合维修指对线路、接触网、通信信号设备等的日常检查和定期维修。其中,线路维修工作量大、项目多、设备多,一般要求连续占用3～5 h。接触网维修和通信信号设备检修时间一般在2 h以内,且可与线路维修平行进行。因此,我国铁路局设置的高速铁路综合维修天窗一般占用4 h。

由于高速铁路一般只在日间开行高速列车,行车具有高密度、高速度的特点,在世界范围内,综合维修天窗普遍设置在夜间0～6时范围内,且一般采用双向垂直(或分段)矩形天窗方式,全线(或分段)双向同时停电和复电,以消除触电隐患和避免行车安全事故。在综合维修天窗结束后,开行确认车检查线路。

这种情况下,若在高速铁路上开行夕发朝至列车,需要等线或下线运行。此外,也可调整综合维修天窗设置方式,为夕发朝至列车在夜间正常运行(不下线)提供条件。上述3种情况基于不同的综合维修天窗设置方式,需要满足的技术条件和面临的主要问题均不同。

2 高速铁路夕发朝至列车行车组织方式

2.1 等线方式

高速铁路夕发朝至列车“等线”方式指采用现行的夜间双向垂直(或分段)矩形天窗,在综合维修天窗开始前,列车在有条件的临近车站停车等待,在综合维修天窗结束,且确认车出清一个区间后,列车继续运行直至终点站,如图1所示。矩形天窗之间的空白部分表示列车待避车站所在供电臂在天窗时段内不停电持续供电(如下文所述)。

图1 高速铁路夕发朝至列车等线方式

可以看出,在分段矩形天窗下,一方面,利用列车待避车站作为分界点,将全线天窗分段,在时间上平移一段或多段天窗,使各段天窗交错布置,将缩短列车等天窗时间,减少列车旅行时间;另一方面,接触网在时间和空间上分段停电和复电,操作复杂,且在时间和空间分界点上存在风险,降低了维修安全性。因此,实际情况下,高速铁路较多采用双向垂直矩形天窗。

2.1.1 技术条件

基于现行的夜间双向垂直(或分段)矩形天窗,采用“等线”方式组织夕发朝至列车开行,需要满足如下的技术条件。

(1)待避车站具有一定数量的股道

夕发朝至列车在待避车站停车等待天窗作业完成,待避车站应具有一定数量的股道,供夕发朝至列车过夜停留。为此,一般以大中型车站为待避车站。反过来,夕发朝至列车的开行数量受到待避车站股道数量的直接制约。

(2)采用供电臂保障旅客生活用电

由于前方区段的接触网双向停电检修,夕发朝至列车在待避车站停车后,需要保障列车上的旅客生活用电。这种情况下,可以待避车站所在供电臂作为分界点,在空间上将区段分成若干段,为在待避车站等线的列车提供电力供应。

2.1.2 主要问题

基于现行的夜间双向垂直(或分段)矩形天窗,采用“等线”方式组织夕发朝至列车开行,面临的主要问题如下。

(1)夕发朝至列车的适宜开行距离范围小

由于列车在车站等待天窗的时间较长,夕发朝至列车的合理开行距离减少。假定列车在车站的平均等待时间为5 h,根据夕发朝至列车的合理运行时间范围,在“等线”方式下,理论上,夕发朝至列车的全程在途运行时长应为2～9 h(包括等待时间在内的全程运行时长为7～14 h),距离在400～1 800 km的OD之间适合开行夕发朝至列车。

然而,夕发朝至列车的合理开行距离急剧减少,大幅涵盖中短距离,而中短距离的OD旅客一般更愿意选择日间高速列车。例如,北京至郑州的OD距离约800 km,假定日间高速列车的平均速度为240 km/h,全程运行时间约3.5 h,旅客一般更愿意选择日间高速列车。

基于上述分析,假定日间高速列车的全程运行时间在6 h以下时,对比夕发朝至列车具有绝对的竞争力优势,则在“等线”方式下,夕发朝至列车的适宜开行距离范围仅为1 500～1 800 km(在“等线”方式下,距离在400～1 500 km的OD尽管可以满足夕发朝至列车的开行时段要求,但旅客一般更愿意选择日间高速列车;距离在1 800～2 800 km的OD则不再满足夕发朝至列车的开行时段要求)。

(2)夕发朝至列车的旅客安监工作

在不低于4h的等待时间内,如何做好夕发朝至列车的旅客安监工作是另一个主要问题。若允许旅客离开列车进入车站,需要在保证列车上旅客的生命和财产安全的同时,做好车站内的旅客候车组织;若不允许旅客离开列车,需要做好宣传和安抚工作,控制可能产生的安监事态。上述两种情况都对车站的旅客乘降组织提出了更高要求。

(3)列车晚点

考虑列车晚点的影响,列车到达待避车站的时刻和天窗开始时刻之间,应预留足够的冗余时间,保证列车在天窗开始时刻之前到达待避车站。否则,若列车晚点时间过大,综合维修天窗时段需要后延,打乱正常的检修计划。显然,冗余时间对延长夕发朝至列车在待避车站的等待时间也有一定的影响。

(4)维修作业安全

在综合维修天窗时间内,区间接触网停电,而待避车站所在供电臂需要为车站内的列车持续供电,保障旅客生活用电需要,这种情况下,会对区间的维修作业带来较严重的安全隐患。

2.2 下线方式

我国高速铁路开行夕发朝至列车也可考虑采用“下线”方式,在综合维修天窗开始前下到既有线运行(避开既有线天窗时段),在综合维修天窗结束后上到高速铁路继续运行[2],主要实现在现行日间综合维修天窗方式下,开行夕发朝至列车的现实需要,如图2所示。

图2 高速铁路夕发朝至列车下线方式

2.2.1 技术条件

高速铁路夕发朝至列车下线运行,首先需要在高速铁路与既有线之间设置联络线,方便夕发朝至列车下线和上线。目前,大型铁路枢纽内均设置了联络线,连接既有线车站和高速铁路车站,高速列车可直接接入既有站(如京广高速铁路的部分高速列车接入北京西站、郑州站)。

其次,既有线应为电气化铁路,且受电弓高度、站台高度、建筑限界等均应满足夕发朝至列车的运行要求。此外,列控系统也应兼容。高速铁路夕发朝至列车一般应采用最高速度为250 km/h的卧铺动车组,采用CTCS-2级列控系统。经过六次提速,繁忙干线旅客列车时速可达200～250 km,在借鉴欧洲和日本列控系统的基础上,引进、消化、研发了我国既有线200 km/h动车组列控系统(CTCS-2)。这些线路上的信号系统基本可以满足下线高速列车的运行要求。

2.2.2 主要问题

在上述技术条件满足的情况下,采用“下线”方式开行夕发朝至列车,首先需要选择下线时间和地点。在下线时间的选择上,必须避开天窗时段[3]。既有线一般采用V形天窗,在天窗时段内,按单线组织双向行车;在下线地点的选择上,应选择通过能力较为充裕的既有线区间[4],同时,还考虑下线距离的经济合理范围[5]。这是因为,受到线路条件的限制,夕发朝至列车在既有线上只能降速运行。若下线距离过长,一方面,可能超出夕发朝至列车的合理到发时段范围;另一方面,夕发朝至列车在时间方面的优势降低,列车开行不经济,且直接影响客流量。

其次,与“等线”方式一样,同样需要考虑列车晚点的影响,列车到达下线车站的时刻和天窗开始时刻之间应预留足够的冗余时间,保证列车在天窗开始时刻之前到达下线车站。显然,冗余时间的存在对下线时间和地点的选择也会产生一定的影响。

2.3 不下线方式

高速铁路夕发朝至列车除采用上述两种方式外,还可以采用不下线方式组织行车,即通过调整夜间综合维修天窗,改变天窗设置方式、设置时间等,为夕发朝至列车在高速铁路上的运行提供条件。以垂直矩形天窗和“垂”型天窗为基础,调整后常见的天窗方式有隔日单向矩形天窗、双向分段错开矩形天窗和日间天窗,分别对这3种天窗方式下的行车组织方式进行分析。

2.3.1 采用隔日单向垂直矩形天窗

若使夕发朝至列车全程均在高速铁路上开行(即不下线),需要对现行的双向垂直(或分段)矩形天窗进行调整,可考虑采用隔日单向垂直矩形天窗,即按上下行隔日安排综合维修,在一线按垂直矩形天窗组织综合维修的情况下,另一线按单线组织双向行车[6,7],如图3所示。

图3 隔日单向垂直矩形天窗

德国高速铁路采用“客货混跑”的列车开行模式,日间开行高速旅客列车,夜间开行快速货运列车,综合维修天窗开设在夜间3:30～6:00(周一至周五,由于周末开行的货车较少,周末的天窗时间较长),一线维修时,邻线不允许160 km/h以上的快速货物列车通过。对于160 km/h的快速货物列车,要求在3:00前通过[3,8]。同时,区间平均每6 km设1处渡线,满足一线维修时,邻线双向行车的需要。对我国高速铁路而言,若采用隔日单向垂直矩形天窗方式,一线维修,邻线行车,则牵引供电系统能按上下行线路分别供电,保持同相位,且同时安装分段开关。同时,通信信号设备能保证双向行车安全,即上下行线路均能按单线组织行车。此外,站间距较大时,设置必要的区间渡线,便于双向行车和提高区间通过能力等。德国高速铁路在区间平均每6 km设1处渡线,满足一线维修时邻线双向行车的需要。

在上述技术条件满足的情况下,维修作业安全是最主要问题[9,10],分为两方面。

(1)邻线限速

若采用隔日单向垂直矩形天窗方式,研究显示[11],在非桥梁等特殊路段,当一线进行线路维修和供电维修,邻线列车运行速度应不超过160 km/h;在桥梁等特殊路段,允许邻线列车最高运行速度一般更低。在邻线列车限速通过时,需采取严格的安全管理措施,包括:及时掌握高速列车的通过时刻和晚点信息,及时组织维修作业人员下道,以及维修作业人员不得在两线间站立等。

(2)消除电磁感应

由于邻线正常供电,还需要考虑电磁感应带来的维修作业人员安全问题。电磁感应包含静电感应电压、磁感应电压和地面跨步电压等。理论上,前2种可通过将作业现场的接触网两端挂接地线予以基本消除;跨步电压则与大地的电导率等地质条件有关,一般情况下,跨步电压小于人体允许值,不会对人体造成伤害。

实际情况下,高速铁路采用高压供电(一般为25 kV),感应电压也非常高(6～10 kV),为保障维修作业安全,需要每隔200 m接挂地线,作业时间长,作业防护多,安全距离也更短(距离带电接触网30 cm即可能引发触电)。无论对电力专业人员(接触网维修人员)和非电力专业人员(工务维修人员),都需要与接触网保持一定的安全距离(专业人员在1 m以上,非专业人员在2 m以上)。基于上述因素,一线行车,邻线正常供电引发的维修作业人员触电隐患难以彻底消除。

2.3.2 采用双向分段错开矩形天窗

对于采用无砟轨道的高速铁路(或短距离的城际铁路),综合维修天窗时间较短。若综合维修作业可控制在2 h左右,则可考虑采用双向分段错开矩形天窗方式,以方便夕发朝至列车的开行[12],如图4所示。

图4 双向分段错开矩形天窗

采用双向分段错开矩形天窗,由于接触网分段停电和复电,对维修作业人员带来一定的安全隐患。此外,还需要考虑夕发朝至列车的通过能力。首先,一般依据客流区段分割垂直矩形天窗。对特定的分段方法,由于特定OD夕发朝至列车的运行时段相对固定,只能通过特定OD的夕发朝至列车。其次,分段矩形天窗的错开时长直接影响夕发朝至列车的通过能力,但错开时长又受到夜间0～6时范围的限制,不能过长。最后,在铺画列车运行图时,必须考虑列车晚点的影响,在夕发朝至列车运行线与天窗之间预留一定的冗余时间。基于上述分析,采用双向分段矩形天窗,夕发朝至列车的通过能力较小。

2.3.3 采用日间天窗

由于高速铁路一般只在日间开行高速列车,行车具有高密度、高速度的特点,在世界范围内,除法国高速铁路外,高速铁路综合维修天窗普遍设置在夜间0～6时范围内。法国高速铁路的综合维修天窗时段为23:30～5:30,实际维修作业时间在4 h左右,同时开设日间1 h V形天窗[3,8],用于道岔控制设备的调整、润滑和线路、供电设备的步行巡视。开设日间1 h V形天窗主要为弥补夜间视线不足的问题,夜间检测车只检测线路,道岔区只相信日间的人工检查结果。事实上,由于维修手段的更新,法国高速铁路正逐步取消日间1 h V形天窗。

为组织夕发朝至开行,我国高速铁路可考虑将夜间综合维修天窗完全移至日间(与法国高速铁路开设日间1 h V形天窗不同)。由于维修条件得到明显改善(尤其对我国高寒地区的高速铁路,如哈大高速铁路),或可显著缩短综合维修时间,显著提高综合维修效率。

开设日间天窗的主要问题在于线路通过能力转移到夜间。一方面,由于夜间0～6时不设置天窗,夜间夕发朝至列车的通过能力过于充裕;另一方面,由于日间综合维修天窗时间较长(考虑到综合维修效率的提高,至少需要3～4 h),且日间行车时段被分割,日间高速列车的通过能力大量减少。

在开行效果上,中长距离高速列车的日间开行时段受到很大限制,短途高速列车则不能提供全天的日间客运服务;在通过能力利用方面,日间天窗产生的三角区的通过能力较难以被完全利用;在动车组运用效率方面,开设日间天窗增加了动车组的休时,动车组运用效率下降,直接影响铁路经营效益。

3 总结和建议

目前,在高速铁路上开行夕发朝至列车具有较大的困难,夜间综合维修天窗是最直接和主要的限制因素。基于上述对夕发朝至列车3种行车组织方式(即等线、下线、不下线)的分析,总结和建议如下。

(1)在等线方式下,夕发朝至列车的适宜开行距离范围小。同时,旅客安监工作也难以开展。在技术条件上,采用供电臂分段供电,存在较大的维修安全隐患。综合而言,不推荐采用。

(2)在下线方式下,技术条件较容易满足,夕发朝至列车的通过能力主要受到既有线区间剩余通过能力的制约。因此,可在技术条件满足,且剩余通过能力较大的既有线区间上采用。

(3)不下线方式有3种实现方法。第一种采用隔日单向垂直矩形天窗,由于邻线行车和电磁感应带来的维修作业人员安全难以保证,不推荐采用;第二种采用双向分段错开矩形天窗,通过能力较小,只适用于综合维修时间短的高速铁路(如部分采用无砟轨道的高速铁路或较短的城际铁路);第三种采用日间双向垂直矩形天窗,可在日间高速列车开行数量较少的高速铁路上采用。

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Organization of Night Train Starting at Dawn and Arriving at Dusk on High-Speed Railway

JIA Hao,HAN Bao-ming,ZHANG Qi
(School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Trains leaving in the evening and arriving in the morning attracts passengers with high and medium income by offering comfort and safety.The maintenance time window of high-speed railway is conducted at night,which leads to a severe conflict between the maintenance and train operation.In order to facilitate the train operation on high-speed railway lines,the paper analyzes three train operation organization methods(waiting at station,shifting to other existing lines and changing maintenance time window)in terms of the mode of maintenance window,technical requirements and existing problems,and proposes recommendations to the applicability of the three methods.

High-speed railway;Train leaving in the evening and arriving in the morning;Traffic organization;Maintenance time window;Tertian maintenance time window;Staggered maintenance time window;Daytime maintenance time window

U292

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.003

1004-2954(2014)12-0009-05

2014-07-15;

2014-08-13

国家科技支撑计划(2009BAG12A10)

贾 皓(1990—),女,硕士研究生,E-mail:13120854@bjtu. edu.cn。