动车组停站方案对运行效能影响仿真分析

杨 峰,吕希奎,刘佳林

(石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄 050043)

1 概述

在高速铁路旅客运输组织中，动车组列车的开行方案是其核心，它集中反映了旅客运输的经营策略和服务质量。在开行方案制定过程中，列车的停站方案是制定开行方案的关键[1]。列车停站方案合理与否，将直接影响到旅客出行和换乘的便捷、旅行时间、旅客运输的服务水平以及铁路企业的经济效益。现有的高速铁路列车停站模式主要有“一站直达”、“大站停”、“择站停”和“站站停”[2]。针对列车停站的重要性，许多学者从不同角度进行了研究。

文献[2]从方便旅客出行及减少旅客出行广义费用两方面考虑，建立了列车停站方案综合优化模型。文献[3-4]分析了影响列车停站方案的因素，将节点重要度应用于高速列车停站方案的制定。文献[5-6]研究了高速铁路列车停站方案与运行图的关系。夏昭辉[7]研究了高速铁路旅客列车停站旅客列车最大停站次数的确定方法。赵洪诚等[8]结合高速铁路旅客换乘需求数据，建立了以运行图可达性最大为目标的优化模型。文献[9-11]以方案总停站次数最少为目标，研究了基于节点重要度的高速列车停站方案优化。赵锴等[12]以列车停站方式最少为目标，对高铁列车停站组合进行优化研究。文献[13-14]研究了京广高速铁路列车停站方案综合评价，分析了列车开行距离与停站方案组合规律。文献[15-17]从客流角度，研究了高速列车停站方案优化。此外，文献[18-21]，从线路条件、客流条件、行车条件等方面，研究了城际铁路列车停站方案优化。

动车组开行方案是高速铁路运营组织中的重要内容，其中的停站方案是关键，其对动车组运行效能影响也最大。上述研究中更多采用了不同数学模型进行停站方案的制定和优化，本文采用计算机仿真技术，以高速铁路为研究实例，通过对站站停车、跨站停车和一站直达停车3种主要停站方案的仿真计算和分析，从运行时分、运行速度、运行工况、运行能耗等多方面进行分析计算，以一种融合仿真技术和可量化的研究方法，为确定合理的动车组停站方案提供更为直观和可量化的参考和依据。

2 高速铁路停站模式与仿真约束条件

以动车组站站式停车、跨站式停车和一站式停车3种方案为仿真对象，从运行速度、运行时分、运行能耗等多方面进行对比分析。

2.1 我国高速铁路常用的停站模式

我国高速铁路列车的停站方式，主要有以下几种模式的组合[6]，见表1。

表1 我国高速铁路常用停站方式

2.2 仿真约束条件

为了保证仿真计算的准确性，根据动车组高速列车的运行条件，设置如下仿真约束条件。

(1)动车组最大限速条件约束

(3)站间距：Li(i=1,2，…,N)。

(4)停车时分：ti(i=1,2，…,N)，即i个站停车时间，若为0，表示该站不停车。

(5)走行时分：Ti∈(Ai,Ai+1)(i=1,2…,N)，表示在车站Ai和Ai+1之间的运行时分，s。

(6)运行能耗：Ei∈(Ai,Ai+1)(i=1,2…,N)，表示在车站Ai和Ai+1之间的运行能耗，kW·h。

3 动车组停站方案仿真分析

3.1 计算实例数据

成渝客运专线是我国“四纵四横”铁路快速客运网中“沪-汉-蓉快速客运通道”的重要组成部分，全长308 km，设计速度为300 km/h(预留350 km/h)。东起重庆站，途经沙坪坝、璧山、内江北、资中北、资阳北、成都东站等11个车站，详细数据见表2。

表2 车站数据

3.2 仿真参数设置

在仿真计算过程中，需要确定动车组类型、停站模式、最低和最高限制速度、编组情况、定员荷载和最高速度等参数，如图1所示。

图1中的各参数说明如下。

(1)动车组类型：可选择CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A、CRH380B等。

(2)停站模式：用于仿真计算不同停站方式，有站站停、跨站停、一站直达3种停站方式。

(3)最高速度：动车组的最高允许速度。

(4)最低和最高运行速度：所选择动车组在区间内运行的最低和最高速度。

(5)定员荷载、动车和拖车数量：由选择的动车组自动确定，不需要填写。

图1 仿真参数设置

3.3 速度距离曲线分析

根据设定的参数，通过牵引仿真计算，得到的速度-距离曲线如图2所示。其中实线、点划线和虚线分别表示牵引、惰性和制动运行。

图2 速度-距离曲线

由图2可知，对于一站式停车，V-S曲线最平滑，动车组能够以较高的速度保持平稳运行，速度波动小。而站站停车由于停站多，导致V-S曲线分成多个区间，动车组运行速度波动大，曲线也不如一站式停车平滑。跨站式停车介于二者之间，对于站间距大的3个车站V-S曲线能够保持较大的平滑状态，说明停站多少对动车组的V-S曲线影响大。为保持动车组平稳的以较高速度运行，较少的停站方式和较大站间距是较好的选择。

3.4 牵引区间计算数据分析

对比3种停站方式的动车组运行工况，从区间走行时分、区间平均速度、区间距离等数据，分析不同停站方式对动车组运行能效的影响(表3～表5)。

表3 站站停车的牵引区间计算数据

表4 跨站停车的牵引区间计算数据

表5 一站直达式停车的牵引区间计算数据

从表3～表5可以得出，站站停车方式的区间平均速度最大为236.024 km/h，最小为128.452 km/h；跨站停车方式的区间平均速度最大为256.655 km/h，最小为203.905 km/h；一站直达停车区间平均速度达到282.436 km/h。因此，从动车组运行速度上，停站越少的方式区间运行速度越高，走行时间也越少。

3.5 运行工况数据分析

从走行时间和走行距离，分析各停站方式的3种运行工况，进而得出不同停站方式对动车组运行工况的影响。运行工况数据见表6～表8。

表6 运行工况统计数据(站站停车)

表7 运行工况统计数据(跨站停车)

表8 运行工况统计数据(一站直达停车)

通过表6～表8可以得出以下结论。

(1)站站停车方式走行时分最长，达到5 171.636 s(1.43 h)，而一站直达停车方式走行时分最短，为3 901.98 s(1.08 h)，节省约21 min。跨站停车介于二者之间，走行时分为4 399.25 s(1.22 h)，相对于站站停车方式节省约13 min。从牵引工况分布看，一站式停车方式的牵引和制动工况都要比站站停车方式少，同时惰行工况是站站停车方式的2.5倍。

(2)站站停车方式的牵引工况在运行时间上所占百分比最多，达到61.01%，而一站直达和跨站停车方式的牵引工况所占百分比分别为53.22%和43.80%。因此，停站方式对动车组的运行工况影响较大，从而会影响到动车组运行能耗。

(3)3种停站方式各自在运行时间和运行距离所占的百分比相差不大。

3.6 能耗计算数据分析

在运行工况和牵引计算数据分析的基础上，分析3种不同停站方式的运行能耗。计算结果如表9～表11所示。

表9 能耗计算数据(站站停车) kW·h

表10 能耗计算数据(跨站停车) kW·h

表11 能耗计算数据(一站直达停车) kW·h

从表9～表11可以得出如下结论。

(1)不同的停站方式，运行能耗主要是牵引运行能耗，占比都在90%以上。

(2)站站停车方式能耗最大为10 134.024 kW·h，而一站直达方式能耗最小为5 579.808 kW·h，仅为站站停车方式能耗的55%；而跨站停车方式总能耗为7 678.454 kW·h，为站站停车方式能耗的75.7%。3种停站运行总能耗对比如图3所示。可见停站方式对动车组运行有着非常显著的影响，停站越少，运行总能耗少。因此，从节约能耗角度考虑，停站少的一站式方式要远优于停站较多的站站停车方式。因此，应尽可能多采用停站较少的动车组运行组织方式，以节约运行时间和运行能耗。

图3 3种停站运行总能耗对比

3.7 时间距离曲线分析

时间-距离曲线(T-S曲线)如图4所示。

图4 时间-距离曲线

由图4可知，T-S曲线以车站为区间进行绘制，对于一站式停车方式，只有一条T-S曲线，而站站停车则有多条T-S曲线。停站数量增加，相应也就增加了区间运行时间。

3.8 区间平均时速曲线

区间平均时速曲线用于描述各区间(以车站为分界点)的平均运行时速(站间距/区间运行时间)，如图5所示。

图5 区段平均时速曲线

由图5可以看出，一站式停车方式的区间平均运行速度高，达282.436 km/h；跨站停车方式区间平均运行速度比一站式停车方式低些，但最高也达到256.65 km/h，最低为203.905 km/h；而停站较多的站站停车方式，各站区间平均速度明显小于一站式和跨站停车方式，最大仅为236.015 km/h，最小仅为128.447 km/h(站间距为10.7 km)。可见停站方式对动车组区间的运行速度影响大。特别是对于站站停车方式，站间距对其运行速度有较大的影响。停站越少，区间平均运行速度越高。因此，在满足客运量要求的前提下，应尽可能少采用站站停车方式，以提高区间运行速度，节约运行时间。

3.9 区间运行速度分布

区间运行速度分布图用于描述各区间速度分布信息，通过图形直观展示区间的运行速度分布情况，表12统计了速度280 ～290 km/h、290 ～300 km/h高速区间的运行速度分布，以更好地分析不同停站方式对区间运行速度的分布和影响。

表12 区间运行速度分布数据

由表12可以得出，当动车组列车以最高300 km/h限制速度运行时，每种停站方式最高运行速度都集中在290～300 km/h 速度区间，但所占百分比相差较大。对于站站停车方式，290～300 km/h 速度区间占64.44%，跨站停车方式占73.51%，而一站直达方式则最高，达到了93.38%，约是站站停车方式的1.5倍。而280～290 km/h 速度区间，3种停站方式所占百分比相差不大。可见，不同停站方式对动车组在整个线路区间的运行速度都有较大的影响。

4 结论

动车组开行方案是高速铁路运营组织中的重要内容之一，而列车的停站方案则是制定开行方案的关键。科学合理地确定包括动车组开行种类、数量、起讫点等信息的停站方案，对动车组运行效能影响最大。本文采用计算机仿真技术，以成渝客运专线为实例，通过对站站停车、跨站停车和一站直达停车3种主要停站方案的仿真计算，从运行时分、运行速度、运行工况、运行能耗、速度距离和速度时分曲线等多方面进行仿真计算和分析，从量化角度得到3种不同停站方案对上述各因素的影响，为确定合理的停站方案提供更为直观和可量化的参考和依据。