铁路运输组织研究内容

铁路运输组织研究内容

铁路行车组织的主要内容包括:车站工作组织、货物列车编组计划、列车运行图及区间通过能力、铁路运输生产技术计划及运输方案、铁路运输调度工作等

一、概述

一般而言，在不同的供需状况与运输环境下形成的铁路行车组织具有各自的特征。从高速铁路系统与既有线的衔接与分工关系上看，以德国、日本、法国等国家为代表，分别存在着客货混行、高速完全独立、高速列车下既有线、中速列车上下高速线等不同方式。我国已投人运营的高速铁路目前主要采取相对独立运行的方式，而城际高速铁路则逐步采用中速列车上下高速线的方式。从高速铁路列车类型与运行速度构成上看，包括单一类型、多类型共线等不同方式，主要取决于高速铁路跨线组织方案。从客流的运送方式上看，国内既有铁路旅客运输主要采取直达优先、中转换乘为辅的形式；国外铁路在产品设计和行车组织等方面特别强调方便客流换乘，因而中转换乘的比重很大。从调度指挥模式上看，目前国外高速铁路调度指挥模式基本划分为3种类型，第一类以日本为代表，通过构建各专业综合调度系统以适应高速铁路的特点和需求；第二类为德国模式，其调度系统是以地区为中心建立调度控制中心；第三类以法国和西班牙为代表，以线路为目标建立控制中心，基本沿袭既有铁路的传统模式。我国高速铁路网目前规划建设了北京、上海、武汉、广州调度所。

二、铁路行车组织控制结构分析

高速铁路列车运行在逐步网络化的同时伴有高密度、高速度、高可靠性等特征，使得行车组织在区域、通道、节点不同范围，以及计划、调度指挥、控制等不同环节具有高度的关联性。只有实现各环节的高度协调配合与综合自动化运行才能达到保障安全、提高效率和服务质量的目标，并充分发挥全路网效益与效率。因此，需要对高速铁路行车组织系统的控制结构进行合理设计。在行车组织过程中，列车运行图是组织列车运行的基本依据。日常运输工作由于实际运输需求的波动和各种扰动情况的存在，需要在基本运行计划基础上进行修改与调整，作为指挥行车的依据。因此，铁路行车组织工作是在运行计划和调度有机配合的基础上得以顺利进行的。从系统角度看，铁路行车组织过程是一个大系统的控制过程。基于大系统控制理论分析行车组织系统的控制结构可见，系统控制结构基本采用了多层递阶控制方案，在该控制方案下，按控制任务或功能把大系统划分为多个层次，较高层次的任务或功能较为复杂而概括，较低层次的任务较为简单具体。较高层次需要处理的是不经常发生的或缓慢变化的扰动，较低层次需要处理的是经常性的或变化快的扰动。不同层次间既有分工合作的关系，又有上层领导下层的关系，即有从高层向低层的指令信息传递，又有从低层向高层的信息传递和反馈。

2.1控制结构的影响因素分析

不同国家或地区的铁路运输系统由于外部输人扰动的内容与变化频率有所不同，该控制结构在具体实现中将根据情况进行职能层次的划分，而运行过程中各层次在结构中发挥作用的重要程度、观测信息的内容与反馈方式也有差别，从而形成不同的行车组织模式下的控制结构。

2.1.1客流状况

客流状况对控制结构的影响主要体现客流波动上。当客流波动在长期可预测或可掌握的范围内，对其扰动的处理一般可由决策计划层考虑，从而体现在基本运行计划中，如我国的分号运行图和国外运行图中的节日、季节运行线等。反之，若客流波动的信息仅能在短时期内可预测或掌握时，由运量波动引起列车开行计划的变化则需要在实施计划中才能更准确的给出。我国高速铁路在逐步成网过程中，客流分配状况会随着路网中高速铁路的逐步开通运营而发生变化，因此，更强调在实施计划中进一步确定或修改相关列车运行线以适应客运需求的变化。

2.2.2运输能力利用率

在运输能力利用率较高的情况下，设备负荷水平大，扰动的发生频率较高、扰动作用范围大，需处理较多的较快扰动与快扰动。此时，铁路行车组织控制结构中靠底部的两层的任务较繁重，对其功能与作用的要求更高；反之，充裕的运输能力有利于制定可靠性较高的基本运行计划和实施计划，在计划执行过程中扰动产生后需要的运行调整相对较少。因此，在行车组织控制结构中应更注重较高两层的功能与作用的发挥。

2.2.3资源配比状况的影响

多种不同类型、不同区域的资源共同提供列车运行所需的整体运输能力，各类、各区域资源的不同配比状况，如固定设备与移动设备的配比、既有线与高速铁路运输资源配比等，也将影响行车组织基本特征。我国既有线铁路固定设备能力相对移动设备能力更紧张，因而在基本计划、实施计划和运行调整计划的制定过程中均以运行图的编制和调整为核心，其他计划的编制和调整围绕运行图展开。而高速铁路由于移动设备生产周期和造价的原因，在相当长的一段时期将呈现出固定设备通过能力较移动设备输送能力更富余的情况，因此，动车计划编制的重要性增强了。同时，在运行调整过程中，移动设备运用因素对列车晚点传播的作用大大高于既有线。另外，高速铁路开通初期基本是独立运行且速度单一，由外部产生的扰动相对较小，运行调整较简单；而在逐步成网过程中，中速旅客列车上下高速线不仅为高速铁路带来了额外的扰动，而且在多种速度共线的条件下为了应付扰动将面临更多的困难，行车组织中运行调整的作用随之加大。

2.2.4技术装备水平的影响

一般而言，较高的技术装备水平可以实现较高的控制精度，对运行计划执行的可靠性更高，较低的设备故障率可以使运行过程中的扰动更小。因此，在整体控制结构中可以更关注对基本计划和实施计划的制定与优化相对既有线，新建高速铁路技术装备水平显著提高，为运行计划的精确、可靠执行提供了可能，同时也提高了下层执行反馈信息的实时性，为进一步实现一体化行车组织创造了条件。

2.3我国高速铁路行车组织研究

在新线建设、既有线改造与提速的同时，我国铁路近年来进行了卓有成效的行车组织方式改革，取得了大量创新性成果。同时，国外高速铁路的发展也为国内高速铁路提供了可借鉴的经验。例如，由于高速铁路的高速度、高安全性特征，更强调计划的可靠执行、计划与调度间指令下达执行与结果反馈的实时性；高速铁路对运力资源配置及运用的协调性要求更高，强调计划编制与调度指挥的综合性以实现整体优化；高速铁路列车运行控制精度更高，要求行车组织计划编制更精细化；高速铁路普遍采用调度集中模式，需要更紧密的协作。因此，在吸收国内行车组织改革成果的同时，还需要结合高速铁路的特点对其运输组织方式进行研究。另外，我国高速铁路快速成网，各类运力资源的配比关系在一段时期之内逐步变化，要求行车组织优化的目标与约束体现运力资源匹配的动态性，从而呈现多方式衔接的特点。

三、运输组织相关研究现状

1国外研究现状

1.1铁路运输组织相关研究

Mizutani[1]从政策与财务角度，研究了铁路公司划分与重组问题。Pittman[2]研究了货运铁路划分中的风险规避问题。Vuchic[3]提出了依据车站节点重要度低确定停站数量的思路，并从列车服务频率和列车开行数量两方面进行了综合分析。Goosses[4]分别以运营成本最小化、旅客总旅行时间最小化为优化目标，对旅客列车开行方案进行研究。Michaelis[5]将列车开行方案、车底周转和列车运行图协同优化研究，采用启发式算法予以求解。Liebchen[6]将PESP理论应用于开行方案、乘务安排与周期运行图综合优化中。Sieber[7]提出了ODPESP模型，通过客流OD路径来确定周期性列车运行图，同时构建频率熟悉和频率多重性约束图，分析了ODPESP模型求解的结果。

1.2旅客换乘组织相关研究

Bertolini[8]在20世纪80年代就开始对城市轨道交通换乘枢纽布局、换乘方式与时间、换乘衔接距离等方面进行了深入的研究。对旅客换乘行为特性的研究则最早可以追溯到上世纪50 年代，J.Fruin[9]研究给出了行人的平均走行速度和人流密度的关系曲线，将“服务水平”引入行人走行行为的研究中。Joseph[10]研究结论表明行人速度在0.9m/s-1.5m/s之间波动。Marin[11]对顾客排队系统进行研究时指出应兼顾考虑顾客和服务人员的特性，服务人员服务率的变化会引起排队长度指标的显著变化。在对换乘设施配置与布局的研究中，van der Aalst[12]利用赋时有色Petri网络对铁路枢纽车站内设施设备的配置情况进行了研究。Aiello[13]利用遗传算法求解建筑设施布局多目标优化的问题，给出了建设设施平面空间的划分方法。Manataki[14]利用系统动力学理论开发了机场枢纽设施评价系统，对铁路枢纽设施的研究提供参考。对于换乘流线的研究，日本、美国、欧洲等国通常采用仿真的方法，将流线设计研究融合到综合交通枢纽设施布局、能力规划和仿真模型中，流线设计通常采用典型的“通过式”模式，流线设计以旅客快速通过和便捷换乘为发展方向[15~21]。

2国内研究现状

2.1运输组织模式相关研究

刘先鹏[22]等结合我国路网规划、高铁路网实际情况、客流情况、线路技术条件等，针对我国高铁跨线客流的输送问题，探讨直达模式和换乘模式的优劣和使用条件，提出了成网条件下开行模式应遵守客流规律，在长距离开行模式设计时，直达列车和节点换乘模式相互结合、协同运用是较为合理的组织模式，在客流量达到一定支撑条件时，应以直达为主，换乘为辅，当长距离直达客流不足时，以组织节点换乘为主。李元凯[23]认为随着客流需求的不断增长和复杂化，在京沪高铁上只开行直达列车已经不能适应运营的需求，引入换乘模式不仅能够有效应对客流需求的变化，同时有利于优化运营管理，提高经济效益。赵鹏[24]针对京沪高铁跨线客流的输送模式提出全中速列车输送、高速下线加换乘、高速下线加中速上线3种模式，从动车组运用、旅行事件节省和旅客需求适应程度等方面对3种模式进行比较，最终得出高速下线加换乘是最佳模式。

2.2路网划分研究

王姣娥[25]在分析我国高速铁路发展过程、模式的基础上，剖析了高铁空间格局特征与区域人口和经济的耦合关系，借助ArcGIS方法探讨了高铁网络的空间效应，其结果显示我国高速铁路的空间扩展过程表现出独特的“核心-核心”至“核心-网络”模式，与城市群的空间分布具有较好的耦合性。郭豪[26]、赵映慧[27]通过建立主要城市间高铁运行O-D频次矩阵，运用社会网络分析法（SNA）对系统对象间的关系进行量化，将我高铁网络中主要城市和城市群的路网结构进行划分和研究。

2.3换乘组织相关研究

目前，国内学者对于城市综合交通枢纽内旅客换乘组织的理论研究成果较为丰富，王晶[28]以系统论、可持续交通理论和绿色交通理念为指导，构建基于“绿色换乘”的大型高铁枢纽交通接驳规划理论；王建聪[29]对城市客运枢纽内各种交通方式换乘衔接组织的优化、换乘效率与服务水平、换乘网络交通分配和方式选择等关键问题进行了研究；周伟[30]对城市交通换乘衔接的内涵、分类和换乘影响因素进行了较为深入的研究和分析。针对换乘组织中的具体问题，周侃[31]针对高铁客运枢纽站乘客换乘行为特性及设施配置进行了详细的研究。

四、参考文献

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