我国高速铁路夜间行车组织方法

彭其渊， 杨 奎， 文 超， 陶思宇

(1.西南交通大学交通运输与物流学院，四川 成都 610031;2.综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031)

我国幅员辽阔，主要城市之间的通达时间远超过其他高速铁路发达国家，由全国主要节点城市构成的1000多个客流OD对中有328个距离超过2000 km，约有 500个 OD对的旅行时间超过7 h［1-2］.我国高速铁路的线网规模和纵横跨度大，单条骨干线路里程长，实现网络化运营后，长距离高速列车开行数量多、运行时间长、服务范围广.

高速铁路组织夜间行车为旅客利用夜间时间远距离出行提供了有效途径，能够有效拓展旅客出行时间范围，提升远距离城市之间高速铁路出行的时间可达性.此外，组织夜间行车能够有效利用高速铁路的夜间运输能力，充分发挥网络化运营优势，提升长距离高速列车相对于长途道路运输和航空运输的竞争优势.我国高速铁路组织夜间行车是旅客出行和运力资源优化利用的共同需求.同时，从旅客出行需求特征、高速铁路路网结构与规模来看，我国具有组织开行夜间高速列车的必要性和基本条件，但创新夜间行车组织方法是我国高速铁路科学运营管理亟待解决的新课题.

国内外科研工作者对高速铁路夜间行车的研究主要集中在3个方面:

(1)组织开行夕发朝至列车的可行性和开行条件［3-4］;

(2)综合维修天窗设置形式、技术特点、适用条件及其比较分析［5-10］;

(3)以综合维修天窗与列车运行的动态关系为基础，研究夜间列车运行与维修天窗的协调配合［11-15］.

既有研究多以单条高速铁路为研究对象，未深入系统地研究在高速铁路网络化运营背景条件下如何组织开行夜间高速列车.本文系统分析了高速铁路夜间等线、转线、一线行车一线维修以及基于客流规律的周期性夜间行车组织方法的技术条件、组织特征和适应性，提出了高速列车夜间运行与综合维修天窗的协调方法.

1 问题描述

目前，世界上其他高速铁路发达国家和地区均未在夜间组织开行高速列车，因为这些国家和地区国土面积小，高速列车运行距离和旅行时间较短，没有组织夜间行车的必要［1］.从旅客出行需求特征、高速铁路路网结构与规模来看，我国高速铁路组织夜间行车具备必要性、线网条件和客流条件.我国高速铁路组织夜间行车能够充分利用综合维修天窗以外的夜间时间为旅客出行提供多样化的快捷运输服务，是客流输送和运力资源优化利用的共同需求.

确保技术设备处于良好状态是高速铁路安全有序运营的基本保障，可通过设置综合维修天窗这一技术措施来实现.铁路综合维修天窗有矩形和V形两种基本形式，其中矩形天窗是高速铁路综合维修天窗的基本形式，通过组合可以有多种衍生形式，各有不同的特点和适用条件［8］.高速铁路沿线技术设备需在夜间进行检查维修作业，无论检查维修作业持续时间长短，夜间高速列车运行过程在多区段综合维修天窗联合约束下难以完全不受天窗影响.在高速铁路线网纵横跨度、动车组一级修修程(一般为4000 km，CRH5为5000 km)和旅客出行服务质量等因素综合约束下，高速列车全程运行过程一般不会跨越2个夜晚，即高速列车在一次全程运行过程中不会两次受综合维修天窗的影响.

高速铁路组织夜间行车主要受夜间综合维修天窗占用行车资源的影响，列车运行和设备维修作业不能同时进行，组织夜间行车的关键在于处理好夜间列车运行与综合维修天窗的相互关系.夜间列车运行与综合维修作业在时间上存在相互影响的动态关系，两者相互协调配合才能在满足技术设备综合检查维修需求的基础上，为列车夜间运行创造良好条件.

高速铁路夜间行车有4种可能的行车组织方法:等线、转线、一线行车一线维修和基于客流需求规律的周期性组织方法.不同夜间行车方法具有不同的技术特征和技术作业过程，夜间列车开行条件与综合维修天窗的相互关系也有所差异.研究高速铁路夜间行车组织方法，主要以满足高速铁路综合维修作业的需求为前提，系统分析不同夜间行车组织方法的技术条件、组织特征及夜间列车与综合维修天窗的协调方法，提出不同夜间行车组织方法的适应条件，为我国高速铁路组织开行夜间列车提供理论依据和技术支撑.

2 高速铁路夜间等线行车组织方法

等线方法指夜间高速列车在综合维修天窗开始前在就近车站停车，等待天窗结束后继续在高速铁路上运行至终到站的一种夜间行车组织方法.其特征是列车在其全过程运行中不改变运行线路，遇到综合维修天窗时列车在车站停车等待至天窗结束后继续运行，导致夜间高速列车运行时间增加.

高速列车夜间等线时停留在车站到发线上，其运行环境(线路、信联闭设备和供电等方面的技术条件)未发生任何变化，列车运行全过程对平行既有线路无影响.等线列车在天窗时间内需要占用车站到发线，同时在等线时段内列车基本生活用电必须得到保障.采用等线方法组织夜间行车的实施条件主要包括:

(1)高速铁路沿线车站到发线配置数量满足夜间列车等线需要;

(2)等线车站具备保障等线列车生活用电的配套技术设备.

高速等线列车需等到其所在车站和相邻后续区段综合维修天窗均结束后才具备基本发车条件，会产生列车在站等待天窗的停留时间，增加高速列车旅行时间，从而降低列车旅行速度.高速列车等线时间主要由综合维修天窗时间长度、同方向等线列车数量、最小追踪间隔时分和天窗前后行车间隔时分决定.令t、tb和te分别表示综合维修天窗持续时间长度、天窗开始前的最小行车时间间隔和天窗结束后的最小行车时间间隔，n和tmin分别为该车站同方向等线列车数量和列车运行最小追踪间隔时分，tT和t'T分别为列车正常运行旅行时间和等线运行的旅行时间.按照“先到先发”原则组织等线车站列车到发，高速列车夜间等线时间td和列车等线运行的旅行时间t'T为

夜间等线高速列车旅行速度v′由运营里程L、最高运营速度vmax和综合维修天窗时间t决定，

式中:β1为高速列车的旅速系数，一般取值0.9.

不同运营里程和综合维修天窗时间下的旅行速度如表1所示.

表1 高速列车等线运行的旅行速度Tab.1 Travelling speed of high-speed train under waiting mode km/h

综合维修天窗时间长度和列车运行距离是影响列车旅行速度的主要因素，综合维修天窗持续时间越短、列车运行距离越长，则等线高速列车旅行速度越高，夜间等线对列车旅行速度影响越小.在一定的列车运行距离下，综合维修天窗时间越长，夜间列车旅行速度越低，列车受综合维修天窗的影响越严重.远距离高速列车等线运行能够保证较高的旅行速度，例如哈尔滨至广州运行里程约为3400 km，设置3 h综合维修天窗时列车旅行速度高于200 km/h.

在满足维修作业需求和列车运行基本条件的同时，采用一定的技术措施能够有效地缩短列车等线时间，提高列车旅行速度，从而降低综合维修天窗对夜间列车运行的影响.提高等线列车旅行速度的技术措施主要包括:

(1)分段设置综合维修天窗，通过技术组织措施为列车夜间运行创造良好条件;

(2)强化维修班组配置和维修作业组织，缩短辅助作业时间，提高维修作业效率;

(3)优化列车等线方案，使列车尽量分散等线，降低同一车站同方向等线列车数量.

根据高速铁路供电设备技术特征和运营维护管理需求等，将高速铁路划分为若干天窗分段，这些天窗分段是分段矩形天窗设置的基本单位，不同天窗分段的天窗设置方案组合形成高速铁路天窗设置方案.根据夜间行车需求，优化分段矩形天窗的开设时段能够有效缩短列车等线时间，降低综合维修天窗对列车运行的影响.如图1所示，在同等条件下，设置分段矩形天窗时的列车等线时间小于设置垂直矩形天窗时的列车等线时间.

图1 不同综合维修天窗方案下的列车等线时间Fig.1 Waiting time illustration under different maintenance curfews

夜间高速列车等线运行降低了列车旅行速度，为保证高速铁路的服务质量和竞争优势，夜间高速列车运营里程必须大于特定阈值L0以保证一定的旅行速度水平.令v0为夜间高速列车目标旅行速度，

表2为目标旅行速度下的等线列车运营里程阈值，从表2可以看出，综合维修天窗持续时间越长、最高运营速度越低、目标旅行速度越高，高速铁路夜间列车运营里程阈值就越高.

表2 目标旅行速度下的等线列车运营里程阈值Tab.2 The mileage threshold value of waiting high-speed train at targeted travelling speed km

此外，高速铁路采用等线方法组织夜间行车能够有效拓展夕发朝至列车的开行范围.夕发朝至列车合理始发时间范围为［17:00，23:00］，合理终到时间范围为［6:00，9:00］，列车旅行时间长度为7～16 h，则高速铁路300 km/h(旅速系数为0.9)列车夕发朝至列车开行最短距离约为1900 km.采用等线方法组织夜间行车，旅行时间增加能够缩短夕发朝至列车的最短开行距离L，使部分距离较近的城市OD具备开行夕发朝至列车的时间条件，

L=(t'T－ td)β1vmax， 7 h≤t'T≤16 h. (5)

高速列车等线运行增加旅行时间能够拓展夕发朝至列车开行范围，同时降低了列车旅行速度.目前我国既有线直达特快旅客列车平均旅行速度为130 km/h左右，为保证夕发朝至高速列车的竞争优势和服务质量，300 km/h高速列车的速度不宜低于200 km/h，相应的最短开行距离约为1400 km.

等线行车组织方法适用于无平行既有线路或平行既有线路能力特别紧张的高速铁路组织夜间行车，组织等线行车时高速铁路沿线车站到发线数量需满足夜间列车等线需要，等线车站需具备保障等线列车生活用电的配套技术设备.采用该方法能够在距离较近的城市OD之间组织开行夕发朝至列车，在列车运营里程较长时能够保证较高的旅行速度.

3 高速铁路夜间转线行车组织方法

转线方法是指高速列车在天窗开始前通过联络线转入平行既有线路，夜间列车沿平行既有线路运行至终到站，或天窗结束后通过联络线返回高速线运行的一种行车组织方法.其特征是列车部分运行过程在高速铁路平行既有线路完成，转线运行列车在综合维修天窗时间内利用平行既有线路通过能力，与平行既有线路列车的运行相互影响.

高速铁路夜间转线运行过程包括3个阶段:

(1)天窗开始前在高速铁路上的运行阶段;

(2)天窗时间内在平行既有线路上的运行阶段;

(3)天窗结束后从平行既有线路返回高速线或继续在平行线运行至终到站.

组织转线行车应具备的条件包括:

(1)高速铁路具备平行既有线路以及与平行既有线路的联络线;

(2)平行既有线路技术条件满足高速列车运行需求;

(3)平行线路具有充足的通过能力.

高速铁路在综合维修天窗时间组织转线行车，高速列车转线运行过程如图2所示.采用转线方法时，高速列车在天窗开始前通过联络线转入既有线，在天窗结束后通过联络线返回高速铁路，因此，高速铁路与平行既有线的联络线设置是转线运输组织的关键技术条件.同时，列车转线运行与平行线路列车运行过程相互影响，运输组织过程较为复杂，导致列车晚点将使转线运输组织方案难以实施，保证高速列车正点运行是列车转线运行的重要组织条件.

在既有平行线路技术条件约束下，转线列车以既有平行线路的最高允许速度运行，导致列车全程旅行时间增加，旅行时间增量

式中:β2为既有平行线路上列车的旅速系数;

vPmax为既有平行线路上列车最高运行速度;

t'1为高速列车转入既有线路的运行时间;

l为平行既有线区段长度.

列车转线运行的旅行时间增量较等线方法的旅行时间增量小，在天窗持续时间较长时具有显著优势.采用转线方法组织开行夕发朝至高速列车时，不同线路运营速度和综合维修天窗时间与列车合理开行距离范围的关系可用式(7)表示，

式中:t2为在既有平行线路列车运行时间.

不同天窗时间长度和最高运营速度下的合理开行距离范围见表3.

高速铁路夜间行车采用转线方法能够有效利用运输资源，提高运输生产的连续性和均衡性，组织列车转线运行的关键在于为高速列车选定合理的转线运行区段.列车转线运行区段的基本条件是列车转线运行时间大于综合维修天窗时间及其前后间隔时间之和，tZ为列车转线运行时间，列车转线运行区段选择的基本条件为

图2 夜间高速列车转线运行过程示意图Fig.2 Transferring mode illustration of overnight high-speed railway

表3 转线方法夕发朝至高速列车的合理开行距离范围Tab.3 The rational travelling distance range for dusk to dawn high-speed train under transferring mode km

在合理始发终到时间范围约束下，不同OD城市对夜间高速列车的转线区段可能有所不同，导致高速铁路既有平行线路不同区段的转线列车数量存在差异.列车转线运行占用既有平行线路通过能力，高速列车转线运行的不均衡性会导致既有平行线路不同区段的能力占用不均衡.

令tH和tK分别为既有线普通货物列车和旅客列车追踪间隔时分，M为该区段转线列车成组运行的组数，Ki为第i组追踪运行的列车数量，εk为高速铁路平行既有线直达特快旅客列车扣除系数.转线行车对平行既有线路通过能力的影响见图3，列车转线运行占用转线运行区段的通过能力

图3 转线行车对平行既有线路通过能力影响的计算方法Fig.3 Calculation method of reduced capacity in parallel traditional rail line under transferring mode

在转线基本条件和合理始发终到时间范围约束下，夜间高速列车转线区段和转线时间通常具有多种可选方案，不同转线方案将导致高速铁路既有平行线路通过能力利用率的不同.夜间高速列车转线方案需从路网层面统筹考虑列车转线基本条件、合理始发终到时间范围和既有平行线路通过能力，以便为既有平行线路列车运行和通过能力的充分利用创造条件.

转线行车方法适用于具有高速铁路与平行既有线路转线运输组织联络线、平行既有线路通过能力富余并具备相应技术条件的高速铁路组织夜间行车，在综合维修天窗时间较长时较等线方法具有一定优势.同时，由于联络线设置的限制，列车晚点将导致转线运输组织方案难以实施，保证高速列车正点运行是列车转线运行的重要组织条件.

4 一线维修一线行车组织方法

一线维修一线行车方法是指高速铁路在综合维修天窗时间内一线进行维修作业、一线按单线组织列车运行的行车组织方法.其特征是上下行线路在综合维修天窗时间段内分别用于设备检查维修和列车运行，列车运行与设备检查维修作业相互影响.

实施一线维修一线行车方法的技术条件包括:

(1)高速铁路双向线路均具备单线反向行车条件;

(2)列车运行速度不超过160 km/h，以降低相邻线路维修人员安全风险;

(3)强化维修作业防护措施以保证维修作业安全.

在综合维修天窗时段内，组织一线维修一线行车通常具有单线成对非追踪运行或追踪运行两种组织模式，如图4(a)和图4(b)所示.

图4 高速铁路一线维修一线行车示意图Fig.4 Illustration of operation and maintenance in bidirectional lines

一线维修一线行车方法在天窗时间为高速铁路列车提供了一条可行的夜间单方向运行通道，能够提高高速铁路运输生产的连续性和均衡性.在天窗开始前和天窗结束后，均需进行行车组织方法转换，运输组织过程较为复杂.高速铁路部分特定技术设备检修作业需要上下行线路同时进行，如渡线、道岔和站内接触网等技术设备，采用一线维修一线行车方法时，无法同时进行检修作业，难以满足这些技术设备的维修需要.与此同时，列车运行影响相邻线路的维修作业，增加了维修辅助作业时间和线路维修的安全风险，对高速铁路线路的维修作业效率和安全产生负面影响.

令l为区段限制区间长度和不组织一线维修一线行车时的速度，则综合维修天窗影响时间长度

设TC为单线成对非追踪运行图周期，t′I和t″I分别为上下行方向追踪列车间隔时分，K为追踪运行列车数量，则追踪运行图周期

综合维修天窗时段内的通过能力［16］

由此可见，组织一线维修一线行车时综合维修天窗时段内可开行的列车数量主要取决于线路限制区间长度.在实际运输组织过程中高速铁路站间区间较长，以160 km/h组织单向行车时TC较大，导致综合维修天窗时间内通过能力较为有限.例如，京沪高速铁路站间区间平均长度为60 km，单线成对非追踪运行图平均周期为TC=70 min，设置4 h综合维修天窗时，以160 km/h成对组织列车单线非追踪运行和追踪运行(K=3)，区间平均通过能力分别为4对和6对.

一线维修一线行车组织方法适用于具备单线反向行车条件的高速铁路组织夜间行车，但高速铁路部分特定技术设备检修作业需要上下行线路同时进行，采用一线维修一线行车组织方法难以满足这些技术设备的维修需要，同时增加了维修辅助作业时间，影响维修作业人员安全.

5 基于客流规律的周期性行车组织方法

我国铁路运输组织“按流开车”，客流需求是高速铁路组织行车的基本依据.我国高速铁路客流在一周内呈现显著的规律性:周一至周四工作日客流相对稳定，周五和周日客流显著增长，周六客流相对较小［16］.根据此客流规律设置5+2周期性天窗(周一至周四以及周六正常设置综合维修天窗，周五和周日仅设置2 h巡检天窗)，既能满足不同维修作业需求，又能在周五和周日夜间出行客流需求较大时为高速列车夜间运行创造良好条件［17］.

高速铁路周期性夜间行车组织方法，是指针对周期客流规律设置天窗方案并相应地采用前述不同夜间行车方法的一种行车组织方法.这种行车组织方法的特征是周一至周四及周六正常开设综合维修天窗与周五、周日开设巡检天窗时分别采用不同的夜间列车组织方法，可以是等线、转线或一线维修一线行车组织方法的任意单一方法或组合.

采用5+2周期性天窗时，周一至周四以及周六正常设置3或4 h矩形天窗用于线路检查维修，高速列车夜间运行可根据相应技术条件采用前述3种夜间行车组织方法之一，其中等线方法如图5(a)所示.周五和周日仅设置2 h巡检天窗用于线路及设备检查以保证行车安全，在综合维修天窗结束后不需开行确认车，巡检天窗影响时段大幅缩短，分段设置时相邻区段天窗可能完全错开，为夜间列车运行提供通道，如图5(b)所示，京广高速铁路部分列车在夜间运行过程中能够避免受综合维修天窗的影响.

高速铁路夜间运行列车通常在时段6:00～9:00密集终到，对于毗邻动车段(所)的始发终到站，夜间高速列车终到与动车组出段、车站早高峰发车时段重叠.列车密集到发可能导致到发线和咽喉能力较为紧张，需制定配套的列车出入段计划和组织措施.在网络化运营条件下，协调不同城市之间夜间高速列车运行方案，组织夜间高速列车在区间连续追踪运行，在提高夜间通过能力利用率的同时，为夜间列车运行和维修作业创造良好条件.

图5 基于客流周期性规律的京广高速铁路行车组织方法示意图Fig.5 Demand-based periodic operation illustration of Beijing-Guangzhou high-speed railway

高速铁路夜间列车运营里程在2000 km以内时，采用车底返回配属地检修的双日交路;里程在2000 km以上则采用在非配属地进行车底检修的单日交路，同时通过卧代座套跑短途日行列车能够有效提高动卧车底利用率.当始发终到站所在地的动车运用所不具备该车型的检修技术条件时，需在该动车运用所增加特定车型的检修技术设备或以套跑形式到就近动车运用所检修.

6 结束语

我国高速铁路逐步由单线独立运营转变为以长大干线为骨架的网络化运营，长距离高速列车开行数量多、运行时间长和服务范围广.我国高速铁路具备组织夜间行车的基本线网条件和时空条件，开行夜间高速列车可以有效地丰富铁路客运产品谱系，提高城市之间的时间可达性和路网运输能力，是旅客出行和企业运营的共同需求.

高速铁路夜间行车具有等线、转线、一线维修一线行车和基于客流规律的周期性夜间行车组织4种方法.等线行车方法适用于没有平行既有线路或平行既有线路能力特别紧张的高速铁路组织夜间行车，同时高速铁路沿线车站到发线配置数量满足夜间列车等线需要，并且相应等线车站需具备保障等线列车生活用电的配套技术设备.采用该方法能够在距离较近的城市OD间组织开行夕发朝至列车，在列车运营里程较长时能够保证较高的旅行速度.为保证高速夕发朝至列车的竞争优势和服务质量，300 km/h高速列车的目标速度不宜低于200 km/h，其最短开行距离约为1400 km.

转线行车方法适用于高速铁路与平行既有线路具有满足转线运输组织的联络线、平行既有线路通过能力富余并具备相应技术条件的高速铁路组织夜间行车，在综合维修天窗时间较长时较等线方法具有一定优势.高速列车转线运行与既有平行线路列车相互影响，运输组织较为复杂，转线行车组织的关键在于为列车选择合理的转线运行区段并确保高速列车正点运行.

一线维修一线行车组织方法适用于具备单线反向行车条件的高速铁路组织夜间行车，但高速铁路部分特定技术设备检修作业需要上下行线路同时进行，该方法难以满足这些技术设备的维修需要.以高速铁路客流周规律性为基础设置5+2周期性天窗，既能满足不同维修作业需求，又能在周五和周日夜间客流需求较大时为高速列车夜间运行创造良好条件，是一种较好的夜间行车组织方法.

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