(北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,北京 100044)
自2008年以來,我國高速鐵路網(wǎng)快速擴(kuò)張,到2016年底,我國高鐵運(yùn)營里程突破2萬km,成為世界上規(guī)模最大的高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路的“速度高、正點(diǎn)率高、運(yùn)量大、運(yùn)費(fèi)低”等優(yōu)勢,吸引越來越多的快遞物流企業(yè)選擇高速鐵路進(jìn)行“體積小、質(zhì)量輕、附加值高”的快件運(yùn)輸。然而在電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下,快遞需求的迅猛增長,通過高鐵客運(yùn)列車捎帶快件這種運(yùn)輸組織方式已不能適應(yīng)實(shí)際情況,因此開展高鐵快運(yùn)專列能夠更好發(fā)揮高速鐵路快運(yùn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
現(xiàn)在的高速鐵路通過能力計(jì)算僅適用于全部開行客運(yùn)列車的情況,而未將開行快運(yùn)專列的情況考慮在內(nèi)。本文在高速鐵路網(wǎng)開行快運(yùn)專列的前提下,將24h分為兩個時間段,不同時間段適用的通過能力計(jì)算方法有所不同,從而得到24h內(nèi)高速鐵路線路的通過能力。
近年來,我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、電商行業(yè)快速發(fā)展,極大帶動了物流快遞行業(yè)的飛速發(fā)展,快遞運(yùn)輸市場的業(yè)務(wù)量增長迅猛。自2011年來,我國快遞業(yè)務(wù)量增速均保持在45%以上[1]。具體見表1。
表1 2011-2016年我國規(guī)??爝f企業(yè)業(yè)務(wù)情況
運(yùn)輸市場需求不斷增大,競爭也越來越激烈,物流企業(yè)對快件運(yùn)輸安全、快速、準(zhǔn)時等要求也隨之提高。公路運(yùn)輸、高速鐵路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸?shù)奈嚯x分別為短途運(yùn)輸、中長途運(yùn)輸和長途運(yùn)輸。與航空和公路運(yùn)輸相比較,高鐵快運(yùn)專列載重量為120t/列,公路運(yùn)輸中順豐速運(yùn)常用車型的載重量為20t/輛,航空運(yùn)輸中順豐航空常用機(jī)型的載重量為20余噸。相比于我國航空運(yùn)輸和公路運(yùn)輸,高速鐵路的優(yōu)勢顯而易見。
一些高速鐵路新線開通初期,運(yùn)能有很大富余,具有開展高鐵貨物運(yùn)輸業(yè)務(wù)的技術(shù)條件,在滿足線路上旅客運(yùn)輸出行需求的前提下,可利用高速鐵路剩余能力進(jìn)行高速鐵路貨物運(yùn)輸。在快遞運(yùn)輸市場需求缺口大、高速鐵路運(yùn)能有剩余且存在部分虧損的現(xiàn)狀下,利用高速鐵路卓越的運(yùn)輸資源發(fā)展快運(yùn)產(chǎn)品就尤為重要。
自2013年起,部分高鐵線路成功試運(yùn)行高鐵快運(yùn),到現(xiàn)在全國范圍內(nèi)開展高鐵快運(yùn),高速鐵路貨物運(yùn)輸在不斷地試探前行[2]。現(xiàn)有的高鐵快運(yùn)主要通過確認(rèn)車和客車捎帶運(yùn)送快件,這兩種方式的載貨量分別最多為6t/列和2t/列,遠(yuǎn)不如快運(yùn)專列的載重量。
我國高鐵是按照客運(yùn)專線的標(biāo)準(zhǔn)修建的,運(yùn)營時間較短,很多線路的運(yùn)能有余,在不影響客運(yùn)運(yùn)能的前提下開展高鐵快運(yùn),利用客運(yùn)線路開行快運(yùn)專列,可提高鐵路運(yùn)輸企業(yè)的收益,增加鐵路運(yùn)輸企業(yè)的收益或減少企業(yè)虧損。雖然未來高鐵運(yùn)輸需求會逐年上升,但是高鐵運(yùn)能趨于飽和時仍可以利用不適宜開行客運(yùn)列車的時間段開展高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)。表2為京滬高鐵各區(qū)段不同時段內(nèi)現(xiàn)有列車數(shù)量,可以看到在21:00-24:00、3:00-9:00這些除天窗外非旅客出行高峰時間段內(nèi),京滬高鐵線路上能力有余,可以在這個時間段內(nèi)開行快運(yùn)專列進(jìn)行快件運(yùn)輸,既不影響客運(yùn)列車的運(yùn)行,也可以充分利用高鐵剩余能力。
表2 京滬高鐵各區(qū)段現(xiàn)有列車數(shù)統(tǒng)計(jì)表(單位:列)
高速鐵路建設(shè)初期是作為客運(yùn)專線進(jìn)行修建的,客運(yùn)專線通過能力是指采用一定類型的動車組和規(guī)定的運(yùn)輸組織方法,鐵路區(qū)段或車站可以通過或辦理的最多列數(shù)或?qū)?shù)。既有線一般以區(qū)段作為通過能力的單位,高速鐵路通過能力一般以一條線路為單位,高鐵通過能力分為全天通過能力、長線能力、短線能力等[3]。
一般條件下,高速鐵路單方向通過能力N公式為:
式中:T檢—列車運(yùn)行圖的維修天窗時間(min);
T無效—列車運(yùn)行圖中無效時間(min);
ε—高速列車扣除系數(shù);
I—追蹤列車間隔時間。
高速鐵路通過能力受多種因素影響,本文主要研究停站次數(shù)及時間、天窗設(shè)置對其的主要影響。
在線路上運(yùn)行的動車組速度等級相同的情況下,由于列車停站產(chǎn)生的停站時分和起停車附加時分,會對高速鐵路能力產(chǎn)生扣除。
高速鐵路設(shè)置天窗為保證行車安全以及保持良好地線路和設(shè)備狀態(tài),其維修作業(yè)時間要求較長,查閱鐵路局運(yùn)行圖文件得到,天窗一般設(shè)置在0:00-6:00,天窗時間一般為2-4h。設(shè)置矩形天窗除了對行車產(chǎn)生直接的能力損失之外,還會在天窗兩側(cè)產(chǎn)生四個特殊的三角區(qū),將全線能力分為“長線”能力和“短線”能力。對于特長線路,如京廣高速鐵路線,全線開設(shè)垂直雙向矩形天窗產(chǎn)生的三角區(qū)影響面積過大,極大影響該線路的通過能力,對此考慮在特長線路開設(shè)分段矩形天窗,減少三角區(qū)的影響面積,以提高線路的通過能力。
現(xiàn)在的高速鐵路通過能力計(jì)算方式僅適用高鐵客運(yùn)專列開行的模式,不能滿足客運(yùn)專列和快運(yùn)專列混合開行模式的計(jì)算,因此,基于開行快運(yùn)專列條件下的通過能力需要重新計(jì)算。
保證現(xiàn)有客運(yùn)專列的能力不受快運(yùn)列車開行的影響,是開行快運(yùn)專列的重要前提,考慮到未來快件業(yè)務(wù)量的發(fā)展,在客運(yùn)列車能力緊張的時間段內(nèi)不增加快運(yùn)專列,夜間開行快運(yùn)專列進(jìn)行大規(guī)模快件運(yùn)輸。同時要求開行的快運(yùn)專列采用與客運(yùn)專列的列車等級、運(yùn)行速度等均相同的開行方式。
將高速鐵路線路主要分為繁忙線路與非繁忙鐵路。繁忙線路如京滬高鐵、京廣高鐵,其現(xiàn)有客運(yùn)列車運(yùn)行時段的能力利用率高達(dá)80%以上,非繁忙鐵路如哈大高鐵、滬南高鐵,其現(xiàn)有能力利用率較低。繁忙線路的利用率已經(jīng)基本飽和,若在白天客運(yùn)高峰時間段內(nèi)開行快運(yùn)專列,必將對原有客運(yùn)列車的運(yùn)行產(chǎn)生很大影響,因此不考慮在此時間段內(nèi)開行快運(yùn)專列,只考慮在夜間或清晨適時開行快運(yùn)專列。非繁忙線路若長期內(nèi)沒有大的發(fā)展,白天開行客運(yùn)列車數(shù)少,即可以使用白天的時間開行快運(yùn)專列,此時,快件運(yùn)輸組織的過程中不用在站等待天窗,加快了快件的旅行時間,提高了快件運(yùn)輸?shù)臅r效性,更加方便貨物運(yùn)輸。若非繁忙線路經(jīng)發(fā)展到達(dá)飽和狀態(tài),與繁忙線路一樣在夜間或清晨適時開行快運(yùn)專列。
因此,將運(yùn)行時間分為白天開行時間段Tb和夜間天窗下開行時間段Ty,Tb+Ty=24h,對這兩個時間段采用不同的通過能力計(jì)算方法,結(jié)合得到適用于客貨混行開行模式的計(jì)算方式。
由于快運(yùn)列車在經(jīng)停站要進(jìn)行裝卸作業(yè),快運(yùn)專列在站停留時間多于高鐵客運(yùn)專列的在站停留時間,這些停留時間差會對區(qū)段通過能力產(chǎn)生一定的影響,因此以高鐵客運(yùn)專列為基準(zhǔn),高鐵快運(yùn)專列扣除高速客運(yùn)列車計(jì)算的通過能力[4]。
白天時間段內(nèi)不受天窗、三角區(qū)的影響,因此其平行運(yùn)行圖通過能力為L:
Tb—一天24h內(nèi)除去天窗影響時間的總時間。
若列車不停站,則其扣除系數(shù)為1,若列車途中辦理停站作業(yè),則每次停站都會產(chǎn)生一定的空費(fèi)時間,因額外占用運(yùn)行圖ε停,與摘掛列車產(chǎn)生額外扣除系數(shù)相似[5],如圖1所示。
圖1 部分列車在區(qū)段內(nèi)停站示意圖
ε停的算式如下:
n總—該周期內(nèi)通過的列車總數(shù);
n?!撝芷趦?nèi)停站的列車數(shù);
t起停—起停車附加時分;
t站—列車在站停留時間;
γ—停站比,途中停站列車數(shù)占總通過列車列數(shù)之比。
(1)單列列車停站扣除系數(shù)。不越行情況下,單列客運(yùn)專列平均停站比例為k的扣除系數(shù)為:。
t客—客運(yùn)列車在站停站時間。
不越行情況下,單列快運(yùn)專列平均停站比例為m的扣除系數(shù)為:
t貨—快運(yùn)專列在站停站時間。
(2)多列列車停站扣除系數(shù)。不越行的情況下的扣除系數(shù)為εb=θ客ε客+(1-θ客)ε貨。
θ客—客運(yùn)列車的所占比例;
因此,不越行的情況下,白天時間段的高速鐵路通過能力計(jì)算公式為:
高鐵快運(yùn)的需求不斷增長,日均需要的快運(yùn)專列數(shù)量也隨之增長,如果在白天客流高峰時段大規(guī)模開行快運(yùn)專列,對區(qū)段通過能力以及高鐵站內(nèi)客貨走行流線產(chǎn)生很大影響。由于旅客多集中于白天,夜間出行需求較少,可以利用夜間時間對快件進(jìn)行集中運(yùn)輸,開行夕發(fā)朝至的快運(yùn)列車,因此,有必要對高速鐵路的天窗進(jìn)行分析,計(jì)算出夜間天窗影響時間段的通過能力。
目前我國高速鐵路維修天窗采用的均是全段垂直矩形天窗,天窗時間一般為2-4h。夜間天窗影響時間內(nèi)的通過能力與開設(shè)天窗的時間長短有關(guān),開設(shè)的天窗時間越長,通過能力越小[6]。
圖2 天窗影響時間示意圖
天窗影響時間示意圖如圖2所示。在天窗影響時間范圍內(nèi),平圖的通過能力為:
式中:Ty—天窗影響總時間;
Ta—列車到達(dá)車站至開設(shè)天窗的安全間隔時間;
Tt—維修天窗開設(shè)時間;
Tq—天窗結(jié)束至確認(rèn)列車開行之間的安全間隔時間。
為了保證高鐵客運(yùn)專列的時效性,列車不能在站等待天窗至結(jié)束,夜間只能通過三角區(qū)開行部分列車,或者在長線路開設(shè)分段矩形天窗的情況下,開行夕發(fā)朝至高速旅客列車。因此在天窗影響時間段內(nèi)客運(yùn)列車開行的列數(shù)較少,該時間段內(nèi)的扣除系數(shù)參考既有線扣除系數(shù)的計(jì)算方法,以快運(yùn)列車為基準(zhǔn)車,計(jì)算快運(yùn)列車平圖通過能力,用客運(yùn)列車扣除快運(yùn)列車通過能力。
快運(yùn)列車的列車等級、運(yùn)行速度、起停車附加時間和列車發(fā)到時間與客運(yùn)列車均相同,但是快運(yùn)列車在站作業(yè)時間長,因此會產(chǎn)生客運(yùn)列車越行快運(yùn)列車的情況。
因快運(yùn)列車停站引起的扣除系數(shù)為:
γ?!U颈?,途中停站列車數(shù)占總通過列車數(shù)的比例。
則天窗影響時間段內(nèi)客運(yùn)列車的基本扣除系數(shù)為:
I到—旅客列車越行貨物列車時產(chǎn)生同方向的列車到達(dá)間隔時間;
I發(fā)—旅客列車越行貨物列車時產(chǎn)生同方向的列車出發(fā)間隔時間。
天窗影響時間范圍內(nèi)的通過能力為:
京滬高鐵線路始于北京南站,止于上海虹橋站,全線共設(shè)23個車站。京滬高速鐵路服務(wù)的OD數(shù)量、種類較多,距離從0-1 400km不等,涉及到的區(qū)域由北京、河北、山東、江蘇、蘇州、上海擴(kuò)展到沿線的河南、安徽、浙江、江蘇、湖北等省,連接了以濟(jì)南、徐州、南京等為中心的中國南北與東西的通道。線路上幾個主要的車站有北京南站、天津南站、濟(jì)南西站、徐州東站、蚌埠南站、南京南站和上海虹橋站。選取這7個站點(diǎn)進(jìn)行研究,各站點(diǎn)里程見表3。由于京滬高鐵現(xiàn)有客運(yùn)列車運(yùn)行時段的能力利用率高達(dá)80%以上,能力基本飽和,不適宜在白天時間段開行快運(yùn)專列,只考慮在夜間天窗影響時間段開行快運(yùn)專列并進(jìn)行該時間段的能力計(jì)算。
表3 京滬高速鐵路各站點(diǎn)里程
對京滬現(xiàn)有運(yùn)行列車進(jìn)行分析得到客運(yùn)列車追蹤列車間隔時間為4min,平均停站時間為2.5min,起停附加時分總和為5min,平均停站次數(shù)為5.8,停站比例為25%[7]。天窗開設(shè)時,列車必須在天窗前10min以上通過或到達(dá)車站,天窗結(jié)束后10min以上才列車可以通過車站或由車站發(fā)出,即安全間隔時間為10min。開行夜間快運(yùn)專列的運(yùn)行速度為300km/h,追蹤列車間隔為5min,快運(yùn)列車停站時間為10min,停站比例取25%。
將夜間天窗影響時間定為21:00-9:00,共計(jì)12h,即720min。從表1中可以看出21:00以后各區(qū)段的現(xiàn)有列車數(shù)較少,可以在此階段開行客運(yùn)專列的同時開行貨物專列,將天窗分為4h、3h、2h,計(jì)算不同種類天窗影響時間內(nèi)的通過能力。計(jì)算得到白天時間段通過能力為123列;夜間4h天窗影響時間內(nèi)平圖用過能力為63列;3h天窗影響時間內(nèi)平圖用過能力為72列;2h天窗影響時間內(nèi)平圖用過能力為80列。夜間天窗影響時間內(nèi)開行客運(yùn)列車列數(shù)和計(jì)算得到開行不同天窗時間段內(nèi)的各區(qū)間的通過能力見表4。
通過比較可以得出,在客運(yùn)列車既定的情況下,京滬高鐵4h天窗影響時間內(nèi)上行可開行的快運(yùn)貨物專列為18列,下行為33列;3h天窗影響時間內(nèi)上行可開行的快運(yùn)貨物專列為27列,下行為42列;2h天窗影響時間內(nèi)上行可開行的快運(yùn)貨物專列為35列,下行為50列。由此可見,開設(shè)天窗的時間對于通過能力的影響大,天窗開設(shè)時間越長,能力損失越大。
目前,京滬高鐵采用的是垂直矩形天窗,對于其他距離長的線路,如京廣高鐵,可以開設(shè)分段矩形的天窗方式。相對于垂直矩形天窗,分段矩形天窗更加靈活,可以根據(jù)不同的需求采用不同的天窗分段、錯位時間、傾斜斜率等,開行夕發(fā)朝至列車,減少在站等待天窗的等待時間成本,為快運(yùn)的時效性提供保障[8]。
表4 夜間不同天窗影響時間內(nèi)的通過能力(單位:列)
目前,我國快遞行業(yè)快速發(fā)展,高鐵開展快運(yùn)業(yè)務(wù)正處于拓展市場的關(guān)鍵時期。為提高高鐵運(yùn)能,要充分利用三角區(qū)、無效時間等天窗影響時間。本文在現(xiàn)有的通過能力計(jì)算方式基礎(chǔ)上,將運(yùn)行時間分為白天開行時間段和夜間天窗影響時間段,對兩個時間段使用不同的通過能力計(jì)算方式,計(jì)算時白天開行時間段以客運(yùn)列車為基準(zhǔn)車,夜間天窗影響時間段以快運(yùn)專列為基準(zhǔn)車,客運(yùn)列車對其進(jìn)行扣除,兩個時間段結(jié)合得到適用于基于快運(yùn)的高鐵通過能力計(jì)算方式。并以京滬高速鐵路作為我國高鐵的代表,求得其在不同天窗小時下,力求在原客運(yùn)專列的數(shù)量不減少的情況下,充分利用三角區(qū)以及無效時間等實(shí)現(xiàn)可開行快運(yùn)專列的列數(shù)最大化。
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