基于STP数据及改进UIC 406的编组站出发场能力计算方法研究

Calculation Method of Carrying Capacity of Departure Yard in Marshalling Station Based on STP Data and Improved UIC 406

摘要

UIC 406是一种在保证行车安全的基础上，压缩列车间隔时间以推算铁路车站、区间通过能力的计算方法，被广泛应用于计算中间站及区间的高峰期通过能力。由于编组站的通过能力受机车、车辆的运用及作业接续关系等诸多因素的影响，使得传统UIC 406方法无法直接应用于编组站高峰期通过能力的计算。针对以上问题，选取编组站出发场作为研究对象，基于STP系统采集的数据对各项作业过程进行分析，提出适用于编组站出发场通过能力计算的改进UIC 406方法，并以某编组站上行出发场历史作业数据为例进行计算。结果表明：经改进的UIC 406方法可行有效，可以克服传统能力查定方法数据收集难度较大的不足，从而实现对出发场通过能力的便捷化计算与评估。

Abstract

UIC 406 is a calculation method used to determine the carrying capacities of railway stations and sections by compressing the time interval between trains while ensuring traffic safety. This method has been widely utilized to calculate the peak-hour carrying capacities of intermediate stations and sections. The traditional UIC 406 method cannot be directly employed to calculate the peak-hour carrying capacity of the marshalling station because its carrying capacity is affected by various factors including the use of locomotives and vehicles, as well as operational connections. Given the above problems, the departure yard of marshalling station was selected as the research object, and operational processes were analyzed based on data collected by the shunting train protection (STP) system. Subsequently, the paper proposed an improved UIC 406 method suitable for calculating the carrying capacity of the departure yard in marshalling station. With the improved method, it calculated historical operational data from the up-direction departure yard of a marshalling station as an example. The results indicate that the improved UIC 406 method is feasible and effective. The improved method can also overcome the deficiency that it is relatively difficult to collect data in traditional assessment methods. This improved method enables the convenient calculation and evaluation of the departure yard's carrying capacity.

Graphical abstract

关键词

UIC 406 / STP系统 / 编组站 / 通过能力 / 查定技术

Key words

UIC 406 / STP System / Marshalling Station / Carrying Capacity / Examination-determination Technology

0　引言

编组站作为我国铁路货物运输网络的重要节点，承担了大量的列车作业任务，货物列车在编组站的中转停留时间占车辆周转时间的1/3以上，是影响货物运输时效的关键过程^[1]。作为编组站技术作业流程的收口环节，发车作业的工作质量关系着整个系统的作业效率，是保障列车正点发车的重要过程。因此，科学评估编组站出发场的高峰期通过能力，对挖掘车站作业潜力有着重要的意义。

传统的编组站出发场能力查定一般采用全面查标的方式，通过对出发场连续3个昼夜的作业情况进行写实，统计各项作业耗时与标准时间之差，以此推算得出最大发车能力，该方法效率低下且费时费力，查标成本较高，具有一定的局限性^[2]。由于全面查标法的缺陷，学者们在车站及区间通过能力的计算中引入了很多新方法，其中UIC 406是近年来较为主流的能力计算方法。第一版UIC 406由国际铁路联盟(UIC)于2004年颁布^[3]，其核心思想是在既有列车运行图的基础上，在不改变列车前后次序及停站方案、保持必要行车安全间隔的前提下，按照一定规则对运行线间的富余时间进行压缩，从而提高线路区间的通过能力，但第一版的UIC 406方法并不适用于车站通过能力的计算^[4-5]；在第一版UIC 406的基础上，2013年UIC对其进行修改完善，推出第二版UIC 406^[6]。新版UIC 406对运行图压缩方法进行了更为详实的说明，并提出了一种新的分解过程和规则，使该方法可以适用于车站通过能力的计算。

近年来，国外研究者对于应用UIC 406的能力计算方法展开了广泛的研究。Mussone等^[7]以系统能力最大化为目标，综合考虑列车的通过顺序和延误状况，提出铁路区间通过能力的计算方法并得到每列车的时间占用率；Jovanović等^[8]基于UIC 406和加权图着色模型设计了中间站通过能力优化模型，通过求解实现车站作业效率的提高；Weik等^[9]以瑞典南干线走廊为研究对象，通过分析区间与车站间的作业关联性，提出整体能力优化的改进方法。

国内学者对UIC 406方法的研究大多应用于铁路区间和中间站的能力计算。刘敏等^[10]对UIC 406方法进行改进，提出对列车进路的压缩优化模型和加密方法，用以求解车站作业计划和列车进路排列方案条件下的通过能力利用率；张伦等^[11]应用UIC 406方法对京津城际铁路的通过能力进行计算，分析加开列车的可行性并提出优化运输组织的相关建议；王翰林^[12]以高速铁路车站为主要研究对象，构建列车进路优化模型并设计了基于UIC 406方法的列车进路堆叠算法，结合应用AnyLogic软件对郑州东站徐兰场进行通过能力计算与仿真，实现了通过能力的提高，验证了算法的有效性；除了应用经典UIC 406方法求解车站与区间的通过能力外，也有学者结合应用数学优化方法，实现了车站及区间通过能力的求解^[13-14]；郭根材等^[15]通过对车站作业妨碍类型的识别，提出考虑作业妨碍时间的车站通过能力利用率计算方法，并从列车交路和车站作业组织角度提出优化建议；单奕嘉等^[16]针对我国高速铁路设备特点，构建了周期化作业组织模式下的多目标优化模型，实现车站行车组织的综合优化。UIC 406方法文献综述如表1所示。

综上所述，学者们对UIC 406方法的既有研究大多集中于铁路区间和中间站的通过能力计算，目前尚未实现该方法在编组站能力计算领域的应用。此外，既有研究的数据来源于列车运行图，难以反映实际作业的变化情况。基于现有研究的不足，以编组站出发场为研究对象，考虑调车、列检等作业内容，并结合对调车机车工作方式及本务机车作业接续情况的分析，实现了将UIC 406方法应用于编组站出发场通过能力计算的理论创新；此外，以无线调车机车信号和监控系统(STP)所获取的机车作业信息为基础数据，对编组站出发场实际作业情况进行还原，从而实现对编组站出发场高峰期能力的计算。

1　基于STP系统的编组站出发场作业分析

1.1　编组站出发场作业特点

货车在编组站的技术作业主要有5个作业流程，编组站技术作业流程如表2所示。

编组站的到达、解体、集结、编组和出发各子系统紧密衔接，共同实现车流的高效周转，选取出发系统作为研究对象，对编组站出发场的作业过程进行分析。出发场的作业组织涉及调车机车与本务机车的接续关系，调车机车将编组场内的编成车列送至出发场对应到发线，调车机车在完成摘解作业并从到发线离开后，本务机车才可以进行连挂作业，上述作业的接续效率将影响发车作业的质量；此外，列车在完成连挂作业到正式开车前，需要列检组对全列车进行始发前的技术检查，该作业过程耗时较长，是影响列车出发时间的重要因素。

根据前文对编组站出发场的作业分析可知：调车机车与本务机车的作业接续以及列检作业的效率是影响发车作业质量的重要环节，在应用UIC 406方法进行列车进路压缩时，应优先对上述2个作业环节进行优化组织。同时，为更好地分析编组站出发场实际作业情况，挖掘其高峰期作业潜力，基于STP系统采集数据对车站作业进路进行分析，充分发挥信息化技术优势，降低人工采集作业信息带来的高昂成本。下面将基于STP系统数据对编组站出发场的作业内容进行分析。

1.2　基于STP系统数据的编组站出发场作业分析

在对编组站出发场的作业分析中，基于STP系统提供的轨道联锁及道岔占用数据确定调车机车和本务机车的调车进路及出发列车的发车进路。在得到上述信息后，需进一步推算各项作业占用股道及咽喉区的时间。根据车站能力计算的既有研究，列车从进入咽喉区至进路完全出清的过程均属于咽喉区占用时间，首先应统计全部占用出发场咽喉区的列车进路，接下来推算本务机车的出库作业进路，再进一步推算发车进路，得到出发场的完整作业信息；而根据编组站工作方式可知，编成车列需由调车机车从编组场送至出发场到发线并在此进行本务机车的连挂作业，在得到列车进路及咽喉区道岔占用时间后，需进一步推算各出发方向列车占用到发线的总时间。

根据前文对编组站出发场的作业分析可知：编成车列需由调车机车从编组场送至出发场后才能由本务机车挂运，列车在发车前将一直占用到发线，联锁数据也始终显示占用状态。因此，在发车作业的进路分析时应以列车出站时间为准，反推各项作业过程及时间。

在完成数据提取方法分析后，综合考虑发车作业各流程间的接续关系，提出适用于编组站出发场能力计算的改进UIC 406方法，在保障行车安全的基础上实现对编组站出发场高峰期发车能力的准确评估。

2　基于UIC 406的编组站出发场能力计算方法

2.1　传统UIC 406方法原理

某中间站示意图如图1所示，以此为例，按识别进路冲突类型、判断和压缩关键区域的顺序介绍传统UIC 406方法的压缩原理。UIC 406方法是在不改变列车次序并确保安全行车间隔的前提下，对各列车间的限制区间进行识别和压缩的高峰期通过能力计算方法。既有研究常使用以下方法对列车间的冲突类型进行识别：首先判断不同列车进路间是否存在冲突，对已有冲突进行识别并根据冲突类型生成冲突矩阵，之后根据《车站行车工作细则》及车站自动化水平给出不同冲突种类间的等待时间，或统一设为某保守值，在保证列车运行安全的前提下，最大限度“压缩”各列车间的间隔时间。

2.1.1　进路冲突类型识别

列车的进路冲突可被区分为分叉冲突、正向冲突、连续冲突、交叉冲突、汇集冲突和相同进路6种类型，各冲突类型示意图如图2所示。

对图1示例车站各方向接发列车进路的冲突情况进行识别，统计不同进路间的冲突信息，得到列车进路冲突矩阵如表3所示。

在将车站冲突类型分别识别后，可对各类进路间最小时间间隔进行设置以避免进路冲突。可见，UIC 406方法通过划分不同进路间冲突类型，建立冲突矩阵的方法更具普适性，其可更准确地识别进路间冲突类型，并根据实际要求确定最短时间间隔。

2.1.2　关键区域判断与进路压缩方法

在得到各列车进路间的最小时间间隔后，需进一步识别“关键区域”以确定列车间的最小时间间隔，并根据进路间的冲突类型调整时间间隔以确保行车安全。因此，对于UIC 406方法在车站的应用而言，应识别不同列车经过的道岔及股道，若两列车占用相同道岔或股道，则说明两列车间可能存在冲突，需要识别关键道岔或股道以得到两列车间的最小时间间隔^[12]。后文将UIC 406方法应用于车站时的关键道岔或股道统称为关键区域。

传统UIC 406方法应用在中间站通过能力计算的求解步骤如下。

步骤1：冲突识别。首先将所有列车进行排序，之后对车站各方向列车进路间的冲突情况进行识别并整理成进路冲突矩阵。

步骤2：生成关键区域。判断每两列车间的关键区域，作为后续进路压缩的约束条件。

步骤3：进路压缩。在符合关键区域时间间隔约束的前提下，对列车进路进行压缩，尽可能减少通过相同数量列车所需要的时间，并使用直接计算法计算“压缩”时间后的车站整体通过能力。

步骤4：更新进路。对完成压缩的列车进路执行更新操作。

2.2　基于编组站出发场作业特点的改进UIC 406方法

前文中的传统UIC 406方法可以实现对区间及中间站列车进路间的压缩，减少通过相同数量列车所需时间，提高运输效率。然而，在作业组织更加复杂的编组站中，列车的编组出发作业过程受调车作业及本务机车接续等诸多因素的影响，因此传统的UIC 406方法无法实现对编组站通过能力的有效计算。为科学评估编组站出发场的高峰期通过能力，本节提出基于编组站出发场作业特点的改进UIC 406方法，本方法在传统UIC 406方法的基础上，进一步考虑编组站各项技术作业间的接续关系以及调车机车运用情况，并改进了关键区间的识别与压缩方法。基于上述理论，改进UIC 406方法可以推算得出编组站出发场的高峰期通过能力，为车站合理组织运输生产提供依据。首先做出以下假设：①所有列车都需要进行列检作业；②列检作业有最短工作时间要求；③列车在完成列检作业后即可发车；④编成车列在规定时间会被送至出发场。

根据以上假设，提出适用于编组站出发场的改进UIC 406方法，集合、参数和变量的符号及定义如表4所示。

在完成参数设置后，提出基于编组站发车作业特点的改进UIC 406方法如下。

步骤1：读取STP系统数据。读取作业任务集合G、调车机车集合Q以及轨道电路集合I。

步骤2：生成基本进路集合并完成进路初始化。根据作业任务集合G，得到基本进路集合K，并分别计算各进路k对轨道电路i的占用时间t_{ki}^{}；将第一列车离开到发线时间设为当日00：00：00，此时所有调车机车都在编组场；设C_i,L_i=\mathrm{\varnothing }，初始化l_q=00：00：00。

步骤3：判断进路冲突及接续关系。根据车站布置形式对基本进路集合K中的进路进行分析，确定每两条进路间的冲突类型，得到进路冲突矩阵，并根据作业流程判断进路间的接续关系。

步骤4：按照集合列表顺序依次读取作业任务g。

（1）判断当前进路是否存在前序作业。如果存在前序作业，则该作业为本务机车出段作业或列车出发作业，读取前序作业结束时间t_A及当前进路中轨道电路的最早可用时间t_{Bi}^{}；如果不存在前序作业，则该作业为调车机车作业，读取当前进路中轨道电路的最早可用时间t_{Bi}^{}及调车机车的最早可用时间l_q。

（2）确定当前进路最早开始时间。如果当前进路存在前序作业，对任意i\in I_k，判断当前进路k_g与k_i的冲突类型u，计算t_{Bi}^{}=l_i+l_u，接下来记t_{Bi}=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left\{t_{Bi}^{}\left|i\in I_k\right.\right\}，当前进路的最早开始时间为t_{ki}^l=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left\{t_A,t_{Bi}\right\}+t_{\mathrm{0}}。如不存在前序作业，则当前进路的最早开始时间为t_{ki}^l=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left\{t_{Bi},l_q\right\}。

（3）更新轨道电路占用及机车可用时间。计算当前进路对各轨道电路的结束占用时间t_{ki}^u=t_{ki}^l+t_{ki}，更新k_i=k_g，l_i=t_{ki}^u，如果不存在前序作业，还需更新l_q=l_q+t_{\mathrm{1}}。

步骤5：判断是否遍历所有作业集合G。如果完成遍历则算法结束，否则继续按照集合列表顺序依次选取进路。

改进UIC 406方法流程图如图3所示。

以图1所示的中间站为例，对改进UIC 406方法进行分析。按作业顺序分别绘制I-C方向发车作业、A-4和A-3方向接车作业的列车进路压缩示意图如图4所示。其中I-C方向发车作业与A-4方向接车作业分别依次占用(1，2，3)和(6，5，4)轨道电路区段，两条进路间不存在冲突；根据前文中的进路冲突类型识别方法，判断A-3接车作业与I-C发车作业进路间的冲突类型为交叉冲突，A-3与A-4接车进路间的冲突类型为分叉冲突。

A-3接车作业依次占用(1，2，5，6)轨道电路区段，根据各轨道电路区段占用情况及冲突附加时间，分别计算(1，2)及(5，6)轨道电路区段的最早可用时间。其中(1，2)轨道电路区段的最早可用时间为A-4接车进路结束占用(2)轨道电路区段时间加分叉冲突时间，而(5，6)轨道电路区段的最早可用时间为I-C发车进路结束占用(5)轨道电路区段时间加交叉冲突时间，最终确定A-3接车进路的最早锁闭时间为I-C发车进路结束占用(5)轨道电路区段时间加交叉冲突附加时间。

3　案例分析

3.1　基础数据

以某大型编组站的上行系统出发场(以下简称“上发场”)作为研究对象，该车站的站型为双向纵列式三级八场布置形式，全站共配属12台调车机车，负责32个方向货物列车的终到解体、自编始发以及部分改编列车和无改编列车的中转等技术作业，是华北地区最大的路网性编组站，车站最高单日办理能力超30 000辆。

上发场衔接着上行系统编组场及各出发区段，其主要作业任务是正确及时地完成列车出发前的技术准备工作，在保障列车正点发车的基础上及时腾空到发线，为编组场的正常作业创造条件。上发场咽喉区域存在大量列车与机车间的进路交叉，运输组织复杂，难以通过公式计算法实现对该区域的能力评估。

选取上发场2019年某日作业数据，根据车站联锁信息可知：当日0：00—24：00上发场共计发车120列，分别统计每列车的详细进路及对应时间，在得到全部列车进路信息后，将列车从编组完毕至发车的最小时间17 min作为列检作业所需时间，为保障行车安全，将6种列车进路冲突类型的时间间隔设置为300 s。在上发场的初始作业方案中每列车平均占用咽喉区时间为436 s，出发列车最晚占用咽喉区的时间为23：57：30。

3.2　案例求解

应用C#语言编写改进UIC 406方法的计算程序，运行环境为一台Intel(R) Core(TM) i5-7200 U@2.50 GHz，16GB RAM的个人计算机，程序的运行时间约为300 s，可以得到求解结果。

对比压缩前后的作业方案可知：应用改进UIC 406方法对列车进路完成压缩后，每列车平均占用咽喉区时间从436 s减少到343 s，出发列车最晚占用咽喉区的时间从23：57：30提前到18：08：26，经计算上发场一昼夜的最大发车能力为158列，与全面查标法的计算结果基本相符，较为准确地实现了对上发场高峰期能力的计算。

4　结束语

研究总结了UIC 406方法的既有研究，对该方法的特点及适用场景进行分析，并基于编组站作业性质，综合考虑作业接续关系及列检作业要求等因素，提出了基于STP数据及改进UIC 406方法的编组站出发场通过能力计算方法，之后以上发场作为研究对象，通过对各项作业过程的限制区间进行识别和压缩，较为准确地实现了对上发场高峰期能力的计算。所提出的计算方法有效解决了传统全面查标法数据收集难度较大的不足，实现了对出发场通过能力的便捷化计算与评估，应用该方法所得计算结果可以为车站合理进行高峰期作业组织，缩短货车在站停留时间提供参考，具有一定的现实意义。

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基金资助

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