客货共线铁路分级标准评价与研究

Evaluation and Research on Classification Standard of Mixed Passenger and Freight Railway

摘要

通过对选取的45条客货共线铁路共69个区段2015—2017年3个年度客货行车量统计样本资料分析，找出我国客货共线铁路运营现状特点及存在的不足。结合目前客货共线铁路分级标准及样本数据，采用多项指标划分法，从客货运量、旅客列车设计速度和线路意义及路网作用等方面对客货共线铁路分级标准进行评价与研究。最终考虑原规范中III级、IV级铁路技术标准差异不大，建议将III级、IV级铁路合并为一级，客货共线铁路分级由四级调整为三级，并建立了综合运量、速度、路网意义等评价因素的客货共线铁路分级定量评价模型。可避免常规分级评价中定性评价方法导致主观因素干扰明显，以及因某一评价因素过分突出而引起评价误差等问题，对客货共线铁路分级有一定参考价值。

Abstract

This paper selected 45 passenger and freight railway, a total of 69 sections. Based on the statistical analysis of passenger and freight traffic in 2015—2017, the paper found out the current situation and disadvantages of mixed passenger and freight railway in China. Combined with the current mixed passenger and freight railway classification standards and sample data, the multi-index partition method was adopted to evaluate and research the classification standards of mixed passenger and freight railway from the aspects of passenger and freight volume, the design speed of passenger trains, the significance of railway lines, and the function of railway network. Finally, as the difference between levels III and IV railway technical standards is not great in the original specifications, it is suggested that class III and IV railways should be merged into one class, and the mixed passenger and freight railway classification should be adjusted from four levels to three levels. Besides, the quantitative evaluation model of mixed passenger and freight railway was built, which integrated the evaluation factors such as traffic volume, speed, and the significance of the railway network. In this way, problems like the subjective interference caused by qualitative evaluation methods and evaluation error caused by overly prominent evaluation factors can be solved, and certain reference values for mixed passenger and freight railway classification can be provided.

Graphical abstract

关键词

客货共线铁路 / 铁路分级 / 统计分析 / 主要技术标准 / 评价模型

Key words

Mixed Passenger and Freight Railway / Railway Classification / Statistical Analysis / Main Technical Standards / Evaluation Model

0　引言

不同等级铁路有着不同的重要性和运输任务，不同等级相对应的设计标准和配套设施也各不相同。铁路等级的划分因国家的经济发展水平、年客货运量的大小、铁路运输状况等条件的不同而有所差异^[1]。划分铁路等级，具有重大意义。

长期以来我国大部分铁路一直采用客货混跑的运输模式^[2]，客货共线铁路积累了丰富的建设运营实践经验，促进了铁路客货运量和运输服务水平的大力提升。同时对于铁路等级划分标准适应国民经济发展要求、满足不同区域铁路运输功能需要提出了更高的要求。现行客货共线铁路分级标准，主要考虑铁路在铁路网中的作用、客货运量等因素来制定，其四等级分级基本涵盖了目前我国客货共线运行铁路，但依然无法全面反映我国现阶段铁路发展的特点并且难以适应未来的发展趋势。目前存在的主要问题如下：①对于客货共线各级铁路的具体规定中并没有关于设计速度的具体规定和量化指标；②Ⅰ，Ⅱ级分级标准范围太广，Ⅲ，Ⅳ级范围太窄，目前铁路等级划分规定不能涵盖所有路网铁路，有必要拓展其使用范围并完善相关规定；③旅客列车对数折算货运量系数有待进一步优化。基于以上问题，通过对选取的45条客货共线铁路共69个区段2015—2017年3个年度客货行车量统计样本资料的分析，找出我国客货共线铁路运营现状特点及存在的不足。根据目前客货共线铁路分级标准，对分级评价指标进行研究、界定，并结合选取的样本数据，以及评价模型，分别研究了客货运量、旅客列车设计速度、线路意义及路网作用、标准及投资等因素对客货共线铁路分级的影响。最后在提出分级结论与建议的基础上，进一步建立客货共线铁路分级定量评价模型。

1　客货共线铁路分级评价指标界定

客货共线铁路等级是客货共线铁路的关键技术标准，铁路等级的划分影响其他技术标准和配套设施的选定。为了更加经济、科学地建设铁路，合理划分客货共线铁路等级是重要的前提与依据。根据目前的国情、国家铁路路网特点和等级划分情况，本研究采用多项指标划分法提出以下评价指标。

1.1　客货运量

铁路建设目的是满足既有客货运输需求，同时引导新的运输需求产生。区域客货运输需求在影响铁路等级界定的多种因素中最重要^[3]。列车和线路设备相互作用关系以及技术设备寿命受线路年客货运量影响较大。铁路运能设计的主要依据就是年客货运量，其对设计铁路的经济效益有较大影响。因此，在技术设备寿命相当前提下，当客货运输需求较大时，应采用相应的高标准技术设备。使铁路线在满足沿线运输需求的基础上留有一定的发展空间，同时节约建设成本，是铁路客货运量科学分类的意义所在，并且我国不同类型铁路在交通量增长的时间和速度方面有较大差异。因此，客货运量应作为划分铁路等级的重要因素。

1.2　设计年度

随着经济发展，铁路客货运量势必会随之变化，因而铁路设计能力必须与之相适应，满足未来发展要求。《铁路线路设计规范》(TB 10098—2017)规定^[4]，铁路线路设计年度近期为交付运营后第10年，远期为交付运营后第20年。铁路为大型基础设施项目，一次性投资高，改建扩能难度较大。因此，建议将远期运量作为客货共线铁路分级的因素之一。

1.3　线路意义及路网作用

运量是反映沿线运输需求和经济发展水平的指标，铁路客货运量不确定因素多，很难精准预测，因而单一预测运量指标无法完全契合实际运输需求。交通基础设施是影响经济社会发展的重要因素之一^[5]，在一些西部地区，虽然经济欠发达，客货运量相对较小，但考虑其政治意义、国防军事重要性、完善路网的作用、经济社会发展需求等，也可修建高等级铁路。

将线路意义作为铁路等级划分的一项重要因素，可从区域社会经济发展战略、沿线国土开发和社会经济发展、综合运输网络建设、运输能力和质量提高以及连接经济区和主要城市、保卫国家安全、繁荣区域文化的影响等方面描述线路在国民经济和铁路网中的意义和作用。

1.4　旅客列车设计行车速度

旅客列车设计行车速度涉及运输能力等一系列运营指标，以及项目投资、车辆购置成本、客运和货物运输损失等一系列经济指标。行车速度受机车功率、机车车辆结构、线路设计标准等一系列因素制约，且和系列指标相互影响。最高行车速度是确定线路设计、运输情况的主要技术参数，同样也是确定铁路类型的关键依据。为提升客货共线铁路速度匹配的协调性，柴冠华等^[6]全面梳理了国内外客货共线铁路建设运营情况及现行标准，分析了存在的问题。对于客货共线铁路，提升货运通过能力、并提高旅客列车行车速度，是提高铁路运输质量的有效措施。因此，旅客列车设计行车速度应成为铁路等级划分的核心指标之一。

1.5　轴重

我国一般客货共线铁路以21~23 t为主要轴重，随着近些年来的发展，货车载重也全面升级。到现在有超过9万辆保有量的25 t轴重的大型低动力货车，同时更大轴重的货车也在试验研究中。但由于我国客货列车共线运行铁路用车是全国性的，故不视轴重为划分铁路等级的控制因素^[7]。

2　客货共线铁路分级评价研究

本研究选取我国45条客货共线铁路，共69个区段在2015—2017年时间跨度中的客货行车量统计资料。样本铁路运营里程合计15 672 km，分别占2017年全国铁路运营总里程、客货共线铁路里程的12.3%，15.4%；按铁路等级分，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级样本铁路里程分别占94.5%，3.4%，2.2%；按正线数目分，单线、双线样本铁路里程分别占38.3%，61.7%；按所在区域分，东、中、西部样本铁路里程分别占17.5%，51.7%，30.8%。本研究通过数据分析，研究了客货运量、旅客列车设计速度、线路意义及路网作用因素对客货共线铁路分级的影响。

2.1　根据客货运量划分

2.1.1　旅客列车折算货运量系数

《铁路线路设计规范》(GBJ 90—85)首次引入旅客列车折算货运量系数的概念，并确定每对旅客列车按70万t货运量折算^[8]；《铁路线路设计规范》(GB 50090—99)中将旅客列车折算货运量系数修改为1对/d旅客列车按100万t年货运量折算^[9]，并沿用至今。

旅客列车折算货运量系数主要与货物列车牵引质量、旅客列车扣除系数等有关。客货共线铁路旅客列车扣除系数主要取决于正线数目、闭塞方式和各类列车数量及速差等因素，目前我国普速客货共线铁路设计阶段旅客列车的扣除系数多年未发生根本性的改变。但是，1995年我国铁路货物列车平均牵引质量为2 600 t，与1984年相比，增加了600 t，相当于每5年增加200 t；2011年我国铁路货物列车平均牵引质量为3 508 t，货物列车平均牵引质量年均增长率约为3%。到2016年，研究样本线路的平均牵引质量为4 573 t，年均增长率近5%。

历次《铁路线路设计规范》中关于铁路等级与铁路正线数目有关规定表明，双线铁路要求的运量水平较Ⅰ级铁路大，即运量水平达到双线铁路标准，那么其铁路等级应该为Ⅰ级铁路。如《铁路线路设计规范》(TB 10098—2017)^[4]规定Ⅰ级铁路的运量水平为“近期年客货运量大于或等于2 000万t”，而双线铁路的运量水平为“平原、丘陵地区和山区近期年客货运量分别大于或等于3 500万t和3 000万t”。故本次研究采用单线铁路旅客列车的扣除系数。

根据上述旅客列车折算货运量的基本原理，参考年度平均牵引质量及单线半自动闭塞铁路的扣除系数，计算1985年、2000年的折算系数，并与《铁路线路设计规范》85版和99版规定数据进行对比，旅客列车折算货运量测算及对比如表1所示。

由表1可以看出，测算值与规定值是吻合的。本研究若以2017年样本线路货物列车的平均牵引质量4 500 t进行测算，1对/d旅客列车折算年货运量的系数在130万~154万t间，平均值为142万t；若以2017年样本单线铁路货物列车的平均牵引质量3 700 t进行测算，1对/d旅客列车折算年货运量的系数在107万~126万t间，平均值为117万t (可取值120万t)。故本研究中年客货运量按照1对/d旅客列车折算年货运量120万t考虑。各年度折算系数计算结果如表2所示。

2.1.2　运量上限

铁路线单、双线的选择，需考虑近、远期运量水平及年度运量增幅。当近期运量很大，或者远期运量很大且年度运量增幅较大的情况下，经经济技术比选，可考虑按一次建设双线设计。

可根据单线铁路的最大通过能力确定修建双线或预留双线的临界客货运量。我国《铁路主要技术政策》(铁科技〔2004〕78号)^[10]规定单线区段平行运行图周期最小按30 min设计。铁路线在不同地区因地形、地貌差异，采用的最大坡度、牵引质量不同，最大输送能力差别较大，最大通过能力为35对/d。

根据《铁路线路设计规范》(GB 50090—2006)规定，在平原地区当运量超过3 500万t/a时，应直接修建双线铁路^[11]。因此在本研究中确定运量的上限为3 500万t。

2.1.3　运量下限

窄轨铁路(轨距762 mm)与准轨铁路适用的运量规模不同。根据相关研究，运量在200万t/a以下时，修建窄轨铁路经济性相对较好。因此，本研究取200万t运量作为修建准轨铁路的运量下限。

2.1.4　分级临界运量计算研究

在划分运量等级时，级数过多或过少均会造成投资的浪费，因而合适的分级数目至关重要。为得出最经济合理的运量等级划分方案，必须清楚铁路网中运量的分布情况。根据本研究样本资料，统计了不同运量铁路累计长度，以此为依据计算各种运量的长度累计百分率，分析如下。

（1）累计长度曲线拟合。累计长度系数即年客货运量小于某一定值的客货共线铁路长度占总长度的比例系数。在本研究中，统计了成都、武汉、上海、郑州、西安铁路局集团公司45条客货共线铁路共69个区段2015—2017年3个年度的货流密度(包括客运)及各线长度，绘制出了部分线路年客货运量与累计长度关系如图1所示。

由图1可知，研究样本中年客货运量与累计长度系数满足二次关系，公式如下。

y=a\times {\mathrm{10}}^n{x}^{\mathrm{2}}+bx+c⑴

式中：x为年客货运量，万t；y为累计长度系数。

2015—2017年样本线路年客货运量与累计长度的拟合参数如表3所示。

（2）能力储备系数法。本研究采用“能力储备系数法”计算划分的临界运量，根据既有铁路区段年客货运量与运营长度累计百分比相关曲线进行等级划分^[12]，能力储备系数法如图2所示，阴影部分面积之和即是各级铁路的总“储备能力”，由此可见“阴影”总面积最小时的分界值即为划分等级的合理界值。

本研究采用逐步逼近法求取界值。假定划分为3个运量等级，则能使图中的“阴影”部分为最小的x₁，x₂值，即为合理划分等级的界值。同样，划分为4个运量等级，则根据同样原理可求得3个临界值。本研究利用逐步逼近法编制程序进行计算，运量上限取3 500万t，运量下限取200万t，计算步幅取100万t，分别计算了在2015年、2016年、2017年中，分级取3级和4级前提下的分级临界运量计算结果如表4所示。

由表4可知，依据2015年、2016年、2017年样本数据计算出的分级临界运量基本相同。在客货共线铁路分3级的前提下，临界运量分别为1 100万t、2 300万t，较《铁路线路设计规范》(TB 10098—2017)中I级、II级临界值1 000万t、2 000万t略有增长，但总体水平基本相当。在客货共线铁路分4级的前提下，临界运量分别为800万t、1 700万t、2 600万t，较《铁路线路设计规范》取值500万t、1 000万t、2 000万t增长较多。差异产生的原因主要如下。

①本研究中年客货运量计算按照1对/d旅客列车折算年货运量120万t考虑，而《铁路线路设计规范》(TB 10098—2017)中换算系数为100万t。

②货物列车牵引质量在逐年上升。2017年样本线路平均牵引质量已超4 500 t，较1984年平均牵引质量2 000 t提高了2 516 t，年均增长2.3%；较1995年平均牵引质量2 600 t提高了1 916 t，年均增长3.3%；较2011年平均牵引质量3 508 t提高了1 008 t，年均增长4.8%。

2.2　根据旅客列车设计速度划分

2.2.1　旅客列车设计行车速度的选择原则

旅客列车设计行车速度应综合比选各项技术经济因素后合理确定。当设计线的运输需求或地形条件较为统一，全线应尽量采用同一设计行车速度。若按最高设计行车速度确定线路设计标准工程方面允许时，应采用最高设计行车速度；若设计线较长，全线运输需求不均衡，全线均按最高行车速度设计会引起投资增加较多，则可分路段选择设计行车速度。

2.2.2　速度上限

国外铁路及我国铁路第六次大提速运营实践表明，200~250 km/h动车组列车与普速旅客列车、货物列车同时段混合运行在技术上是可行的。近十几年以来，我国改建、新建成了一批200~250 km/h客货共线铁路，200 km/h及以上客货共线铁路存在客观需求。建设运营200 km/h客货共线铁路也是解决我国社会经济发展不平衡矛盾的需要。

列车设计行车速度直接影响最小曲线半径等主要技术标准和基础设施部分技术指标的确定，并且也是铁路技术管理、养护维修等标准的选用依据^[13]，现行分级标准未给出货物列车最高设计行车速度。客货共线运行的铁路应同时考虑旅客列车、货物列车设计行车速度。虽然250 km/h客货共线铁路在技术上也是可行的，但速度越高表示客运需求越大，同时客货列车速差更大，导致对线路能力影响越大，在满足客运需求的前提下，可承担货运的能力有限。目前关于其速度匹配研究主要是基于直接计算法、扣除系数法和仿真软件研究等方法^[14]，客货共线铁路客货列车速度匹配问题研究显得尤为必要。同时，我国第六次大提速250 km/h客货共线区段较少，待积累运营经验再深入研究。故本研究客货共线铁路的最高设计速度推荐200 km/h。

2.2.3　速度下限

目前有规范参照的设计速度目标值最低的铁路为40 km/h的Ⅳ级铁路，相关设计规范参照《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》(GB 50012—2012)^[15]，故本次研究将速度下限取为40 km/h。

2.2.4　分级临界速度计算研究

为统计全路客货共线铁路各速度级线路长度分布情况，自《2017年全国铁路通过能力白皮书》中遴选各铁路局集团公司管段范围内共计500个线路及区段作为研究对象，绘制出了速度与累计长度关系如图3所示。

由图3可知，研究样本中速度与累计长度系数满足二次关系，公式如下。

y=-\mathrm{3}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}{x}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0}.{\mathrm{016}}_{}\mathrm{4}x-\mathrm{0.922}⑵

式中：x为速度，km/h；y为长度累计百分比。

利用逐步逼近法分别计算了客货共线铁路分3级、4级条件下的速度临界值，分级临界速度计算结果如表5所示。

（1）客货共线铁路分3级。当客货共线铁路分3级时，旅客列车设计行车速度：I级铁路以160 km/h作为下限，以200 km/h作为上限；II级铁路以100 km/h作为下限，以160 km/h作为上限；III级铁路以40 km/h作为下限，以100 km/h作为上限。

（2）客货共线铁路分4级。当客货共线铁路分4级时，旅客列车设计行车速度：I级铁路以160 km/h作为下限，以200 km/h作为上限；II级铁路以120 km/h作为下限，以160 km/h作为上限；III级铁路以100 km/h作为下限，以120 km/h作为上限；IV级铁路以40 km/h作为下限，以100 km/h作为上限。

本研究结论与相关规范建议的分级速度对照如表6所示。

2.3　根据线路意义及路网作用划分

铁路线在国家宏观发展战略、国防布局、区域串联中的重要性即是线路意义；路网作用则体现铁路线在区域路网中的功能定位及必要性。运量水平是决定铁路主要技术设备参数的重要指标，但无法体现出国家宏观发展战略等意义。同样的，旅客列车设计速度可部分、但难以全面反映铁路线在区域路网中的功能定位。因此，从宏观角度来看，在铁路等级划分中，需在线路意义和路网作用这一大框架内，重点考虑运量水平与旅客列车设计速度等技术指标，进行综合分析。但是，国家宏观发展战略、国防布局、区域串联及路网作用等作为基础，无法量化比较。因此，企图划定衡量“意义”大小的严格界限非常困难。本研究沿用《铁路线路设计规范》(TB 10098—2017)中线路意义及路网作用对客货共线铁路等级划分影响。

2.4　客货共线铁路分级建议

前述分级研究结果汇总如表7所示。

客货共线铁路分级研究主要是为了合理确定项目标准，为工程规模决策提供依据，在合理定级的前提下，确定合理的工程投资。《铁路线路规范》(TB 10098—2017)中III级、IV级铁路技术标准差异不大，工程规模、项目投资等相近。故从工程投资的角度考虑，建议《铁路线路规范》(TB 10098—2017)中III级、IV级铁路合并为一级。建议客货共线铁路分为三级，客货共线铁路分级如表8所示，表8中年客货运量是在重车方向货运量以及旅客列车对数折算的货运量总和，其中1对/d旅客列车按1 200万t年货运量折算。

3　客货共线铁路分级评价模型研究

目前多采用定性分析法进行客货共线铁路等级划分，如《铁路线路规范》(TB 10098—2017)。但此方法使用过程中易受人为主观因素影响，通常考虑某一指标因素分级会存在分级和现实不匹配的情况。

为此，结合前述各因素对客货共线铁路分级的影响以及铁路分级建议，建立了客货共线铁路分级定量评价模型，公式如下。

f=\frac{M}{\mathrm{3}\mathrm{500}}\times \frac{V}{\mathrm{200}}\times r⑶

式中：M为年客货运量，万t；3 500为本研究确定的运量上限，万t；V为旅客列车设计行车速度，km/h；200为本研究确定的旅客列车运行速度上限，km/h；r为线路意义及路网作用参数，依据国情，r分类及取值如表9所示。

依据以上本研究的相关成果，计算出各铁路分级评价指标下限如表10所示。

利用公式⑶得出分级指标F₀。若f ≥0.6，则定义为I级铁路；若0.6>f ≥0.1，则定义为II级铁路；其余定义为III级铁路。

在该评价模型中，以考虑运量、速度、路网意义等评价因素的综合作用效果的方式，避免了由于某一因素过于突出导致的评价误差。其中r取值依靠人为经验，但不会明显影响评价结果。通过计算出不同r值对应的分级评价指标下限值F₀和评价指标f，说明F₀和f始终是在同一维度下的量。

4　结论

《铁路线路规范》(TB 10098—2017)中III级、IV级铁路技术标准差异不大，工程规模、项目投资等相近。本研究结合目前客货共线铁路分级标准，对分级评价指标进行界定，结合实际数据，分析了各因素对客货共线铁路分级的影响。最终建议从便于操作的角度出发，将客货共线铁路分为三级。为解决常规分级评价中定性评价方法会导致主观因素干扰明显的问题，本研究进一步建立了客货共线铁路分级定量评价模型，考虑了运量、速度、路网意义等评价因素的综合作用效果，避免了因某一评价因素过分突出而引起评价误差，对客货共线铁路分级有一定参考价值。

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基金资助

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