重载路网列车群组运行情景推演及运能协调度评估研究

Scenario Deduction of Train Group Operation and Capacity Coordination Evaluation for Heavy-Haul Railway Networks

摘要

为提高重载铁路路网运能及运输效率，研究列车群组运行下重载路网的运能协调问题，设计典型列车群组运行情景，对不同情景下路网运能协调度进行评估并提出运能优化措施。首先，阐述了重载列车群组运行基本原理及实施需求，探究影响列车群组运行情景推演的因素并提出情景推演方法。在此基础上，提出了列车群组运行下重载路网线路和车站运输能力的计算方法，构建了路网运能协调度评估模型。最后，以国家能源集团重载路网为研究对象，设计典型列车群组运行情景并评估各情景下路网的运能协调度，得到列车群组运行情景推荐方案及优化措施。研究发现：实施群组运行可有效提升重载路网线路和车站运输能力，其中，车站运输能力是提升路网运能协调度的关键。

Abstract

To improve the capacity and transportation efficiency of heavy-haul railway networks, this study investigated the coordination of capacity in heavy-haul railway networks under train group operations. It designed typical train group operation scenarios and evaluated the capacity coordination under different scenarios, proposing capacity optimization measures. First, the basic principles and implementation requirements of heavy-haul train group operations were explained, and factors affecting the simulation of train group operation scenarios were explored, with a proposed deduction method. On this basis, methods for calculating the transportation capacity of railway lines and stations under train group operations were introduced, and a capacity coordination evaluation model for the network was built. Finally, taking the heavy-haul railway network of the CHN ENERGY as the research object, typical train group operation scenarios were designed, and the capacity coordination of the network in each scenario was evaluated. Recommendations and optimization measures for the train group operation scenarios were obtained. The study finds that implementing train group operations can effectively enhance the transportation capacity of railway lines and stations, with station transportation capacity being the key to improving the coordination of network capacity.

Graphical abstract

关键词

重载铁路 / 群组运行 / 情景推演 / 运能计算 / 协调度评估

Key words

Heavy-Haul Railway / Train Group Operation / Scenario Deduction / Capacity Calculation / Coordination Evaluation

0　引言

随着经济的快速发展和能源需求的日益增长，重载铁路凭借其大运量、高效率、低成本等优势，逐渐成为大宗货物的主要运输方式^[1]。然而，持续上升的运输需求加剧了重载铁路运输能力的紧张状况，传统的运输组织模式已难以满足日益增长的运量目标。为进一步挖掘重载铁路运输潜力、提升运输效能，群组运行作为一种新型的铁路运输组织模式受到了学术和工程领域的广泛关注。通过优化列车编组和运行控制，群组运行允许列车以更紧凑的间隔安全运行^[2]，充分发挥线路和车站的运输潜能，从而显著提升重载铁路路网的运能和运输效率。路网运能协调度评估是衡量重载铁路运输系统性能的重要指标，能够全面反映路网中线路、车站以及整个运输网络在不同运行情景下的能力匹配程度和协调性，是确保重载铁路路网高效、稳定运行的关键。为实现列车群组运行下重载铁路路网运能的最优配置，有必要对重载铁路生产力、供电、信号条件及运输组织要求等影响列车群组运行模式选择的因素进行分析，设计典型的列车群组运行情景，对相应情景下重载铁路路网的运能协调度进行评估，精准识别路网中的瓶颈线路或车站，为提升列车群组运行下重载铁路路网运能的适应性提供重要依据。

列车群组运行与列车虚拟编组在技术上存在一定相似性，目前已有部分对虚拟编组技术相关概念及应用的研究。Quaglietta等^[3-4]结合信息传输特性及动力学原理构建了虚拟连挂下的列车跟驰模型，通过仿真验证虚拟编组对线路能力的提升效果。杨晓明等^[5]在虚拟编组条件下建立了基于最小运行图周期的重载铁路通过能力计算模型，并将其转化为混合整数线性规划模型求解。

在虚拟编组技术研究基础上，国内外学者进一步开展了列车群组运行相关研究。宋宗莹等^[6]从列车控制理论、运行条件及运输组织模式适应性3个方面对列车群组运行下重载铁路运输组织相关文献进行综述研究；Chen等^[7]提出了考虑货物需求重要性的重载铁路列车群组运行调度问题，建立混合整数规划模型并采用模拟退火算法求解；Zhuo等^[8]提出以最大化货运量为目标的混合群组列车运行优化模型并利用元启发式算法求解；倪少权等^[9]针对多元群组列车与单列混行情况下群组计划优化问题，提出了双线重载铁路多装卸站条件下群组计划的优化方法；张万强^[10]研究重载铁路群组运行控制系统下追踪间隔时间的计算方法，为群组运行下列车运行图参数计算提供理论支持。

在重载路网运能计算及协调度评估方面，褚文君等^[11-13]利用仿真技术对重载铁路线路和车站通过能力的计算方法进行研究；肖睿^[14]以新增路网能力、提高车辆周转效率为目标，提出优化大秦线路网运能的关键措施；孔亮等^[15]以国家能源集团重载煤运专线为例，构建路网能力协调度模型并提出协调度等级划分方案；李纯一^[16]构建了重载铁路路网评价指标体系，分析大秦线路网存在的问题并提出优化建议；符佳芯^[17]建立了重载铁路集疏运系统列车开行方案优化模型并设计遗传算法求解；丰汉羽等^[18]研究移动闭塞对线路能力的影响，对既有信号系统和移动闭塞信号系统进行对比分析，得到适应于朔黄铁路运输能力的信号系统；耿放等^[19]结合当前我国重载路网通道能力利用现状，有针对性地提出了优化通道布局、提高与既有路网联通水平的相关能力利用优化策略。

综上，目前对列车群组运行下重载铁路运输组织问题的研究相对较少。与此同时，既有针对重载铁路路网运能的研究均基于传统的列车开行模式，无法直接应用于列车群组运行下的重载铁路路网运能评估和协同问题。因此，有必要在既有研究的基础上构建适用于列车群组运行下重载铁路路网运能计算和协调度评价的方法和模型，对不同列车群组运行情景下重载铁路路网的车站、线路能力协调性进行准确评估，确定路网能力瓶颈，实现路网运能最优配置。

1　重载路网列车群组运行情景推演

1.1　重载列车群组运行基本原理

列车群组的运行控制系统将整个列车编队视为独立的智能单元，通过这些单元间的自动协同和安全控制，形成了一个沿着既定路线顺序排列、保持动态间隔的列车编队。这种集群控制策略对整个列车群进行统一管理，实现了小规模编组、高运行密度和大运输能力的灵活高效运行模式。

列车群组运行控制系统主要由车载子系统和地面子系统2部分构成，列车群组运行控制系统示意图如图1所示。其中，车载子系统包括车载ATP设备、车载ATO设备和综合列尾设备。车载ATP设备与驾驶室Ⅰ端、驾驶室Ⅱ端的人机界面DMI通信连接，通过DMI显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离等信息，监控列车安全运行。地面子系统主要包含调度集中系统CTC、联锁CBI、群组控制设备(如群组控制中心GCC)、临时限速服务器TSRS、闭塞设备、轨道电路、应答器、车地无线通信设备等。TSRS通过信号传输通道与车站联锁CBI和群组控制服务器通信连接，CTC/TDCS中心设备通过CTC通道与CTC站机通信连接，CTC站机与车站联锁CBI通过CTC通道通信连接，群组控制服务器与基站通信连接，基站将信号传输给车载设备，实现与列车间的信息交互。

为实现群组内列车动态协同追踪控制，列车群组运行控制系统利用前车实时速度、实时位置信息进行目标-距离、目标-速度的二维控制，群组内列车间采用安全控制模型以动态协同技术追踪运行，依靠车-车实时通信相对缩短了群组列车间的追踪距离。群组首车的车载ATP按照行车许可终点(End of Movement Authority，EOA)生成一维控制的目标-距离模式曲线，区间由车载ATP根据轨道电路发码生成行车许可(Movement Authority，MA)，车站由GCC生成MA。群组跟随车的车载ATP接收前车发送的实时参数，并结合本车状态及线路数据，计算最终控车的动态目标EOA，从而生成目标-速度-距离监控模式曲线。在ATP系统的安全防护下，依托运行计划，综合运用信息集成、自动化建模、多目标优化及自适应控制算法等先进技术，实现群组列车的协同控制。

1.2　重载列车群组运行需求分析

（1）保障重载列车运行安全。传统重载铁路在列车运行安全方面存在一定的隐患，包括车钩载荷与疲劳问题、制动系统同步性问题及动力学性能问题等。采用列车群组运行可以有效降低上述列车运行安全风险。①列车群组运行通过虚拟连挂技术，将多个单元列车组成一个群组，单元列车之间不通过传统的车钩进行物理连接，而是相互保持一定距离独立追踪运行，这种方式减少了传统大编组列车中车钩的受力，降低了车钩疲劳损坏的风险。②群组运行下，群组内单元列车之间可以通过实时互连和信息共享，实现更精确的速度匹配和间隔控制，这种协同控制方式能够有效提高制动系统的同步性，减少列车纵向冲动，降低制动不同步带来的安全风险。③群组运行下可以根据不同线路条件灵活调整单元列车的编组和运行速度，在小半径曲线、大坡道等复杂线路条件下，通过优化单元列车的编组和速度以提升其动力学性能，降低轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标，提高列车的运行安全性。

（2）提升重载线路运能。传统重载铁路主要通过增大列车轴重、提高列车速度和加大行车密度等方式来提升线路运能，然而，随着列车牵引质量和速度的提升，列车纵向冲动、网压波动、机车安全和列车平稳操作等安全隐患激增。此外，大编组列车在站技术作业时间长、受线路坡度等条件制约，进一步限制了重载线路运能的提升。与此同时，现有的重载铁路固定闭塞模式和列车运行控制系统难以支持较短的列车追踪间隔时间，在处理重载列车的动力学特性和复杂运行环境时存在不足，也对线路运能产生了不利影响。重载列车群组运行可以打破传统闭塞制式，基于无线通信和动态协同控制，实现列车区间紧追踪。同时，列车群组运行还允许将重载组合列车分解构造为独立智能单元列车，通过单元列车间的自协同进行群组化运行，通过灵活的编组方式根据实际运输需求，动态调整列车的编组数量和长度，提高线路资源的利用率，从而可以提升整体运能。

（3）消除技术站能力瓶颈。传统重载铁路技术站的接发车和通过能力有限，容易形成能力瓶颈，尤其是在单线铁路中，车站间隔时间和列车会让时间较长，限制了技术站的能力提升。此外，既有重载列车编组较长，列车纵向冲动增大，车钩受力情况复杂，技术站的解编作业难度大、作业效率低。同时，由于车站的技术作业过程复杂，需要在短时间内完成列车的解编、会让等操作，这也对车站的设备和人员提出了较高要求。组织列车群组运行可以有效提升技术站能力，群组运行下，重载列车的列车组合/分解作业转化为列车群组的组群/解群作业，无需对多个单元列车进行连挂或分解作业，简化了作业程序，极大地减少了重载列车在站作业时间。对于列车接发车作业，列车群组运行下，接发车进路控制逻辑与传统集中联锁有较大差异，由传统的地面联锁转换为自主进路控制，极大地优化了接发车作业过程，从而可以提高车站的作业能力和通过能力。

1.3　重载列车群组运行情景影响因素分析

（1）生产力条件。线路、车务、机务、车辆等生产力条件对列车群组运行情景产生影响。线路条件方面，线路长度、正线数量、线路坡度、曲线半径、桥隧设置等条件都会限制群组列车的总长度；车务条件方面，车站分布、场站布置、到发线数量及有效长、咽喉区/到发线通过能力等均会对列车群组运行情景产生影响；机务条件方面，列车群组运行情景设计需重点考察机务段布局、机车类型及数量、机车交路等情况；车辆条件方面，车辆结构、车辆数量、列检点分布等对列车群组运行情景有重要影响。

（2）供电条件。群组运行时，列车数量增加且运行密度提高，牵引功率需求大幅增加，群组列车数量越多、运行位置越集中、牵引功率越大，需要供电系统具备足够的容量来满足高功率需求。同时，群组列车频繁经过分相区时，会产生合闸过电压并导致其峰值减小，这对牵引供电系统及列车高压设备造成严重绝缘损害，需要采取措施抑制过电压。此外，列车群组运行时，多列车发出的谐波电流会分布在牵引网多个位置处，导致供电系统谐波水平升高，需要优化供电系统设计和增加滤波设备，重载列车的高牵引电流还会导致接触网电压波动，影响列车运行的稳定性，需要通过供电臂设计和增加补偿设备来稳定电压。

（3）信号条件。信号、联锁、闭塞设备是保障列车运行安全的重要设备，是列车群组运行场景设计需要重点考虑的条件。在线路方面，信号制式的等级直接决定了列车之间的最小安全间隔，从而影响群组运行下列车的线路通过能力，既有信号系统可能无法满足群组运行所需的高精度追踪控制，需要升级或优化以支持群组运行。在车站方面，为实现列车群组运行，需要对计算机联锁进行改进，使其能够为群组列车办理进路并生成群组进路信息，同时向同一股道不同轨道区段进行多列车接车，提高车站通过能力。总体而言，信号系统需要与群组列车运输组织模式相适应，以实现运输效能和灵活性的提升。

（4）运输组织要求。运输组织要求主要包括运量目标、路网运能协调性和运输效率。运量目标方面，在不同的生产力、供电、信号条件和群组列车开行模式下，线路和车站的通过能力有很大差距，需要进行合理设计，而设计的首要原则是达到设定的运量目标；同时，为了避免运能靡费，也不宜过度追求生产力、供电、信号条件和列车开行模式的升级。除运量目标外，路网运能协调性也是影响列车群组运行情景设计的关键要素，若不同线路、车站间生产力、供电、信号条件及列车开行模式存在较大差异，则会导致重载路网运能差距大、匹配度低，系统整体运能提升受到限制。此外，在设计列车群组运行情景时，需要考虑其对路网运输效率的影响，压缩车辆周转时间和中转停留时间。

1.4　重载列车群组运行情景推演方法

综上，设计重载铁路列车群组运行情景推演的主要步骤如下：①根据生产力、供电与信号条件以及运量目标，设计若干可行的重载路网列车群组运行情景；②根据列车群组运行的特点，建立重载路网中各子系统的能力计算模型，评估不同情景下重载路网各子系统的能力；③建立重载路网运能协调度评估方法，实现不同情景下路网运能协调度的评估；④结合运能适应性和运输效率要求，对不同的运行情景进行指标综合比选和分析，进而提出重载路网列车群组运行情景推荐方案。

2　群组运行下重载路网运能协调度评估

2.1　群组运行下线路通过能力计算

铁路线路通过能力的一般定义为采用一定类型的机车车辆和一定的行车组织方法条件下，铁路区段的各种固定设备，在单位时间内(通常指一昼夜)所能通过的最多列车数或对数^[20]。考虑到重载铁路和列车群组运行特点，在重载铁路列车群组运行下，线路通过能力是指采用一定类型的机车车辆、列车群组控制技术和一定的行车组织方法条件下，铁路区段的各种固定设备，在单位时间内能够安全、高效地通过最大列车数量或者列车对数。

针对单线重载铁路，要计算其群组运行下的线路通过能力，需要对不同闭塞方式及列车运行场景下列车的追踪过程进行分析，重点研究群组列车在站的交会过程，对车站间隔时间如τ_不，τ_会等参数进行重新定义和计算。在此基础上，以最小化运行图周期为目标，以群组列车在站会让方式为决策变量，考虑区间运行时分、列车群组追踪间隔、到发线数目、在站作业时间规定等约束，建立群组运行下的单线重载铁路线路通过能力计算模型并求解，得到全线最小限制区间运行图周期T，进而可以根据公式(1)计算列车群组运行下单线重载铁路线路通过能力^[4]。

N_{\mathrm{单线}}^{\mathrm{群组}}=n\times \frac{T_{\mathrm{运营}}^{}-T_{\mathrm{t}}}{T}(1)

式中：N_{\mathrm{单线}}^{\mathrm{群组}}为群组运行下单线重载铁路通过能力，列/d；T_{\mathrm{运营}}^{}为总运营时间，min；T_{\mathrm{t}}为天窗时间，min。

与单线重载铁路有所不同，双线重载铁路的线路通过能力计算需要重点关注不同闭塞方式下群组列车组内及组间的追踪过程，进一步分析进出站追踪、在站越行等不同场景下群组列车运行规则及追踪运行过程。基于此，研究列车群组组内及组间追踪间隔的计算方法，计算最小限制追踪间隔，提出综合考虑组内追踪间隔、组间追踪间隔及列车群组规模的双线重载铁路列车群组运行下线路通过能力计算方法，如公式(2)所示。

\begin{array}{cc}{N}_{\mathrm{双线}}^{\mathrm{群组}}=n\times ⌊\frac{T_{\mathrm{运营}}^{}-T_{\mathrm{t}}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left\{I_{\mathrm{区间},i}^{\mathrm{组间}},I_{\mathrm{出发},i}^{\mathrm{组间}},I_{\mathrm{到达},i}^{\mathrm{组间}}\right\}}⌋& i\in M\end{array}(2)

式中：I_{\mathrm{区间},i}^{\mathrm{组间}}，I_{\mathrm{出发},i}^{\mathrm{组间}}，I_{\mathrm{到达},i}^{\mathrm{组间}}分别为(i，i+1)区间或i站的组间区间追踪间隔时间、组间出发追踪间隔时间及组间到达追踪间隔时间，min；n为群组内列车数，列。

2.2　群组运行下车站通过能力计算

既有行车模式下，铁路车站通过能力是指在一定的机车车辆类型和一定的股道进路占用组织方法的条件下，根据其现有的道岔、股道、信号及电气化设备，在单位时间(通常指一昼夜)内能够通过该车站的最大列车对数或列车数。车站通过能力可以分为到发线通过能力和咽喉通过能力。与传统列车运行模式相比，列车群组运行下，接发车进路能够以轨道区段为单位进行排列和释放，进路运用方式更加灵活。因此，在计算列车群组运行下的车站通过能力时，需重点考虑群组运行下股道进路的占用组织方法。

根据宋宗莹等^[21]的研究思路，为计算重载列车群组运行下车站通过能力，首先需要研究群组列车的接发车和通过作业程序，分析在同一到发线、相邻到发线、非相邻到发线间列车组群/解群的特点和影响因素。在此基础上，对群组作业过程及车站线路资源进行建模，刻画列车群组占用车站线路资源过程。在给定技术站拓扑数据、作业标准时间、列车群组时刻表、列车群组运行参数等条件下，以晚点时间最小、咽喉区利用率最小为目标，综合考虑列车群组组内和组间接续关系、列车到发时刻、进路和到发线资源占用等约束条件，构建列车群组下车站通过能力计算优化模型，求解模型得到最优咽喉区、到发线通过能力利用率K_咽喉，K_到发线。

K_{\mathrm{咽喉}}=\frac{T_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}}{\left(\mathrm{1}-{\gamma }_{\mathrm{咽喉}\mathrm{空费}}\right)\times \left(\mathrm{1}\mathrm{440}-\sum t_{\mathrm{固咽}\mathrm{喉}}\right)}(3)

K_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}=\frac{T_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}}{\left(\mathrm{1}-{\gamma }_{\mathrm{到发}\mathrm{线空}\mathrm{费}}\right)\times \left(\mathrm{1}\mathrm{440}M-\sum t_{\mathrm{固到}\mathrm{发线}}\right)}(4)

式中：T_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}为一昼夜某方向接车或发车咽喉区限制轨道区段的占用时间，min；{\gamma }_{\mathrm{咽喉}\mathrm{空费}}为咽喉轨道区段的空费时间和间接妨碍时间扣除的系数；\sum t_{\mathrm{固咽}\mathrm{喉}}为咽喉区固定作业时间，min；T_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}为车场一昼夜到发线占用总时间，min；{\gamma }_{\mathrm{到发}\mathrm{线空}\mathrm{费}}为到发线占用空费系数；M为用于办理群组列车到发线技术作业的线路数；\sum t_{\mathrm{固到}\mathrm{发线}}为到发线固定作业时间，min。

根据咽喉区和到发线通过能力利用率，可以进一步确定车站咽喉区和到发线通过能力，如公式(5)及公式(6)所示。

N_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}^{\mathrm{群组}}=⌊\frac{n_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}}{K_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}}⌋(5)

N_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}^{\mathrm{群组}}=⌊\frac{n_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}}{K_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}}⌋(6)

式中：n_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}为咽喉区各方向参与计算的接/发列车数量，列；n_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}为车场内各方向到发线接/发/通过列车数量，列；⌊⌋表示向下取整。

群组运行下车站通过能力为各方向咽喉区通过能力和到发线通过能力中的较小者，如公式(7)所示。

N_{\mathrm{车站}}^{\mathrm{群组}}=\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(N_{\mathrm{咽喉}\mathrm{区}}^{\mathrm{群组}}，N_{\mathrm{到发}\mathrm{线}}^{\mathrm{群组}}\right)(7)

2.3　群组运行下路网运能协调度评估

2.3.1　路网运能协调度内涵

列车群组运行下重载铁路路网协调主要包括装备协调、技术协调、能力协调3个部分，其中，装备协调是基础，技术协调是手段，能力协调则是综合表现，装备和技术的协调最后都体现为能力的协调。因此，有必要在群组运行下重载铁路路网线路和车站能力计算的基础上，进一步建立路网运能协调度评价模型，对群组运行下重载铁路路网中各线路和车站间的能力匹配度进行评估，分析限制路网能力提升的瓶颈，对各线路和车站能力配置进行调整，实现重载铁路路网整体运能最优。

2.3.2　路网运能协调度计算方法

对重载铁路路网运能的协调度评估主要以路网中的重要节点车站为研究对象，重点考察其衔接线路和车站自身能力的协同状态。对于某一节点车站及其衔接线路，将其能力划分为总接入能力和总发出能力2部分，对总接入能力和总发出能力之间的匹配程度进行评估。其中，总接入能力为各方向线路/车站接入能力中较小值的和，总发出能力则对应为各方向线路/车站发出能力中较小值的和。对于该节点车站而言，总接入能力和总发出能力越接近，则系统能力浪费越少、协调性越好，按此原则对群组运行下重载铁路路网运能协调性进行评价，构建如下协调度模型。

G_{\mathrm{接入}}^i=\frac{\left(\mathrm{365}-t_{\mathrm{天窗}}\right)\times Q\times {\phi }_{\mathrm{载}}\times Y_{\mathrm{满}}\times \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(N_{\mathrm{车站}\mathrm{接入}}^{\mathrm{群组}i}，N_{\mathrm{线路}\mathrm{接入}}^{\mathrm{群组}i}\right)}{K_{\mathrm{波}}}（8）

G_{\mathrm{发出}}^j=\frac{\left(\mathrm{365}-t_{\mathrm{天窗}}\right)\times Q\times {\phi }_{\mathrm{载}}\times Y_{\mathrm{满}}\times \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(N_{\mathrm{车站}\mathrm{发出}}^{\mathrm{群组}j}，N_{\mathrm{线路}\mathrm{发出}}^{\mathrm{群组}j}\right)}{K_{\mathrm{波}}}(9)

G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{G}_{\mathrm{接入}}^i(10)

G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}={\displaystyle \sum _{i=j}^m}{G}_{\mathrm{发出}}^j(11)

C=\frac{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}，G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}\right)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}，G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}\right)}(12)

式中：t_{\mathrm{天窗}}为年度天窗时间，d；Q为货物列车牵引总重，t；{\phi }_{\mathrm{载}}为货物列车平均载重系数；Y_{\mathrm{满}}为货车满载率；K_{\mathrm{波}}为月间运量波动系数；N_{\mathrm{车站}\mathrm{接入}}^{\mathrm{群组}i}为i方向车站每日能接入群组列车数量，列；N_{\mathrm{线路}\mathrm{接入}}^{\mathrm{群组}i}为i方向线路每日能接入群组列车数量，列；G_{\mathrm{接入}}^i为i方向年接入货物吨数，t；N_{\mathrm{车站}\mathrm{发出}}^{\mathrm{群组}j}为j方向车站每日能发出群组列车数量，列；N_{\mathrm{线路}\mathrm{发出}}^{\mathrm{群组}j}为j方向线路每日能发出群组列车数量，列；G_{\mathrm{发出}}^i为i方向年发出货物吨数，t；G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}为车站各方向年接入货物总吨数，t；G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}为车站各方向年发出货物总吨数，t；C为车站能力协调度。

当\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}，G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}\right)=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}，G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}\right)时，C=\mathrm{1}，表明该节点车站的接入和发出能力完全协调；当\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(G_{\mathrm{总接}\mathrm{入}}，G_{\mathrm{总发}\mathrm{出}}\right)=\mathrm{0}时，该节点车站中的接入或发出能力为0，这种情况一般不存在，因此。

2.4　路网运能协调度等级划分

定义“1”表示完全协调，“0”表示完全不协调，将列车群组运行下重载铁路路网运能协调度划分为7个等级，重载铁路路网运能协调等级划分如表1所示。

（1）完全不协调。在此状态时，节点车站的接入和发出能力相差很大，能力浪费严重，是最不利的情况。但若对能力小的方向进行改造，则收效显著。

（2）基本不协调。在此状态时，车站和线路能力浪费较大。可针对能力较小的方向进行改造，以提高整个系统的协调程度。

（3）中度不协调。在此状态时，节点车站的接入和发出能力相差较大，车站和线路能力不能充分发挥。

（4）轻度不协调。处于此状态时，节点车站中有少量的能力浪费，车站和线路能力基本发挥正常。

（5）基本协调。在此状态时，节点车站的接入和发出能力相差较小，车站接入和发出环节间衔接良好，效率较高。

（6）良好协调。在此状态时，节点车站的接入和发出能力很接近，车站和线路能力发挥良好，效率很高。

（7）优质协调。节点车站接入和发出环节的配合在此状态时达到最佳，基本没有能力浪费，且相互间不会形成制约，效率最高。

3　国家能源集团重载路网案例分析

3.1　国家能源集团重载路网概况

国家能源集团重载铁路路网主要线路参数如表2所示。国家能源集团重载铁路路网如图2所示，路网中主要线路包括：包神线(河西—神东)、神朔线(大柳塔—朔州西)、甘泉线(甘其毛都—河西)、塔韩线(塔然高勒—韩家村)、巴准线(巴图塔—点岱沟)、大准线(燕庄—崔家湾)、准池线(外西沟—神池南)、朔黄线(神池南—黄烨港)、黄万线(黄烨南—神港)、黄大线(黄烨南—大家洼)等；重要节点车站包括：万水泉南站、巴图塔站、朱盖塔站、点岱沟站、神池南站、黄骅南站等。

国家能源集团年度列车运行图图定运输能力5.88亿t，其中煤炭运输能力需求达到5.5亿t。为满足日益增长的运量需要，有必要对列车群组运行下国家能源集团重载铁路路网运能配置进行优化研究，合理设计列车群组运行情景，提升路网整体运能、增强车站和线路间的能力协调性，提高运输效率和效益。

3.2　列车群组运行情景推演

结合国家能源集团重载路网特点，设计以下3种典型列车群组运行情景。

①情景一：所有线路和车站采用既有信号条件行车。

②情景二：所有线路和车站在既有信号条件下采用2列普列群组行车。

③情景三：部分线路(即包神南线、神朔线、朔黄线、黄大线)在既有信号条件下采用2列万吨群组行车。

为对上述情景下国家能源集团路网运能协调度进行评价，设置相关计算参数如下。

①路网普通5 000吨列车的净载重为4 060 t/列，万吨列车的净载重为8 120 t/列，2万吨列车的净载重为17 280 t/列。

②根据运输和施工养护需求，路网各条线路年度天窗时间设置为18 d。

③为实现资源的充分利用，重载铁路上运行的货车尽可能满装满载，因此满载率取100%，大宗货物运输量波动较小，月间运量波动系数取1.11。

3.3　不同情景下路网运能协调度评估

3.3.1　情景一：所有线路和车站采用既有信号条件行车

所有线路和车站采用既有信号条件行车时，情景一下国家能源集团路网运能协调度计算结果如表3所示、情景一下国家能源集团路网运能协调度示意如图3所示。由表3和图3计算结果可以得出，在既有信号条件下行车时，包神北线河西—万水泉南区段、包神南线东胜—巴图塔区段、神朔线、准池线、朔黄线黄骅南—黄烨港区段的输送能力受车站通过能力的限制，其余线路/区段的通过能力主要受线路通过能力限制。总体来看，采用既有信号条件和行车方式时，车站通过能力和线路通过能力对国家能源集团路网整体的运能均有一定影响；各主要节点车站的能力协调度均在0.70以上，系统处于基本协调等级，在此状态下，国家能源集团路网中节点车站的接入和发出能力相差较小，车站接入和发出环节间衔接良好，效率较高，路网运能的浪费比较少。

3.3.2　情景二：所有线路和车站在既有闭塞条件下采用2列普列群组行车

在既有闭塞条件下，国家能源集团路网所有线路和车站采用2列普列群组运行时，情景二下国家能源集团路网运能协调度计算结果如表4所示，情景二下国家能源集团路网运能协调度示意如图4所示。根据表4和图4可见，在既有闭塞条件下升级为2列普列群组行车时，包神北线万水泉南—东胜区段、包神南线巴图塔—瓷窑湾区段、巴准线巴图塔—海勒斯壕南区段、神朔线主线朱盖塔—神池南区段、朔黄线、黄万线、黄大线等线路/区段的输送能力主要受制于线路通过能力，可以考虑升级信号条件或列车群组开行模式，进一步提升相关线路的通过能力。国家能源集团路网集疏运系统其余线路/区段的输送能力则主要受制于车站通过能力，在朱盖塔站、点岱沟站等节点车站形成能力瓶颈，限制了集疏运系统能力的提升。

在能力协调度方面，与情景一相比，当所有线路都采用2列普列群组运行时，万水泉南站、巴图塔站、神池南站、黄骅南站的能力协调度都有一定程度的降低，分别降至0.63，0.59，0.70，0.78，处于基本协调及轻度不协调状态。因此，有必要针对不同线路和车站的能力匹配度，结合运量目标，进一步对国家能源集团路网集疏运系统各主要线路和车站的列车群组运行情景进行研究设计。

3.3.3　情景三：部分线路在既有闭塞条件下采用2列万吨群组行车

在既有闭塞条件下，当国家能源集团路网部分线路(包神南线、神朔线、朔黄线及黄大线)采用2列万吨群组运行时，情景三下国家能源集团路网运能协调度计算结果如表5所示，情景三下国家能源集团路网运能协调度示意如图5所示。根据表5和图5可见，与2列普列群组运行相比，部分线路设置2列万吨列车群组不仅能够提升线路运能、达成运量目标，还增强了国家能源集团路网集疏运系统能力的协调性。与情景二相比，神池南站和黄骅南站的能力协调性分别由0.70，0.78提升至0.82，0.93，实现系统运能基本及良好适应。但与情景二类似的是，情景三下万水泉南站和巴图塔站的能力协调度仍处于较低水平，需要进一步提升万水泉南站包神北线河西—万南方向和巴图塔站包神南线东胜—巴图塔方向的通过能力。

3.3.4　评估结果分析

综合对比分析3种典型列车群组运行情景下国家能源集团路网运能协调度评估结果，可以得到如下结论。

（1）在既有信号条件下，受到闭塞方式和列车开行模式的影响，国家能源集团路网集疏运系统整体运能都受到一定的限制，其中，包神北线河西—万水泉南区段、包神南线东胜—巴图塔区段、神朔线、准池线、朔黄线黄骅南—黄烨港区段的输送能力受车站通过能力的限制，其余线路/区段的通过能力主要受线路通过能力限制，国家能源集团路网集疏运系统整体能力协调性处于基本协调的状态。

（2）对于国家能源集团路网集疏运系统大部分线路和车站，采用群组运行可提高其通过能力，当组织2列普列群组行车时，线路能力平均可提升41.27%，车站能力平均可提升30.65%，但也存在部分线路和车站由于条件限制，实施群组行车后运能提升不明显，如朔黄线及点岱沟站。当部分线路组织2列万吨列车群组行车时，其线路通过能力进一步提升，其中，包神南线、神朔线主线、朔黄线的年输送能力分别可达3.04亿t，4.41亿t及4.87亿t。

（3）通过升级群组列车开行模式，线路能力提升效果普遍高于车站能力提升效果，尤其体现在双线铁路车站。因此，随着列车群组开行模式的升级，路网中越来越多的车站节点会形成能力瓶颈，限制线路运能的充分发挥，从而影响整体路网的运能提升及运能协调性，基于此，有必要加强重点车站的通过能力，如朱盖塔站、点岱沟站等。

（4）通过3种典型列车群组运行情景下国家能源集团路网集疏运系统线路运能、车站运能及系统运能协调性的计算结果，结合各线路运量目标，提出情景三(包神南线、神朔线、朔黄线、黄大线在既有信号条件下采用2列万吨群组行车)为国家能源集团路网列车群组运行情景推荐方案，该方案能够在国家能源集团路网集疏运系统运能提升、运能适应性增强、运量目标达成等方面实现较好的平衡。

（5）在国家能源集团路网列车群组运行情景推荐方案下，为进一步优化国家能源集团路网运能适应性，还需要明确包神南线、神朔线、黄大线的线路、车站、供电条件等方面符合组织2列万吨列车群组运行的要求，必要时考虑对相关线路和车站设施设备进行升级改造。同时，情景推荐方案下包神北线万南—东胜区段及巴准线巴图塔—海勒斯壕南区段为限制国家能源集团路网集疏运系统运能适应性提升的瓶颈线路，为提高其线路运能，需要考虑增设会让站、线路所或部分区间修建双线等措施。此外，情景推荐方案下，万水泉南站及巴图塔站为限制国家能源集团路网集疏运系统运能适应性提升的瓶颈车站，为提高其车站运能，需考虑对万水泉南站进行站场布局优化及站场设备升级改造，提升其技术作业效率，对巴图塔站进行站场扩建、咽喉道岔插铺等，挖掘其装车潜能。

4　结束语

研究以列车群组运行下重载铁路路网为研究对象，设计不同列车群组运行情景并对相应情景下重载铁路路网运能协调度进行评估，提出路网运能适应性提升建议及措施。首先对重载列车群组运行基本原理及列车群组运行实施需求进行阐述，通过分析列车群组运行影响因素，提出列车群组运行情景推演方法。其次，提出列车群组运行下重载铁路路网运能计算方法，基于此建立群组运行下重载铁路运能协调度评估模型。为验证计算方法及评估模型的有效性，以国家能源集团重载路网为例，设计典型列车群组运行情景，对不同情景下重载路网运能进行计算并评估其协调度，针对协调度评价结果，提出国家能源集团路网列车群组运行情景推荐方案及其优化措施。研究理论方法及案例分析结果可为我国重载铁路运输组织的优化及创新发展提供基础和参考。随着重载铁路向智能化、网络化方向发展，为应对未来复杂的运输需求，需要进一步深入研究列车群组运行下重载铁路路网的运能协调问题，未来研究可进一步纳入能耗、碳排放、经济成本等多维度指标，构建多目标优化模型，探索不同权重配置下的路网运能均衡方案，为绿色智能铁路发展提供决策支持。

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基金资助

中国神华能源股份有限公司项目(GJNY-22-7/2300-K1220053)