高速铁路北京南站高速场能力研究

高金科，祝继常，李 博，林 枫，张乾坤

GAO Jinke1, ZHU Jichang2, LI Bo2, LIN Feng2, ZHANG Qiankun1

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济 研究所，北京 100081)

目前，随着新的高速铁路线路不断开通运营，越来越多的高速铁路车站投入使用。不同车站由于建设标准、建设时间、建设工期不同，能力也有所不同[1]。随着运营时间的增加，车站运输组织及车站作业方案的弊端渐渐暴露出来[2]，导致车站能力的降低。北京南站作为京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)起点车站，其能力很大程度上决定着京沪高速铁路全线的能力。因此，通过分析北京南站高速场的列车进路和咽喉、到发线和列车运行图能力，为高速铁路车站提升能力提供借鉴。

1 北京南站高速场列车进路和咽喉分析

1.1 高速场分析

北京南站是京沪高速铁路、京津城际铁路(北京南—天津)、京沪铁路(北京—上海)的交汇处，主要办理城际高速动车组列车、直通高速动车组列车、既有线动车组列车始发终到作业及相关客运业务。北京南站站场总规模为13 台24 线，由北向南依次是普速场3 台5 线、高速场6 台12 线和城际场4 台7 线，3 个车场分工明确，不存在跨场运行的列车，各车场之间独立作业。北京南站站场图如图1 所示。

图1 北京南站站场图Fig.1 Basic flow chart of Beijing South Station yard

北京南站高速场为尽头式车场[3]，是京沪高速铁路的起点，办理京沪高速铁路出发、到达高速动车组列车的作业。由于高速场的列车运行里程长，车流构成多样，不同列车时空条件差异大，车场作业流程复杂，行车压力大，当发生列车晚点等意外情况时，恢复正常的运输组织秩序相对困难，因而高速场的能力制约着北京南站的能力。高速场西咽喉衔接京沪高速铁路上海虹桥站和北京南动车所2 个方向，2 条动车所走行线外包在上下正线的两侧。在2019 年7 月10 日最新调图中，高速场平时运行图下共接发旅客列车227 列/d，其中出发列车113 列/d，到达列车114 列/d；周末运行图共接发旅客列车241 列/d，其中出发列车120 列/d，到达列车121 列/d。

1.2 列车进路和咽喉分析

列车进路指列车到达、出发或通过所需占用的一段站内线路。不同的列车进路在咽喉区形成平行、交叉、敌对等关系，从而对咽喉的能力造成不同影响。高速场西咽喉道岔均为18 号，列车侧向通过允许速度为80 km/h。在咽喉道岔区1，由于部分股道缓和曲线长度不足，列车长期最高限制速度为45 km/h。高速场出站信号机至区间第一个通过信号机距离最远为2 389 m，为实现发车进路的一次办理，将出发进路作为一整条出站进路处理，即出清第一离去后再办理后车的出发进路。列车启动至出清一离去走行时间约为4 min，列车在咽喉区运行时间偏长。此外，由于调度集中系统(CTC)轮询时间过长引起的延迟，车站工作人员、司机作业效率较低引起的能力浪费等等都对咽喉产生不利影响。

1.2.1 列车进路方案分析

由于高速场西咽喉区距离过长，咽喉区中间设置接发车进路信号机[4]，把咽喉区分为2 个联锁部分，使得办理西咽喉区接发车进路过程比一般车站要复杂。由于高速场动车所走行线行车模式为双线双向自动闭塞，对于特定的接车、发车股道，2 条动车线可以根据实际情况灵活使用，有效地避免了咽喉区交叉、敌对进路等不利因素，因而只分析京沪高速铁路正线列车的接车、发车进路。高速场接车进路表如表1 所示，高速场发车进路表如表2所示。

表1 高速场接车进路表Tab.1 High speed yard train reception routes

表2 高速场发车进路表Tab.2 High speed yard train departure routes

由表1、表2 分析可知，高速场接车、发车进路方案差异较大。①接车进路共有18 条，发车进路共有22 条，对于接同一股道，最多有2 条进路，对于从同一股道发出，最多有4 条进路，发车进路的数量及可选择性比接车要多。②对于接车，有9 条进路占用下行正线，占比40.9%，其中跨两咽喉区均占用下行正线的有4 条，占比18.1%。部分接车股道可能存在2 条不同的接车进路，同一股道不同接车进路由于经过的关键道岔不同，对后续列车接车股道造成的影响不同。③对于发车，有12 条进路占用上行正线，占比54.5%，其中跨两咽喉区均占用上行正线的有5 条，占比22.7%。有7 条进路在咽喉区1 进入下行正线，占比31.8%，大多数进路在咽喉区2 才进入下行正线，限速较低，对通过能力产生不利的影响。

1.2.2 不同进路间隔时间理论分析

对于发车过程，从前车压上出站信号机时刻开始，到全列车越过反向进站信号机为止，再加上CTC 轮询时间，之后才可为后车开放出站信号；对于接车过程，从前车压上进站信号机时刻开始，到全列车出清进路上关键道岔为止，再加上CTC轮询时间，之后才可为后车开放进站信号。

（1）发发间隔能力分析[5-6]。高速场下行出发列车除正线XXIII 道发车以外，在其他到发线出发的列车均需侧向过道岔，发发进路方案示意图如图2 所示。在图2 所示的方案中，在XXIII 道发车，列车在下行正线出发，所经过道岔均为直向，列车限速较高，咽喉道岔区走行距离最短，列车从启动到出清第一离去所用的时间最短；在X19 道发车，列车在最外边上且距离下行正线最远的一条到发线出发，列车在咽喉区走行距离最长当列车尾部完全越过252 道岔时，才能解除因侧向过道岔引起的限速，列车从启动到出清第一离去所用的时间最长。因此，前车从XXIII道发车，后车从X19 道发车发发间隔时间最短；前车从X19 道发车，后车从XXIII 道发车发发间隔时间最长。

图2 发发进路方案示意图Fig.2 Basic flow chart of rout plan of departure-departure

图3 到到进路方案示意图Fig.3 Basic flow chart of rout plan of arrival-arrival

（2）到到间隔能力分析。到到进路方案示意图如图3 所示。在图3 所示的方案中，列车接入XXIV 道，列车沿着上行正线运行，所经过道岔均为直向，列车限速较高，咽喉道岔区走行距离最短，列车从压上进站信号机至出清该接车进路关键道岔时用的时间最短；列车接入X8 道，列车从上行正线转线至离上行正线最远的到发线X8，列车限速较低，咽喉区走行距离最长，列车从压上进站信号机至出清该接车进路关键道岔时用的时间最长。因此，前车接X8 道，后车接XXIV道，到到间隔时间最短；前车接XXIV 道发车，后车接X8 道，到到间隔时间最长。

（3）先到后发交叉进路间隔能力分析。到发进路方案示意图如图4 所示。在图4 所示的方案中，列车接入XXIII 道，列车由上行正线转向下行正线XXIII 道，咽喉道岔区1 中无转线道岔，列车转线在咽喉道岔区2 中经256—254 道岔组；列车在XXIV 道发车，方案1 中列车经咽喉道岔区1 中的220—218 道岔组，方案2 中列车经咽喉道岔区2中的250—252 道岔组。方案1 中二车占用公共的路径从道岔254 至道岔218，公共路径较长，到达列车需出清道岔218 后，才能为出发列车办理出发进路，干扰较大，故为不利方案；方案2 中二车占用公共的路径从道岔254 至道岔252，公共路径较短，到达列车出清道岔252 后，能为出发列车办理出发进路，干扰较小，故为有利方案。

（4）先发后到交叉进路间隔能力分析。发到进路方案示意图如图5 所示。在图5 所示的方案中，列车接入XXIV 道，列车沿上行正线运行；列车在XXV 道发车，方案1 中列车经咽喉道岔区2中的242—244、244—250、250—252 道岔组，方案2 中列车经咽喉道岔区1 中的240—238、238—220、220—218 道岔组。方案1 中二车占用公共的路径从道岔244 至道岔250；方案2 中二车占用公共的路径从道岔238 至道岔220，二者的公共路径均较短。但是，方案1 中列车出清道岔250 所用的时间比方案2 中列车出清道岔220 所用的时间短，故在出发列车出发后，方案2 比方案1 能更早地为到达列车办理进站进路。

图4 到发进路方案示意图Fig.4 Basic flow chart of rout plan of arrival-departure

1.2.3 不同进路间隔时间 仿真分析

运用列车运行仿真软件对上述特定情形进行仿真分析，高速场间隔时间仿真数据如表3 所示。

由表3 可知，仿真结果最小时间与最大时间差值较大，表明不同的接车股道、接发车进路所处的时空条件差异较大，科学选择股道、接发车进路对于提升通过能力非常重要。

1.2.4 咽喉通过能力分析

采用分析计算法，对咽喉通过能力用车场咽喉能力利用率占用系数K咽喉和咽喉理论上最大接发列车数量N咽喉2 个变量来衡量评价，计算公式分别如公式 ⑴、公式 ⑵ 所示。

式中：K咽喉为车场咽喉能力利用率占用系数；T咽喉为一昼夜车场咽喉道岔组占用总时间之和，min，包括接发列车时间、妨碍时间、天窗时间等；为一昼夜固定作业占用咽喉的时间之和，min，主要是天窗时间；γ空费咽喉为咽喉空费系数。

式中：N咽喉为咽喉理论上最大接发列车数量，列/d；n咽喉为咽喉实际接发列车数量，列/d。

选取下行正线处258—254 道岔组为发车道岔组，上行正线处262—256 道岔组为接车道岔组。由于高速场西咽喉区距离较长，限速较低，列车在咽喉区走行时间统一取3.5 min，接车过程办理接车进路，提前开放进站信号，以及CTC 轮询时间等接车准备时间统一取为3.2 min，发车准备时间统一取为3 min。高速场天窗时间段为00 : 30—04 : 30，即天窗时间为240 min；γ空费咽喉为咽喉空费系数，考虑到咽喉道岔组的空费时间和道岔组间接妨碍时间扣除系数，取值0.2。

图5 发到进路方案示意图Fig.5 Basic flow chart of rout plan of departure-arrival

表3 高速场间隔时间仿真数据Tab.3 High speed yard interval time simulation data

对于京沪高速铁路下行发车方向，T咽喉发－t固咽喉= 120×6.5 = 780 min。K咽喉发= 81.25%。N咽喉发= 120 / 0.812 5 = 147 列/d。

对于京沪高速铁路上行接车方向，T咽喉接－t固咽喉= 121×6.7 = 810.7 min。K咽喉接= 84.44%。N咽喉接= 121 / 0.844 4 = 143 列/d。

由以上分析可以看出，咽喉利用率紧张，咽喉区理论上可接发的最大列车数为290 列/d。

2 北京南站高速场到发线和列车运行图分析

2.1 到发线分析

2.1.1 到发线运用现状分析

高速场到发线各个时间段列车到发数量表如 表4 所示。

表4 高速场到发线各个时间段列车到发数量表 列Tab.4 Number of trains arriving and leaving at each time period

通过对表4 分析可知，高速场到发线上出发、到达列车对时间段的利用程度不同。①对于出发列车，在6 : 00—6 : 59 这一时间段内，出发列车数仅为4 列/d。由于高速场列车绝大多数为长途列车，旅客出行需要更多的准备时间，列车出发时间过早，安排列车数量太多对于长途旅客出行不利；在7 : 00—19 : 59 为列车集中出发时间段，在这一时间段，列车发往京沪本线沿线及其他跨线地区，列车运行里程较长，其中，单位时间段出发列车数最多为11 列/h；在20 : 00 以后时间段相对空闲，仅仅为8 列/d。这一时段的列车主要以天津、唐山、秦皇岛、德州等管内短途地区为主。 ②对于到达列车，在6 : 00—10 : 00 这一时间段，到达列车以管内短途列车为主；从10 : 00 一直持续到23 : 59，大量列车持续到达北京南站，其中，单位时间段到达列车数最多在22 : 00—22 : 59 时间段，多达11 列/h。③11 : 00—20 : 00 之间大量出发、到达列车聚集在北京南站，出发客流与到达客流交互重叠，是车站一天中最为繁忙的时刻。

由于京沪高速铁路连接我国最大的2 个城市、沿线人口众多，经济发达，客流以商务流、探亲流等客流为主，并且周末有7 对周末车开行，弥补了周末的运力缺口，北京南站每列长途列车的上座率较高，并且平时周末客流差距不大；而中短途列车开行时间上集中在早晚，开行时间点上较长途列车差，在平时中短途旅客可选择乘坐长途列车至目的地，中短途列车的客流被长途列车分流一部分，因而上座率较低；而在周末为了优先保证长途的运力，使得中短途客流集中到中短途列车上，加上周末北京附近地区的人民来北京消费、购物、游玩等，中短途的旅客人数比平时多，中短途列车的上座率较高。

2.1.2 到发线通过能力分析

采用分析计算法，对到发线通过能力用车场到发线能力利用率占用系数和理论上最大接发列车数量2 个变量来衡量评价，计算公式分别如公式 ⑶、公式 ⑷ 所示。

式中：K到发线为车场到发线能力利用率占用系数[7-8]；T到发线为一昼夜车场中所有到发线列车占用总时间之和，min，包括列车在到发线停留时间、接发列车时间、妨碍时间、天窗时间等；T使用为一昼夜车场中除去天窗等不能接发列车之外的有效使用时间，min；M为车场中到发线数量，个；t固到发线为一昼夜固定作业占用到发线的时间之和(主要是天窗时间)，min；γ空费到发线为到发线空费系数。

式中：N到发线为理论上最大接发列车数量，列/d；n到发线为实际接发列车数量，列/d。

由于高速场办理列车均为始发、终到、立折列车，列车在站台上需要进行的技术作业多，列车占用到发线上时间较长，查定平均每一列车车底占用到发线时间取33 min。γ空费到发线为到发线空费系数，考虑车站技术设备冗余性、列控设备性能，车站工作人员技术水平及旅客乘降造成的一定延误，妨碍因素较多，取0.2。T使用= (24 - 4)×60 = 1 200 min。= 241×33 = 7 953 min。

高速场到发线计算结果为K到发线= 70.20%，N到发线= 241 / 0.702 0 = 343 列/d。

由以上分析可以看出，到发线利用率较紧张，到发线理论上可接发的列车数为343 列/d。

相比于咽喉能力，到发线可提升的能力更大，但实际上到发线能力受咽喉能力的制约导致无法完全利用，到发线理论上最多接发列车数是不可实现的。因此，咽喉能力不足是制约高速场通过能力的重要因素。

图6 前行列车速度310 km/h，后行列车速度350 km/h 列车运行图铺画示意图Fig.6 Basic flow chart of train working diagram of the first train at 310 km/h and the following train at 350 km/h

2.2 列车运行图对区段通过能力影响分析

到发线运用是列车运行图的基础。高速场列车运行图中到发线上出发列车运行速度等级为 350 km/h 和310 km/h，由于存在速度差，列车在区段的纯运行时间不同，也决定了到发线上列车的发发间隔时间不同，因而列车运行图的铺画对区段通过能力产生影响。在120 列/d 出发列车中，有 17 列/d 列车由速度标尺为350 km/h 复兴号动车组担当，其中有13 列/d 在7 : 00—19 : 00 时间段内逢整点发车，剩下4 列/d 发车时间分别为6 : 55，17 : 55，19 : 04，19 : 08，均和整点350 km/h 复兴号列车连续追踪运行；其他列车速度标尺为310 km/h，由复兴号动车组和和谐号动车组混合担当。

前行列车速度为310 km/h，后行列车速度为350 km/h 列车运行图铺画示意图如图6 所示。

前行列车为310 km/h 速度等级列车，后行列车为350 km/h 速度等级列车，二车的发发间隔时间计算公式分别如公式 ⑸、公式 ⑹ 所示。

式中：t2为二车发发间隔时间，min；t0为二车在区段运行时间差，min；t1为350 km/h 列车发发间隔时间，min；t310为310 km/h 速度等级列车区段运行时间，min；t350为350 km/h 速度等级列车区段运行时间，min。

不同的速度等级列车存在区段运行时间差，随着区段距离的增加，区段运行时间差增加。在前车为310 km/h 速度等级列车，后车为350 km/h 速度等级列车，随着区段运行时间差增加，发发间隔时间也增加，从而造成一定的能力扣除。以北京南—济南西区间为例，310 km/h 速度等级列车运行时间为1 h 32 min，350 km/h 速度等级列车运行时间为1 h 22 min，因而t0为10 min。取t1为 5 min，则t2发发间隔时间长达为15 min。在高速场出发列车实际排图中，后车速度标尺为350 km/h 复兴号动车组列车与前车速度标尺为310 km/h 动车组列车发车间隔时间除了早上G381 次列车和G19 次列车发车间隔为5 min，晚间G271 次列车和G17 次列车发车间隔时间为20 min，其余时间均为 10 min。对于G381 次，由于只运行到京津线路所就离开京沪高速铁路转往东北方向，区间运行距离较短，与G19 次在此区间运行时间差约2 min，G19 次可在运行中采取轻微降速保持与G381 次一定的追踪间隔距离，对G19 次影响较小；对于其他列车，t2为10 min，小于15 min，则310 km/h速度等级前行列车不能持续运行到达济南西站，势必在区段内中间站停车待避350 km/h 速度等级列车，增加了310 km/h 速度等级列车的运行时间，降低了列车运行速度，对运行产生了不利的影响。10 min 的发发间隔时间相比5 min 则扣除了1 条列车运行线。

由于列车运行图中的混跑，前车为310 km/h速度等级列车、后车为350 km/h 速度等级列车的发发间隔时间长达10 min，相比较一般的发发间隔时间5 min，混跑造成1 条列车运行线的扣除，对区段通过能力产生了不利影响[9]。

3 研究结论

（1）有条件时改造高速场咽喉区道岔布局。咽喉区道岔设置不够合理，使得可建立的平行进路数量较少，从而导致北京南站股道运用限制较多。上行接车方向，列车若只在咽喉道岔区1 处变更股道，则只能接入X17，X16，XXV，XXIV4 个股道，若想接入其他股道，则必须提前在咽喉道岔区2 变更股道；下行发车方向，列车若在X19，X18，X17，X16，X9，X8 6 个股道发车，则需在咽喉道岔区2 才可转入下行正线。通过改造咽喉区道岔布局，增加平行进路数量，减少股道运用的限制，提升能力。

（2）合理安排高速场列车的进站出站进路。由于高速场西咽喉区较长，同一条到发线可能存在多个不同的接发车进路。存在多个发车进路的，应选取走行最短路程进入下行正线的进路，使得列车尽早进入下行正线运行，尽早提高限速，最快离开咽喉区，从而尽可能早地为下一趟列车办理出发进路；存在多个接车进路的，尽可能使列车较晚地离开上行正线，如果进路切割下行正线，应选取在下行正线走行路程最短的。尽量避免接发列车交叉进路的出现，影响能力。

（3）合理优化高速场到发线的运用方案。合理使用到发线，使每一条到发线接发车数量尽量均衡，从而提高办理客运乘降的效率。尽量避免到达列车和出发列车同一时间段安排在同一站台相邻股道。到达客流和出发客流在短时间内聚集在同一个站台，站台客流量过大给车站运输组织工作带来不便，也容易发生意外事件造成列车晚点延误，对通过能力产生不利影响。

（4）减少列车在高速场西咽喉区的占用时间。相比于到发线、咽喉区接发车能力限制是高速场通过能力限制的主要原因。通过提升西咽喉区列控设备的技术性能，减少列控设备反应时间，减少一些关键的缓冲时间，提高列车在咽喉区的限制速度等，从而减少列车在高速场西咽喉区的占用时间，相应也减少列车间隔时间。

（5）在条件成熟时京沪高速铁路列车可全部提速至350 km/h。由于列车提速，列车在区段运行时间将减少，列车平均速度有所提升，还可延长高速场晚间有效的发车时间，在更长的时间段内开行更多的中长途列车；由于列车速度等级统一，还可消除由于混跑产生的运行线能力的浪费，进一步挖掘运输潜力与能力。

（6）尽可能充分利用高速场空闲时段的能 力[10]，同时做好高速场、城际场及普速场3 者之间旅客运输的分工与配合。周五晚上是天津方向出发客流高峰期，为了应对周五晚上天津方向的巨大客流，考虑京沪高速铁路下行出发方向晚间时间相对空闲，可在高速场开行终到天津西站的高速动车组列车，以弥补京津城际铁路的运力不足，也可在普速场开行终到天津站或天津西站的动力集中型动车组列车，以提升运力。