? 基于节点分级的高速铁路列车停站方案设计策略

基于节点分级的高速铁路列车停站方案设计策略

周鹏飞

(郑州铁路局郑州北车站，郑州　450053)

摘　要：高速铁路发展方兴未艾，存在很多问题有待于进一步研究和探讨，特别是高速铁路列车开行停站方案设计问题。针对这一问题引入高速铁路客运节点等级划分的理念和方法，着重分析高速铁路客运节点等级划分的意义和方法，并建立基于节点分级的高速铁路列车停站方案设计策略，最后以京广高铁为例进行案例分析，得到设计策略结果和结论。

关键词：高速铁路；客运节点；等级划分；停站方案；京广高铁

高速铁路的高技术不仅体现在硬件装备上，还体现在其先进的运营管理与运输组织技术上。旅客列车开行方案规定了列车开行的区段、等级、数量、经由、停站、编组等内容[1]。其中列车停站方案是影响开行方案服务效果的关键因素之一[2]。高速铁路列车停站方案是列车开行方案的重要组成部分，即主要确定各组旅客列车始发、终到站以及中间停站的组合方式。铁路客运节点是铁路运输网络上的客流发生点和吸引点，广义而言就是铁路运输网络通道途经的各个城市[3-4]。高速铁路客运节点的自然属性以及社会属性会对旅客出行选择行为产生影响，致使在不同属性的客运节点之间，旅客出行选择行为具有明显的差异。所以分析高速铁路所覆盖车站的节点属性将成为确定高速铁路列车停站方案的重要基础，而节点等级作为代表节点运输集散能力的量化指标，成为路网规划中衡量城市或交通枢纽重要程度的主要依据[5]。因此，本文将重点研究高速铁路客运节点等级划分的理论与方法，及基于节点等级划分的高铁列车停站方案设计理念，并结合京广高铁实例验证。

1　客运节点等级划分理论及方法

节点的功能定位是由经济、市场需求以及政治等多方面因素形成的。客流节点等级划分应保持高速铁路网络的完整性，注重节点间的相关性和联络性。应遵循与高速铁路网络功能、客流量、客运站技术作业能力、人口数量、经济发展水平和旅客出行需求等相适应的原则[6]。由于客运节点等级的确定是对多个因素综合评价的结果，涉及不同因素之间的相互作用，而多种因素是相互制约、影响的，多因素间比较往往无法用定量的方式描述。所以直接划分缺乏科学性，需要将半定性、半定量的问题转化为定量指标计算问题。因此首先应建立客运节点等级划分的综合评价指标体系，得到各个节点的综合评价指标，据此进一步进行分类处理。本文在综合考虑以上因素的基础上，建立高速铁路节点等级评价指标体系，如图1所示。

图1　节点等级划分评价指标体系

根据此指标体系的结构特征以及指标特点，指标量化的数值类型等因素，采用聚类分析的方法针对高速铁路客运节点等级进行划分。具体分为2个步骤。

(1)R型聚类，先针对节点的划分依据进行R型聚类即变量聚类，对评价指标之间进行聚类分析。由于部分指标间有较强关联性，可以由一指标替代与其相关的一系列指标，以减少计算时间和工作量，并且不会影响处理结果。采用分层聚类法中的凝聚法，聚类开始时把参与聚类的每个变量视为一类，根据两类之间的距离或相似性逐步合并。直到合并为一个大类为止。相似性度量方法选择组间平均连接法，即合并两类的结果使所有的两两项对之间的平均距离最小，可以借助SPSS软件的变量聚类分析功能实现。

(2)Q型聚类，客运专线节点的样本聚类借助SPSS软件聚类分析模块中的两步聚类过程，其特点是对分类变量和连续变量都适用；聚类过程可以自动确定分类数。分类过程第一步首先将观测量聚为许多小的子类；第二步对第一步形成的子类再次聚类，得到最好的类数[7-8]。为了处理分类变量和连续变量，两步聚类过程用似然距离测度；聚类数可以人工设定，也可让算法依据贝叶斯判据(BIC)自动选择最优聚类数。

2　基于节点等级的停站方案设计策略

高速铁路停站方案实际即确定列车在沿途各节点停站与否的可能情况组合方式的设计，在得到客运节点等级的基础上，可以考虑到不同节点等级所对应节点的影响力等因素来确定列车停站方案。不同等级节点对旅客列车的服务频率要求不同，即全天通过停站的列车数目要求不同。本文基于不同等级节点不同服务频率要求作为基本原则。基于既有研究资料确定节点服务频率，基于一级节点服务频率不小于4次/h、二级节点服务频率不小于2次/h、三级节点服务频率不小于1次/2 h的原则[9]，可以得到本线列车各节点的服务频率范围。

在得到列车各节点的服务频率范围的基础上，如何进一步确定列车停站方案是重要环节。可以从定量分析及定性分析两方面考虑[10-12]。本文在重点研究基于节点等级划分确定列车停站方案的基础上，确定详细制定策略。根据基于一级节点有列车通过即停站，一级节点之间、一级节点与二级节点之间、一级节点与三级节点之间、二级节点之间、二级节点与三级节点之间应有直达条件，部分三级节点之间需要一次换乘的原则，采用交错停站的方式，以尽量缩短旅客旅行时间作为参考准则，最终确定高铁列车开行方案的停站方案的设计。

3　案例分析

以京广高铁为例，在2013年初京广高铁客流数据整理统计结果的基础上，依据上文评价指标体系和节点等级划分方法对京广高铁的节点等级进行划分，节点等级划分指标中铁路客运量、始发列车数量两项指标由客流数据统计得出，其他指标则通过查阅城市统计年鉴获得，得到各项评价指标的数值结果如表1所示。

表1　评价指标结果

节点名称铁路客运量C1/人次始发列车数量C2/列人口数量C3/万人动车段所设置C4线路衔接情况C5城市属性C6人均可支配收入C7/元北京47460692069.30动车段交叉式首都36469保定580601119.44—通过式地级市16912定州15040121.00—通过式县级市9478石家庄22614121027.98—通过式省会20534高邑385017.56—通过式县级7029邢台30550780.00—通过式地级市16592邯郸74345963.50—通过式地级市19322安阳32791571.30—通过式地级市19821鹤壁19170156.90—通过式地级市17167新乡24250591.00—通过式地级市17988郑州2412317910.00运用所交叉式省会21612许昌28990431.00—通过式地级市17503漯河32650257.00—通过式地级市15795驻马店42760723.07—通过式地级市13702信阳65906610.87—通过式地级市15271孝感18560531.00—通过式地级市15888武汉38312611002.00动车段交叉式省会23738咸宁30440282.00—通过式地级市14875赤壁2559052.00—通过式县级市13330岳阳129812547.79—通过式地级市19558汨罗2437070.00—通过式县级市7629长沙4257532704.00运用所交叉式省会11546株洲71610385.56—通过式地级市22633衡山467505.97—通过式市辖区11878衡阳138610714.15—通过式地级市13152耒阳53120140.00—通过式地级市6928郴州119740458.18—通过式地级市19860韶关72241321.00—通过式地级市20329英德15410111.00—通过式县级市6481清远27190369.84—通过式地级市6159广州62639661275.00动车段尽端式省会34438

为下一步计算所需，将统计指标量化处理，将动车段所设置情况、线路衔接情况、城市属性等分类变量指标用数字代表不同的类型从而得到量化的结果。得到指标量处理化结果后，为了合并相似度高的指标，进一步简化指标体系，利用SPSS软件的聚类分析功能针对指标进行聚类分析，即进行变量聚类(R型聚类)处理，得到结果如表2所示。

表2　变量聚类结果

项目C1C2C3C4C5C6C7C11.0000.9360.7230.9180.8990.7800.689C20.9361.0000.7300.9810.8980.7450.702C30.7230.7301.0000.6850.6270.8660.780C40.9180.9810.6851.0000.9480.7240.670C50.8990.8980.6270.9481.0000.7320.565C60.7800.7450.8660.7240.7321.0000.786C70.6890.7020.7800.6700.5650.7861.000

评价指标的近似矩阵显示：铁路客运量C1、始发列车数量C2和动车段所设置C4这3项指标的相似系数较高，说明该3项指标的相似性很大。因此该3项指标中选取铁路客运量这一项指标代表其他两项指标进行下一步骤的计算，实现了评价指标体系的简化。

利用聚类处理后的C1、C3、C5、C6、C7五项指标，利用SPSS软件的两步聚类分析功能，针对客运专线节点进行聚类分析(Q型聚类)，进行两步聚类分析得到自动聚类结果如表3所示。

表3　自动聚类结果

聚类数Schwarz的Bayesian准则(BIC)BIC变化aBIC变化的比率b距离度量的比率c1190.1992141.664-48.5351.0002.1353137.186-4.4770.0923.5094160.46423.277-0.4801.8065188.67928.215-0.5811.4676218.84430.165-0.6221.3087249.99231.148-0.6421.4968282.19932.206-0.6641.1849314.73632.538-0.6701.55610347.91833.182-0.6841.18211381.27833.360-0.6871.21212414.81033.532-0.6911.11013448.42233.612-0.6931.65314482.32133.899-0.6981.40915516.34834.027-0.7011.106

注：a.变化是相对于表中先前的聚类个数而言。

b.变化的比率与两个聚类解的变化相关。

c.距离度量的比率以当前聚类的个数为基础而不是先前的聚类个数为基础。

基于上述方法理论，BIC值最小的聚类数为最佳聚类结果，因此得出京广高铁节点划分为3个等级比较适宜。京广高铁节点聚类结果树状图如图2所示。

图2　京广高铁节点等级划分聚类树状图

SPSS软件自动聚类得出的京广高铁节点等级划分结果如表4所示。

表4　京广高铁节点等级划分结果

节点等级节点等级节点等级北京1许昌2长沙1保定2漯河2株洲2定州3驻马店2衡山3石家庄1信阳2衡阳2高邑3孝感2耒阳3邢台2武汉1郴州2邯郸2咸宁2韶关2安阳2赤壁3英德3鹤壁2岳阳2清远3新乡2汨罗3广州1郑州1

得到开行方案的各区段开行数量结果后，进行开行方案停站设计，基于不同等级节点不同服务频率要求的原则，本线列车各节点的服务频率范围如表5所示。

表5　本线列车各节点服务频率范围　次/d

节点服务频率节点服务频率节点服务频率北京不少于72许昌不少于36长沙不少于72保定不少于36漯河不少于36株洲不少于36定州不少于9驻马店不少于36衡山不少于9石家庄不少于72信阳不少于36衡阳不少于36高邑不少于9孝感不少于36耒阳不少于9邢台不少于36武汉不少于72郴州不少于36邯郸不少于36咸宁不少于36韶关不少于36安阳不少于36赤壁不少于9英德不少于9鹤壁不少于36岳阳不少于36清远不少于9新乡不少于36汨罗不少于9广州不少于72郑州不少于72

根据前面章节对京广沿线每个车站旅客发送量的统计分析，以及节点等级划分情况，基于一级节点有列车通过即停站，一级节点之间、一级节点与二级节点之间、一级节点与三级节点之间、二级节点之间、二级节点与三级节点之间应有直达条件，部分三级节点之间需要一次换乘的原则，采用交错停站的方式。并且铁路应最大限度节省出行时间消耗[13-14]，还应以尽量缩短旅客旅行时间作为参考准则[15]，基于以上原则确定京广高铁列车开行方案的停站方案，可以采用满足以上原则综合设计一套停站方案。

4　结论

(1)我国铁路客运网络规模庞大，客流密度分布不均衡，受到网络结构的复杂性和多种不确定因素的影响，旅客列车始发方案的制定难度较大。对于庞大的铁路客运网络而言，在制定列车开行方案是需要考虑客运站的重要性，分析客运站间的差异性。特别高铁节点等级划分将为高速铁路客流预测增长趋势确定、列车开行方案运行区段始发终到站确定、停站方案设计、开行方案评价及优化等环节提供研究的基础。因此研究高速铁路客运节点等级划分具有重要的意义和实际应用指导价值。

(2)在建立高速铁路客运节点等级综合评价指标体系的基础上，提出运用聚类分析法进行综合评判，得到比较客观的节点等级划分结果，基于不同等级节点不同服务频率要求作为基本原则以及细化的具体原则设计高铁列车停站方案策略。最后以京广高铁为例验证了基于节点等级的高铁列车停站方案设计方法的合理性及可操作性，表明了这种方法计算的有效性。该方法可以对制定高速铁路旅客列车开行方案提供必要的技术支撑，以及为运输组织方案及运输生产力布局等相关研究提供一定的理论参考依据。

参考文献：

[1]韩宝明.高速铁路概论[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]李得伟，韩宝明，李晓娟，等.基于节点服务的高速铁路列车停站方案优化模型[J].铁道学报，2013，35(6):1-5.

[3]陈钉均，张述能，倪少权，等.基于粗糙主成分分析法的铁路网客运节点重要度决策[J].铁道运输与经济，2011，33(8):30-33.

[4]杜欣，牛永涛，韩宝明，等.基于节点重要度的客运专线旅客列车开行方案[J].北京交通大学学报，2010，34(6):5-10.

[5]邓延伟.基于评价指标体系的客运专线客流节点聚类分析[J].铁道运输与经济，2010，32(5):21-24.

[6]王爽，赵鹏，刘晨光，等.客运节点等级划分方法及列车开行方案求解策略研究[J].铁道学报，2011，33(3):1-8.

[7]韩宝明，等.哈大客运专线列车开行方案及辅助决策系统研究报告[R].北京:北京交通大学，2011.

[8]张拥军，杜文.高速列车开行数量及停站的综合优化研究[J].铁路现代化，1997(1)：20-26.

[9]周鹏飞，韩宝明.印度新德里地铁的设计与运营特点[J].城市轨道交通研究，2014，17(8):136-138.

[10]Zhou Pengfei，Han Baoming，Zhang Qi.Survey on High-Speed Railway Train Plan Design Issues[C]∥ICCET2013，Applied Mechanics and Materials，2014，505-506:489-492.

[11]周鹏飞.高速铁路跨线客流输送模式研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[12]冯枫.客运专线高速客车开行方案的计算与评价[D].北京：北京交通大学，2006.

[13]邓连波.客运专线相关旅客列车开行方案优化研究[D].长沙：中南大学，2007.

[14]宇海龙.旅客列车开行方案评价研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[15]皇妍妍，周磊山，秦蕾，等.客运专线旅客列车开行方案的研究[J].物流工程与管理，2010，32(6)：123-124.

Research on High-speed Railway Train Stop Design Strategies Based on Node Classification

ZHOU Peng-fei

(Zhengzhou North Railway Station of Zhengzhou Railway Administration Bureau，Zhengzhou 450053，China)

Abstract：With the ever-growing high-speed railway development，there remain a lot of problems to be studied and discussed，especially the high-speed railway train stop design.In order to solve this problem，this paper introduces the concept of high-speed railway passenger transportation node hierarchy and method，analyzes the significance and methods of the high-speed railway passenger transportation node hierarchies，and establish the high-speed railway train stop scheme based on node classification design strategy，and finally selects Beijing-Guangzhou high-speed railway as an example to obtain design strategy results and conclusions.

Key words：High-speed railway; Passenger transportation node; Hierarchy; Train stop scheme; Beijing-Guangzhou high-speed railway

收稿日期：2016-03-04；

修回日期：2016-03-14

作者简介：周鹏飞(1990—)，男，助理工程师，2015年毕业于北京交通大学交通运输工程专业，工学硕士，E-mail：13125751@bjtu.edu.cn。

文章编号：1004-2954(2016)10-0014-04

中图分类号：U238

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.004