周鵬飛

(鄭州鐵路局鄭州北車站，鄭州　450053)

?

基于節(jié)點分級的高速鐵路列車停站方案設計策略

周鵬飛

(鄭州鐵路局鄭州北車站，鄭州450053)

高速鐵路發(fā)展方興未艾，存在很多問題有待于進一步研究和探討，特別是高速鐵路列車開行停站方案設計問題。針對這一問題引入高速鐵路客運節(jié)點等級劃分的理念和方法，著重分析高速鐵路客運節(jié)點等級劃分的意義和方法，并建立基于節(jié)點分級的高速鐵路列車停站方案設計策略，最后以京廣高鐵為例進行案例分析，得到設計策略結(jié)果和結(jié)論。

高速鐵路；客運節(jié)點；等級劃分；停站方案；京廣高鐵

高速鐵路的高技術不僅體現(xiàn)在硬件裝備上，還體現(xiàn)在其先進的運營管理與運輸組織技術上。旅客列車開行方案規(guī)定了列車開行的區(qū)段、等級、數(shù)量、經(jīng)由、停站、編組等內(nèi)容[1]。其中列車停站方案是影響開行方案服務效果的關鍵因素之一[2]。高速鐵路列車停站方案是列車開行方案的重要組成部分，即主要確定各組旅客列車始發(fā)、終到站以及中間停站的組合方式。鐵路客運節(jié)點是鐵路運輸網(wǎng)絡上的客流發(fā)生點和吸引點，廣義而言就是鐵路運輸網(wǎng)絡通道途經(jīng)的各個城市[3-4]。高速鐵路客運節(jié)點的自然屬性以及社會屬性會對旅客出行選擇行為產(chǎn)生影響，致使在不同屬性的客運節(jié)點之間，旅客出行選擇行為具有明顯的差異。所以分析高速鐵路所覆蓋車站的節(jié)點屬性將成為確定高速鐵路列車停站方案的重要基礎，而節(jié)點等級作為代表節(jié)點運輸集散能力的量化指標，成為路網(wǎng)規(guī)劃中衡量城市或交通樞紐重要程度的主要依據(jù)[5]。因此，本文將重點研究高速鐵路客運節(jié)點等級劃分的理論與方法，及基于節(jié)點等級劃分的高鐵列車停站方案設計理念，并結(jié)合京廣高鐵實例驗證。

1　客運節(jié)點等級劃分理論及方法

節(jié)點的功能定位是由經(jīng)濟、市場需求以及政治等多方面因素形成的?？土鞴?jié)點等級劃分應保持高速鐵路網(wǎng)絡的完整性，注重節(jié)點間的相關性和聯(lián)絡性。應遵循與高速鐵路網(wǎng)絡功能、客流量、客運站技術作業(yè)能力、人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展水平和旅客出行需求等相適應的原則[6]。由于客運節(jié)點等級的確定是對多個因素綜合評價的結(jié)果，涉及不同因素之間的相互作用，而多種因素是相互制約、影響的，多因素間比較往往無法用定量的方式描述。所以直接劃分缺乏科學性，需要將半定性、半定量的問題轉(zhuǎn)化為定量指標計算問題。因此首先應建立客運節(jié)點等級劃分的綜合評價指標體系，得到各個節(jié)點的綜合評價指標，據(jù)此進一步進行分類處理。本文在綜合考慮以上因素的基礎上，建立高速鐵路節(jié)點等級評價指標體系，如圖1所示。

圖1　節(jié)點等級劃分評價指標體系

根據(jù)此指標體系的結(jié)構特征以及指標特點，指標量化的數(shù)值類型等因素，采用聚類分析的方法針對高速鐵路客運節(jié)點等級進行劃分。具體分為2個步驟。

(1)R型聚類，先針對節(jié)點的劃分依據(jù)進行R型聚類即變量聚類，對評價指標之間進行聚類分析。由于部分指標間有較強關聯(lián)性，可以由一指標替代與其相關的一系列指標，以減少計算時間和工作量，并且不會影響處理結(jié)果。采用分層聚類法中的凝聚法，聚類開始時把參與聚類的每個變量視為一類，根據(jù)兩類之間的距離或相似性逐步合并。直到合并為一個大類為止。相似性度量方法選擇組間平均連接法，即合并兩類的結(jié)果使所有的兩兩項對之間的平均距離最小，可以借助SPSS軟件的變量聚類分析功能實現(xiàn)。

(2)Q型聚類，客運專線節(jié)點的樣本聚類借助SPSS軟件聚類分析模塊中的兩步聚類過程，其特點是對分類變量和連續(xù)變量都適用；聚類過程可以自動確定分類數(shù)。分類過程第一步首先將觀測量聚為許多小的子類；第二步對第一步形成的子類再次聚類，得到最好的類數(shù)[7-8]。為了處理分類變量和連續(xù)變量，兩步聚類過程用似然距離測度；聚類數(shù)可以人工設定，也可讓算法依據(jù)貝葉斯判據(jù)(BIC)自動選擇最優(yōu)聚類數(shù)。

2　基于節(jié)點等級的停站方案設計策略

高速鐵路停站方案實際即確定列車在沿途各節(jié)點停站與否的可能情況組合方式的設計，在得到客運節(jié)點等級的基礎上，可以考慮到不同節(jié)點等級所對應節(jié)點的影響力等因素來確定列車停站方案。不同等級節(jié)點對旅客列車的服務頻率要求不同，即全天通過停站的列車數(shù)目要求不同。本文基于不同等級節(jié)點不同服務頻率要求作為基本原則。基于既有研究資料確定節(jié)點服務頻率，基于一級節(jié)點服務頻率不小于4次/h、二級節(jié)點服務頻率不小于2次/h、三級節(jié)點服務頻率不小于1次/2 h的原則[9]，可以得到本線列車各節(jié)點的服務頻率范圍。

在得到列車各節(jié)點的服務頻率范圍的基礎上，如何進一步確定列車停站方案是重要環(huán)節(jié)。可以從定量分析及定性分析兩方面考慮[10-12]。本文在重點研究基于節(jié)點等級劃分確定列車停站方案的基礎上，確定詳細制定策略。根據(jù)基于一級節(jié)點有列車通過即停站，一級節(jié)點之間、一級節(jié)點與二級節(jié)點之間、一級節(jié)點與三級節(jié)點之間、二級節(jié)點之間、二級節(jié)點與三級節(jié)點之間應有直達條件，部分三級節(jié)點之間需要一次換乘的原則，采用交錯停站的方式，以盡量縮短旅客旅行時間作為參考準則，最終確定高鐵列車開行方案的停站方案的設計。

3　案例分析

以京廣高鐵為例，在2013年初京廣高鐵客流數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計結(jié)果的基礎上，依據(jù)上文評價指標體系和節(jié)點等級劃分方法對京廣高鐵的節(jié)點等級進行劃分，節(jié)點等級劃分指標中鐵路客運量、始發(fā)列車數(shù)量兩項指標由客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，其他指標則通過查閱城市統(tǒng)計年鑒獲得，得到各項評價指標的數(shù)值結(jié)果如表1所示。

表1　評價指標結(jié)果

為下一步計算所需，將統(tǒng)計指標量化處理，將動車段所設置情況、線路銜接情況、城市屬性等分類變量指標用數(shù)字代表不同的類型從而得到量化的結(jié)果。得到指標量處理化結(jié)果后，為了合并相似度高的指標，進一步簡化指標體系，利用SPSS軟件的聚類分析功能針對指標進行聚類分析，即進行變量聚類(R型聚類)處理，得到結(jié)果如表2所示。

表2　變量聚類結(jié)果

評價指標的近似矩陣顯示：鐵路客運量C1、始發(fā)列車數(shù)量C2和動車段所設置C4這3項指標的相似系數(shù)較高，說明該3項指標的相似性很大。因此該3項指標中選取鐵路客運量這一項指標代表其他兩項指標進行下一步驟的計算，實現(xiàn)了評價指標體系的簡化。

利用聚類處理后的C1、C3、C5、C6、C7五項指標，利用SPSS軟件的兩步聚類分析功能，針對客運專線節(jié)點進行聚類分析(Q型聚類)，進行兩步聚類分析得到自動聚類結(jié)果如表3所示。

表3　自動聚類結(jié)果

注：a.變化是相對于表中先前的聚類個數(shù)而言。

b.變化的比率與兩個聚類解的變化相關。

c.距離度量的比率以當前聚類的個數(shù)為基礎而不是先前的聚類個數(shù)為基礎。

基于上述方法理論，BIC值最小的聚類數(shù)為最佳聚類結(jié)果，因此得出京廣高鐵節(jié)點劃分為3個等級比較適宜。京廣高鐵節(jié)點聚類結(jié)果樹狀圖如圖2所示。

圖2　京廣高鐵節(jié)點等級劃分聚類樹狀圖

SPSS軟件自動聚類得出的京廣高鐵節(jié)點等級劃分結(jié)果如表4所示。

表4　京廣高鐵節(jié)點等級劃分結(jié)果

得到開行方案的各區(qū)段開行數(shù)量結(jié)果后，進行開行方案停站設計，基于不同等級節(jié)點不同服務頻率要求的原則，本線列車各節(jié)點的服務頻率范圍如表5所示。

表5　本線列車各節(jié)點服務頻率范圍　次/d

根據(jù)前面章節(jié)對京廣沿線每個車站旅客發(fā)送量的統(tǒng)計分析，以及節(jié)點等級劃分情況，基于一級節(jié)點有列車通過即停站，一級節(jié)點之間、一級節(jié)點與二級節(jié)點之間、一級節(jié)點與三級節(jié)點之間、二級節(jié)點之間、二級節(jié)點與三級節(jié)點之間應有直達條件，部分三級節(jié)點之間需要一次換乘的原則，采用交錯停站的方式。并且鐵路應最大限度節(jié)省出行時間消耗[13-14]，還應以盡量縮短旅客旅行時間作為參考準則[15]，基于以上原則確定京廣高鐵列車開行方案的停站方案，可以采用滿足以上原則綜合設計一套停站方案。

4　結(jié)論

(1)我國鐵路客運網(wǎng)絡規(guī)模龐大，客流密度分布不均衡，受到網(wǎng)絡結(jié)構的復雜性和多種不確定因素的影響，旅客列車始發(fā)方案的制定難度較大。對于龐大的鐵路客運網(wǎng)絡而言，在制定列車開行方案是需要考慮客運站的重要性，分析客運站間的差異性。特別高鐵節(jié)點等級劃分將為高速鐵路客流預測增長趨勢確定、列車開行方案運行區(qū)段始發(fā)終到站確定、停站方案設計、開行方案評價及優(yōu)化等環(huán)節(jié)提供研究的基礎。因此研究高速鐵路客運節(jié)點等級劃分具有重要的意義和實際應用指導價值。

(2)在建立高速鐵路客運節(jié)點等級綜合評價指標體系的基礎上，提出運用聚類分析法進行綜合評判，得到比較客觀的節(jié)點等級劃分結(jié)果，基于不同等級節(jié)點不同服務頻率要求作為基本原則以及細化的具體原則設計高鐵列車停站方案策略。最后以京廣高鐵為例驗證了基于節(jié)點等級的高鐵列車停站方案設計方法的合理性及可操作性，表明了這種方法計算的有效性。該方法可以對制定高速鐵路旅客列車開行方案提供必要的技術支撐，以及為運輸組織方案及運輸生產(chǎn)力布局等相關研究提供一定的理論參考依據(jù)。

[1]韓寶明.高速鐵路概論[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2]李得偉，韓寶明，李曉娟，等.基于節(jié)點服務的高速鐵路列車停站方案優(yōu)化模型[J].鐵道學報，2013，35(6):1-5.

[3]陳釘均，張述能，倪少權，等.基于粗糙主成分分析法的鐵路網(wǎng)客運節(jié)點重要度決策[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2011，33(8):30-33.

[4]杜欣，牛永濤，韓寶明，等.基于節(jié)點重要度的客運專線旅客列車開行方案[J].北京交通大學學報，2010，34(6):5-10.

[5]鄧延偉.基于評價指標體系的客運專線客流節(jié)點聚類分析[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2010，32(5):21-24.

[6]王爽，趙鵬，劉晨光，等.客運節(jié)點等級劃分方法及列車開行方案求解策略研究[J].鐵道學報，2011，33(3):1-8.

[7]韓寶明，等.哈大客運專線列車開行方案及輔助決策系統(tǒng)研究報告[R].北京:北京交通大學，2011.

[8]張擁軍，杜文.高速列車開行數(shù)量及停站的綜合優(yōu)化研究[J].鐵路現(xiàn)代化，1997(1)：20-26.

[9]周鵬飛，韓寶明.印度新德里地鐵的設計與運營特點[J].城市軌道交通研究，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]周鵬飛.高速鐵路跨線客流輸送模式研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[12]馮楓.客運專線高速客車開行方案的計算與評價[D].北京：北京交通大學，2006.

[13]鄧連波.客運專線相關旅客列車開行方案優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學，2007.

[14]宇海龍.旅客列車開行方案評價研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[15]皇妍妍，周磊山，秦蕾，等.客運專線旅客列車開行方案的研究[J].物流工程與管理，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)

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.

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

2016-03-04；

2016-03-14

周鵬飛(1990—)，男，助理工程師，2015年畢業(yè)于北京交通大學交通運輸工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：13125751@bjtu.edu.cn。

1004-2954(2016)10-0014-04

U238

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.004