左自辉，李林灿，张守帅

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2.西南交通大学交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

0 引言

东海道新干线(东京—新大阪)是世界上第一条高速铁路，连接了日本最大的2个城市——东京和大阪，自1964年开通以来，已经安全运营了57年并创造了旅客零伤亡的奇迹。同时，随着日本国内高速铁路的持续建设，东海道新干线先后在1975年和2011年延伸到博多和鹿儿岛，后续修建的2段高速铁路分别称为山阳新干线(新大阪—博多)和九州新干线(博多—鹿儿岛)，自东京至鹿儿岛的高速铁路也常被统称为“东海道-山阳-九州新干线”[1]。

东海道-山阳-九州新干线是日本南部地区的核心线路，沿线贯穿了日本最为发达的经济带，日本前十名的大城市中除位于北海道的札幌外，其余9个均在该高速铁路沿线，日本新干线示意图如图1所示。

图1 日本新干线示意图Fig.1 Schematic diagram of Shinkansen in Japan

沿线发达的经济也带来了极为旺盛的客流需求，仅东海道一条新干线的日均客流量就达到51万人次，促进了铁路企业不断提高技术水平，运输组织精细化、高效化水平得到极大提升。通过对东海道-山阳-九州新干线运行图的分析，可为我国繁忙高速铁路的运输组织提供借鉴和启示。

1 东海道-山阳-九州新干线概况

东海道新干线连接东京、横滨、名古屋、京都、大阪等城市，线路全长515.4 km，最高运行速度285 km/h，东京到新大阪最快需2 h 22 min。

山阳新干线连接大阪、神户、冈山、广岛、北九州(小仓站)、福冈(博多站)等城市，线路全长553.7 km，最高运行速度300 km/h，新大阪到博多最快需2 h 22 min。

九州新干线连接福冈、新八代等城市，全长288.9 km，最高运行速度260 km/h，博多到鹿儿岛中央最快需1 h 17 min。需要注意的是，九州新干线又分为主线的鹿儿岛线和支线的长崎新干线，其中长崎新干线为新建标准轨与既有窄轨套轨线路，列车需要在新鸟栖、武雄温泉、谏早等站变换轨距，且列车运行速度基本在130 km/h以下，本次研究九州新干线不考虑长崎新干线区段。

日本新干线的站场结构较为简洁，到发线数量少，因而咽喉区也很短。东海道新干线车站站场股道数量如表1所示，所有车站中只有热海站由于没有侧线，不具备越行条件，其他所有车站均具备越行条件。所有列车都要停靠的大型车站如品川、新横滨、名古屋、京都等，都设计成岛式车站，可同时满足2列列车的停站；对只有少量低速列车停站的小型车站，不存在2列列车同时停站的情况，则均为侧式站台。

表1 东海道新干线车站站场股道数量Tab.1 Quantity of station tracks of Tokaido Shinkansen

新大阪站是全日本新干线最大规模的车站，到发线数量也仅有8条，其他车站到发线均在6条以内。我国北京南站、西安北站、广州南站等大型枢纽站咽喉区长度较长(北京南站1 600 m，广州南站2 100 m，西安北站3 300 m)，一般中间站咽喉区长度为500 ～ 700 m，而东海道新干线车站咽喉长度基本在500 m左右，这样的设置有利于压缩列车出发追踪时间和到达追踪间隔时间，提高车站的接发车能力[2-3]。

2 列车开行情况分析

近两年来，受到新冠肺炎疫情影响，新干线客流有较大程度的下降，相关铁路公司也取消了部分列车，为了对日本新干线的列车开行情况有较为客观的认识，选择较为繁忙的2016年3月26日开始执行的运行图作为研究对象。

2.1 列车开行范围

日本新干线针对各条线路的具体条件开发不同的动车组类型，如N700系动车组是考虑到东海道新干线上2 500 m曲线半径地段占全线的1/3，为了将列车允许速度从270 km/h提升到285 km/h，而在700系的基础上增加空气弹簧实现主动倾斜功能而研发的；800系是考虑到九州新干线坡度大(35‰)、客流少的特点而研发的，全列共6辆均为动车的动车组。不同的动车组类型有各自的运行范围，动车组具备跨线开行的条件是开行跨线列车的基础。

东海道-山阳-九州新干线共运行有N700A系、N700系、700系、500系、800系等动车组类型，其中东海道新干线客流量大，车站均为长站台，仅运行N700A系；山阳新干线车站也均为长站台，但客流量居中，因此其运行的动车组既有16辆编组的N700A系和500系，也有8辆编组的N700和700系；九州新干线客流量很小，车站均为短站台，因而只运行8辆编组的N700系和6辆编组的800系。

可见，700系和500系只在山阳新干线内部运行，800系只在九州新干线内部运行。N700A系可跨东海道新干线和山阳新干线运行，N700系可跨山阳新干线和九州新干线运行。新干线动车组运行范围均为1或2条线路，不存在跨3条新干线运行的情况。

从实际运行图的列车开行范围来看，东京站始发的列车，终到站多为东海道新干线的终点站新大阪和山阳新干线的终点站博多，这2类列车分别保证每小时开行4列及以上，少量列车终到站为名古屋、广岛、冈山等中间站，每小时开行1至2列。在18:00以后，受到夜间天窗限制，梯次开行少量终到三岛、姬路、浜松、静冈等站的列车。

九州新干线运行的列车中，有37列为本线列车，即从博多运行至熊本或鹿儿岛；其余列车均为山阳新干线的列车跨线到九州新干线上运行(大阪始发26列，广岛始发2列)。

由此可见，东海道-山阳-九州新干线上采用的是本线、跨线混跑的模式，但列车最多跨2条新干线开行。这一方面是出于动车组性能与线路是否匹配的考虑，另一方面也是因为日本普遍认为高速铁路运行时间超过4 h就无法竞争过航空，而且列车开行距离越长对列车正点率影响越大。实际上，跨越东海道新干线和山阳新干线的东京到博多的列车运行距离为1 174.9 km，也是日本新干线开行距离最长的列车。

2.2 列车类型

在东海道-山阳-九州新干线运行的列车根据其开行范围、停站规律和旅行速度划分了多种类型。

东海道新干线运行的列车按照旅行速度从快至慢依次为“希望号”“光号”“回声号”。

（1）“希望号”。“希望号”列车为东海道新干线运行的主要类型列车，在平时图中开行比例约占60%，绝大多数在东京至大阪或者东京至博多间开行，只有在夜间天窗前才有少量的东京至广岛间开行。“希望号”列车的停站方案基本固定，在东海道新干线内均停靠东京、品川、新横滨、名古屋、京都、大阪等6个站，在山阳新干线内停靠新神户、冈山、广岛、小仓、博多等5个站。此外，不同车次还会选择山阳新干线内姬路、福山、德山、新山口站等4个站中的1个或2个停靠。东京往返新大阪的“希望号”列车，最快需2 h 22 min (距离515 km)，最慢需2 h 37 min，大多都是2 h 30 min，2 h 33 min或2 h 36 min。东京至博多的最快列车需4 h 53 min，最慢列车需5 h 19 min。

（2）“光号”。“光号”的旅行速度介于“希望号”和“回声号”之间，其开行频率较低，每小时仅开行1至2列，大多数的开行范围为东海道新干线的东京至大阪，少量车次的开行范围为跨东海道和山阳新干线的东京至冈山。停站方面，“光号”除了固定停靠“希望号”停靠的6个站外，还固定停靠岐阜羽島、米原2个站，此外还根据客流需求安排了部分非固定停靠站，这导致不同“光号”列车的停站数量有较大差异。

（3）“回声号”。“回声号”是在东海道新干线和山阳新干线运行的站站停列车，其行驶距离通常较短，也不会跨线运行，大部分“回声号”的运行区段是东海道新干线的东京到三岛/静冈/滨松/名古屋/新大阪，或三岛/静冈/名古屋到新大阪，山阳新干线的新大阪/冈山/广岛到博多。

除此之外，还有“瑞穗号”跨山阳新干线和九州新干线运行，往返于新大阪站至鹿儿岛中央站之间，是停站固定且旅行速度最快的列车，定位类似于“希望号”；“樱花号”的行驶区间和“瑞穗号”相同，但停站略多，定位类似于“光号”；“燕子号”则是仅在九州新干线运行的站站停列车，定位类似于“回声号”。

东海道-山阳-九州新干线途经城市客流量明显具有不均衡性，东京、名古屋、京都、大阪等城市客流量大，其余城市客流量较小，这种设置有不同速度等级“快慢车”的行车组织模式非常符合其客流需求。通过开行跨线运行、速度较快、固定停靠大城市的“希望号”“瑞穗号”，可以满足客流较大的城市间旅客直达需求；通过开行本线运行、速度较慢且站站停的“回声号”“燕子号”列车满足了区间客流较少的城市间的旅客出行需求；通过开行少量不固定停站的“光号”和“樱花号”作为补充，满足了部分客流中等城市的出行需求。这种开行方案层次分明、简单明确且针对性强，既具有充分的规律性，也具有一定的灵活性，很好地满足了客流的出行需求[4]。

2.3 行车量

通过对东海道-山阳-九州新干线2016年3月26日平日图的统计，得到东海道-山阳-九州新干线各区段行车量示意图如图2所示。

由图2可知，东海道新干线、山阳新干线、九州新干线的行车量逐渐降低，其行车量在东京至名古屋区段达到最高，上下行方向较为均衡，约200对/d。

图2 东海道-山阳-九州新干线各区段行车量示意图Fig.2 Schematic diagram of traffic volume of each section of Tokaido-Shanyang-Kyushu Shinkansen

最繁忙的东京站，下行(东京到大阪)方向最大发车密度为15列/h，出现在18 : 00—20 : 00之间；上行方向最大接车密度为14列/h，分别为08 : 00—10 : 00、19 : 00—22 : 00。

新横滨站高峰小时也发出列车15列(18 : 00—20 : 00)，到达列车14列(9 : 00—11 : 00，17 : 00—21 : 00)；名古屋站、京都站、大阪站高峰小时到达和出发列车均为13列。山阳新干线各站高峰小时最多到达、出发列车均为11列，九州新干线各站高峰小时到达、出发列车均为5列。

3 运行图结构分析

最繁忙的东海道新干线部分区段平日图如图3所示。由图3可以掌握东海道新干线的运行图标尺，读出相关间隔时间的取值情况，具体如下：到达间隔时间为3 min，出发间隔时间为3 min，通发间隔时间、到通间隔时间之和为2 min 15 s，无侧线的热海站同股道发到间隔时间为2 min。此外，还可以推算出列车折返时间为16 min，停站时间介于45 s至1 min 30 s之间，起停车附加时分之和为3 min 45 s。

图3 东海道新干线部分区段平日图Fig.3 Normal train working diagram of Tokaido Shinkansen for some periods

东京站全天200列车中，3列及以上连续追踪的共18组，相关列车占所有列车数的29.5%。其中13组为3列追踪，相关列车占所有列车数的19.5%；5组为4列追踪，相关列车占所有列车数的10%。全日最大连续3 min追踪数量为4列。

以东京站的连续3 min追踪列车为例进行分析，发现以下规律。

（1）无论是3列追踪还是4列追踪，其前面2列/3列均为最快的“希望号”，最后1列均为站站停的“回声号”，对应时刻为每个小时的26分或56分。“回声号”后面间隔4 min，即30分或下一小时的0分，再发出2列及以上的“希望号”或“光号”列车。若将4 min也视为连续追踪，则东京站可以连续发出最多7列车，在这7列车之前和之后，均保证了7 min的间隔，7 min的间隔示意图(黑框内)如图4所示。

图4 7 min的间隔示意图(黑框内)Fig.4 Schematic diagram of 7 min interval (in black frame)

（2）若将4 min也视为紧密追踪，则高峰小时东海道新干线列车成组追踪情况如图5所示。可见其列车开行的规律性极强，满图情况下其均为7+6+2= 15列/h的规律开行，每组之间间隔7 min，对应时间占用为7 + 20 + 7 + 16 + 3 + 7 = 60 (min)。在非高峰时段，则采取抽线的方式进行，如将原7列一组的列车拆分为5 + 1两组，即开行规律变为(5 + 1) + 6 + 2 = 14 (列/h)；将6列一组抽为5列，变为(5 + 1) + 5 +2 = 13 (列/h)，甚至将6列一组抽为4列，原5列一组抽为4列等等。未抽走的运行线发车时刻不变，由此可见新干线运行图的规律性非常强。

图5 东海道新干线列车成组追踪情况Fig.5 Train group tracking of Tokaido Shinkansen

（3）“希望号”列车构成了列车运行图的主体结构。在东京至新横滨之间，由于所有类型的列车均为站站停，因此运行图结构不会变化。列车自新横滨站发出以后，运行图的结构开始改变为1至2列“希望号”列车连续追踪形成运行图主体框架、其他低速列车在各“希望号”形成的框架中寻找缝隙运行的形式。对于3列及以上“希望号”连续发出的情况，新干线通过压低列车运行速度，将第3列与前2列人为分开，独自作为一组或者与后续其他快速列车构成一组。

“希望号”列车构成的运行图主体框架如图6所示。红色圈出的是1列“希望号”，黑色圈出的是2列“希望号”，所有的希望号由于停站相同，因此在运行图中是平行结构，方框中则是连续追踪的第3列“希望号”人为在新富士前逐渐降速，最终在新富士站与前2列“希望号”分开，并与后续“希望号”形成2列一组的框架结构。以18 : 47东京站发出的连续3列“希望号”列车为例，其在东京至新横滨为平图，保持紧密的3 min追踪，但自新横滨分别以19 : 06，19 : 09，19 : 12发出后，中间均不停站的情况下，到达下一站名古屋的时刻分别为20 : 28，20 : 31，20 : 37，显然第3列车的运行时间多了3 min，其用意是通过控制速度保证运行图的平行特性，进而保证通过能力。可见，新干线速度控制的区段为新横滨至名古屋区间。图6中灰色方框中展示的即为第3列车降低运行速度后，与前面的2列“希望号”运行束分开，并与后续1列“希望号”组合成新运行束的过程。

（4）低速“回声号”在具备条件的车站避让高速“希望号”，保证了运行图的规格化。由于不同种类列车的停站方案不同，“回声号”为站站停，“希望号”为只停大站，“光号”介于二者之间，由此产生了运行时间差，这导致了大量越行。为了保证运行图的规格化，东海道新干线除了在不具备越行条件的热海站不越行，其他停站基本都安排了越行。

仍以图6为例，蓝色为最慢的“回声号”列车，其在新横滨出发后，共停站69次，其中在不具备越行条件的热海站停11次，除此之外的58次停站中，无越行的单纯停站只有4次，占比6.9%，均发生在挂川站。剩余占比93.1%的停站均产生了越行，越行分别采用1越1或者2越1的形式，具体形式取决于“希望号”高速列车框架是1列还是2列。图6中共发生1越1的情形12次，占比20.7%；发生2越1的情形42次，占比72.4%；二者比例与单列车和2列车构成框架的比例基本一致，同时也是受到站场到发线数量限制的结果。

图6 “希望号”列车构成的运行图主体框架Fig.6 Main frame of train working diagram composed of Nozomi

从“希望号”的角度来看，每列车在东京至大阪间，共越行2至3次低速列车；从“回声号”的角度来看，每列车在东京至大阪间被越行7次。

4 日本新干线列车运行图的主要特点

（1）运行图规格化。列车种类为3类，固定停站的“希望号”和“回声号”占绝大多数，只有少量停站不确定的“光号”，三者定位非常明确，分别对应“大站直达客流”“小站客流”和“保证小站的直达需求”，这为运行图的规格化打下了良好的基础。此外，其运行图每个小时的列车结构一致，在非高峰期采用抽线的方式，使得保留的运行线时刻不变，运行图结构仍具有明显的规格化特征。

（2）高速列车成束追踪运行。在东京至新横滨、京都至新大阪之间，由于所有列车均停站，因此运行图为典型的平图。在新横滨至京都之间，由于不同列车停站不同，因而超过75%的高速列车为2列一组追踪运行，在均衡铺画的同时，实现了对平图特性的最大程度的保留[5]。

（3）充分利用越行来实现对线路能力的利用。低速列车利用运行图中预留的间隔(如7 min的发车空隙)以及其他低速列车的发车时刻共同构成了供低速列车运行的通道。由于绝大多数站场都只有2台4线，如果不组织越行，会产生能力的浪费，因而低速列车停站时基本都被高速列车越行。这就导致各低速列车逐个利用高速列车形成的通道，一个通道内有3～4列低速列车逐个运行，进一步提高了能力的利用率。

（4）旅行速度的精准调整。为了最大程度保证运行图的平图特性，对连续3列追踪的“希望号”列车，通过安排第3列车人为降速，实现与其他“希望号”的组合，保证了以1列或2列“希望号”为主体的平行运行图框架。同理，基本上“回声号”每次停站时均安排越行，虽然一定程度上牺牲了列车的旅行速度，但也保证了运行图规格化，提高了通过能力，同时对保证小型中间站的服务频率、停站均衡性均有极大的益处[6-7]。

5 对我国高速铁路运行图编制的启示

我国高速铁路与日本新干线相比，存在显著的差异，主要体现在以下2点：①路网规模大，结构复杂。截至2021年底，我国高速铁路总里程达4万km，呈现了复杂的路网形态，而日本新干线总里程3 041 km，路网结构简单，呈典型的树枝型。一般来说，路网形态越复杂，可供选择的列车开行模式越多，运输过程中的干扰也越严重，运输组织难度越大。②列车开行方案复杂。一方面，由于路网结构复杂，存在大量不同速度等级混跑的情况，而日本新干线在同一线路上的列车运行速度基本没有区别，只是通过停站或速度控制等手段进行区分。另一方面，我国列车开行均以旅客直达输送为目的，且与日本、法国、德国等相比，幅员辽阔，因此列车开行距离普遍较长，以北京至昆明的列车为例，其途中运行时分达11 h，运行里程2 760 km。日本新干线运行距离最长的列车为东京到博多，仅跨2条线路运行，途中旅行时间不到5 h，运行里程1 174.9 km。这都大大增加了运输组织的复杂程度。

日本新干线繁忙干线上列车开行密度大，很好地满足了旺盛的客流需求。虽然我国高速铁路网结构较为复杂，但作为路网能力瓶颈的繁忙干线也可借鉴新干线规格化的运输组织方式，进一步提高列车开行数量。以京沪高速铁路为例，提出以下建议。

（1）在维持现有本跨线列车比例、跨线列车在各跨线点的比例不变的基础上，明确列车种类，实现差异化、规格化开行。将京沪高速铁路本线列车分为大站停、站站停2大类，考虑到目前开行的本线列车上座率与停站次数成反比，中途停站在2至4次的列车客座率可达95%及以上，当停站次数为7 ～ 12次时客座率仅为75%，因此建议大站停列车仅在北京南站、天津西站、济南西站、徐州东站、南京南站、上海虹桥站停站。目前京沪高速铁路本线全程列车约为36对/d，因此可安排京沪高速铁路本线大站停列车于7 : 00—19 : 00间整点及30分在两端站进行始发[8]。由于开行的短途区间列车客座率均在85%以下，部分列车甚至低于50%，因此每小时仅安排1列站站停列车满足小站的客流，该列车在每个车站均待避2列大站停或跨线列车。

跨线列车上京沪高速铁路运行后，安排一半以上的列车仅停大站，与大站停列车构成平行的高速列车束，其他列车站站停，满足对运行图能力的利用和跨线旅客的目的地全覆盖。若以4 min的追踪间隔计算，考虑一定的冗余及速差，每小时发出列车13列为宜，即跨线车可占用10条运行线。根据目前跨线的列车比例，每小时可安排在济南西站跨线3列(1列站站停)，京津线路所、蚌埠南站、南京南站跨线2列(1列站站停)，徐州东站跨线1列，具体时刻按照均衡分布的原则确定[9]。为了避免跨线列车晚点在路网上的传播，建议跨线列车在其他非繁忙线路上运行时保留充足的冗余时间。该种编制方法从根本上改变目前“跨线列车为主，本线列车插缝运行”的现状，实现以繁忙干线为主体的运行图编制流程。

（2）通过速度控制等手段，优化运行图技术参数。当京沪高速铁路的列车追踪间隔为4 min时，则通过控制站站停列车的运行速度，确保其区间运行时分之差、到通间隔时间、通发间隔时间之和为7 min，确保低速列车恰好在高速列车形成的宽为7 min的时间域内运行[10-11]。以北京南站为例，安排每个小时的出发时刻及对应列车类型。北京南站列车规格化出发的建议时刻表如表2所示。

表2 北京南站列车规格化出发的建议时刻表Tab.2 Recommended timetable for standardized departure of trains at Beijingnan Railway Station

（3）跨线列车合理匹配运行时间，实现对能力的充分利用。如当列车自北京南站发出，运行至济南西站下线后，同时安排济南西站1列上线列车运用下线列车形成的时间域运行。

（4）合理安排跨线列车的开行距离。我国高速铁路票价率较低，相较航空具有一定的竞争力，因此与日本新干线不同，我国开行时间超过4 h的列车也有较高的上座率，加之我国高速铁路里程较长，因而不能简单以4 h作为列车开行距离的判断依据。有必要根据我国高速铁路客流的出行需求，合理控制跨线运行距离，引导长途客流在相关车站换乘，同时避免影响到运输组织的稳定性。