模式假設與限制

本模式之假設與操作限制如下。

一、車站間均有兩股道同時以複線方式運轉。

二、臺鐵系統列車於北上、南下之站間股道係獨立運轉，但當產生延滯時，於站 內之共用股道則可依營運需要彈性調度不同方向之列車順序，故雙向之列車 運轉將會產生交互作用。

三、臺鐵區域鐵路系統之車站配置型態大致可歸納為5 種型式，如圖 3-2~圖 3-6。

四、由於臺鐵系統號誌設置之限制，各站間依不同條件皆有允許駐留列車數(亦即 閉塞區間)之上限限制(為利模式操作本研究假設為 2 列車)。

五、運轉調度之站間趕點時間以站間運轉時間固定的縮減比率設定之（本研究假 設為0.9），至於站內趕點即依據各站實際允許之最小停站時間設定之。

圖3-2 型 I 車站軌道佈設

圖3-3 型 II 車站軌道佈設

圖3-4 型 III_R 車站軌道佈設

圖3-5 型 III_L 車站軌道佈設

圖3-6 型 VI 車站軌道佈設 3.3 模擬機制

為準確推估連鎖延滯，本模擬模式必須考慮所有列車運行之影響因素，相關 因素之處理方式彙整如下：

一、列車衝突解決：站間軌道之列車運行規則為先進先出，且不允許站間追越；

另站間軌道有容量限制，不允許過多的列車滯留同一站間；站內每一股道只 允許一列車佔用，而先行列車離開車站後，續行列車進入該股道必須符合離

─到時隔限制，如圖3-7 所示；二連續列車抵達同一車站之不同股道，必須符 合到─到時隔限制，如圖3-8 所示；至於二連續列車由同一車站之不同股道離 開，則必須符合離─離時隔限制，如圖3-9 所示；另假如二列車由不同方向通 過平面交叉點，則必須符合平面交叉時隔限制，如圖3-10 所示。

二、列車延滯排除：當模式執行時，若續行列車違反前述之運行規則而無法前進 時，即產生延滯及可能之連鎖延滯現象；當模式偵測到此現象時，均統一將 該事件的執行時間（系統時間）延後 1 秒執行，此方法可以使列車的運行無 限的往後遞延直到前方的事故（延滯）原因排除為止。

三、運轉調度策略：鐵路營運單位在列車延滯時，通常會啟動運轉調整機制，而 本模式所考慮的「運轉調度策略」允許使用單一或多種策略同時搭配使用，

包括：

(一)站內趕點：縮短停站時間，但是必須遵守停站時間最短限制，而且需依公開 時刻表不可提早開車。

(二)站間趕點：縮短站間運轉時間，但仍需遵守趕點限制。

(三)同時採取站內趕點與站間趕點。

註：DA 時隔(departure-arrival headway)。

圖3-7 同向列車離─到時隔示意圖

註：AA 時隔(arrival-arrival haedway)。

圖3-8 同向列車到─到時隔示意圖

DD時隔

註：DD 時隔(departure-departure headway)。

圖3-9 同向列車離─離時隔示意圖

月 台 括：(1)邊界類別(boundary class)、(2)實體類別(entity class)及(3)控制類別(control classes)三大類，其中第一類是用來處理使用者介面，第二類則是用來處理問題領 域的核心資料，最後一類則是用來處理前兩類資料的協調與互動；由於(1)與(3)類 與核心模式較無關聯，故以下僅就與模式相關之實體類別部分進行說明。本研究 共設計了 9 個類別來描述整個軌道系統，包括 RailSystem、Train、DwellPlan、

Station、StationI、StationII、StationIII_R、StationIII_L、Tracks 等(如圖 3-11)。其 中RailSystem 是最上層的類別，除一些 Global 的變數之外，所有其他的類別物件

均包含於其中；而Station 類別則是其他四個 Station 開頭類別的父類別，父類別用 來描述最基本的車站（即圖3-6 的捷運化車站），另外四個子類別則分別描述其他 四型車站如圖3-2~圖 3-5。Tracks 類別是被 Station 類別所包含，而 Train 與 DwellPlan 則是用來描述「計畫班表」與「實際班表」。另其中 Train 與 Station 都以集合物 件的形式和RailSystem 以合成（aggregation/composition）關係存在(周斯畏，民 91)，

其他諸如 Train 與 DwellPlan、Station 與 Tracks 均為合成關係。至於 StationI、

StationII、StationIII_R、StationIII_L 等四個類別則繼承（inheritance）自 Station 類 別，用以實作各種不同型式車站的行車限制。

圖3-11 類別設計架構圖

另本研究依圖3-11 執行進一步的虛擬碼撰寫時發現，StationII、StationIII_R、

StationIII_L 三個類別有許多屬性與行為是類似，包括站內有三股軌道、第三股軌 道共用、共用軌道的使用牽涉反向時隔（平面交叉）等屬性。故為使程式容易維

護，本研究進一步將平面交叉的行為獨立處理，建立CrossOverInfo 類別處理各種 平 面 交 叉 ， 如 此 將 可 以 簡 化 圖 3-11 的 類 別 圖 ， 亦 即 只 要 在 車 站 物 件 建 構

（construction）時加入指定的平面交叉路徑設定即可。經整理後得到 StationII、

StationIII_R、StationIII_L 三種車站的平面交叉路徑設定分別如圖 3-12、圖 3-13、

圖 3-14 所示，在程式撰寫時即可根據前述三種路徑設定將平面交叉類型寫入程

Track3B & ATrack3 Track3C & DTrack3 ASC(南下) ATrack3 & Track2B

Track2B & ATrack3 Track3B & ATrack3

DTrack2 & Track3C Track3C & DTrack2 Track3C & DTrack3 III_R

圖3-13 StationIII_R 型車站股道之平面交叉路徑設定

Track1 ATrack1 & Track3B

Track3B & ATrack1 Track3B & ATrack3

DTrack3 & Track1C Track1C & DTrack3 Track3C & DTrack3

III_L

ASC DESC

圖3-14 StationIII_L 型車站股道之平面交叉路徑設定

二、行車系統模擬流程

至於本模式之程式語言選擇，因臺鐵之連鎖延滯推估問題錯綜複雜，經評估 仍宜採模擬模式進行，但目前並無合適的商用軟體可供使用，故自行撰寫程式。

考量類別庫之完整性及未來的擴充支援，本研究採用微軟.NET Framework 類別 庫；原則上只要符合CLI （Common Language Infrastructure）標準程式語言均可 呼叫.NET Framework 類別庫，且目前支援最完整也是主流的.NET 語言即是 C#，

故本研究以C#撰寫之，同時 IDE（Integrated Development Environment）整合開發 平臺則選用Visual Studio 2005 Professional。

三、初始延滯運作

由於初始延滯可能於不同時空發生且程度不一，而本模擬模式係著重處理列 車的基本運轉以及連鎖延滯擴散效應，程式未具有模擬「初始延滯」之功能，故 於推估連鎖延滯時須從事件驅動引擎中新增兩種事件，包括列車運轉之障礙開始 與障礙結束（如圖3-15 模擬架構）。第一種事件安排於初始延滯發生時執行，觸 動時將會鎖定使用者所設定之軌道，使其無法被列車佔用；第二種事件則在第一 種事件發生後的若干時間（使用者指定之延滯程度）執行，觸動時將會解除鎖定，

透過上述方式將可在任意時空產生不同程度的初始延滯。

3.5 模擬模式驗證

為測試模擬模式之適用性，本模式選定臺鐵系統交通量最繁忙之七堵─樹林 路段為案例，擷取2009 年 7 月 29 日(週三)一般日之中央列車控制 CTC (centralized train control) 資料庫，選定上午 10:10 通過萬華─臺北路段之 42 車次，其 18.2 分 鐘之初始延滯所產生實際列車到─開之延滯資料進行驗證分析，結果顯示計有臺 北、松山、南港、汐止及七堵等5 個站共 40 部列車受該初始延滯影響，相關驗證 分析討論茲述如下：

一、模式驗證指標選定

檢視上述40 筆列車樣本，其實際延滯值不僅頗分散(平均值為 282.6 秒、標準 差為 428.8 秒)且延滯值跳動、無如預期向下游擴散之現象，經研判該結果可能係 實務上調度員遇事故時，已依經驗判斷採行不同列車調度策略所致，且調度策略 因時因地因車皆不同；另該延滯結果亦可能是整體軌道系統、前後路段及各項複 雜外生事件因素交互作用之結果，故所蒐集之實際延滯資料屬性不易釐清歸納其 趨勢傾向，亦不適於進行各項統計檢定分析。另由於其中13 筆樣本之實際延滯值 為 0，若以式(1)一般慣用之平均絕對百分比誤差(mean absolute percentage error,

MAPE)或式(2)之均方根誤差(root mean square error, RMSE)作為推估模式精確度之

表3.4 受影響列車樣本之模擬延滯與實際延滯差異統計表 延滯差異之絕對值(秒) 列車樣本數 樣本百分比(%) 累積百分比(%)

diff.=0 12 30.0% 30.0%

0<diff.<=60 13 32.5% 62.5%

60<diff.<=120 6 15.0% 77.5%

120<diff.<=180 3 7.5% 85.0%

180<diff.<=240 1 2.5% 87.5%

240<diff.<=300 1 2.5% 90.0%

diff.>300 4 10.0% 100.0%

合計 = 40 100.0%

3.6 案例分析

由於重建相同軌道營運條件難度甚高，現場調查(field test)之成本亦不低，故 在現實世界中若欲以現場實驗調查方式，分析比較在相同軌道營運狀況下不同排 班調度策略對連鎖延滯之恢復效果差異，幾乎是不可能的。但相反地，若以模擬 模式模擬推估連鎖延滯，則相對簡單可能。故基於本研究所構建模擬模式之處理 能量限制，本研究選定臺鐵系統另一路段進行連鎖延滯擴散之初步模式案例分 析。考量基隆─新竹路段係為臺鐵系統東、西部客運幹線主要的重疊路段，且其 亦為北部都會區通勤服務之主要路段，無論在班次頻率、停站型態及列車種類之 複雜程度，皆是臺鐵系統服務最忙碌之路段，且該路段所呈現之各因素特性及交 互作用亦最錯綜複雜，故本研究於模式初步驗證具適用性後，再選用該路段進行 模式案例分析測試。

一、基本資料輸入

如前所述及國內外相關文獻所示，模式需先輸入案例臺鐵系統基隆─新竹路 段各項參數資料，應用上述之模擬模式針對雙向營運之推拉式自強號(PP)及通勤電 聯車(EMU)兩種類型列車共計 184 列，分析初始延滯與連鎖延滯之關係，並加入不 同調度策略分析其對連鎖延滯降低改善之程度。

二、模擬結果分析

為利本模擬模式之測試分析，本研究設計不同情境進行測試分析，其係設定 初始延滯事件發生在上午8 點整南下方向之松山─臺北站間，並設定 0 秒至 3,600 秒之不同延滯持續時間情境，以評估不同初始延滯情境下之連鎖延滯影響程度，

各項分析結果摘述如后。

三、分析結果

(一)初始延滯持續時間之影響

圖3-17 及圖 3-18 分別呈現原訂班表及初始延滯持續 3,600 秒之模擬班表時空 圖，比較二圖可發現，當有3,600 秒之初始延滯發生於南下方向之松山─臺北站間 時，將會有12 部列車受到連鎖延滯之影響而產生誤點。

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新竹

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(二)總連鎖延滯之比較分析

為利分析案例路段所有車站與二端末站(基隆及新竹站)之總連鎖延滯差異，本 研究分別針對前述案例情境之模擬結果，分別計算前述二項所有列車之總連鎖延 滯並繪製如圖 3-19；由圖中可發現，所有車站之總連鎖延滯明顯遠高於二端末站

為利分析案例路段所有車站與二端末站(基隆及新竹站)之總連鎖延滯差異，本 研究分別針對前述案例情境之模擬結果，分別計算前述二項所有列車之總連鎖延 滯並繪製如圖 3-19；由圖中可發現，所有車站之總連鎖延滯明顯遠高於二端末站