重載鐵路通道萬t組合列車開行范圍研究

耿　放,　羅玉屏

(石家莊鐵道大學(xué) 交通運輸學(xué)院，河北 石家莊　050043)

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重載鐵路通道萬t組合列車開行范圍研究

耿放,羅玉屏

(石家莊鐵道大學(xué) 交通運輸學(xué)院，河北 石家莊050043)

以方案主要可變動成本消耗臨界值為目標(biāo)，從乘務(wù)配置班數(shù)、日均運用貨車輛數(shù)和機車供應(yīng)臺次3方面關(guān)鍵因素切入，以反應(yīng)各起訖點間距離特征的機車走行時間為決策變量。對蒙西至華中地區(qū)煤運通道鄧湖以北，開行5 000 t單元列車和開行1萬t組合列車(單機牽引)兩種開行方案進(jìn)行了其對應(yīng)的經(jīng)濟適用性分析比對，給出了兩種方案各自對應(yīng)的以起訖點間走行時間為自變量的成本函數(shù)，得出了運行圖未滿及相同運量條件下兩種方案主要可變動成本支出相等時對應(yīng)的臨界點走行時間為18.285 h。為鄧湖以北各OD對間萬t列車的開行范圍及時機提供了合理的理論依據(jù)。

重載運輸；煤運通道；開行范圍；開行成本；方案比選

0　引言

根據(jù)目前我國重載鐵路運輸技術(shù)的經(jīng)驗來看，對于重載線路較高的運量目標(biāo)，合理的開行萬t級組合列車具有投資少、效益高、安全情況好等特點。對于鐵路運輸企業(yè)來說，是否選擇開行萬t列車、何時開行萬t列車、以何種形式開行都是其需要考慮的問題，這就涉及到了萬t列車開行范圍相關(guān)的問題，歐美等發(fā)達(dá)國家的在重載鐵路運輸方面，大都有地域遼闊、線路利用率低、運輸能力富裕等特點。因此，對萬t級組合列車的開行范圍、開行時機等運輸問題并無相關(guān)文獻(xiàn)研究。

艾厚文等[1]以蒙西至華中地區(qū)煤運通道為研究對象，以大宗煤炭貨物流量及流向為依據(jù)，對其萬t列車開行的必要性、開行范圍、開行時機進(jìn)行研究并做方案比較，對萬t列車開行范圍提出建議。張曉東[2]在對大包線萬t列車牽引方式、車站分布情況等分析的基礎(chǔ)上，分別討論了3種萬t列車開行方案。王慈光[3]用單純形法求解目標(biāo)規(guī)劃模型，將其應(yīng)用于重載鐵路運輸組織中對列車開行方案進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[4-5]對重載鐵路裝車區(qū)車流組織優(yōu)化問題進(jìn)行研究，以單元式和組合式重載列車開行數(shù)量為自變量，建立相關(guān)模型使得組合時間最小，效率最大，并都提出了相應(yīng)的算法及實例驗證。文獻(xiàn)[6-7]主要解決了基于重載鐵路中裝車地直達(dá)列車開行方案的優(yōu)化問題。周軍[8]通過對大秦鐵路進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合朔黃線年運量為兩億t及三億t時列車開行對數(shù)測算、所需乘務(wù)員測算和機車整備設(shè)備通過能力，提出了朔黃線開行萬t列車所需要的技術(shù)改造。國內(nèi)對重載鐵路萬t級組合列車相關(guān)的車流組織優(yōu)化問題，大都集中在這些方面。由于蒙西至華中煤運通道的特殊性，國內(nèi)對萬t組合列車開行范圍問題，也并無太多研究。

在以上研究基礎(chǔ)上，以蒙西至華中煤運通道為研究對象，對運行圖未滿情況下，萬t組合列車合理開行范圍問題進(jìn)行討論，旨在解決運輸企業(yè)運營初期的開行成本優(yōu)化問題。

1　通道特征及問題描述

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道，北起鄂爾多斯腹地東烏鐵路的浩勒報吉站，途經(jīng)蒙西、陜西、山西等我國最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)，直達(dá)鄂湘贛煤炭消費地，全長1 814.8 km，其中浩勒報吉至襄陽牽引質(zhì)量為10 000 t；襄陽至吉安為5 000 t，途中設(shè)鄧湖(襄陽)組合分解站承擔(dān)整個集疏運系統(tǒng)本線車流的組合分解作業(yè)任務(wù)。根據(jù)通道線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃建設(shè)通道的設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件、通道運輸產(chǎn)品的確定以及運輸需求，可知通道可開行5 000 t、10 000 t重載列車[9-10]。但由于鄧湖以南的通道線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計其牽引質(zhì)量為5 000 t，因此在重車方向萬t列車需在鄧湖組合分解站進(jìn)行分解作業(yè)后才能發(fā)往通道疏運端。

研究目標(biāo)為運行圖未滿情況下的開行方案選擇問題。運行圖未滿，反映線路通過能力未達(dá)到飽和，在不考慮成本前提下，全部開行5 000 t單元列車即可滿足運量需求。但隨著開行距離的增大，合理的開行萬t組合列車較全部開行5 000 t單元里車可有效地降低開行成本。因此，需對選擇開行萬t組合列車時的合理開行距離進(jìn)行研究。由于距離因素對開行成本的影響并不直觀，本文則對兩種方案開行成本相等時的機車臨界走行時間進(jìn)行相關(guān)計算研究，以此來反應(yīng)開行距離對方案選擇的影響。而開行萬t組合列車又涉及兩種機車選型方案，即雙機牽引和單機牽引，本文選用單機牽引情況下的萬t組合列車方案進(jìn)行計算研究。

由于萬t列車需要在集疏運端分別進(jìn)行組合分解作業(yè)，這樣其相對于5 000 t列車來說大大增加了其車底周轉(zhuǎn)時間，但萬t列車的開行在乘務(wù)和機車供應(yīng)方面又較5 000 t列車的需求量更少，同時考慮裝卸車作業(yè)時間差別，因此可對日均運用貨車輛數(shù)、乘務(wù)員配置班數(shù)、日均機車供應(yīng)臺次分別標(biāo)定參數(shù)并以周轉(zhuǎn)時間為重點對其相應(yīng)成本進(jìn)行計算。

首先，需確定兩種方案列車的開行數(shù)量。

其次，在此基礎(chǔ)上計算僅開行5 000 t單元列車和僅開1萬t組合列車兩種情況下相應(yīng)的日均乘務(wù)員配置班數(shù)、運用貨車輛數(shù)、機車供應(yīng)臺次3方面可變動成本。

最后，構(gòu)建兩種方案對應(yīng)的費用函數(shù)并計算成本支出相等時臨界點的列車旅行時間值，并以此來反應(yīng)OD對之間開行萬t組合列車的合理范圍及開行時機。

2　模型構(gòu)建

2.1列車開行數(shù)量

由于集運端裝車點能力在初期完全滿足運量需求，可不做考慮。機車和貨車車輛的購置方案也均為待定因素，引入?yún)?shù)x1為僅開行5 000 t列車時日均開行的數(shù)量，x2為同等運量條件下開行1萬t列車時的開行列車數(shù)量。則有

(1)

式中，k={1,2}；G為年目標(biāo)運量；θ為載重系數(shù)；Q為k類列車的質(zhì)量；α波為波動系數(shù)，一般取1.0～1.1，保守起見考慮這里取1.1。

貨車考慮采用C80通用敞車，當(dāng)運行圖未滿時采取全部開行5 000 t單元列車及全部開行萬t組合列車兩種方案，日均開行列車數(shù)x1、x2，及各相關(guān)參數(shù)值如表1，由于是在運行圖未滿情況下的開行數(shù)量，故認(rèn)為x1和x2均滿足通過能力約束。

表1　日均開行列車數(shù)

此時兩種方案分別可滿足不超過2億t和3億t時的運量要求。

2.2成本因素

(1)日均運用貨車車輛數(shù)

(2)

(3)

式中，m為列車的編成輛數(shù)；T車為列車的貨車車輛全周轉(zhuǎn)時間；t裝、t卸、t旅、t中、t組、t解分別為車輛的裝車作業(yè)時間、卸車作業(yè)時間、途中旅行時間、中轉(zhuǎn)技術(shù)作業(yè)時間、列車組合作業(yè)時間以及分解作業(yè)時間；x為日均開行列車數(shù)。

對鄧湖以北貨車車輛的運用情況進(jìn)行對比，首先需確定兩種方案各自對應(yīng)的貨車車輛全周轉(zhuǎn)時間，其中t旅與起訖點間的走行距離有關(guān)，作為車輛、乘務(wù)、機車3個主要成本因素的全周轉(zhuǎn)時間的關(guān)鍵組成要素，這里將其作為成本函數(shù)中的一個決策變量，反應(yīng)了各OD對之間的距離與方案選擇之間決策關(guān)系。萬t列車計算對象為全部編組的116輛貨車的周轉(zhuǎn)時間，因此這里需考慮兩種方案在疏運端的卸車作業(yè)時間，如表2所示。

表2　日均運用貨車輛數(shù)

注：表中萬t列車的組合分解作業(yè)時間主要取自大秦鐵路的相關(guān)時間數(shù)據(jù)[11]；兩種類型列車的裝卸車時間主要綜合朔黃、大秦等現(xiàn)有重載鐵路并結(jié)合蒙華煤運通道集疏運端各裝車點及卸車點的相關(guān)技術(shù)條件確定的。

(2)乘務(wù)員配置班數(shù)

(4)

式中，t乘為乘務(wù)員全周轉(zhuǎn)時間，包括列車旅行時間和乘務(wù)員輔助作業(yè)時間兩部分；β為乘務(wù)員預(yù)備率，一般取12%；2 000.4為乘務(wù)員年標(biāo)準(zhǔn)工時。

乘務(wù)員全周轉(zhuǎn)時間包括列車旅行時間和乘務(wù)輔助作業(yè)時間兩部分，其中輔助作業(yè)時間按照運行圖技術(shù)資料中規(guī)定的貨運機車在機務(wù)段及換乘點作業(yè)時分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算：出庫作業(yè)時間從出勤到開車90 min，入庫作業(yè)時間從到達(dá)到退勤60 min；換乘點進(jìn)行換掛作業(yè)時間40 min；交接作業(yè)30 min，由于乘務(wù)交路相對較短，各起訖點之間輔助作業(yè)時間略有不同，在不影響方案比對的前提下，這里將輔助時間取固定值5 h?？紤]單機牽引情況下，萬t組合列車分解作業(yè)過程特點，因此計算乘務(wù)員的全周轉(zhuǎn)時間時應(yīng)將分解作業(yè)時間考慮在內(nèi)。則單機牽引狀態(tài)下萬t組合列車較5 000 t列車在乘務(wù)員配置方面有較為明顯的減少，如表3。

表3　乘務(wù)員配置班數(shù)

(3)日均機車供應(yīng)臺次

(5)

(6)

式中，T機為機車全周轉(zhuǎn)時間；λ為機車檢備率，一般取20%；t本、t折為機車分別在本段及其所在站、折返段及其所在站停留時間。

機車全周轉(zhuǎn)時間包括機車途中純運行時間、站停時間和機車本段及折返段停留時間，其中中間站停留時間以及機車在本段和折返段停留時間總和取標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時間3.5 h，如表4。

表4　日均機車供應(yīng)臺次

2.3模型建立

引入?yún)?shù)c1、c2分別為日均運用貨車車輛及一個乘務(wù)員班組的單位成本支出(單位:元)；c3、c4為兩種方案在機車供應(yīng)方面成本因素對應(yīng)的單位成本支出(單位:元)。

貨車車輛方面，由于計算內(nèi)容為日均運用貨車車輛，則其日均成本考慮采用，貨車車輛以自有資金購買和租賃兩種方式時費用的平衡點，即約130元/輛d；c1=130。

乘務(wù)員方面，其計算內(nèi)容為日均乘務(wù)員配置班組數(shù)，因此，這里采用一班兩個乘務(wù)員的形式，取乘務(wù)員平均工資274元/d；c2=548。

機車方面，5 000t列車、萬t列車分別考慮采用HXD1B和HXD1F單機牽引，兩種機車購置費用及折舊情況如表5。

由于計算內(nèi)容為日均機車供應(yīng)臺次，折舊額按直線折舊法計算其日均折舊額，并將檢修成本考慮在內(nèi)。

表5　機車購置費用及折舊

注：由于HXD1F未上線，其各項成本以HXD1型機車為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)推算而得。中修周期為2 a。

c3=6 264；c4=10 753。

由此，可以得出兩種方案在以上3個方面的日均開行成本對比。

開行5 000 t單元列車時的主要可變動成本為C1=M1c1+W1c2+N1c3。

C1=1.588×10-2G(t旅+1)130+1.334×10-3G(t旅+5)548+1.334×10-3G(t旅+5)6 264

(9)

簡化C1=4.84G(t旅+6.499)。

開行1萬t組合列車時的主要可變動成本為C2=M2c1+W2c2+N2c4。

C2=1.588×10-2G(t旅+17)130+6.667 0×10-4G(t旅+6)548+1.632×10-4G(t旅+3.5)10 753

(10)

簡化C2=4.185G(t旅+10.378)。

求解C1=C2時，t旅的值。

3　模型求解

圖1　成本函數(shù)圖像

由費用函數(shù)可以看出，開行成本是關(guān)于運量和起訖點間走行時間的函數(shù)，但對于兩方案的比對以此種方法計算的情況下是與運量無關(guān)的，由于本文計算的假定條件是運行圖未滿，其實際意義表示為，如當(dāng)采取全部開行5 000 t單元列車情況下線路能力未飽和，此時由于5 000 t單元列車組織形式簡單，線路條件(通過能力)又允許全部開行5 000 t列車，故一般沒有開行萬t組合列車的必要，即可滿足當(dāng)下運量目標(biāo)，因此，在這種環(huán)境下是否選擇開行萬t列車并不以運量為決策變量，則無需考慮運量對兩種方案對比情況下主要成本的影響，但其確實存在一種可能，即一部分起訖點間可以選擇合理的開行萬t列車，其運營成本較全部開行5 000 t單元列車時的運營成本有顯著的降低。因此決策因素則集中在與距離成正比關(guān)系的走行時間方面，則其主要突出各起訖點間的方案選擇情況。

由函數(shù)形式可知，其圖像為馬鞍曲面，利用Matlab畫出的兩種方案的成本函數(shù)圖像如圖1(圖像所設(shè)邊界條件為：G∈{0,30 000}，t旅∈{0,50})。

可以得出臨界點走行時間為18.285h，其意義為，當(dāng)機車走行時間大于18.285h的情況下，可以考慮選擇開行萬t組合列車，18.285h以內(nèi)在通過能力允許情況下則可考慮全部開行5 000t列車。進(jìn)而可以考慮不同起訖點間的方案選擇。如，海則攤至鄧湖區(qū)段，機車旅行速度為50km/h時，其旅行時間為31.61h，則此時即可考慮選擇開行萬t組合列車，從而可較全部開行5 000t列車的開行方案的運營成本有顯著降低。

4　結(jié)論

通過對蒙西至華中煤運通道鄧湖以北兩種開行方案相關(guān)的可變動成本的對比分析，得出了運行圖未滿情況下合理的萬t列開行條件，按計算結(jié)果選擇不同起訖點間開行不同類型列車，在完成同等運量情況下可有效地降低開行成本。

研究對象為蒙西至華中煤運通道，探討了此研究思路的可行性，由于對參數(shù)的標(biāo)定并不一定適用于所有線路，對于其它線路，各種計算參數(shù)可靈活標(biāo)定，得出的成本平衡的臨界點走行時間也會有所差異。如，裝卸車作業(yè)時間，組合分解作業(yè)時間及機車相關(guān)參數(shù)，也可按不同裝車點，不同起訖點的實際數(shù)據(jù)分別標(biāo)定，從而得出更加合理的臨界點走行時間。

本文僅對可定量化的成本相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了研究探討，因此如何把無法量化的指標(biāo)定量化，如兩種方案相應(yīng)的組織難度，在初期運量較少的情況下萬t相對5 000t組織難度要大，但隨著運量的增大，5 000t列車的大量開行給辦理相應(yīng)技術(shù)作業(yè)的車站帶來越來越大的壓力(技檢作業(yè)：5 000t始發(fā)30min，到達(dá)40min，中轉(zhuǎn)40min；組合萬t60min從某種程度上是對組織難度的一種反應(yīng))此時，5 000t則比萬t組織難度要大，這里就需要考慮諸多與組織難度有關(guān)的因素進(jìn)行量化處理，或者用一種方法使無法量化的指標(biāo)直接參與定量化的計算。故可從此角度出發(fā)對本文研究內(nèi)容做進(jìn)一步修正完善。

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Research on Operation Range of 10 000-Ton Combined Train of Heavy Haul Channels

Geng Fang,Luo Yuping

(College of Transportation, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

With the critical value in the main variable cost consumption of the schemes as the goal, starting with the key factors of three aspects including train crew number, average daily wagons and locomotives available, taking the travel time that represents the characteristics of the start-destination distance as decision-making variable, an analysis and comparison is made of the economical applicability of the two kinds of operation scheme, the 5 000-ton heavy-haul train and the 10 000-ton combined heavy-haul train (single engine) in the north of DengHu of Coal Transportation Passage from West Inner Mongolia to Central China Area. The corresponding cost function of each scheme is presented with the travel time between the start and destination as independent variables. It is concluded that the critical travel time of the two schemes with the equivalent main variable cost is 18.285 hours under the condition that the train operation diagram is not fully filled and there is the same volume. It provides a reasonable theoretical basis for the operation scope and opportunity of the 10 000-ton combined heavy-haul train of each OD pairs in the north of DengHu.

heavy haul transportation;coal transportation passage;operation scope;operation cost;plan comparison and selection

2015-08-07責(zé)任編輯:車軒玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.10

耿放(1991-)，男，碩士研究生，主要從事軌道交通運輸組織的研究。E-mail: gengfang0717@163.com

U296

A

2095-0373(2016)03-0053-06

耿放,羅玉屏.重載鐵路通道萬t組合列車開行范圍研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(3):53-58.