基于運(yùn)輸時(shí)效性的技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法研究

萬鑫興 ，張春民，殷 潔

WAN Xinxing1, 2, ZHANG Chunmin2, YIN Jie2

（1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 銀川車站，寧夏 銀川 750011；2.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

(1.Yinchuan Station of China Railway Lanzhou Group Co.， Ltd.， Yinchuan 750011， Ningxia， China； 2.School of Transportation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China)

0 引言

隨著國家供給側(cè)改革及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的轉(zhuǎn)型，以機(jī)械、電子、輕紡、食品、工業(yè)產(chǎn)成品及包裹和快件為代表，快捷運(yùn)輸對(duì)送達(dá)時(shí)間有特殊性要求比重越來越大[1]，而我國鐵路車流組織模式依然是以解決運(yùn)輸能力緊張為主，兼顧運(yùn)輸時(shí)間的傳統(tǒng)模式[2]，這種模式已經(jīng)不能適應(yīng)我國鐵路運(yùn)輸時(shí)效性低下與運(yùn)量急需增長之間的矛盾，使鐵路運(yùn)輸增長幅度不能與運(yùn)量增長幅度相協(xié)調(diào)[2-4]。趙娟[5]、劉曉偉等[6]分別重點(diǎn)考慮運(yùn)輸服務(wù)需求和車流時(shí)空分布進(jìn)行了車流組織優(yōu)化，取得較好結(jié)果，但沒有針對(duì)鐵路運(yùn)輸時(shí)效性進(jìn)行深入探討。此外，鐵路車輛在車站周轉(zhuǎn)或停留的時(shí)間約占總運(yùn)輸時(shí)間的70%[7]，而有調(diào)中轉(zhuǎn)在我國主要編組站的集結(jié)停留時(shí)間約占中轉(zhuǎn)車總停留時(shí)間的40% ~ 50%[8]。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的形成，普速鐵路的運(yùn)能得到了極大的解放[4]，技術(shù)站車輛集結(jié)時(shí)間將成為限制普速鐵路運(yùn)能的瓶頸。

針對(duì)目前的技術(shù)站車流組織模式，對(duì)進(jìn)入技術(shù)站集結(jié)的車輛，根據(jù)車輛來源特征，考慮不同解編車輛來源所需要的集結(jié)時(shí)間不同，將編組車輛分為以下3類。第一類車輛，從裝車站(專用線、貨場或物流中心等)通過小運(yùn)轉(zhuǎn)或摘掛列車直接取送至技術(shù)站的車輛。這類車輛的去向較多，而且車輛數(shù)不多且零散，集結(jié)時(shí)間具有一定的隨機(jī)性[9]。第二類車輛，來自于另一技術(shù)站的中轉(zhuǎn)車列中的區(qū)段或直通列車中的車輛，其特點(diǎn)是去向相對(duì)較少，且車輛數(shù)較多。這類車輛集結(jié)較易做到滿軸滿重的運(yùn)輸條件，集結(jié)時(shí)間相對(duì)較短，編組作業(yè)較為簡單。第三類車輛，到達(dá)該技術(shù)站需摘掛和小運(yùn)轉(zhuǎn)列車運(yùn)送的車輛，這類車輛的特點(diǎn)是卸車站為本技術(shù)站臨近的其他中間站，需要按照站順或組順進(jìn)行編組，集結(jié)過程涉及較少，但編組作業(yè)環(huán)節(jié)較復(fù)雜。第一類車輛與第二類車輛涉及到了集結(jié)時(shí)間，在目前技術(shù)站集結(jié)時(shí)間的理論計(jì)算中，2類車輛在技術(shù)站需要集結(jié)的時(shí)間均可通過集結(jié)參數(shù)進(jìn)行估算。而在實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)某一車輛而言，車輛集結(jié)時(shí)間和集結(jié)次數(shù)受到其他同方向車流數(shù)量的影響，而其他同方向車流數(shù)量的決定因素則更為復(fù)雜，這就造成不同車輛集結(jié)時(shí)間的巨大差異，進(jìn)而嚴(yán)重影響運(yùn)輸時(shí)效性。因此，壓縮目前車流組織方式的車輛集結(jié)時(shí)間，是優(yōu)化技術(shù)站車流組織的一個(gè)重要方法[10]。

1 基于運(yùn)輸時(shí)效性的技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法

為達(dá)到最大限度地利用鐵路運(yùn)輸能力的目的，需要技術(shù)站優(yōu)化集結(jié)等待車輛的時(shí)間。由于等待集結(jié)時(shí)間有一定的隨機(jī)波動(dòng)性，導(dǎo)致運(yùn)輸時(shí)效性不高。因此，基于運(yùn)輸時(shí)效性，提出技術(shù)站車流組織優(yōu)化應(yīng)采用車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法。車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法是指在同一徑路的前提下，以動(dòng)態(tài)的車流預(yù)報(bào)信息為基礎(chǔ)，以壓縮單個(gè)車輛在所有技術(shù)站的等待集結(jié)時(shí)間為手段，進(jìn)而優(yōu)化車流組織的方法。該方法利用車流在各技術(shù)站間運(yùn)動(dòng)的過程，即時(shí)連掛各技術(shù)站的第一類車輛以不斷增加車組的數(shù)量，同時(shí)利用車流在技術(shù)站短暫的停留時(shí)間，與各列車進(jìn)行車流組號(hào)的換掛重組，以便隨時(shí)達(dá)到技術(shù)直達(dá)列車的組織條件。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)站列車編組計(jì)劃中分組列車與單組列車的充分協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間的目的[11-13]。

1.1 單個(gè)技術(shù)站

單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法的實(shí)質(zhì)是利用其他技術(shù)站乃至整個(gè)相關(guān)區(qū)段的車流相對(duì)本技術(shù)站在運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行車流集結(jié)計(jì)算，以達(dá)到節(jié)約車流組織中集結(jié)等待時(shí)間的目的，而這種方法類似于換掛列車在技術(shù)站的技術(shù)作業(yè)，因而考慮將中轉(zhuǎn)列車的組織方式通過車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法改變?yōu)閾Q掛列車組織方式。其中，中轉(zhuǎn)列車的技術(shù)作業(yè)相比換掛列車的技術(shù)作業(yè)，節(jié)約的時(shí)間可以表示為

式中：T節(jié)為換掛列車比中轉(zhuǎn)貨物列車節(jié)約的時(shí)間；T解為列車解編作業(yè)時(shí)間；T集為列車等待集結(jié)時(shí)間；T編為列車編組時(shí)間；T換掛為列車換掛作業(yè)時(shí)間。

T換掛是技術(shù)站在車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法的組織情況進(jìn)行的，換掛作業(yè)應(yīng)比正常換掛作業(yè)復(fù)雜，所需時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，但其作業(yè)復(fù)雜程度一般不應(yīng)大于T編，因而單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法是可以節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間的。

采用車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法后，技術(shù)站的中轉(zhuǎn)貨物列車的新編組內(nèi)容，應(yīng)在該列車到達(dá)前，根據(jù)車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法提前計(jì)算準(zhǔn)備，以便列車到站直接組織換掛重組作業(yè)，而不是進(jìn)行解體、統(tǒng)計(jì)現(xiàn)車后再編組出發(fā)。單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織方式示意圖如圖1所示。

圖1 單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of organizational mode of “traffic flow motion aggregation method” for single technical station

從圖1中可以看出，“第一類車輛”為技術(shù)站某時(shí)段現(xiàn)車集結(jié)情況；“第二類車輛”為將要到達(dá)技術(shù)站的途中車輛；“某時(shí)段計(jì)算現(xiàn)車”為“第一類車輛”和“第二類車輛”匯合后預(yù)設(shè)的集結(jié)情況；“區(qū)段或直通列車”“剩余車組”及“直達(dá)列車”是根據(jù)“某時(shí)段計(jì)算現(xiàn)車”依據(jù)列車優(yōu)先級(jí)別順序推算所得編組方案。單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法實(shí)施規(guī)則如下。

（1）第一類車輛在與第二類車輛同組號(hào)的車輛連掛后，恰好達(dá)到滿重滿軸的條件，則組織技術(shù)直達(dá)列車發(fā)出；超出滿重滿軸的條件的，將超出車流掛于相鄰組號(hào)(相鄰到站)的列車發(fā)車，如組號(hào)1將超出部分掛于組號(hào)2車流之后；達(dá)不到滿重滿軸條件的，欠重欠軸不多的，則組織列車欠軸發(fā)車，如組號(hào)6車流組織欠軸技術(shù)直達(dá)列車。

（2）第一類車輛在與第二類車輛同組號(hào)的車輛連掛后，達(dá)不到滿重滿軸條件，且欠軸過多的，如組號(hào)2，3，4，5車流連掛情況，則將相鄰組號(hào)(相鄰到站)的車輛連掛組織區(qū)段或直通列車，如組號(hào)3車流與組號(hào)4車流、組號(hào)4車流與組號(hào)5車流的連掛情況；連掛后如超出滿軸滿重的條件，則甩出最近時(shí)間到達(dá)技術(shù)站的車組，將其留在技術(shù)站繼續(xù)等待集結(jié)，如圖組號(hào)4車流與組號(hào)5車流連掛后，將部分組號(hào)4車流甩出留在技術(shù)站等待集結(jié)。

（3）第一類車輛在與第二類車輛同組號(hào)的車輛連掛后，達(dá)不到滿重滿軸條件時(shí)，將相鄰組號(hào)(相鄰到站)的車輛連掛組織區(qū)段或直通列車，仍然不能達(dá)到滿軸滿重的條件時(shí)，且其欠軸不多，則組織欠軸的區(qū)段或直通列車，如組號(hào)2車流與組號(hào)1車流的連掛組織情況；欠軸較多的，則考慮連掛其他相鄰組號(hào)(相鄰到站)使其達(dá)到滿軸滿重的條件。

（4）第一類車輛在與第二類車輛同組號(hào)的車輛連掛后，達(dá)不到滿重滿軸條件時(shí)，將相鄰組號(hào)(相鄰到站)的車輛連掛組織區(qū)段或直通列車，仍不能達(dá)到滿軸滿重的條件，且其欠軸過多，且考慮連掛其他相鄰組號(hào)(相鄰到站)仍不能達(dá)到滿軸滿重的條件的，則考慮將更多組號(hào)車流連掛組織滿軸或欠軸的區(qū)段列車。

1.2 技術(shù)站間

單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法僅針對(duì)某一技術(shù)站的車流組織措施進(jìn)行考慮，并未將各個(gè)技術(shù)站的車站的改編能力、技術(shù)站之間區(qū)段的通過能力考慮在內(nèi)。在目前我國的實(shí)際生產(chǎn)中，部分地區(qū)的站、線通過能力依然存在局部緊張的情況[14]，而車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法可以極大減輕車站的改編能力。因此，以列車運(yùn)行圖定能力為約束，將超出圖定的車流，采用技術(shù)站間車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織方式。技術(shù)站間車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織方式示意圖如圖2所示。

圖2技術(shù)站間車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of traffic flow organization mode of “Traffic flow motion aggregation method” between technical stations

按照單個(gè)技術(shù)站車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織后，如發(fā)生超出圖定的貨流，則采用技術(shù)站間車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法組織方式進(jìn)行處理：超出車流的來源為第一類車輛(本技術(shù)站)的，留下最新近到達(dá)技術(shù)站的車流等待集結(jié)；超出車流的來源為第二類車輛(替換達(dá)到滿重滿軸條件)，可以考慮將其替換為第一類車輛，以方便換掛作業(yè)，然后留下最新近到達(dá)技術(shù)站的車流等待集結(jié)；超出車流來源為第二類車輛(到達(dá)該技術(shù)站)的，不能被第一類車輛替換的，則將其甩入技術(shù)站等待集結(jié)。

2 基于節(jié)約時(shí)間模型方法的技術(shù)站車流組織優(yōu)化

為探討技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法對(duì)運(yùn)輸時(shí)效性集結(jié)時(shí)間的最優(yōu)取值，以單個(gè)車輛在技術(shù)站之間運(yùn)輸所花費(fèi)的時(shí)間最少為目標(biāo)建立計(jì)算模型。按單方向考慮，設(shè)A1，A2，…，An，分別為同一徑路上的n個(gè)技術(shù)站，所有車輛均在該徑路運(yùn)送；各技術(shù)站每隔t小時(shí)就會(huì)從自己所在區(qū)段產(chǎn)生各種去向的車輛。設(shè)從Ai站去往Aj站的車輛表示為Aij，第k個(gè)t小時(shí)從i站產(chǎn)生去往j站的車輛數(shù)為fk(i，j)，其中，k為某一個(gè)t小時(shí)的編號(hào)，i= 1，2，…，n，j= 1，2，…，n。

設(shè)技術(shù)站相鄰車站之間的距離分別需機(jī)車xi·t小時(shí)走行；所有技術(shù)站無調(diào)中轉(zhuǎn)時(shí)間為w·t小時(shí)，則有調(diào)中轉(zhuǎn)時(shí)間為(w+ 1 +y)t，w為無調(diào)中轉(zhuǎn)時(shí)間系數(shù)；則換掛車組(優(yōu)化方法下)相比無調(diào)中轉(zhuǎn)進(jìn)入技術(shù)站多余作業(yè)時(shí)間平均為y·t；y為t的倍數(shù)，表示換掛中轉(zhuǎn)系數(shù)。

設(shè)m為一列車的平均編成輛數(shù)，q為車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法達(dá)到滿重滿軸條件時(shí)進(jìn)入技術(shù)站“運(yùn)動(dòng)集結(jié)”的次數(shù)，表示運(yùn)動(dòng)滿重滿軸條件系數(shù)。設(shè)一列車集結(jié)到滿重滿軸條件時(shí)需要p·t小時(shí)，其中p為t小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生車輛數(shù)fk(i，j)的倍數(shù)，表示等待滿重滿軸條件系數(shù)。則列車集結(jié)時(shí)間T集可表示為

式中：p為等待滿重滿軸條件系數(shù)；t為技術(shù)站集結(jié)時(shí)間，h；m為列車平均編成輛數(shù)，輛。

而在現(xiàn)有集結(jié)參數(shù)理論中，列車集結(jié)時(shí)間T集可表示為

式中：c為集結(jié)參數(shù)，其影響因素為集結(jié)中斷和車組配合到達(dá)程度；m為列車平均編成輛數(shù)，輛。

通過作差計(jì)算可知，技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法節(jié)約的單位貨車時(shí)間可以表示為

由于公式 ⑷ 中，y，p，q分別為外界客觀值，唯有集結(jié)時(shí)間t是一個(gè)人為規(guī)定的主觀變量，因而能決定節(jié)約時(shí)間的惟一參數(shù)即是集結(jié)時(shí)間t，將系數(shù)p和q換為現(xiàn)有的集結(jié)參數(shù)c。

由于貨車在運(yùn)動(dòng)集結(jié)的過程中，貨車總數(shù)不變，因而等待滿重滿軸條件系數(shù)p與運(yùn)動(dòng)滿重滿軸條件系數(shù)q在數(shù)值上是比較接近的，即各個(gè)技術(shù)站間的集結(jié)參數(shù)差異較小；考慮到此種情況可令q等于p，得到公式 ⑸。

結(jié)合公式 ⑵、公式 ⑶、公式 ⑸，可得車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法所得節(jié)約時(shí)間計(jì)算模型為

根據(jù)車站各項(xiàng)作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)[11]，估算可知換掛貨物列車相比無調(diào)中轉(zhuǎn)列車進(jìn)入技術(shù)站多余作業(yè)時(shí)間為50 min，即y·t為0.83 h。根據(jù)我國技術(shù)站的集結(jié)參數(shù)c通常為8 ~ 10 h[11]，取車10 h，將數(shù)據(jù)帶入公式 ⑹ 可得節(jié)約集結(jié)時(shí)間變化趨勢(shì)圖如圖3所示。

圖3 節(jié)約集結(jié)時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.3 Trend map of saving aggregation time

由公式 ⑹ 計(jì)算可得，當(dāng)集結(jié)時(shí)間t取2.9的時(shí)候，車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法應(yīng)用較為充分，節(jié)約時(shí)間較多為5.067 h。

當(dāng)T＜ 0時(shí)，即在某些極端情況下，各技術(shù)站間的集結(jié)參數(shù)發(fā)生特別大的差異時(shí)，即q?p，車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法不能節(jié)約時(shí)間，尤其隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，技術(shù)站將逐漸減少組織技術(shù)直達(dá)的情況，表明各個(gè)技術(shù)站的技術(shù)直達(dá)列車的組織條件極易容易滿足，而不需要采用車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法來節(jié)約集結(jié)時(shí)間。因此，在我國現(xiàn)有的鐵路運(yùn)輸供需矛盾下，車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法可以普遍提高列車運(yùn)輸時(shí)效性。

3 結(jié)束語

由于鐵路運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)及其原有的運(yùn)輸組織方式，時(shí)效性低下一直是鐵路貨運(yùn)的短板。車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法在未提高列車運(yùn)輸成本的情況下，不但節(jié)約了貨車運(yùn)輸時(shí)間，而且提高了貨車運(yùn)達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確性，集結(jié)時(shí)間t的確定，迫使滯留在技術(shù)站的貨車在運(yùn)輸途中尋求集結(jié)，避免了一些車輛在一個(gè)或者幾個(gè)技術(shù)站等待集結(jié)很長時(shí)間的情況，從而將貨車運(yùn)輸時(shí)間確定在一個(gè)較小的變化范圍內(nèi)，在一定程度上克服了目前鐵路列車集結(jié)時(shí)間較長的缺陷，對(duì)鐵路運(yùn)輸吸引時(shí)效性較強(qiáng)的貨物，實(shí)現(xiàn)“貨運(yùn)增量”發(fā)展具有重要意義。由于車流運(yùn)動(dòng)集結(jié)法運(yùn)行的條件依賴于完備的列車追送統(tǒng)計(jì)處理系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步研究強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能作為支撐。