蔣玉國(guó) 上海鐵路局徐州車務(wù)段

貨物快運(yùn)班列站停時(shí)間可靠度的研究

蔣玉國(guó) 上海鐵路局徐州車務(wù)段

貨物快運(yùn)班列在全國(guó)的開(kāi)行滿足了全路零散貨物的運(yùn)輸需求，但也帶來(lái)了種種問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，引入時(shí)間可靠度這一量化指標(biāo)來(lái)刻畫貨物快運(yùn)班列的時(shí)效性特征。通過(guò)收集、去噪、分析大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合車站停留時(shí)間可靠度與其四個(gè)影響因素的影響作用函數(shù)。結(jié)合貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，指出造成貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度不理想的制約因素以及貨物快運(yùn)班列運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的不足，提出提高時(shí)間可靠度的系列措施。

貨物快運(yùn)班列；車站停留時(shí)間；時(shí)間可靠度；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

1 貨物快運(yùn)班列的概況與問(wèn)題

2016 年一季度，全國(guó)鐵路貨物發(fā)送量完成7.88億t，同比下降9.43%。在大宗貨物運(yùn)輸量急劇縮水的同時(shí)，全路零散貨物同比逆勢(shì)增長(zhǎng)28.5%。為了滿足不斷增長(zhǎng)零散貨運(yùn)輸需求，提高鐵路在小批量零散貨物物流市場(chǎng)占有率，2014年10月，中鐵總在全國(guó)范圍內(nèi)布局貨物快運(yùn)業(yè)務(wù)。

貨物快運(yùn)班列是指在固定發(fā)到站間，有固定的車次和運(yùn)行線、明確的開(kāi)行周期和運(yùn)行時(shí)刻，按客車化模式組織開(kāi)行的貨物列車。鐵路部門根據(jù)社會(huì)需求確定列車裝卸站，選擇最佳路徑，按照客車化組織方式編制列車運(yùn)行圖，從裝車站到卸車站全程緊密銜接，努力確?？旖?、及時(shí)運(yùn)輸貨物。貨物快運(yùn)班列在眾快捷貨物運(yùn)輸產(chǎn)品中具有開(kāi)行車次最多、覆蓋范圍最廣、辦理站點(diǎn)最多、服務(wù)貨物品種最全的特點(diǎn)。

然而，貨物快運(yùn)列車的開(kāi)行給路方帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)與難題。

（1）影響旅客列車的正點(diǎn)接發(fā)。

由于貨物快運(yùn)班列在沿途的客運(yùn)站辦理裝卸車業(yè)務(wù)，停站期間它占據(jù)了客運(yùn)站的到發(fā)線，一旦裝卸的貨運(yùn)量超出辦理站所能承受的閥值，裝卸貨的時(shí)間必然會(huì)超出圖定的貨物快運(yùn)班列車站停留時(shí)間，這將會(huì)造成旅客列車的延誤。

（2）長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)效性過(guò)低。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，貨物快運(yùn)班列在循環(huán)開(kāi)行線路上平均停靠站點(diǎn)超過(guò)50個(gè)，中間站過(guò)多嚴(yán)重影響了貨物運(yùn)達(dá)的時(shí)效性。

2 貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度的定義

要解決以上兩個(gè)由貨物快運(yùn)班列開(kāi)行方式帶來(lái)的問(wèn)題，首先應(yīng)對(duì)貨物快運(yùn)班列的時(shí)效性進(jìn)行深入量化的研究，找到各影響因素，量化因素對(duì)時(shí)效性的影響機(jī)制，再來(lái)探討提高貨物快運(yùn)班列時(shí)效性的措施。

時(shí)間可靠度是指某個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)在規(guī)定的條件下規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成運(yùn)輸任務(wù)的能力。時(shí)間可靠度可以有效將影響因素（規(guī)定的條件）與時(shí)效性（規(guī)定的時(shí)間）進(jìn)行耦合，因此選用時(shí)間可靠度作為貨物快運(yùn)班列的時(shí)效性的量化指標(biāo)。

定義貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度，是指在貨物快運(yùn)班列的某次運(yùn)輸作業(yè)過(guò)程中，根據(jù)各影響因素計(jì)算得出的所用時(shí)間預(yù)期值對(duì)于其列車運(yùn)行圖規(guī)定時(shí)間值的偏離程度。偏離程度越大，可靠度越低。

其中，R為貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度，TP為完成某次運(yùn)輸作業(yè)的圖定時(shí)間，TE為所用時(shí)間的預(yù)期值，影響作用函數(shù)f(a1, a2,……an)表達(dá)了時(shí)間的預(yù)期值與時(shí)效性影響因素a1,a2,……an的函數(shù)關(guān)系。

3 貨物快運(yùn)班列站停時(shí)間可靠度計(jì)算模型

3.1 停留時(shí)間結(jié)構(gòu)確定

貨物快運(yùn)班列在整個(gè)車站停留時(shí)間的作業(yè)工序包括了車輛檢查、打開(kāi)車門、搭設(shè)渡板、貨物裝卸、站臺(tái)堆碼、關(guān)閉車門、機(jī)具檢查整理。因此車站停留時(shí)間由車輛檢查時(shí)間tinspect、卸貨時(shí)間tdl、裝貨時(shí)間tul、出站等待時(shí)間tsw四部分組成。結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 車站停留時(shí)間結(jié)構(gòu)圖

3.2 車站停留時(shí)間可靠度影響因素

從以上作業(yè)內(nèi)容與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，可以確定影響這些工序完成時(shí)間的影響因素，量化處理過(guò)程如下。

（1）天氣（weather）wh。

陰天與晴天（晴好天氣）對(duì)貨物裝卸并沒(méi)有大的影響，而在雨雪天氣（惡劣天氣）中，貨物裝過(guò)程困難加大，對(duì)貨物裝卸的總時(shí)間有一定的影響。

（2）裝卸人員（workers）W。取裝卸工人數(shù)。

（3）卸貨量（uploading materials）mul與裝貨量（downloading materials）mdl。

（4）車站集裝化水平（container level）cl。

車站集裝化水平對(duì)裝卸效率影響較大。特別是貨物快運(yùn)列車在客運(yùn)站臨時(shí)開(kāi)辟的場(chǎng)地進(jìn)行裝卸作業(yè)，不同辦理站貨運(yùn)作業(yè)條件參差不齊。一般而言，集裝化裝卸貨物程度越高的辦理站進(jìn)行裝卸作業(yè)效率越高。利用模糊綜合評(píng)價(jià)法可以得到某站的集裝化水平，cl分為五個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)取值為1、2、3、4、5，其中1表示該站的集裝化水平表最低，5表示該站的集裝化水平表最高。

3.3 相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與處理

（1）數(shù)據(jù)收集與去噪。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集時(shí)間數(shù)據(jù)與以上影響因素量化值，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遺漏值填充、平滑噪聲、識(shí)別和清除異常值處理后，最終得到了200個(gè)可用數(shù)據(jù)樣本。

（2）時(shí)間的波動(dòng)性檢查。

對(duì)車輛檢查時(shí)間、卸貨時(shí)間、裝貨時(shí)間、出站等待時(shí)間進(jìn)行波動(dòng)性檢查。利用差異系數(shù)反映數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度，計(jì)算可得車輛檢查時(shí)間、卸貨時(shí)間、裝貨時(shí)間、出站等待時(shí)間的差異系數(shù)分別為10.352，148.9189，181.2576，14.6329。發(fā)現(xiàn)車輛檢查時(shí)間與出站等待時(shí)間的差異系數(shù)過(guò)小，直接取其期望值加入車站停留時(shí)間預(yù)期值TE，不單獨(dú)進(jìn)行時(shí)間可靠度分析。

通過(guò)以上分析可知，車站停留時(shí)間的預(yù)期值等于裝貨作業(yè)時(shí)間預(yù)期值與卸貨作業(yè)時(shí)間預(yù)期值的較大值加上車輛檢查時(shí)間常數(shù)期望E(tinspect)與出站等待時(shí)間的常數(shù)期望E(tsw)。

（3）數(shù)據(jù)集成。

將200組數(shù)據(jù)樣本集成為兩大類數(shù)據(jù)集合，裝貨數(shù)據(jù)類與卸貨數(shù)據(jù)類，每一類包含200個(gè)子集。裝貨時(shí)間及影響因素?cái)?shù)據(jù)集合形式為{tul,wh,w,mul,cl}，卸貨時(shí)間及影響因素?cái)?shù)據(jù)集合形式為{tdl,wh,w,mdl,cl}。

3.4 數(shù)據(jù)擬合過(guò)程

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以忽視影響因素之間的多重共線性問(wèn)題，直接以影響因素作為輸入層數(shù)據(jù)，裝卸貨時(shí)間作為期望輸出層，訓(xùn)練出一個(gè)魯棒性高、容錯(cuò)性好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提取該模型的底層函數(shù)即得到裝卸貨時(shí)間的影響作用函數(shù)。

而以上的期望實(shí)現(xiàn)功能，其他分析方法無(wú)法完成，如因子分析法、主成分分析法等，它們主要強(qiáng)調(diào)對(duì)各影響因素進(jìn)行影響程度排序及評(píng)價(jià)，無(wú)法量化對(duì)因變量的影響程度。因此在建立裝卸貨時(shí)間可靠度計(jì)算模型時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)勢(shì)顯著。

設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型選擇為三層有導(dǎo)師學(xué)習(xí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層為裝貨物時(shí)間的各影響因素?cái)?shù)據(jù){wh,w,mul,cl}，輸出層為裝貨物時(shí)間{TE(tul)}，期望為對(duì)應(yīng)的實(shí)際裝貨物時(shí)間數(shù)據(jù)(tul)。采用 MATLAB軟件編寫 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型程序，中間層和輸出層傳遞函數(shù)采用Sigmoid，訓(xùn)練函數(shù)采用 traingdx，閥值和權(quán)值向量的學(xué)習(xí)函數(shù)采用learngd，性能函數(shù)采用mse。訓(xùn)練輪回達(dá)到1000次后網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了較好的擬合精度，得到一個(gè)訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各參數(shù)如下：

輸入層到中間層的權(quán)值矩陣

中間層到輸出層權(quán)值矩陣

輸入層到中間層的閥值向量

θ1=[-0.86-0.40 0.18-0.59 0.27]T

中間層到輸出層的閥值向量

η1=[-0.16-0.38 0.39-0.82]T

卸貨時(shí)間的計(jì)算方法可采用與以上裝貨時(shí)間相同的計(jì)算方法，其訓(xùn)練好的模型各參數(shù)如下：

輸入層到中間層的權(quán)值矩陣

中間層到輸出層權(quán)值矩陣

輸入層到中間層的閥值向量

θ2=[-0.32-0.87-0.22-0.45-0.69]T

中間層到輸出層的閥值向量

η2＝[-0.44 0.49-0.53 0.91]T

綜上，可得裝卸貨時(shí)間可靠度的影響作用函數(shù)ful、fd：

3.5 車站停留時(shí)間可靠度計(jì)算模型

車站停留時(shí)間的預(yù)期值為

其時(shí)間可靠度計(jì)算模型為

小結(jié)：要計(jì)算貨物快運(yùn)班列在某一個(gè)辦理站的站停時(shí)間可靠度，首先收集并計(jì)算班列在該站完成這一次作業(yè)任務(wù)的圖定停車時(shí)間、車輛檢查時(shí)間的期望值、出站等待時(shí)間的期望值、四個(gè)影響因素（天氣，裝卸工人數(shù)，裝卸貨運(yùn)量，車站集裝化水平）的量化值，然后代入至公式（6）與（7）中，最后可得到該辦理站停留時(shí)間可靠度RTS。

4 提高貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度措施

由上述分析可知，貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度過(guò)低會(huì)對(duì)旅客列車的正點(diǎn)接發(fā)造成嚴(yán)重威脅，還會(huì)直接影響貨物到達(dá)的時(shí)效性，降低托運(yùn)人對(duì)貨物快運(yùn)業(yè)務(wù)的滿意程度。在目前我國(guó)貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度普遍達(dá)不到預(yù)期的背景下，尋找貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度的提高措施具有重要的意義。

參考車站作業(yè)的影響因素與區(qū)間運(yùn)行時(shí)分的影響因素，提出以下幾點(diǎn)提高貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度措施。

（1）建立惡劣（雨雪）天氣預(yù)警機(jī)制。

從上文的分析中可知，惡劣（雨雪）天氣的出現(xiàn)會(huì)降低車站作業(yè)的時(shí)間可靠度與區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間可靠度。利用現(xiàn)代發(fā)達(dá)的天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，可以輕易地對(duì)貨物快運(yùn)班列經(jīng)由區(qū)域的天氣狀況進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。當(dāng)車站接收到惡劣（雨雪）天氣預(yù)警時(shí)，可以借助時(shí)間可靠度影響作用函數(shù)的計(jì)算結(jié)果，開(kāi)展相應(yīng)的調(diào)整措施以維持車站停留時(shí)間可靠度處在可接受的范圍內(nèi)，如車站減少裝卸一定數(shù)量的貨物、增加裝卸工人數(shù)。

（2）加快轉(zhuǎn)變路方經(jīng)營(yíng)思路，將時(shí)間可靠度指標(biāo)納入至從業(yè)人員考核體系。

目前，鐵路貨物快運(yùn)產(chǎn)品的基本作業(yè)模式仍然沿用原有的鐵路貨物運(yùn)輸作業(yè)流程和標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)程復(fù)雜、手續(xù)繁瑣，產(chǎn)品設(shè)計(jì)依舊著眼于傳統(tǒng)的鐵路貨物運(yùn)輸思維方式，雖然簡(jiǎn)化了貨主辦理手續(xù)，但企業(yè)內(nèi)部作業(yè)并沒(méi)有根本性改變。面對(duì)快捷貨物運(yùn)輸?shù)膫€(gè)性化等高要求，習(xí)慣于注重車輛使用效率等內(nèi)部指標(biāo)的鐵路職工，作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)要求均達(dá)不到快捷貨物運(yùn)輸?shù)囊?。將時(shí)間可靠度指標(biāo)納入至從業(yè)人員考核體系非常必要。

（3）設(shè)立車站承運(yùn)的貨物辦理量上限。

裝卸貨物量是影響車站停留時(shí)間可靠度的最主要因素。借助時(shí)間可靠度計(jì)算模型，不難推算出貨物快運(yùn)班列的每個(gè)辦理站可以承辦的裝卸貨物量的具體上限值。貨物辦理量上限的設(shè)立，可以防止一些熱門站點(diǎn)無(wú)限量接受貨物辦理業(yè)務(wù)，導(dǎo)致其車站停留時(shí)間可靠度過(guò)低情況的發(fā)生。

（4）提升貨物快運(yùn)業(yè)務(wù)辦理站的集裝化水平。

辦理站的集裝化水平的提升能使車站停留時(shí)間可靠度得到大幅提高。

提高辦理站集裝化水平具體舉措有：改造運(yùn)載車輛、配備車載叉車、設(shè)計(jì)方便直接裝車的集裝籠、制訂集裝化器具合理周轉(zhuǎn)調(diào)配方案、加固運(yùn)用托盤裝運(yùn)的貨物、規(guī)范貨物的運(yùn)輸包裝。

（5）適當(dāng)減少貨物快運(yùn)班列的途徑停站站點(diǎn)。

減少貨物快運(yùn)班列的途徑停站站點(diǎn)是提升貨物快運(yùn)班列時(shí)間可靠度最有效的途徑。對(duì)于某個(gè)車站作業(yè)站，采取上文提到的措施，只能在一定程度上降低所用時(shí)間預(yù)期值，從而提高時(shí)間可靠度。但當(dāng)貨物快運(yùn)班列途徑的某車站取消辦理快運(yùn)業(yè)務(wù)時(shí)，班列在該取消辦理站的所用時(shí)間可靠度達(dá)到了100%。減少貨物快運(yùn)班列的途徑停站站點(diǎn)還能有效提高班列旅行速度。

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責(zé)任編輯：王 華

來(lái)稿日期：2016-08-17