耿　放,　羅玉屏

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

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重載鐵路通道萬(wàn)t組合列車開(kāi)行范圍研究

耿放,羅玉屏

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

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

重載運(yùn)輸；煤運(yùn)通道；開(kāi)行范圍；開(kāi)行成本；方案比選

0　引言

根據(jù)目前我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)于重載線路較高的運(yùn)量目標(biāo)，合理的開(kāi)行萬(wàn)t級(jí)組合列車具有投資少、效益高、安全情況好等特點(diǎn)。對(duì)于鐵路運(yùn)輸企業(yè)來(lái)說(shuō)，是否選擇開(kāi)行萬(wàn)t列車、何時(shí)開(kāi)行萬(wàn)t列車、以何種形式開(kāi)行都是其需要考慮的問(wèn)題，這就涉及到了萬(wàn)t列車開(kāi)行范圍相關(guān)的問(wèn)題，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的在重載鐵路運(yùn)輸方面，大都有地域遼闊、線路利用率低、運(yùn)輸能力富裕等特點(diǎn)。因此，對(duì)萬(wàn)t級(jí)組合列車的開(kāi)行范圍、開(kāi)行時(shí)機(jī)等運(yùn)輸問(wèn)題并無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)研究。

艾厚文等[1]以蒙西至華中地區(qū)煤運(yùn)通道為研究對(duì)象，以大宗煤炭貨物流量及流向?yàn)橐罁?jù)，對(duì)其萬(wàn)t列車開(kāi)行的必要性、開(kāi)行范圍、開(kāi)行時(shí)機(jī)進(jìn)行研究并做方案比較，對(duì)萬(wàn)t列車開(kāi)行范圍提出建議。張曉東[2]在對(duì)大包線萬(wàn)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(wàn)t列車開(kāi)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(yùn)輸組織中對(duì)列車開(kāi)行方案進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)重載鐵路裝車區(qū)車流組織優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究，以單元式和組合式重載列車開(kāi)行數(shù)量為自變量，建立相關(guān)模型使得組合時(shí)間最小，效率最大，并都提出了相應(yīng)的算法及實(shí)例驗(yàn)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(kāi)行方案的優(yōu)化問(wèn)題。周軍[8]通過(guò)對(duì)大秦鐵路進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合朔黃線年運(yùn)量為兩億t及三億t時(shí)列車開(kāi)行對(duì)數(shù)測(cè)算、所需乘務(wù)員測(cè)算和機(jī)車整備設(shè)備通過(guò)能力，提出了朔黃線開(kāi)行萬(wàn)t列車所需要的技術(shù)改造。國(guó)內(nèi)對(duì)重載鐵路萬(wàn)t級(jí)組合列車相關(guān)的車流組織優(yōu)化問(wèn)題，大都集中在這些方面。由于蒙西至華中煤運(yùn)通道的特殊性，國(guó)內(nèi)對(duì)萬(wàn)t組合列車開(kāi)行范圍問(wèn)題，也并無(wú)太多研究。

在以上研究基礎(chǔ)上，以蒙西至華中煤運(yùn)通道為研究對(duì)象，對(duì)運(yùn)行圖未滿情況下，萬(wàn)t組合列車合理開(kāi)行范圍問(wèn)題進(jìn)行討論，旨在解決運(yùn)輸企業(yè)運(yùn)營(yíng)初期的開(kāi)行成本優(yōu)化問(wèn)題。

1　通道特征及問(wèn)題描述

蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道，北起鄂爾多斯腹地東烏鐵路的浩勒?qǐng)?bào)吉站，途經(jīng)蒙西、陜西、山西等我國(guó)最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)，直達(dá)鄂湘贛煤炭消費(fèi)地，全長(zhǎng)1 814.8 km，其中浩勒?qǐng)?bào)吉至襄陽(yáng)牽引質(zhì)量為10 000 t；襄陽(yáng)至吉安為5 000 t，途中設(shè)鄧湖(襄陽(yáng))組合分解站承擔(dān)整個(gè)集疏運(yùn)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(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)條件、通道運(yùn)輸產(chǎn)品的確定以及運(yùn)輸需求，可知通道可開(kāi)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(jì)其牽引質(zhì)量為5 000 t，因此在重車方向萬(wàn)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(yùn)端。

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

由于萬(wàn)t列車需要在集疏運(yùn)端分別進(jìn)行組合分解作業(yè)，這樣其相對(duì)于5 000 t列車來(lái)說(shuō)大大增加了其車底周轉(zhuǎn)時(shí)間，但萬(wàn)t列車的開(kāi)行在乘務(wù)和機(jī)車供應(yīng)方面又較5 000 t列車的需求量更少，同時(shí)考慮裝卸車作業(yè)時(shí)間差別，因此可對(duì)日均運(yùn)用貨車輛數(shù)、乘務(wù)員配置班數(shù)、日均機(jī)車供應(yīng)臺(tái)次分別標(biāo)定參數(shù)并以周轉(zhuǎn)時(shí)間為重點(diǎn)對(duì)其相應(yīng)成本進(jìn)行計(jì)算。

首先，需確定兩種方案列車的開(kāi)行數(shù)量。

其次，在此基礎(chǔ)上計(jì)算僅開(kāi)行5 000 t單元列車和僅開(kāi)1萬(wàn)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(yùn)用貨車輛數(shù)、機(jī)車供應(yīng)臺(tái)次3方面可變動(dòng)成本。

最后，構(gòu)建兩種方案對(duì)應(yīng)的費(fèi)用函數(shù)并計(jì)算成本支出相等時(shí)臨界點(diǎn)的列車旅行時(shí)間值，并以此來(lái)反應(yīng)OD對(duì)之間開(kāi)行萬(wàn)t組合列車的合理范圍及開(kāi)行時(shí)機(jī)。

2　模型構(gòu)建

2.1列車開(kāi)行數(shù)量

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

(1)

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

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

表1　日均開(kāi)行列車數(shù)

此時(shí)兩種方案分別可滿足不超過(guò)2億t和3億t時(shí)的運(yùn)量要求。

2.2成本因素

(1)日均運(yùn)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(shí)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(shí)間、卸車作業(yè)時(shí)間、途中旅行時(shí)間、中轉(zhuǎn)技術(shù)作業(yè)時(shí)間、列車組合作業(yè)時(shí)間以及分解作業(yè)時(shí)間；x為日均開(kāi)行列車數(shù)。

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

表2　日均運(yùn)用貨車輛數(shù)

注：表中萬(wàn)t列車的組合分解作業(yè)時(shí)間主要取自大秦鐵路的相關(guān)時(shí)間數(shù)據(jù)[11]；兩種類型列車的裝卸車時(shí)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(yùn)通道集疏運(yùn)端各裝車點(diǎn)及卸車點(diǎn)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(shí)間，包括列車旅行時(shí)間和乘務(wù)員輔助作業(yè)時(shí)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(shí)。

乘務(wù)員全周轉(zhuǎn)時(shí)間包括列車旅行時(shí)間和乘務(wù)輔助作業(yè)時(shí)間兩部分，其中輔助作業(yè)時(shí)間按照運(yùn)行圖技術(shù)資料中規(guī)定的貨運(yùn)機(jī)車在機(jī)務(wù)段及換乘點(diǎn)作業(yè)時(shí)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算：出庫(kù)作業(yè)時(shí)間從出勤到開(kāi)車90 min，入庫(kù)作業(yè)時(shí)間從到達(dá)到退勤60 min；換乘點(diǎn)進(jìn)行換掛作業(yè)時(shí)間40 min；交接作業(yè)30 min，由于乘務(wù)交路相對(duì)較短，各起訖點(diǎn)之間輔助作業(yè)時(shí)間略有不同，在不影響方案比對(duì)的前提下，這里將輔助時(shí)間取固定值5 h?？紤]單機(jī)牽引情況下，萬(wàn)t組合列車分解作業(yè)過(guò)程特點(diǎn)，因此計(jì)算乘務(wù)員的全周轉(zhuǎn)時(shí)間時(shí)應(yīng)將分解作業(yè)時(shí)間考慮在內(nèi)。則單機(jī)牽引狀態(tài)下萬(wàn)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(jī)車供應(yīng)臺(tái)次

(5)

(6)

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

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

表4　日均機(jī)車供應(yīng)臺(tái)次

2.3模型建立

引入?yún)?shù)c1、c2分別為日均運(yùn)用貨車車輛及一個(gè)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(jī)車供應(yīng)方面成本因素對(duì)應(yīng)的單位成本支出(單位:元)。

貨車車輛方面，由于計(jì)算內(nèi)容為日均運(yùn)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(gòu)買和租賃兩種方式時(shí)費(fèi)用的平衡點(diǎn)，即約130元/輛d；c1=130。

乘務(wù)員方面，其計(jì)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(gè)乘務(wù)員的形式，取乘務(wù)員平均工資274元/d；c2=548。

機(jī)車方面，5 000t列車、萬(wàn)t列車分別考慮采用HXD1B和HXD1F單機(jī)牽引，兩種機(jī)車購(gòu)置費(fèi)用及折舊情況如表5。

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

表5　機(jī)車購(gòu)置費(fèi)用及折舊

注：由于HXD1F未上線，其各項(xiàng)成本以HXD1型機(jī)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(gè)方面的日均開(kāi)行成本對(duì)比。

開(kāi)行5 000 t單元列車時(shí)的主要可變動(dòng)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(jiǎn)化C1=4.84G(t旅+6.499)。

開(kāi)行1萬(wàn)t組合列車時(shí)的主要可變動(dòng)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(jiǎn)化C2=4.185G(t旅+10.378)。

求解C1=C2時(shí)，t旅的值。

3　模型求解

圖1　成本函數(shù)圖像

由費(fèi)用函數(shù)可以看出，開(kāi)行成本是關(guān)于運(yùn)量和起訖點(diǎn)間走行時(shí)間的函數(shù)，但對(duì)于兩方案的比對(duì)以此種方法計(jì)算的情況下是與運(yùn)量無(wú)關(guān)的，由于本文計(jì)算的假定條件是運(yùn)行圖未滿，其實(shí)際意義表示為，如當(dāng)采取全部開(kāi)行5 000 t單元列車情況下線路能力未飽和，此時(shí)由于5 000 t單元列車組織形式簡(jiǎn)單，線路條件(通過(guò)能力)又允許全部開(kāi)行5 000 t列車，故一般沒(méi)有開(kāi)行萬(wàn)t組合列車的必要，即可滿足當(dāng)下運(yùn)量目標(biāo)，因此，在這種環(huán)境下是否選擇開(kāi)行萬(wàn)t列車并不以運(yùn)量為決策變量，則無(wú)需考慮運(yùn)量對(duì)兩種方案對(duì)比情況下主要成本的影響，但其確實(shí)存在一種可能，即一部分起訖點(diǎn)間可以選擇合理的開(kāi)行萬(wàn)t列車，其運(yùn)營(yíng)成本較全部開(kāi)行5 000 t單元列車時(shí)的運(yùn)營(yíng)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(shí)間方面，則其主要突出各起訖點(diǎn)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(diǎn)走行時(shí)間為18.285h，其意義為，當(dāng)機(jī)車走行時(shí)間大于18.285h的情況下，可以考慮選擇開(kāi)行萬(wàn)t組合列車，18.285h以內(nèi)在通過(guò)能力允許情況下則可考慮全部開(kāi)行5 000t列車。進(jìn)而可以考慮不同起訖點(diǎn)間的方案選擇。如，海則攤至鄧湖區(qū)段，機(jī)車旅行速度為50km/h時(shí)，其旅行時(shí)間為31.61h，則此時(shí)即可考慮選擇開(kāi)行萬(wàn)t組合列車，從而可較全部開(kāi)行5 000t列車的開(kāi)行方案的運(yùn)營(yíng)成本有顯著降低。

4　結(jié)論

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

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

本文僅對(duì)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(wú)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(yùn)量較少的情況下萬(wàn)t相對(duì)5 000t組織難度要大，但隨著運(yùn)量的增大，5 000t列車的大量開(kāi)行給辦理相應(yīng)技術(shù)作業(yè)的車站帶來(lái)越來(lái)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(wàn)t60min從某種程度上是對(duì)組織難度的一種反應(yīng))此時(shí)，5 000t則比萬(wàn)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(wú)法量化的指標(biāo)直接參與定量化的計(jì)算。故可從此角度出發(fā)對(duì)本文研究?jī)?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(yùn)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(wàn)t組合列車開(kāi)行范圍研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(3):53-58.