甘志良

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

?

蒙華鐵路開行重載列車運(yùn)輸組織方案研究

甘志良

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

蒙華鐵路是我國(guó)最大規(guī)模的運(yùn)煤專線，為完成該貨運(yùn)通道遠(yuǎn)期2億噸的重載運(yùn)輸任務(wù)，文章從規(guī)劃設(shè)計(jì)輸送能力、通過(guò)能力利用率、機(jī)車使用數(shù)量以及專用貨車的配備數(shù)量四個(gè)方面考慮，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，標(biāo)定參數(shù)并利用單純形法進(jìn)行求解，確定重載列車運(yùn)輸組織方案，計(jì)算每種方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)并給出相關(guān)建議，為通道建成后的實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供理論依據(jù)。

蒙華鐵路；貨運(yùn)通道；重載運(yùn)輸；目標(biāo)規(guī)劃；單純形法

0 引言

我國(guó)煤炭資源豐富，但在地理分布上存在著嚴(yán)重的不均衡。當(dāng)前我國(guó)已形成蒙陜甘寧能源“金三角”地區(qū)，該地區(qū)煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的30%以上，而處于我國(guó)內(nèi)陸腹地的鄂湘贛等華中地區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電力及工業(yè)用煤增長(zhǎng)迅速，每年需要大量調(diào)入?yún)^(qū)外煤炭。1992年我國(guó)第一條雙線電氣化重載鐵路大秦線建成通車之后，大大緩解了我國(guó)煤炭運(yùn)輸?shù)木o張局勢(shì)。伴隨著蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道的逐步建成，蒙陜甘寧能源“金三角”地區(qū)直達(dá)鄂湘贛等華中地區(qū)的便捷煤運(yùn)主通道也將形成，并與包西、寧西、焦柳、京廣等共同構(gòu)筑起“金三角”地區(qū)至華中地區(qū)能力強(qiáng)大的煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)，可滿足鄂湘贛等地區(qū)的煤炭需求，對(duì)促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略實(shí)施和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用[1]。

針對(duì)重載鐵路運(yùn)輸?shù)难芯恳恢笔菄?guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)，而重載列車運(yùn)輸組織方案又是其中最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一。運(yùn)輸組織方案主要指在滿足一定的制約條件(包括保證貨運(yùn)量、線路能力、設(shè)備數(shù)量等)下，確定開行不同種類重載列車的數(shù)量。王慈光[2]以大秦線為例構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃模型，利用單純形法進(jìn)行求解，并將得到的結(jié)果與現(xiàn)行方案進(jìn)行比較，但在實(shí)際求解過(guò)程中未考慮整數(shù)約束和各目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)；馬驍珂[3]構(gòu)建在完成重車方向貨流量情況下，以運(yùn)用機(jī)車最少為目標(biāo)的線性規(guī)劃模型，考慮整數(shù)約束并采用割平面法進(jìn)行求解，但模型的約束條件太少，適應(yīng)性不強(qiáng)；姜雯[4]以蘭新線為例從完成貨運(yùn)量、滿足線路技術(shù)負(fù)荷、專用貨車的數(shù)量限制三個(gè)方面構(gòu)造線性規(guī)劃模型，利用LINGO求解，但未考慮機(jī)車數(shù)量限制和解的整數(shù)約束?；诖?，本文構(gòu)建重載列車運(yùn)輸組織方案的多目標(biāo)規(guī)劃模型。為將各目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)考慮進(jìn)去，在求解過(guò)程中將目標(biāo)劃分為多個(gè)分目標(biāo)并加入整數(shù)約束逐級(jí)求解，最后以蒙華鐵路為例驗(yàn)證模型的可行性，為通道建成后的實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 重載列車運(yùn)輸組織方案的多目標(biāo)規(guī)劃模型

1.1 問(wèn)題的提出

為了滿足重載鐵路年貨運(yùn)量的要求，合理利用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備，需確定重載列車的運(yùn)輸組織方案。根據(jù)我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸?shù)膶?shí)際發(fā)展，確定鐵路線上開行不同等級(jí)的重載列車主要有5 000 t、8 000 t、10 000 t、20 000 t四種類型[5]?；诖吮尘?，建立的多目標(biāo)規(guī)劃模型應(yīng)滿足以下四個(gè)約束條件：

(1)重載鐵路年輸送貨物量不少于需求輸送能力；

(2)為了保證列車運(yùn)行圖具有一定的彈性，應(yīng)將雙線鐵路通過(guò)能力利用率盡量控制在80%以下，否則需要考慮對(duì)鐵路線路進(jìn)行改建擴(kuò)能；

(3)一晝夜使用的機(jī)車總臺(tái)數(shù)應(yīng)少于日均配備機(jī)車數(shù)量；

(4)C80型專用貨車日均使用臺(tái)數(shù)應(yīng)少于日均配備數(shù)量。

對(duì)于約束條件(1)是由線路規(guī)劃者所提出來(lái)的對(duì)于貨運(yùn)量的硬性要求，理論上應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)最大化為最優(yōu)，這是多目標(biāo)模型中最主要的目標(biāo)，處于最高級(jí)；

對(duì)于約束條件(2)為了保證運(yùn)行圖的彈性，須預(yù)留部分后備能力便于進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整，規(guī)定能力利用率≤80%，利用率實(shí)現(xiàn)最小化為最優(yōu)，處于次高級(jí)；

對(duì)于約束條件(3)由于車站日均機(jī)車數(shù)量有限，在開行方案中機(jī)車數(shù)量應(yīng)該實(shí)現(xiàn)最小化為最優(yōu)，允許有少量超出，處于較低級(jí)；

對(duì)于約束條件(4)由于貨車數(shù)量存在一定限制，因此在開行方案中貨車數(shù)量應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)最小化為最優(yōu)，允許有少數(shù)超出，處于最低級(jí)。

1.2 模型的構(gòu)建

假設(shè)重載鐵路線上開行重量為Q1、Q2、Q3、Q4的重載列車的數(shù)量分別為x1、x2、x3、x4，即Q1=5 000t、Q2=8 000t、Q3=10 000t、Q4=20 000t。根據(jù)普通貨物開行對(duì)數(shù)的計(jì)算公式：

Nph=GKb/365Qiφi

(1)

結(jié)合限制條件(1)可得約束方程：

365(x1Q1φ1+x2Q2φ2+x3Q3φ3+x4Q4φ4)≥GKb

(2)

式中：φi——開行重量為Qi的重載列車的平均載重系數(shù)；

G——重載鐵路線路年度需求輸送能力；

Kb——貨運(yùn)波動(dòng)系數(shù)。

根據(jù)平行運(yùn)行圖的計(jì)算公式：

Np=(1 440-Tc)/Imax

(3)

Imax=max{Ii}i=1，2，3，4

(4)

式中：Np——平行運(yùn)行圖通過(guò)能力；

Tc——綜合天窗維修時(shí)間；

Ii——重量為Qi的重載列車的追蹤間隔時(shí)間。

非平行運(yùn)行圖的通過(guò)能力為：

Nf=Np-nkεk+nk

(5)

式中：nk——重載鐵路開行旅客列車的對(duì)數(shù)；

εk——旅客列車的扣除系數(shù)。

結(jié)合限制條件(2)可得約束方程：

x1+x2+x3+x4≤Nfγt

(6)

式中，γt——線路通過(guò)能力利用率，通常取80%。

在我國(guó)重載鐵路線上，開行一列20 000t列車需4臺(tái)電力機(jī)車牽引，開行一列10 000t列車需2臺(tái)電力機(jī)車牽引，開行一列8 000t列車需2臺(tái)電力機(jī)車牽引，開行一列5 000t列車需1臺(tái)電力機(jī)車牽引。假定機(jī)車周轉(zhuǎn)時(shí)間為θj，機(jī)車需要系數(shù)為Kn，機(jī)車日均可用臺(tái)數(shù)為N，則：

θj=tb+tz+2tc

(7)

kn=θj/24

(8)

式中：tb——機(jī)車在基本段作業(yè)時(shí)間；

tz——機(jī)車在折返段作業(yè)時(shí)間；

tc——列車單方向純運(yùn)行時(shí)分。

結(jié)合限制條件(3)可得約束方程：

x1+2x2+2x3+4x4≤N/Kn

(9)

假設(shè)20 000t重載列車的編組輛數(shù)為m，貨車周轉(zhuǎn)時(shí)間為θh，C80型專用貨車日均配備臺(tái)數(shù)為M，結(jié)合限制條件(4)可得約束方程：

m×θh×x4≤M

(10)

根據(jù)上述約束方程，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型如下：

xi∈N，xi>0，i=1，2，3，4

Pj——表示第j個(gè)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)，通常有P1>P2>P3>P4。

1.3 模型求解

此類多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的本質(zhì)實(shí)則與線性規(guī)劃問(wèn)題無(wú)異，因此可用單純形法進(jìn)行求解[6]。在求解多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題過(guò)程中，應(yīng)遵循以下步驟：

(1)根據(jù)優(yōu)先因子的個(gè)數(shù)將目標(biāo)拆分成若干個(gè)分目標(biāo)，只考慮優(yōu)先級(jí)最高的目標(biāo)minz(1)得到問(wèn)題的解X(1)；

(2)只考慮優(yōu)先級(jí)次之的目標(biāo)minz(2)，并將step1中的解X(1)加入到約束條件中進(jìn)行求解，得到問(wèn)題的解X(2)；

(3)依此類推，直至所有的分目標(biāo)都求解完畢，所得到的解X(k)即為多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的終解。

2 實(shí)證分析

蒙華鐵路是“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目國(guó)內(nèi)最大的“北煤南運(yùn)”貨運(yùn)通道，年設(shè)計(jì)運(yùn)量為2億噸。北起東烏線浩勒?qǐng)?bào)吉站，南至江西省吉安市吉安站，全長(zhǎng)1 837km，與東烏線、太中銀線、南同蒲線、隴海線、寧西線、焦柳線、京廣線、滬昆線、京九線相銜接，除承擔(dān)煤炭運(yùn)輸任務(wù)開行貨物列車外，還承擔(dān)著針對(duì)沿線少量旅客出行要求而開行的10對(duì)旅客列車[7]。參照大秦線重載列車運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[8]，同時(shí)考慮蒙華鐵路與大秦線的不同，萬(wàn)噸列車追蹤時(shí)間定為10min，20 000t列車追蹤間隔時(shí)間定為12min，其余載重貨物列車追蹤間隔時(shí)間均為8min。綜合維修天窗采用V型，固定作業(yè)時(shí)間為180min，貨運(yùn)波動(dòng)系數(shù)取值1.1，旅客列車扣除系數(shù)取值為2.6，為了滿足線路后續(xù)改造擴(kuò)能，雙線需要預(yù)留15%后備能力[9]。機(jī)車日均可用臺(tái)數(shù)420臺(tái)，機(jī)車在基本段、折返段的作業(yè)時(shí)間均為180min，重載列車的平均時(shí)速為65km/h。目前我國(guó)使用重載列車的貨車類型有C80、C76、C63三種，其技術(shù)參數(shù)及適用類型見表1[10]：

表1 不同貨車技術(shù)參數(shù)及適用類型表

C80專用貨車是軸重為25t的四軸貨車，日均配備數(shù)量11 000輛，貨車周轉(zhuǎn)時(shí)間為3d。將上述標(biāo)定參數(shù)代入式(11)中，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型如下：

(12)

xi∈N，xi>0，i=1，2，3，4

根據(jù)1.3中提出的求解多目標(biāo)規(guī)劃模型的步驟，利用單純形法進(jìn)行求解，得到模型的解如下：

基于式(13)，得到蒙華鐵路重載列車運(yùn)輸組織方案見表2：

表2 蒙華鐵路重載列車運(yùn)輸組織方案表

3 結(jié)語(yǔ)

(1)方案1實(shí)際上只開行5 000t重載列車，該方案牽引質(zhì)量單一，便于組織直達(dá)運(yùn)輸；為滿足要求需要適當(dāng)增加機(jī)車供應(yīng)臺(tái)數(shù)，不符合未來(lái)鐵路貨運(yùn)重載化的發(fā)展方向。

(2)方案2和方案3實(shí)質(zhì)上是開行5 000t和20 000t重載列車混合方案，二者開行數(shù)量十分接近，同時(shí)滿足前三個(gè)約束條件，唯一不滿足的是專用貨車C80的數(shù)量要求。若采取此種方案需要增加C80專用貨車的數(shù)量。由于蒙華鐵路規(guī)劃在鄧湖站將萬(wàn)噸以上列車解編為5 000t，可以有效減少端點(diǎn)作業(yè)成本。該方案對(duì)于車站線路的能力要求沒(méi)有方案1高。

(3)方案4主要開行8 000t、10 000t和20 000t三種重載列車，在開行的62對(duì)列車中，萬(wàn)噸列車使用效率最高，20 000t列車次之，8 000t列車最低，10 000t以上列車占87.1%，符合未來(lái)重載發(fā)展的趨勢(shì)，但在一定程度上會(huì)增加調(diào)度工作的難度。

當(dāng)決策者思考問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)不同，對(duì)于模型中參數(shù)的標(biāo)定以及制約條件亦有所不同，得到的重載列車運(yùn)輸方案會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，但模型的思想適用性更廣。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).關(guān)于新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程項(xiàng)目建議書的批復(fù)[Z].2012.

[2]王慈光.目標(biāo)規(guī)劃在鐵路重載運(yùn)輸組織中的應(yīng)用[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44(3)：392.

[3]馬驍珂.鐵路重載運(yùn)輸組織方式及相關(guān)問(wèn)題的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006.

[4]姜 雯.蘭新線開行重載列車運(yùn)輸方案探討與研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[5]彭其淵，王慈光.鐵路行車組織[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[6]甘應(yīng)愛(ài)，田 豐，李維錚，等.運(yùn)籌學(xué)[M].第三版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.關(guān)于報(bào)送新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道可行性研究報(bào)告的函[Z].2013.

[8]胡 志.大秦線2萬(wàn)噸重載列車運(yùn)輸組織模式分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[9]吳首蓉.南昆線開行重載列車運(yùn)輸組織方案研究[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

[10]既有線重載運(yùn)輸組織方案研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

Study on Heavy-haul Train Transportation Organization Scheme in Menghua Railway

GAN Zhi-liang

(Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan，610031)

Menghua Railway is the coal transporting line with the largest size in China，therefore，in order to complete the long-term 200 million tons heavy-haul transport tasks of this freight corridor，this article established the multi-objective programming model considering the planning and design of transmission capacity，passing capacity utilization rate，locomotives utilization number，and number of equipped special freight train，calibrated the parameters and solved by the simplex method，determined the transport organization scheme for heavy-haul trains，and calculated the evaluation index of each program and proposed the related suggestions，thereby providing the theoretical basis for the actual operations of this corridor after completion.

Menghua Railway；Freight corridors；Heavy-haul transport；Target planning；Simplex method

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.019

1673-4874(2016)10-0071-05

2016-09-05

甘志良(1992—)，碩士研究生，研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。