劉 勇 朱曉寧 閆柏丞 劉 瀟

(深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計研究中心1) 深圳 518021) (北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院2) 北京 100044)

基于既有運行圖的高鐵行包運輸方案優(yōu)化*

劉 勇1,2)朱曉寧2)閆柏丞2)劉 瀟2)

(深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計研究中心1)深圳 518021) (北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院2)北京 100044)

基于既有旅客列車運行圖下的高速鐵路行包運輸組織方案建立了優(yōu)化模型，利用LINGO9.0平臺對模型進行了求解，并以京滬高鐵為背景設(shè)計了算例對模型的有效性進行了驗證.結(jié)果表明，模型對高速鐵路快運組織方案設(shè)計問題具有良好的適用性和優(yōu)化效果.通過給出高速鐵路快運停站方案和裝卸車作業(yè)計劃，能為高速鐵路貨物運輸組織提供一定的決策支持.

鐵路運輸；快運組織方案；非線性整數(shù)規(guī)劃；高鐵快運；既有運行圖

0 引 言

當(dāng)前關(guān)于高鐵快運的研究主要集中在產(chǎn)品設(shè)計與定價、運量預(yù)測分配、列車貨運技術(shù)、車站布局和作業(yè)流程設(shè)計等方面[1-4]，而對高鐵快運列車運輸方案研究較少[5-7].少量的研究也集中于研究既有鐵路貨運組織方式在高速鐵路中的應(yīng)用，且多針對高鐵貨運班列，單一從貨運視角出發(fā)，未充分考慮當(dāng)前高速鐵路網(wǎng)以客運列車為核心服務(wù)對象的客觀條件，以及未考慮結(jié)合既有運行圖合理安排列車時空分布，一定程度上脫離實際需求，對企業(yè)實踐缺乏指導(dǎo)意義.

文中著眼于既有高速鐵路運行圖，綜合考慮快運市場多樣化需求，通過建立基于既有運行圖的高速鐵路快運組織方案優(yōu)化模型，提出1種快運組織方案的編制方法，為高鐵貨物運輸提供理論依據(jù)和決策支持.

1 問題描述與模型建立

1.1 問題描述

在當(dāng)前運營水平下，裝備技術(shù)條件仍未達到以高頻次開行高鐵貨運班列的要求，旅客運輸仍是高速鐵路運輸?shù)暮诵娜蝿?wù).因此，高速鐵路快運組織方案是在既有高鐵客運組織的基礎(chǔ)上進行的貨運作業(yè)組織，其核心是合理調(diào)配高鐵快運的運輸能力，確定高鐵快運的停站組織方案和貨物裝卸車計劃，既滿足高鐵貨物的運輸需求，又盡可能地減少對高鐵客運組織的影響.高鐵貨物運輸組織的示意圖見圖1.

圖1 高鐵貨運組織方案示意圖

由圖1可知，高速鐵路組織快捷貨物運輸停站方案是在客運停站方案的基礎(chǔ)上，依據(jù)沿線高鐵貨運需求、設(shè)施設(shè)備條件和客運高鐵列車在沿線車站客運組織時間等因素進行優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果.與高鐵貨物專列開行方案不同，高鐵貨運組織方案是高鐵旅客運輸組織的附屬方案，著重于滿足以小件貨物為主要貨運對象的小批量、靈活性和時效性要求，在方案屬性上具有靈活性和實時性特征，是針對具體的貨物運輸需求制定的具有時效性的停站方案和裝卸車作業(yè)計劃.

1.2 基本假設(shè)

依據(jù)問題描述，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，現(xiàn)對問題給出如下假設(shè).

1) 列車同質(zhì)性假設(shè) 對于在辦理點經(jīng)停的高鐵列車，均可納入辦理高鐵快運業(yè)務(wù)列車的備選集.現(xiàn)階段，我國高鐵列車主要利用車廂兩端大件行李處搭載定制的專業(yè)化集裝設(shè)備，對于辦理貨物業(yè)務(wù)而言，可以提供的運輸條件基本相同.

2) 高鐵車站貨運作業(yè)可行性假設(shè) 辦理點均具備提供高鐵貨運服務(wù)的基礎(chǔ)技術(shù)條件，不同等級的高鐵站依據(jù)經(jīng)停列車的總停站時間不同，所容許辦理的最大貨運業(yè)務(wù)量有所差異，且在貨運作業(yè)能力上與高鐵客運作業(yè)能力相匹配.

3) 運輸能力假設(shè) 在計劃期內(nèi)，運輸部門所投放的動車組運力能滿足所有的高鐵貨物運輸需求.操作過程中，貨運部門可通過設(shè)計不同時效性的貨運產(chǎn)品，通過在時間維度上分散客戶的貨運需求來保障貨運服務(wù)的能力充足.

4) 運輸直達假設(shè) 高鐵貨物運輸組織方案采取站到站一次直達本線運輸?shù)姆绞?，不存在中轉(zhuǎn)情況.由于貨物的裝卸作業(yè)會對高鐵客運組織產(chǎn)生影響.因此，在高鐵貨物作業(yè)組織過程中以滿足貨物直達運輸需求為主.

5) 車站貨運裝卸作業(yè)時間假設(shè) 在選定貨運辦理點的列車停站時間，扣除正常旅客乘降時間要求外，其時間長度滿足高鐵列車裝卸隨車搭載的快件貨物的時間要求.

1.3 符號說明

1.4 目標(biāo)函數(shù)

高鐵貨物運輸組織方案是在高鐵旅客運輸組織方案的基礎(chǔ)上，綜合考慮動車組列車、辦理車站及貨運需求等因素的綜合方案.高鐵快運業(yè)務(wù)是以圖定旅客列車開行情況為基礎(chǔ)，且車站貨運作業(yè)的辦理勢必會對正?？瓦\作業(yè)產(chǎn)生影響.因此，高鐵貨物運輸組織方案優(yōu)化的目標(biāo)為最小化高速列車辦理貨運作業(yè)總次數(shù)，減少貨運作業(yè)對高鐵旅客運輸組織的影響.由此可知，模型的目標(biāo)為

(1)

1.5 約束條件

高鐵貨物運輸組織方案主要受到高鐵旅客運輸組織方案的影響，此外，還受到貨物運輸屬性、動車組列車運輸能力及高鐵站作業(yè)能力的影響.具體約束如下.

1) 高鐵貨運辦理站點約束 對于備選集內(nèi)的高鐵站點，都是高鐵貨運業(yè)務(wù)的服務(wù)對象，即高鐵快運辦理點至少有1列高鐵列車經(jīng)停該站辦理貨運作業(yè).

?j∈K

(2)

2) 貨物運輸總量約束 在計劃期內(nèi)，動車組的投放比例是充足的，計劃期內(nèi)的高鐵貨物可以全部運完.對單個貨物而言，每件貨物有且僅有一列客運列車搭載.

?j,k∈K,m∈M

(3)

3) 高鐵運輸能力約束 高鐵主要以旅客運輸為主，每節(jié)車廂所留有的運輸空間是有限的，因此，每列車運輸貨物的總數(shù)不能超過單列車的運載總?cè)萘?即對于每列車在任何一個站，在經(jīng)過一次裝卸車后其貨物的保有量不能超過該列車的運載容量.

?v∈K,i∈N

(4)

4) 運輸時限約束 高鐵貨運主要面向的是時效性強、附加值高的貨物，為滿足貨物運輸?shù)臅r限要求，對單個貨物而言，成功運輸?shù)那疤釛l件是運載貨物的高鐵列車到站時刻不能晚于貨物最晚運到的承諾時間.

?j,k∈K,i∈N，m∈M

(5)

5) 列車辦理站數(shù)量約束 在高鐵客運車站進行貨運作業(yè)會對車站客流乘降組織產(chǎn)生影響.因此，對任意選定搭載貨物的旅客列車，其辦理貨物業(yè)務(wù)的總數(shù)應(yīng)該得到控制，即任何列車其辦理貨運業(yè)務(wù)的站點個數(shù)不能超過允許辦理站點的最大值.

?i∈N

(6)

6) 列車辦理站約束 高鐵貨運業(yè)務(wù)是在客運業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上開展的，對單次列車而言，其貨運業(yè)務(wù)的辦理站點只能是在客運業(yè)務(wù)辦理站點上選擇的結(jié)果；對單個站點而言，只有當(dāng)列車停站時才能辦理相應(yīng)的貨運作業(yè).

xij·(zij-1)=0,?j∈K,i∈N

(7)

7) 貨物運輸方案與貨運站業(yè)務(wù)辦理方案約束 只有在辦理高鐵貨運業(yè)務(wù)的辦理站，才能進行貨物的運輸.

?j,k∈K,i∈N,m∈M

(8)

8) 決策變量0-1約束

(xij-1)·xij=0,?j∈K,i∈N

(9)

?j,k∈K,i∈N,m∈M

(10)

2 模型求解與算例分析

2.1 算例描述

以京滬高鐵為高鐵快運組織方案為算例背景，選取京滬線上客貨運量較大、列車經(jīng)停時間總和較長且車站貨運作業(yè)條件較好的7個高鐵站作為辦理貨運業(yè)務(wù)的備選集，并選取京滬線上開行時刻和停站時長較符合要求的13列高鐵作為辦理貨運業(yè)務(wù)的列車備選集.以京滬高鐵下行方向的高鐵貨運需求為例，要求在計劃期滿足內(nèi)京滬線上共110個集裝單元貨物的快運需求.其中，設(shè)定每列動車組可容許裝卸的最大集裝單元個數(shù)為10個；單次列車容許辦理貨運作業(yè)的站點數(shù)不超過5個，計劃內(nèi)各站貨運產(chǎn)品見表1.

表1 高鐵貨運服務(wù)產(chǎn)品運輸時限

對當(dāng)日達和次晨達產(chǎn)品而言，其截單時間在當(dāng)天中午12：00，運輸時間在當(dāng)天完成；而對于次日達產(chǎn)品而言，截單時間為當(dāng)天22：00，運輸時間為次日白天完成.因此，在裝卸車作業(yè)計劃編制上主要分為兩個計劃時段，當(dāng)天12：00的計劃主要面向的是當(dāng)日達和次晨達的貨運需求；當(dāng)天22：00的計劃主要面向的是次日達產(chǎn)品.本次算例主要針對的是當(dāng)日達(A)和次晨達(B)的12：00計劃，計劃期內(nèi)各地間貨運需求總量分布見表2，備選集內(nèi)列車停站方案和運行時刻見表3～4.

表2 京滬線12:00計劃期內(nèi)高鐵快運需求量(A-B)

注：快運量統(tǒng)計以集裝單元為單位.

2.2 算例求解及分析

分析可知，高速鐵路快運組織方案優(yōu)化模型為非線性整數(shù)規(guī)劃問題.文中重點在問題描述和優(yōu)化方案生成，求解算法的選擇以能獲得滿意解為出發(fā)點，以算法求解速度為基本原則，盡可能選擇通用求解方法，在對問題進行小規(guī)模算例驗證比較的基礎(chǔ)上，選擇LINGO9.0對問題進行求解.將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入模型，利用LINGO9.0求解工具，求解可得求解結(jié)果見表5～6，依據(jù)求解結(jié)果，綜合列車既有客運停站方案，可得列車貨運組織方案見圖2.

表4 選定京滬線高鐵客運時刻表

表5 高鐵貨運停站方案(下行)

表6 高鐵貨物裝卸車作業(yè)計劃(數(shù)量-車次)

圖2 高鐵貨物運輸組織方案

由以上高鐵貨物運輸組織方案可以看出：

1) 在滿足貨運需求方面，時段內(nèi)當(dāng)日達和次晨達貨物均按時運出，未出現(xiàn)滯留.

2) 共有9列高鐵列車投入下行方向貨物運輸，沿線共啟用貨運辦理點27次，占備選停站總數(shù)的38.57%，有效控制了利用既有高鐵開行列車開展快件運輸對高鐵既有客運的影響.

3) 以辦理點使用率(使用辦理點數(shù)/備選辦理點數(shù))為指標(biāo)，可看出天津西站高鐵貨運對天津西站和蘇州站干擾較大，使用率分別達66.67%和50%，南京、徐州、濟南客運受干擾程度控制較好.

4) 在能力利用上，計劃期內(nèi)，平均單次列車運輸?shù)呢浳餅?2.22個，能力復(fù)用率達122.2%；從周轉(zhuǎn)量來看，高鐵貨運組織方案的貨運周轉(zhuǎn)量為420(集裝單元數(shù)量乘以運輸區(qū)段數(shù)量)，相較運力投放總量540(集裝單元數(shù)量乘以運輸區(qū)段數(shù)量)而言，總運力利用率達77.78%.

3 結(jié) 束 語

針對當(dāng)前熱點的高鐵快運方案設(shè)計問題，在總結(jié)實踐和理論研究成果的基礎(chǔ)上，給出了適應(yīng)于當(dāng)前情況下解決高速鐵路快運組織問題的新思路和新方法.通過將高速鐵路快運組織方案分解為快運列車停站方案和裝卸車作業(yè)計劃，提出了適用于已知高速鐵路快運辦理點條件下的快運組織方案優(yōu)化模型，利用LINGO9.0平臺對模型進行了求解，并通過算例對模型進行驗證.結(jié)果表明，模型對現(xiàn)實問題具有良好的適用性和優(yōu)化作用，通過給出高速鐵路快運停站方案和裝卸車作業(yè)計劃，為高速鐵路貨物運輸組織提供決策支持.然而，高鐵快運的實施不僅需要對運輸組織方案進行優(yōu)化設(shè)計，還需要對貨運組織流程、裝載搬運器械標(biāo)準(zhǔn)、場站設(shè)施布局等配套工程進行一體化優(yōu)化改進，車輛與貨物及車站與貨物間的同步配合是進一步研究的方向.

[1]張濤.中鐵快運開展高鐵快遞業(yè)務(wù)的研究[D].北京：北京交通大學(xué),2014.

[2]梁皓妍.高鐵快遞產(chǎn)品優(yōu)化配置研究[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

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Express Freight Transportation Plan Optimization Based on Existed High Speed Railway Timetable

LIU Yong1,2)ZHU Xiaoning2)YAN Baichen2)LIU Xiao2)

(ShenzhenUrbanTransportPlanningCenter,Shenzhen518021,China)1)(SchoolofTrafficandTransportation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)2)

An optimization model is established for the transportation organization scheme of high speed railway based on the existing high-speed railway timetable. This model is solved using LINGO9.0 platform. By using Beijing-Shanghai High Speed Railway as the background, a case study is designed to validate the rational of the established model. The results show that the model has a good adaptability and optimized effects in solving the design problems of transportation organization scheme of high speed railway. Moreover, through the proposed model, an optimized express freight transport plan and loading and unloading scheme are acquired, which could guide practice to some extent.

railway transportation; express freight transport plan; nonlinear integer programming; express of EMUs; existed high-speed railway timetable

2016-10-24

*國家自然科學(xué)基金重大項目資助(71390332)

U294.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.019

劉勇(1990—)：男，碩士，助理工程師，主要研究領(lǐng)域為軌道交通運輸組織優(yōu)化