鄢永超 何世偉 殷瑋川

(1.北京鐵路局調(diào)度所 北京 102600;2.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院 北京 100044)

0 引 言

在鐵路企業(yè)向物流化轉(zhuǎn)型的背景下，鐵路總公司圍繞市場和客戶定位，進行了一系列的運輸組織改革，包括在路局管內(nèi)開行貨物快運列車，以達(dá)到吸引百貨貨源，增強鐵路在貨運市場競爭力的目的。當(dāng)前，鐵路貨主對服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高，不僅要求運輸?shù)臅r效短還要求運輸?shù)恼c率高。這就對當(dāng)前鐵路管內(nèi)開行的貨物快運列車提出了新的要求和期望。

目前，鐵路總公司開行的管內(nèi)貨物快運列車都以環(huán)線運輸為主，為此筆者研究對象為管內(nèi)環(huán)線貨物快運列車，其運輸組織過程見圖1。快運列車從始發(fā)站出發(fā)，經(jīng)過圖定線路的中間站，依據(jù)列車運行圖選擇在某些中間站裝運貨物，在某些中間站不停車通過，最后再回到始發(fā)站，運行線路為環(huán)線。

圖1 管內(nèi)快運列車運行示意圖

管內(nèi)貨物快運列車是鐵路貨物快運物流服務(wù)網(wǎng)絡(luò)上的重要環(huán)節(jié)，以北京鐵路局管內(nèi)環(huán)線快運列車為例，京津冀貨物快運列車自開行以來就受到了廣泛關(guān)注，貨物隨到隨裝，減少了倉儲環(huán)節(jié)和承運到裝車的時間，快速便捷，運價低廉，為企業(yè)、民眾提供了便利條件，降低了社會物流成本，同時也給鐵路企業(yè)創(chuàng)造了效益，為推進京津冀一體化作出了貢獻(xiàn)。然而，京津冀貨物快運列車跨度大，運行時間長，作業(yè)站站停時間對列車后續(xù)運行影響較大，容易造成終到晚點，進而影響到在南倉中心站的接續(xù)出發(fā)，延長了貨物運輸時間，難以很好的保障貨物運到期限，因此，合理優(yōu)化快運列車在各中間站停站方案和站停時間可以保障貨物運到期限水平，提升快運列車的組織效率。

國外關(guān)于鐵路貨物快運列車組織的研究有：Cacchiani[1]研究了客貨混跑下的鐵路網(wǎng)中的貨物運輸組織問題。Bach[2]討論了歐洲鐵路貨物運輸中的時刻表的設(shè)計問題，并以客戶承運需求服務(wù)時間的一系列離散點為時間戳進行時刻表的設(shè)計。Ceselli[3]針對瑞士聯(lián)邦鐵路提供的貨物快運服務(wù)，就瑞士承運車站和放射形貨物集散中心之間的貨運組織問題進行了討論。Morvant[4]分別從鐵路貨運市場的不確定性，因貨物品類，運輸計劃等造成的運行圖的異質(zhì)性和波動性等方面討論了法國鐵路網(wǎng)中貨物運輸面臨的主要問題。Yin[5]對鐵路樞紐內(nèi)快運班列組織工作進行了建模和優(yōu)化，并指出物流中心和鐵路樞紐共同配合進行班列組織工作的效率更高。Wang[6]研究了鐵路行包快運列車運輸組織問題，構(gòu)建了以運輸企業(yè)利潤最大化為目標(biāo)的約束規(guī)劃模型。Lin[7]研究了在給定貨物運輸時間條件下，以減少裝卸費用和運輸成本的總費用為目標(biāo)對貨運運輸?shù)膹铰愤x擇問題進行了研究。Zhao[8]為解決我國鐵路快運列車的負(fù)荷系數(shù)低、利潤率低、政府補貼壓力大等問題，運用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對我國鐵路、公路網(wǎng)和國家公路網(wǎng)各節(jié)點的重要性進行了評價。Cox[9]設(shè)計了一種應(yīng)用于快運列車的鐵路運輸系統(tǒng)，使列車中的各個車廂以集裝箱化的單元運載貨物，從而使貨運單元能夠快速裝卸。國內(nèi)相關(guān)研究有：殷瑋川[10]提出了鐵路物流中心站與編組站協(xié)同處理編發(fā)快運列車的組織新模式，建立了鐵路樞紐內(nèi)快運列車編發(fā)時刻混合整數(shù)優(yōu)化模型。王春樂[11]慮貨運站點貨物需求不確定性以及客戶對貨物運到期限的要求,設(shè)計雙層時空服務(wù)網(wǎng)絡(luò)描述樞紐內(nèi)快運班列車流組織過程。李夏苗[12-13]使用主成分分析方法分析了影響貨物送達(dá)時間的因素，并直達(dá)貨物列車運輸全程的時間分布，提出貨物運輸期限也應(yīng)符合相關(guān)時間分布概率。李瑋[14]對貨物送達(dá)時間分布規(guī)律進行了分析，認(rèn)為貨物送達(dá)全程及中途環(huán)節(jié)呈正態(tài)分布，并計算得出各環(huán)節(jié)的保障概率。曹學(xué)明[15]以貨車停時、中時、旅時生成變化為主線，將車流徑路、開行方案、空車調(diào)配、技術(shù)作業(yè)等優(yōu)化措施統(tǒng)一納入到加速貨車循環(huán)問題的研究領(lǐng)域，提出了運輸組織優(yōu)化模型和可行方法。朱昌鋒[16]通過對貨運產(chǎn)品重新分類改進現(xiàn)行的運到期限計算方法，使運到期限的計算更為合理、準(zhǔn)確。

綜上，國內(nèi)外關(guān)于鐵路快運列車和運到期限管控方面的研究還存在以下不足：①快運列車的研究主要集中在開行方案、時刻表，而對運到期限的研究主要集中在影響因素分析；②在當(dāng)前鐵路總公司開行管內(nèi)快運列車的背景下，如何優(yōu)化列車的組織方案以更好保障貨物的運到期限水平還有待開展研究。在考慮運到期限條件下，對鐵路管內(nèi)快運列車的組織進行研究，構(gòu)建了考慮運到期限的快運列車組織雙目標(biāo)優(yōu)化模型，針對雙目標(biāo)優(yōu)化模型的特點設(shè)計了求解帕累托解集的求解方法，并以北京鐵路局京津冀快運列車為實例進行了驗證分析。結(jié)果表明所構(gòu)建的模型可以較好的優(yōu)化快運列車組織并能保證貨物的運到期限，最后基于案例結(jié)果給出了改進快運列車工作組織的相關(guān)建議。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型假設(shè)

為了便于構(gòu)建模型，首先需要對模型進行簡化，并做出合理假設(shè)。假設(shè)模型滿足以下條件。

1) 假設(shè)各站的貨物數(shù)量、貨物作業(yè)時間效率、快運列車區(qū)間運行時間已定。

2) 不考慮貨物編組方向、快運列車車輛編組方向。

3) 模型研究對象為鐵路管內(nèi)環(huán)線快運列車。

1.2 考慮運到期限的快運列車組織優(yōu)化模型的建立

1.2.1 參量

1.2.2 決策變量

1.2.3 目標(biāo)函數(shù)和約束

以貨物裝卸盡量多和盡早在最終編組站編入到跨局遠(yuǎn)程直達(dá)列車開走為雙目標(biāo)，分別求其帕累托最優(yōu)解。

(1)

(2)

管內(nèi)環(huán)線快運列車總運行時間約束：列車在所有中間站停站作業(yè)和區(qū)間運行時間總和要小于規(guī)定的列車最晚到達(dá)編組站時間，否則，列車將無法編入跨局遠(yuǎn)程快運列車。

?i∈I

(3)

中間站裝車約束，所有列車在各中間站裝車總重量要大于最小的裝車重量，小于該站的裝車需求。

?s∈S

(4)

(5)

中間站卸車約束，所有列車在各中間站卸車總重量要大于最小的卸車重量，小于該站的卸車需求。

?s∈S

(6)

(7)

在s站貨物裝卸車數(shù)與停站時間的關(guān)聯(lián)約束。

?i∈I?s∈S

(8)

第i次管內(nèi)快運列車經(jīng)模型優(yōu)化后到達(dá)最后編組站的時刻約束。

?i∈I

(9)

列車運輸能力約束，列車i在各中間站裝卸車總重量要小于其運輸能力。

?i∈I

(10)

(11)

列車停站約束，列車i在某些中間站由于行車方向或站內(nèi)設(shè)施設(shè)備情況不能停車，因此裝卸車量為0。

?i∈I

(12)

決策變量關(guān)聯(lián)約束。

?i∈I，?s∈S

(13)

(14)

(15)

(16)

決策變量約束，整數(shù)和0-1變量約束。

?+?i∈I，?s∈S

(17)

(18)

(19)

上述模型為雙目標(biāo)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，模型中每個子目標(biāo)是相互沖突的，一個子目標(biāo)值的改善可能導(dǎo)致另一個目標(biāo)值降低。本文采取求解帕累托解集的方法處理雙目標(biāo)優(yōu)化模型[17]，首先需要對雙目標(biāo)函數(shù)進行各自歸一化處理后再求解帕累托解集，式(20)中FiMax為Fi值的上限。

(20)

具體求解方法可以采用C#調(diào)用CPLEX優(yōu)化軟件的方法求解，IBM ILOG Cplex既可以用于求解線性規(guī)劃及非線性規(guī)劃類型的模型，也可以用于一些線性和非線性方程組的求解，具有模型表示簡單、數(shù)據(jù)輸入方便、具備與其他應(yīng)用程序的接口等特點[18]。

2 實例分析

2.1 實例結(jié)果

以京津冀貨物快運北環(huán)線列車運行實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出優(yōu)化的停站時間和裝車數(shù)量，并對結(jié)果與實際情況進行對比分析，以此來驗證模型和算法的有效性。

京津冀快運列車使用PB，P65型棚車加行李車、宿營車編組，按照固定車次、固定編組、固定運行區(qū)段、固定辦理站、固定值乘區(qū)段、固定站臺作業(yè)、固定停車位置的方式開行?？爝\列車在南倉中心站辦理始發(fā)、終到及解編作業(yè)，沿途除車輛故障等特殊情況外不辦理車輛摘掛和解編作業(yè)?？爝\列車北環(huán)線順向開行X492/1次，自南倉中心站始發(fā)，經(jīng)京滬一、北京集中、豐沙、京包、S2、京通、京承、東環(huán)、京哈一、唐山樞紐、津山一等列調(diào)臺，返回南倉中心站，全程1 394 km，圖定運行時分39.78 h；逆向開行X481/2次，自南倉中心站始發(fā)，經(jīng)津山一、唐山樞紐、京哈一、東環(huán)、京承、京通、S2、豐沙、京包、北京集中、京滬一然后返回南倉中心站，全程1 394 km，圖定運行時分38.93 h。沿途作業(yè)站共計36個，其中軍糧城、漢沽、塘沽、順義、通州西為單向作業(yè)站。X481次和X492次快運列車圖定運行時刻基本情況可見京津冀貨物快運服務(wù)平臺系統(tǒng)，個別備注為單向作業(yè)中間站只能停靠X481或X492次1列快運列車，X481次列車區(qū)間運行時分為27 h 13 min，X492次列車區(qū)間運行時分為27 h 58 min。以2015年9月京津冀北環(huán)線中間站每日平均貨運需求量為基礎(chǔ)貨運量數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于京津冀貨物快運服務(wù)平臺系統(tǒng))，每站的最小裝卸運量根據(jù)經(jīng)驗取需求量的70%，快運列車的裝卸載能力共為115 050 kg/列車。

表1 轉(zhuǎn)換后的快運列車時刻情況

在AMD雙核(主頻2.2 GHz)，內(nèi)存4 G筆記本電腦上，采用C#調(diào)用CPLEX優(yōu)化軟件的方法求解京津冀北環(huán)貨物快運列車運輸組織實際數(shù)據(jù)的帕累托最優(yōu)解，運算時間都在5 s以內(nèi)，CPLEX求解速度可以較好的適應(yīng)實例規(guī)模，模型的帕累托解集如圖2所示，這里綜合考慮當(dāng)選擇F1為0.50和F2為0.51時的結(jié)果可作為帕累托最優(yōu)解。求解結(jié)果與計劃對比情況見表2，具體的停站方案和裝車方案見表3，以優(yōu)化后的X481列車部分運行時分和裝車情況為例。

圖2 模型的帕累托解集

列車X481/minX492/min模型結(jié)果2208.792779計劃結(jié)果23362979模型提前127.21200停站時間859.83326.79

表3 優(yōu)化后的X481列車部分運行時分和裝車情況

可知，考慮運到期限的管內(nèi)貨物快運列車組織優(yōu)化模型求出的X481和X492次快運列車分別比計劃時間提前了127.21 min和200 min。因為優(yōu)化目標(biāo)包括以貨物裝卸盡量多和盡早在最終編組站編入到跨局遠(yuǎn)程直達(dá)列車開走，可知模型將大部分貨物盡量排在第一列車運送，以最大化目標(biāo)函數(shù)中節(jié)省的機會成本，所以會出現(xiàn)第二列車提前時間多于第一列車提前時間的情況。

該模型在保證作業(yè)站全部覆蓋，完全滿足作業(yè)站裝車需求的情況下，有效縮短了途中運輸時間，有利于貨物盡快送達(dá)中心站，為貨物編入跨局遠(yuǎn)程技術(shù)直達(dá)列車節(jié)省了時間成本，并且在貨物的運輸環(huán)節(jié)上定量化的給出了時間，促進車站以較高的效率完成作業(yè)，確保了列車出發(fā)時間的可靠性，保障了運到期限。

從停站次數(shù)來看，運算結(jié)果X481次停站33次，X492次停站36次。2列車對所有作業(yè)站做到全面覆蓋。通過有目的地選擇停站并確定裝卸的具體數(shù)量，一趟列車作業(yè)，另一趟列車通過，或者兩趟列車作業(yè)協(xié)同裝卸達(dá)到全局的一個最優(yōu)條件，減少了因停站作業(yè)產(chǎn)生的等待時間，從而提高了運輸效率，對列車實際運行有借鑒意義。

2.2 優(yōu)化京津冀貨物快運列車運行組織和停站時分的建議

結(jié)合案例的求解結(jié)果和筆者多年的現(xiàn)場工作經(jīng)驗，給出優(yōu)化京津冀貨物快運列車運行組織和停站時分的相關(guān)建議。

在區(qū)間運行時分和列車技檢、機車換掛等必要作業(yè)固定的情況下，合理安排停站和壓縮站停時分是保障運到期限的重要因素，裝卸作業(yè)是京津冀貨物快運列車運輸?shù)闹匾M成部分，其作業(yè)效率直接影響快運列車的站停時分、裝卸作業(yè)量，進而影響到貨物的運到時間。合理安排列車停站，提高裝卸作業(yè)效率，壓縮在站停留時間，保證安全正點是當(dāng)前需要重點解決的問題。

1) 優(yōu)化列車運行組織，合理安排停站。按照北京局管內(nèi)快運列車的開行方式，京津冀北環(huán)和南環(huán)分別有快運列車沿順向和逆向開行。除去單向作業(yè)站因站場限制每天只允許1趟快運列車停站作業(yè)外，其他車站每天都有上下行2趟快運列車可停站作業(yè)(廊坊北站為每天4趟)。在不考慮作業(yè)站有卸車、有裝到前方站的貨物或有技術(shù)作業(yè)的情況下，可以只安排其中1趟列車停站作業(yè)，另一趟通過，從而減少列車因起停、人員上下、開關(guān)車門等產(chǎn)生的作業(yè)等待時間。如果作業(yè)站作業(yè)量較大，需較長的作業(yè)時間，則要根據(jù)運行圖三四小時階段計劃的實際情況來安排停車，在保證作業(yè)站貨物能夠裝走，列車因停站產(chǎn)生的其他等待時間盡可能小的情況下，安排2趟列車分別作業(yè)，或者仍然只安排1趟列車作業(yè)。通過優(yōu)化列車運行組織，合理安排停站，組織早到南倉中心站解編作業(yè)，從而減少貨物快運列車的運行時間，更大幾率編入跨局貨物快運列車，縮短貨物運到期限。

2) 強化裝卸作業(yè)組織。減少車輛裝卸作業(yè)等待時間，不僅需要配置先進的裝卸工具，還需要強化管理和科學(xué)地組織裝卸作業(yè)。裝卸過程實質(zhì)上是由貨物、設(shè)備設(shè)施、勞動者、作業(yè)方法和信息工作等要素構(gòu)成的有機整體。因此，應(yīng)該從物流系統(tǒng)整體的角度分析與裝卸作業(yè)有關(guān)的要素，在此基礎(chǔ)上設(shè)計合理的裝卸方案。

3) 充分發(fā)揮調(diào)度指揮作用。快運調(diào)度員應(yīng)綜合使用京津冀貨物快運服務(wù)平臺，及時掌握貨物信息，集裝化情況，結(jié)合作業(yè)站裝卸設(shè)備性質(zhì)、列車到達(dá)時間，裝卸工人人數(shù)及其技術(shù)水平等狀況，合理布置裝卸方案和站停時分限額，并事先安排裝卸機具和人員，做好裝卸前的充分準(zhǔn)備，從而減少列車等待及其他作業(yè)相關(guān)時間。快運調(diào)度員應(yīng)根據(jù)三四小時階段計劃提前掌握前方所經(jīng)區(qū)段的施工、客車、天氣等可能對快運列車運行、作業(yè)產(chǎn)生影響的信息，根據(jù)前方站貨物裝卸信息合理安排停站，對車站裝卸作業(yè)進行調(diào)整，只卸車不裝車或只裝到站為前方站的貨物，通知貨運車長、車站提前組織好人員機具，提高作業(yè)效率，壓縮停站時間，盡量避開天窗時段，如無法避開時，由快運值班員向調(diào)度所值班主任匯報，請示調(diào)整方案，防止列車掉入天窗造成嚴(yán)重晚點，對于無法避開的施工或客車密集時段，可安排各作業(yè)站盡量多裝車，為與本列車反向作業(yè)的快運列車創(chuàng)造條件。

4) 發(fā)展運輸集裝化，提高貨車靜載重。集裝化的主要特點是集小為大，使小件、雜件貨物按標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的要求更為方便地進入市場。環(huán)線快運列車貨物集裝化程度偏低，主要原因就是裝運零散貨物較多，貨物的包裝不規(guī)范，作業(yè)站集裝化器具使用較少等，影響了貨物的堆碼，車內(nèi)空間利用率低，導(dǎo)致貨物量較大時快運列車倉位不足。為提高裝卸效率，應(yīng)增加作業(yè)站對承運貨物的包裝服務(wù)、為京津冀貨物快運列車配齊叉車和司機、加強集裝化器具管理和巧裝滿載等來提高集裝化程度。

5) 加強快運人員培訓(xùn)管理，嚴(yán)格落實作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。定期組織快運人員參加培訓(xùn)，學(xué)習(xí)快運業(yè)務(wù)知識、停限裝相關(guān)要求以及服務(wù)平臺的使用方法。

3 結(jié)束語

本文對管內(nèi)貨物快運列車運輸組織和作業(yè)過程進行了闡述，提出了以節(jié)省編入跨局遠(yuǎn)程快運列車單位貨運量的機會時間為目標(biāo)函數(shù)，以此保障了貨物運到期限，考慮與快運列車運輸組織影響相關(guān)的約束，建立了考慮運到期限的管內(nèi)環(huán)線貨物快運列車運輸組織優(yōu)化模型，最后采用IBM ILOG Cplex軟件對優(yōu)化模型進行精確求解。以京津冀貨物快運列車運輸組織為例，對考慮運到期限的管內(nèi)環(huán)線貨物快運列車運輸組織優(yōu)化模型進行求解，通過與實際列車運行圖運行時分對比，在保障貨物裝車條件下，縮短了快運列車停站作業(yè)時間，驗證了考慮運到期限的管內(nèi)環(huán)線貨物快運列車運輸組織優(yōu)化模型和求解算法的有效性。

考慮管內(nèi)環(huán)線貨物快運列車的卸車作業(yè)、管內(nèi)其他線網(wǎng)協(xié)同分工運輸組織等問題是未來研究方向之一。

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