萬鑫興 ，張春民，殷 潔

WAN Xinxing1, 2, ZHANG Chunmin2, YIN Jie2

（1.中國鐵路蘭州局集團有限公司 銀川車站，寧夏 銀川 750011；2.蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

(1.Yinchuan Station of China Railway Lanzhou Group Co.， Ltd.， Yinchuan 750011， Ningxia， China； 2.School of Transportation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China)

0 引言

隨著國家供給側(cè)改革及經(jīng)濟社會的轉(zhuǎn)型，以機械、電子、輕紡、食品、工業(yè)產(chǎn)成品及包裹和快件為代表，快捷運輸對送達時間有特殊性要求比重越來越大[1]，而我國鐵路車流組織模式依然是以解決運輸能力緊張為主，兼顧運輸時間的傳統(tǒng)模式[2]，這種模式已經(jīng)不能適應(yīng)我國鐵路運輸時效性低下與運量急需增長之間的矛盾，使鐵路運輸增長幅度不能與運量增長幅度相協(xié)調(diào)[2-4]。趙娟[5]、劉曉偉等[6]分別重點考慮運輸服務(wù)需求和車流時空分布進行了車流組織優(yōu)化，取得較好結(jié)果，但沒有針對鐵路運輸時效性進行深入探討。此外，鐵路車輛在車站周轉(zhuǎn)或停留的時間約占總運輸時間的70%[7]，而有調(diào)中轉(zhuǎn)在我國主要編組站的集結(jié)停留時間約占中轉(zhuǎn)車總停留時間的40% ~ 50%[8]。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的形成，普速鐵路的運能得到了極大的解放[4]，技術(shù)站車輛集結(jié)時間將成為限制普速鐵路運能的瓶頸。

針對目前的技術(shù)站車流組織模式，對進入技術(shù)站集結(jié)的車輛，根據(jù)車輛來源特征，考慮不同解編車輛來源所需要的集結(jié)時間不同，將編組車輛分為以下3類。第一類車輛，從裝車站(專用線、貨場或物流中心等)通過小運轉(zhuǎn)或摘掛列車直接取送至技術(shù)站的車輛。這類車輛的去向較多，而且車輛數(shù)不多且零散，集結(jié)時間具有一定的隨機性[9]。第二類車輛，來自于另一技術(shù)站的中轉(zhuǎn)車列中的區(qū)段或直通列車中的車輛，其特點是去向相對較少，且車輛數(shù)較多。這類車輛集結(jié)較易做到滿軸滿重的運輸條件，集結(jié)時間相對較短，編組作業(yè)較為簡單。第三類車輛，到達該技術(shù)站需摘掛和小運轉(zhuǎn)列車運送的車輛，這類車輛的特點是卸車站為本技術(shù)站臨近的其他中間站，需要按照站順或組順進行編組，集結(jié)過程涉及較少，但編組作業(yè)環(huán)節(jié)較復(fù)雜。第一類車輛與第二類車輛涉及到了集結(jié)時間，在目前技術(shù)站集結(jié)時間的理論計算中，2類車輛在技術(shù)站需要集結(jié)的時間均可通過集結(jié)參數(shù)進行估算。而在實際生產(chǎn)中，針對某一車輛而言，車輛集結(jié)時間和集結(jié)次數(shù)受到其他同方向車流數(shù)量的影響，而其他同方向車流數(shù)量的決定因素則更為復(fù)雜，這就造成不同車輛集結(jié)時間的巨大差異，進而嚴(yán)重影響運輸時效性。因此，壓縮目前車流組織方式的車輛集結(jié)時間，是優(yōu)化技術(shù)站車流組織的一個重要方法[10]。

1 基于運輸時效性的技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法

為達到最大限度地利用鐵路運輸能力的目的，需要技術(shù)站優(yōu)化集結(jié)等待車輛的時間。由于等待集結(jié)時間有一定的隨機波動性，導(dǎo)致運輸時效性不高。因此，基于運輸時效性，提出技術(shù)站車流組織優(yōu)化應(yīng)采用車流運動集結(jié)法。車流運動集結(jié)法是指在同一徑路的前提下，以動態(tài)的車流預(yù)報信息為基礎(chǔ)，以壓縮單個車輛在所有技術(shù)站的等待集結(jié)時間為手段，進而優(yōu)化車流組織的方法。該方法利用車流在各技術(shù)站間運動的過程，即時連掛各技術(shù)站的第一類車輛以不斷增加車組的數(shù)量，同時利用車流在技術(shù)站短暫的停留時間，與各列車進行車流組號的換掛重組，以便隨時達到技術(shù)直達列車的組織條件。進而實現(xiàn)技術(shù)站列車編組計劃中分組列車與單組列車的充分協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)節(jié)約運輸時間的目的[11-13]。

1.1 單個技術(shù)站

單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法的實質(zhì)是利用其他技術(shù)站乃至整個相關(guān)區(qū)段的車流相對本技術(shù)站在運動的過程中進行車流集結(jié)計算，以達到節(jié)約車流組織中集結(jié)等待時間的目的，而這種方法類似于換掛列車在技術(shù)站的技術(shù)作業(yè)，因而考慮將中轉(zhuǎn)列車的組織方式通過車流運動集結(jié)法改變?yōu)閾Q掛列車組織方式。其中，中轉(zhuǎn)列車的技術(shù)作業(yè)相比換掛列車的技術(shù)作業(yè)，節(jié)約的時間可以表示為

式中：T節(jié)為換掛列車比中轉(zhuǎn)貨物列車節(jié)約的時間；T解為列車解編作業(yè)時間；T集為列車等待集結(jié)時間；T編為列車編組時間；T換掛為列車換掛作業(yè)時間。

T換掛是技術(shù)站在車流運動集結(jié)法的組織情況進行的，換掛作業(yè)應(yīng)比正常換掛作業(yè)復(fù)雜，所需時間也會相應(yīng)增加，但其作業(yè)復(fù)雜程度一般不應(yīng)大于T編，因而單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法是可以節(jié)約運輸時間的。

采用車流運動集結(jié)法后，技術(shù)站的中轉(zhuǎn)貨物列車的新編組內(nèi)容，應(yīng)在該列車到達前，根據(jù)車流運動集結(jié)法提前計算準(zhǔn)備，以便列車到站直接組織換掛重組作業(yè)，而不是進行解體、統(tǒng)計現(xiàn)車后再編組出發(fā)。單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法組織方式示意圖如圖1所示。

圖1 單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法組織方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of organizational mode of “traffic flow motion aggregation method” for single technical station

從圖1中可以看出，“第一類車輛”為技術(shù)站某時段現(xiàn)車集結(jié)情況；“第二類車輛”為將要到達技術(shù)站的途中車輛；“某時段計算現(xiàn)車”為“第一類車輛”和“第二類車輛”匯合后預(yù)設(shè)的集結(jié)情況；“區(qū)段或直通列車”“剩余車組”及“直達列車”是根據(jù)“某時段計算現(xiàn)車”依據(jù)列車優(yōu)先級別順序推算所得編組方案。單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法實施規(guī)則如下。

（1）第一類車輛在與第二類車輛同組號的車輛連掛后，恰好達到滿重滿軸的條件，則組織技術(shù)直達列車發(fā)出；超出滿重滿軸的條件的，將超出車流掛于相鄰組號(相鄰到站)的列車發(fā)車，如組號1將超出部分掛于組號2車流之后；達不到滿重滿軸條件的，欠重欠軸不多的，則組織列車欠軸發(fā)車，如組號6車流組織欠軸技術(shù)直達列車。

（2）第一類車輛在與第二類車輛同組號的車輛連掛后，達不到滿重滿軸條件，且欠軸過多的，如組號2，3，4，5車流連掛情況，則將相鄰組號(相鄰到站)的車輛連掛組織區(qū)段或直通列車，如組號3車流與組號4車流、組號4車流與組號5車流的連掛情況；連掛后如超出滿軸滿重的條件，則甩出最近時間到達技術(shù)站的車組，將其留在技術(shù)站繼續(xù)等待集結(jié)，如圖組號4車流與組號5車流連掛后，將部分組號4車流甩出留在技術(shù)站等待集結(jié)。

（3）第一類車輛在與第二類車輛同組號的車輛連掛后，達不到滿重滿軸條件時，將相鄰組號(相鄰到站)的車輛連掛組織區(qū)段或直通列車，仍然不能達到滿軸滿重的條件時，且其欠軸不多，則組織欠軸的區(qū)段或直通列車，如組號2車流與組號1車流的連掛組織情況；欠軸較多的，則考慮連掛其他相鄰組號(相鄰到站)使其達到滿軸滿重的條件。

（4）第一類車輛在與第二類車輛同組號的車輛連掛后，達不到滿重滿軸條件時，將相鄰組號(相鄰到站)的車輛連掛組織區(qū)段或直通列車，仍不能達到滿軸滿重的條件，且其欠軸過多，且考慮連掛其他相鄰組號(相鄰到站)仍不能達到滿軸滿重的條件的，則考慮將更多組號車流連掛組織滿軸或欠軸的區(qū)段列車。

1.2 技術(shù)站間

單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法僅針對某一技術(shù)站的車流組織措施進行考慮，并未將各個技術(shù)站的車站的改編能力、技術(shù)站之間區(qū)段的通過能力考慮在內(nèi)。在目前我國的實際生產(chǎn)中，部分地區(qū)的站、線通過能力依然存在局部緊張的情況[14]，而車流運動集結(jié)法可以極大減輕車站的改編能力。因此，以列車運行圖定能力為約束，將超出圖定的車流，采用技術(shù)站間車流運動集結(jié)法組織方式。技術(shù)站間車流運動集結(jié)法組織方式示意圖如圖2所示。

圖2技術(shù)站間車流運動集結(jié)法組織方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of traffic flow organization mode of “Traffic flow motion aggregation method” between technical stations

按照單個技術(shù)站車流運動集結(jié)法組織后，如發(fā)生超出圖定的貨流，則采用技術(shù)站間車流運動集結(jié)法組織方式進行處理：超出車流的來源為第一類車輛(本技術(shù)站)的，留下最新近到達技術(shù)站的車流等待集結(jié)；超出車流的來源為第二類車輛(替換達到滿重滿軸條件)，可以考慮將其替換為第一類車輛，以方便換掛作業(yè)，然后留下最新近到達技術(shù)站的車流等待集結(jié)；超出車流來源為第二類車輛(到達該技術(shù)站)的，不能被第一類車輛替換的，則將其甩入技術(shù)站等待集結(jié)。

2 基于節(jié)約時間模型方法的技術(shù)站車流組織優(yōu)化

為探討技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法對運輸時效性集結(jié)時間的最優(yōu)取值，以單個車輛在技術(shù)站之間運輸所花費的時間最少為目標(biāo)建立計算模型。按單方向考慮，設(shè)A1，A2，…，An，分別為同一徑路上的n個技術(shù)站，所有車輛均在該徑路運送；各技術(shù)站每隔t小時就會從自己所在區(qū)段產(chǎn)生各種去向的車輛。設(shè)從Ai站去往Aj站的車輛表示為Aij，第k個t小時從i站產(chǎn)生去往j站的車輛數(shù)為fk(i，j)，其中，k為某一個t小時的編號，i= 1，2，…，n，j= 1，2，…，n。

設(shè)技術(shù)站相鄰車站之間的距離分別需機車xi·t小時走行；所有技術(shù)站無調(diào)中轉(zhuǎn)時間為w·t小時，則有調(diào)中轉(zhuǎn)時間為(w+ 1 +y)t，w為無調(diào)中轉(zhuǎn)時間系數(shù)；則換掛車組(優(yōu)化方法下)相比無調(diào)中轉(zhuǎn)進入技術(shù)站多余作業(yè)時間平均為y·t；y為t的倍數(shù)，表示換掛中轉(zhuǎn)系數(shù)。

設(shè)m為一列車的平均編成輛數(shù)，q為車流運動集結(jié)法達到滿重滿軸條件時進入技術(shù)站“運動集結(jié)”的次數(shù)，表示運動滿重滿軸條件系數(shù)。設(shè)一列車集結(jié)到滿重滿軸條件時需要p·t小時，其中p為t小時內(nèi)產(chǎn)生車輛數(shù)fk(i，j)的倍數(shù)，表示等待滿重滿軸條件系數(shù)。則列車集結(jié)時間T集可表示為

式中：p為等待滿重滿軸條件系數(shù)；t為技術(shù)站集結(jié)時間，h；m為列車平均編成輛數(shù)，輛。

而在現(xiàn)有集結(jié)參數(shù)理論中，列車集結(jié)時間T集可表示為

式中：c為集結(jié)參數(shù)，其影響因素為集結(jié)中斷和車組配合到達程度；m為列車平均編成輛數(shù)，輛。

通過作差計算可知，技術(shù)站車流組織優(yōu)化方法節(jié)約的單位貨車時間可以表示為

由于公式 ⑷ 中，y，p，q分別為外界客觀值，唯有集結(jié)時間t是一個人為規(guī)定的主觀變量，因而能決定節(jié)約時間的惟一參數(shù)即是集結(jié)時間t，將系數(shù)p和q換為現(xiàn)有的集結(jié)參數(shù)c。

由于貨車在運動集結(jié)的過程中，貨車總數(shù)不變，因而等待滿重滿軸條件系數(shù)p與運動滿重滿軸條件系數(shù)q在數(shù)值上是比較接近的，即各個技術(shù)站間的集結(jié)參數(shù)差異較小；考慮到此種情況可令q等于p，得到公式 ⑸。

結(jié)合公式 ⑵、公式 ⑶、公式 ⑸，可得車流運動集結(jié)法所得節(jié)約時間計算模型為

根據(jù)車站各項作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)[11]，估算可知換掛貨物列車相比無調(diào)中轉(zhuǎn)列車進入技術(shù)站多余作業(yè)時間為50 min，即y·t為0.83 h。根據(jù)我國技術(shù)站的集結(jié)參數(shù)c通常為8 ~ 10 h[11]，取車10 h，將數(shù)據(jù)帶入公式 ⑹ 可得節(jié)約集結(jié)時間變化趨勢圖如圖3所示。

圖3 節(jié)約集結(jié)時間變化趨勢圖Fig.3 Trend map of saving aggregation time

由公式 ⑹ 計算可得，當(dāng)集結(jié)時間t取2.9的時候，車流運動集結(jié)法應(yīng)用較為充分，節(jié)約時間較多為5.067 h。

當(dāng)T＜ 0時，即在某些極端情況下，各技術(shù)站間的集結(jié)參數(shù)發(fā)生特別大的差異時，即q?p，車流運動集結(jié)法不能節(jié)約時間，尤其隨著我國經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型發(fā)展，技術(shù)站將逐漸減少組織技術(shù)直達的情況，表明各個技術(shù)站的技術(shù)直達列車的組織條件極易容易滿足，而不需要采用車流運動集結(jié)法來節(jié)約集結(jié)時間。因此，在我國現(xiàn)有的鐵路運輸供需矛盾下，車流運動集結(jié)法可以普遍提高列車運輸時效性。

3 結(jié)束語

由于鐵路運輸?shù)奶攸c及其原有的運輸組織方式，時效性低下一直是鐵路貨運的短板。車流運動集結(jié)法在未提高列車運輸成本的情況下，不但節(jié)約了貨車運輸時間，而且提高了貨車運達時間的準(zhǔn)確性，集結(jié)時間t的確定，迫使滯留在技術(shù)站的貨車在運輸途中尋求集結(jié)，避免了一些車輛在一個或者幾個技術(shù)站等待集結(jié)很長時間的情況，從而將貨車運輸時間確定在一個較小的變化范圍內(nèi)，在一定程度上克服了目前鐵路列車集結(jié)時間較長的缺陷，對鐵路運輸吸引時效性較強的貨物，實現(xiàn)“貨運增量”發(fā)展具有重要意義。由于車流運動集結(jié)法運行的條件依賴于完備的列車追送統(tǒng)計處理系統(tǒng)，還需要進一步研究強大的數(shù)據(jù)處理功能作為支撐。