陳錦宗,何最新,王 瑩,李海鷹,錢繼磊
(1. 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,北京 100044;2. 中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸統(tǒng)籌監(jiān)督局, 北京 100844;3. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;4.中國人民 解放軍 66172 部隊(duì),河北 石家莊 050200)
根據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,到2030 年,形成“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的發(fā)達(dá)完善的高速鐵路網(wǎng)。截至2018 年末,全國高速鐵路營業(yè)總里程達(dá)2.9 萬km,動(dòng)車組保有量從2015 年的17 600 輛增加到26 000輛。2015 年至2018 年,既有線客車保有量保持在5 萬輛左右,趨于穩(wěn)定。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的逐步完善,輻射范圍不斷增加,將會(huì)持續(xù)刺激客運(yùn)需求,動(dòng)車組的運(yùn)用量和保有量勢必增加,對(duì)動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所的運(yùn)檢能力提出更高的要求。因此,優(yōu)化動(dòng)車組的檢修資源布局,即動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所的布局,以適應(yīng)路網(wǎng)發(fā)展。同時(shí),為了充分利用既有設(shè)備、降低建設(shè)成本,考慮到既有旅客列車開行數(shù)量的減少,客車車輛段的管理能力出現(xiàn)富余,對(duì)利用客車車輛段延伸管理動(dòng)車運(yùn)用所提供了可能。
國內(nèi)對(duì)動(dòng)車組檢修資源的研究,主要集中在動(dòng)車組運(yùn)用檢修計(jì)劃的優(yōu)化和生產(chǎn)力布局調(diào)整后評(píng)價(jià)上,對(duì)動(dòng)車段所的宏觀布局研究較少。例如,張正舟[1]對(duì)比分析我國客車整備和動(dòng)車運(yùn)用的聯(lián)系與區(qū)別;馬國友[2]介紹日本的動(dòng)車基地情況,為國內(nèi)動(dòng)車組檢修資源布局提出建議;袁濤[3]建立基于自組織理論的評(píng)價(jià)模型來評(píng)價(jià)鐵路生產(chǎn)力的布局調(diào)整;鞏亮等[4]利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)力布局的調(diào)整;韓建成[5]對(duì)沈陽鐵路局的生產(chǎn)力布局調(diào)整情況進(jìn)行評(píng)價(jià);段志焱[6]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法比選新線條件下車務(wù)系統(tǒng)的生產(chǎn)力布局調(diào)整方案;李成兵[7]總結(jié)鐵路生產(chǎn)力布局調(diào)整思路,利用雙層規(guī)劃模型優(yōu)化機(jī)車檢修布局;錢繼磊等[8]分析新線對(duì)檢修資源布局的影響,構(gòu)建動(dòng)車組運(yùn)用檢修優(yōu)化模型,利用動(dòng)車組最少需要數(shù)為指標(biāo)比選不同的布局方案。研究針對(duì)發(fā)達(dá)完善路網(wǎng)條件下的動(dòng)車組檢修需求,并考慮客車車輛段的富余能力,以動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所的綜合成本與動(dòng)車組的運(yùn)用成本最低為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)動(dòng)車組檢修資源的布局進(jìn)行優(yōu)化研究。
截至2019 年,全路18 個(gè)鐵路局集團(tuán)公司共設(shè)12 個(gè)動(dòng)車段和1 個(gè)動(dòng)車客車段,共57 個(gè)動(dòng)車運(yùn)用所,每個(gè)動(dòng)車段或動(dòng)車客車段一般管理2 個(gè)及以上動(dòng)車運(yùn)用所,個(gè)別動(dòng)車運(yùn)用所由客車車輛段管理。總結(jié)目前動(dòng)車段、客車車輛段和動(dòng)車運(yùn)用所的管理現(xiàn)狀,可將動(dòng)車組的管理模式分為以下5 類:一是在高速鐵路網(wǎng)發(fā)達(dá)的地區(qū),設(shè)置1 個(gè)動(dòng)車段和1 個(gè)動(dòng)車客車段或2個(gè)動(dòng)車段,以便更好地管理動(dòng)車組;二是高速鐵路列車和既有線列車開行數(shù)量較均衡的鐵路局集團(tuán)公司,設(shè)置1 個(gè)動(dòng)車段和1 個(gè)客車車輛段,分別管理動(dòng)車組和既有客車;三是鐵路局集團(tuán)公司管轄范圍較大且既有線列車開行數(shù)量較多者,客車管理壓力較大,設(shè)置2 個(gè)甚至3 個(gè)客車車輛段和1 個(gè)動(dòng)車段,以滿足車輛管理檢修需求;四是動(dòng)車運(yùn)用所由于距離區(qū)域內(nèi)的動(dòng)車段過遠(yuǎn),交由客車車輛段管理;五是高速鐵路里程不長、動(dòng)車組配屬數(shù)量不多的鐵路局集團(tuán)公司,基本不設(shè)置動(dòng)車段,只設(shè)置1 個(gè)客車車輛段,并延伸管理管內(nèi)的少數(shù)動(dòng)車運(yùn)用所。各鐵路局集團(tuán)公司動(dòng)車運(yùn)用所管轄情況如表1 所示。
為充分利用既有設(shè)施設(shè)備、節(jié)約成本,當(dāng)需要提高動(dòng)車組檢修能力時(shí),可采用的動(dòng)車運(yùn)用所布局方案有以下3 種。方案一:在原有動(dòng)車運(yùn)用所的基礎(chǔ)上擴(kuò)能,管理模式不變。方案二:利用客車車輛段的富余能力,改擴(kuò)建動(dòng)車運(yùn)用所,并交由客車車輛段管理。方案三:新建動(dòng)車運(yùn)用所,由區(qū)域內(nèi)的動(dòng)車段或臨近的客車車輛段管理。
考慮對(duì)既有資源與管理架構(gòu)的利用,3 個(gè)方案的工程建設(shè)成本與管理成本逐個(gè)遞增,對(duì)動(dòng)車組運(yùn)用也會(huì)造成不同的影響。其中,方案一可在一定時(shí)期內(nèi)提高動(dòng)車組檢修能力,對(duì)動(dòng)車組運(yùn)用的影響最??;方案二利用既有資源改擴(kuò)建動(dòng)車運(yùn)用所,節(jié)省資源的同時(shí)緩解檢修壓力,但客車車輛段的管理難度會(huì)增大,需要提高客車車輛段的管理水平;方案三新建動(dòng)車運(yùn)用所要求重新分配區(qū)域內(nèi)的動(dòng)車組檢修任務(wù),對(duì)動(dòng)車組開行方案與動(dòng)車組交路的影響較大。改變動(dòng)車運(yùn)用所的布局或開通新線路,都會(huì)影響原有列車的開行路徑和組織模式,因而應(yīng)結(jié)合鐵路網(wǎng)發(fā)展的階段性特征,提前進(jìn)行布局優(yōu)化,合理配置發(fā)達(dá)完善路網(wǎng)條件下的檢修資源。
表1 各鐵路局集團(tuán)公司動(dòng)車運(yùn)用所管轄情況Tab.1 Management situation of EMU depots of each Railway Group
通過構(gòu)建動(dòng)車組運(yùn)用檢修接續(xù)網(wǎng)絡(luò),建立動(dòng)車組檢修資源布局優(yōu)化模型,根據(jù)近遠(yuǎn)期規(guī)劃,定量計(jì)算在不同地點(diǎn)新建或改擴(kuò)建動(dòng)車運(yùn)用所的綜合成本,從而得到該規(guī)劃條件下最優(yōu)的布局方案。
根據(jù)動(dòng)車組運(yùn)用檢修的特點(diǎn),可將動(dòng)車組檢修資源布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一類基于多基地車輛路徑運(yùn)用的基地選址問題,即對(duì)一系列需求點(diǎn)(需開行的列車),在滿足車輛行駛距離等約束(動(dòng)車組檢修周期約束)的條件下,組織一定數(shù)量的車輛(動(dòng)車組)從基地(動(dòng)車運(yùn)用所)出發(fā),有序地訪問若干需求點(diǎn)后返回相應(yīng)的基地,使得目標(biāo)函數(shù)最小的過程,從而根據(jù)選擇的備選基地確定最優(yōu)的基地選址。
在構(gòu)建動(dòng)車組運(yùn)用檢修接續(xù)網(wǎng)絡(luò)時(shí),把“運(yùn)用所—運(yùn)輸任務(wù)需求—運(yùn)輸任務(wù)或接續(xù)關(guān)系”的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)造描述為“車庫—運(yùn)輸需求—路徑弧”的邏輯網(wǎng)絡(luò)。具體抽象化描述如下。將1 組具有相同起訖點(diǎn)的列車抽象為1 段運(yùn)輸需求弧,列車開行數(shù)量為該弧的運(yùn)輸需求量;為每個(gè)列車起訖點(diǎn)車站建立列車出發(fā)節(jié)點(diǎn)和列車到達(dá)節(jié)點(diǎn),以區(qū)分列車運(yùn)輸任務(wù)弧和列車接續(xù)弧;將1 個(gè)動(dòng)車運(yùn)用所視為 1 個(gè)車庫。在此基礎(chǔ)上,以列車運(yùn)輸任務(wù)弧和列車接續(xù)弧為路徑弧,建立動(dòng)車組檢修運(yùn)用接續(xù)網(wǎng)絡(luò),具體步驟如下。
(1)建立車庫節(jié)點(diǎn)。為每個(gè)動(dòng)車運(yùn)用所和備選動(dòng)車運(yùn)用所建立車庫節(jié)點(diǎn),每個(gè)車庫設(shè)有檢修能力上限。動(dòng)車組必須在動(dòng)車運(yùn)用所進(jìn)行檢修,備選動(dòng)車運(yùn)用所一般設(shè)置在具有大量始發(fā)終到動(dòng)車組的車站附近,以避免過多的空車走行。
(2)建立運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)。將各個(gè)列車起訖點(diǎn)車站分為列車出發(fā)節(jié)點(diǎn)和列車到達(dá)節(jié)點(diǎn),出發(fā)節(jié)點(diǎn)可作為動(dòng)車組出段弧的終點(diǎn)、動(dòng)車組運(yùn)輸任務(wù)弧的起點(diǎn)和動(dòng)車組接續(xù)弧的終點(diǎn),到達(dá)節(jié)點(diǎn)可以作為運(yùn)輸任務(wù)弧的終點(diǎn)、動(dòng)車組入段弧的起點(diǎn)和動(dòng)車組接續(xù)弧的起點(diǎn)。
(3)建立運(yùn)輸路徑弧。首先,針對(duì)車庫節(jié)點(diǎn),建立車庫節(jié)點(diǎn)與運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)車組出段弧、動(dòng)車組入段弧和空車走行弧,并建立起終點(diǎn)均為車庫節(jié)點(diǎn)的動(dòng)車組停駐??;其次,建立各列車起訖點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車站節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸任務(wù)弧;第三,根據(jù)動(dòng)車組接續(xù)的約束條件,建立運(yùn)輸任務(wù)間的接續(xù)弧。上述各弧均具有動(dòng)車組走行里程和走行時(shí)間的時(shí)空屬性,對(duì)于運(yùn)輸任務(wù)弧,還具備列車開行數(shù)量的屬性。
以甲、乙、丙3 個(gè)大型高速鐵路客運(yùn)站為例,構(gòu)建動(dòng)車組運(yùn)用檢修接續(xù)網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。圖1 中,正方形表示備選動(dòng)車段所抽象而成的車庫節(jié)點(diǎn);白底圓形和灰底圓形分別表示車站的出發(fā)節(jié)點(diǎn)和到達(dá)節(jié)點(diǎn);由備選點(diǎn)到車站出發(fā)節(jié)點(diǎn)的灰色有向?qū)嵕€表示動(dòng)車組出段??;由車站到達(dá)節(jié)點(diǎn)到備選點(diǎn)的灰色實(shí)線表示入段?。挥沙霭l(fā)節(jié)點(diǎn)到到達(dá)節(jié)點(diǎn)的黑色有向?qū)嵕€代表列車任務(wù)?。挥傻竭_(dá)節(jié)點(diǎn)到出發(fā)節(jié)點(diǎn)的黑色有向?qū)嵕€代表列車接續(xù)?。挥蓚溥x點(diǎn)到非相鄰的車站出發(fā)節(jié)點(diǎn)的灰色虛線表示空走出段??;由各個(gè)備選點(diǎn)發(fā)出并回到備選點(diǎn)的虛線表示列車停駐弧;各個(gè)車站到達(dá)節(jié)點(diǎn)間的灰色虛線表示列車空走弧。由于各站之間均有較大的客流,為便于及時(shí)檢修始發(fā)終到的動(dòng)車組列車,3 個(gè)客運(yùn)站附近均設(shè)置備選動(dòng)車段或動(dòng)車運(yùn)用所。
圖1 動(dòng)車組運(yùn)用檢修接續(xù)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Logic network of EMU operation and maintenance
在高速鐵路網(wǎng)絡(luò)逐步完善的過程中,客運(yùn)需求和動(dòng)車組檢修任務(wù)不斷增加并趨于穩(wěn)定,因而動(dòng)車組檢修資源的布局優(yōu)化需要面向發(fā)達(dá)完善路網(wǎng)條件下趨于穩(wěn)定的需求配置和優(yōu)化檢修資源,其優(yōu)化目標(biāo)如下。①動(dòng)車組運(yùn)用數(shù)量最少,充分利用檢修里程,避免由于檢修資源布局不合理導(dǎo)致提前檢修等情況,從而增加動(dòng)車組購置成本和檢修成本。②動(dòng)車段或動(dòng)車運(yùn)用所建設(shè)(新建或改擴(kuò)建)與管理的綜合成本最小。③動(dòng)車組空走里程最少,避免因檢修布局不合理帶來動(dòng)車組運(yùn)用成本的增加。
基于動(dòng)車組運(yùn)用檢修接續(xù)網(wǎng)絡(luò),目標(biāo)①可用出段弧被訪問的次數(shù)來表示各動(dòng)車運(yùn)用所的動(dòng)車組運(yùn)用數(shù)量,目標(biāo)③可根據(jù)空走弧的訪問次數(shù)來計(jì)算?;诖?,動(dòng)車組檢修資源布局優(yōu)化模型可以表示 如下。
公式 ⑴ 是目標(biāo)函數(shù),表示動(dòng)車組需要數(shù)、動(dòng)車段或動(dòng)車所的綜合成本、動(dòng)車組空走距離之和最??;公式 ⑵ 表示所有的運(yùn)輸需求都需要被滿足,完成所有運(yùn)輸任務(wù);公式 ⑶ 表示任意節(jié)點(diǎn)到達(dá)和出發(fā)的動(dòng)車組數(shù)量保持一致;公式 ⑷ 和公式 ⑸ 分別表示動(dòng)車組累計(jì)走行距離約束和累計(jì)走行時(shí)間約束,即檢修周期約束;公式 ⑹ 表示動(dòng)車段或動(dòng)車運(yùn)用所檢修的動(dòng)車組數(shù)量應(yīng)不大于其檢修能力;公式 ⑺ 表示在一定時(shí)間范圍內(nèi),某動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)運(yùn)輸任務(wù)時(shí),僅能從某動(dòng)車段或動(dòng)車運(yùn)用所出段1 次;公式 ⑻ 表示每當(dāng)有動(dòng)車組在某備選動(dòng)車段或動(dòng)車運(yùn)用所出段,則該備選點(diǎn)必須被選擇。
以目前路網(wǎng)處于建設(shè)階段的某區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用動(dòng)車組檢修資源布局優(yōu)化模型,優(yōu)化近遠(yuǎn)期動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所布局。該區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有7 個(gè)大型城市。其中,城市A,D,E 已建有動(dòng)車段或動(dòng)車運(yùn)用所,城市C 設(shè)有客車車輛段。7 個(gè)城市間目前共開通7 條高速鐵路線路,預(yù)計(jì)到2025 年新開1 條線路,到2030 年再新開3 條線路,未來所有城市間全部連通,共11 條線路。結(jié)合客流的增長與分布情況、現(xiàn)有檢修資源布局情況,未來可以采用的方案有:在城市C 的客車車輛段擴(kuò)建動(dòng)車運(yùn)用所,分別在城市B,E,G 新建動(dòng)車運(yùn)用所。該區(qū)域2025 年和2030 年的列車開行對(duì)數(shù)如表2 所示。
表2 該區(qū)域2025 年和2030 年列車開行對(duì)數(shù) 對(duì)/ dTab.2 Number of trains in this area in 2025 and 2030
對(duì)于既有資源改擴(kuò)建為動(dòng)車所與新建動(dòng)車所這2種方案,在檢修能力和綜合成本上存在較大差異,前者可利用既有的土地資源、管理機(jī)構(gòu)等,其綜合成本較低,但檢修能力往往較小。由于在不同城市新建(或改擴(kuò)建)動(dòng)車運(yùn)用所的用地成本和管理成本等存在較大差異,并且該數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取,考慮到對(duì)模型求解的影響,僅對(duì)動(dòng)車運(yùn)用所的綜合成本進(jìn)行粗略估算,用于體現(xiàn)動(dòng)車運(yùn)用所新建與改擴(kuò)建的成本差異。檢修點(diǎn)的綜合成本與檢修能力如表3 所示。
表3 檢修點(diǎn)的綜合成本與檢修能力Tab.3 Comprehensive cost and maintenance capacity of the EMU depots
以不同城市間的距離、動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)長為已知參數(shù),采用CPLEX 軟件求解動(dòng)車組檢修資源布局優(yōu)化模型。備選檢修點(diǎn)布局計(jì)算結(jié)果如表4 所示。
表4 備選檢修點(diǎn)布局計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation result of the layout of the EMU depots
各動(dòng)車段所檢修任務(wù)分工如表5 所示,動(dòng)車組運(yùn)用指標(biāo)與綜合成本如表6 所示。
計(jì)算結(jié)果表明,為滿足該區(qū)域近遠(yuǎn)期規(guī)劃的檢修需求,近期需要在城市B 新建動(dòng)車運(yùn)用所,遠(yuǎn)期需要將城市C 的既有客車車輛段改擴(kuò)建為動(dòng)車運(yùn)用所,分析原因如下。①動(dòng)車組的檢修需求具有階段化特征。在路網(wǎng)建設(shè)的不同階段,動(dòng)車組檢修需求不同。同時(shí),鐵路工程設(shè)施的配套建設(shè)常常落后于路網(wǎng)建設(shè),因而動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所的布局需要具有前瞻性,應(yīng)適時(shí)新建動(dòng)車運(yùn)用所,以緩解動(dòng)車組檢修能力緊張的問題。②提高檢修效率,降低動(dòng)車組空走里程的需要。動(dòng)車組空走里程是衡量動(dòng)車運(yùn)用檢修效率的重要指標(biāo),為降低動(dòng)車組的空走里程,需要在有大量始發(fā)終到列車的車站附近設(shè)置動(dòng)車運(yùn)用所,以提高運(yùn)行圖的兌換率和列車的準(zhǔn)點(diǎn)率、降低運(yùn)輸成本。
表5 各動(dòng)車段所檢修任務(wù)分工 列/ dTab.5 Maintenance tasks division of each depot
表6 動(dòng)車組運(yùn)用指標(biāo)與綜合成本Tab.6 Indicator of the EMU operation and overall costs
動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所的布局影響動(dòng)車組的運(yùn)用效率,進(jìn)而影響整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)輸效率。在高速鐵路網(wǎng)階段化發(fā)展的過程中,不同階段對(duì)動(dòng)車組的檢修需求不同,對(duì)動(dòng)車組檢修資源布局的要求也存在差異。研究提出的動(dòng)車運(yùn)用所布局方案與動(dòng)車組檢修資源布局優(yōu)化模型,兼顧動(dòng)車段和動(dòng)車運(yùn)用所管理建設(shè)成本及動(dòng)車組運(yùn)用檢修效率,注重對(duì)既有資源的利用,以及動(dòng)車組檢修資源與路網(wǎng)建設(shè)的適配,能夠充分利用鐵路運(yùn)輸設(shè)備的能力,適應(yīng)我國不同路網(wǎng)發(fā)展階段和動(dòng)車組修程修制改革的需求,為未來我國動(dòng)車段所布局優(yōu)化調(diào)整提供參考。