0 引言

2016年3 月朔黃線(神池南—黃驊港)首次開行2萬噸列車，目前已逐步實現(xiàn)2萬噸列車的常態(tài)化開行。2021年朔黃線完成年運量3.45億t，連續(xù)4年運量破3億t，其中2萬噸列車的開行發(fā)揮了重要作用。朔黃線運量主要來源于神朔線(大柳塔—朔西)、準池線(外西溝—神池南)以及沿線裝車，全線2萬噸列車開行組織方案為：神朔線和準池線到達神池南站的萬噸列車組合成2萬噸重載列車并發(fā)往朔黃線。神池南站作為連接神朔線、準池線和朔黃線的樞紐站，在神朔線和準池線目前還不具備2萬噸列車開行條件的基礎上，承載了萬噸列車組合成2萬噸列車的重要任務。如何合理組織和運用到發(fā)線，對最大化利用神池南站到發(fā)線現(xiàn)有能力有十分重要的意義。

關于鐵路車站到發(fā)線運用的研究很多。Zwaneveld等[1]在建立車站進路分配優(yōu)化模型時，加入能力約束、安全約束以及顧客服務約束等，求解方式為分支定界法。Lusby等[2]研究了列車進路的股道分配問題，主要從戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術層和運營層3個方面進行討論。史峰等[3]同時考慮了鐵路客運站到發(fā)線運用和一端咽喉接發(fā)車進路排列問題，對其進行綜合優(yōu)化。史峰等[4]建立優(yōu)化高速鐵路列車運行圖模型，對到發(fā)線數(shù)量、列車在車站的作業(yè)時間和動車組在終點站的接續(xù)時間進行約束，優(yōu)化目標是列車旅行時間和動車組接續(xù)時間最小化。王保山等[5]綜合考慮車站的拓撲結構和接發(fā)車任務，對滿足到發(fā)線運用規(guī)則、利于乘降作業(yè)、設備均衡使用等進行多目標優(yōu)化。

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展出現(xiàn)了一系列新的成果。顏穎等[6]對基于周期化模式的高速鐵路大型車站通過能力利用與作業(yè)組織優(yōu)化進行了研究，為本次研究提供了很好的思路。任禹謀等[7]通過分析高速鐵路車站到發(fā)線動態(tài)調整問題，引入滾動時域調度策略，建立高速鐵路車站到發(fā)線動態(tài)調整模型。進一步，任禹謀等[8]針對高速鐵路車站到發(fā)線運用計劃編制問題，提出了一種基于分時段多目標的到發(fā)線運用優(yōu)化模型和改進的快速非支配排序遺傳算法。潘明軒等[9]通過分析到發(fā)線運用對到達間隔時間的影響，研究面向到達間隔時間壓縮的高速鐵路車站到發(fā)線運用優(yōu)化方案。

在重載鐵路車站到發(fā)線運用方面，主要是圍繞組合列車的開行對組合分解線的運用展開了相關研究。劉博[10]比較分析了重載列車組合站和普通編組站的不同點，重點指出重載列車組合站站型布置、車站作業(yè)特點以及列車在站作業(yè)過程的特殊性。張進川等[11]探討影響重載列車組合站通過能力的主要因素，明確基于實現(xiàn)概率的組合站通過能力的含義，提出重載列車組合站通過能力的計算方法。董世鑫等[12]通過分析重載組合站的組合作業(yè)特點，引入組合模式變量對重載組合站組合方案進行優(yōu)化，在考慮組合規(guī)則、到發(fā)線數(shù)量、列車發(fā)車時間間隔調整以及組合作業(yè)時間的不確定性等約束的基礎上，以重載列車在站停留時間和前方站分解時間最小為目標，構建非線性隨機機會規(guī)劃模型。馬孟祺等[13]以到發(fā)進路與到發(fā)線選擇唯一性和組合列車狀態(tài)轉化等為約束條件，分別以到發(fā)線運用均衡性、選擇傾向性為目標函數(shù)，構建二次“0-1”規(guī)劃模型與一次“0-1”規(guī)劃模型，驗證了整數(shù)線性規(guī)劃模型可以對重載鐵路車站到發(fā)線運用進行有效優(yōu)化。

1 神池南站運輸組織

1.1 神池南站到發(fā)線布置

作為重載列車組合分解站，神池南站未設置駝峰，組合作業(yè)在到發(fā)線上即可完成。神池南站上下行車場到發(fā)線配置形式均為三線一束的形式，中間為機走線，兩側為到發(fā)線，基本線束示意圖如圖1所示。神池南站上行車場有到發(fā)線24股道，1至21股道為2 800 m線路，能夠接發(fā)萬噸和2萬噸列車，22至24道為1 050 m線路，負責小列的接發(fā)車工作。下行場有到發(fā)線18條，均為2萬噸列車2 800 m線路，能夠接發(fā)萬噸和2萬噸列車，對萬噸列車進行縮編(由116輛編組縮編至108輛編組)之后，2 800 m線路能夠滿足2萬噸列車的組合分解作業(yè)。

圖1 基本線束示意圖Fig.1 Basic arrival-departure track group

1.2 2萬噸列車技術作業(yè)特點

研究2列萬噸列車組合成為1列2萬噸列車，2萬噸列車組合作業(yè)示意圖如圖2所示。與普通編組站不同的是，神池南站未設置駝峰等調車設備，組合作業(yè)在到發(fā)線上即可完成，需進行組合作業(yè)的列車分別依次接入同一到發(fā)線的前后半段，列車集結過程簡單，編組形式也較單一。

圖2 2萬噸列車組合作業(yè)示意圖Fig.2 Combination operation of 20 000-ton trains

2 到發(fā)線周期化運用方案研究

2.1 到發(fā)線周期化運用計劃

為了直觀形象地展示出到發(fā)線周期化運用的具體方案，將到發(fā)線運用與階段計劃相結合，階段計劃包括了安排機車和到發(fā)線運用。分析2列萬噸列車組合成1列2萬噸列車的作業(yè)流程以及各項作業(yè)占用到發(fā)線時間標準，2萬噸列車技術作業(yè)過程如圖3所示，其中折線部分為各項作業(yè)的上下區(qū)間范圍。

圖3 2萬噸列車技術作業(yè)過程Fig.3 Technical operation process of 20 000-ton trains

為了便于研究，控制神朔線和準池線到達神池南站II場的列車以10 min間隔均衡到達，這也是到發(fā)線周期化運用研究的基礎，其余各項作業(yè)根據(jù)資料設置出最小和最大作業(yè)時間標準。之后對車站技術作業(yè)圖表先進行簡單的鋪畫，對于神朔線和準池線均衡到達的萬噸列車依次接入II場的2 800 m到發(fā)線，到發(fā)線編號均根據(jù)實際編號設置，機走線暫不納入考慮范圍。

在中國，隨著人口數(shù)量的不斷在增加，復種指數(shù)不斷升高，連年增產(chǎn)的壓力日益加大，人們對于土壤、土質、土壤養(yǎng)分的期盼越來越高。在人們的期盼中,鎂是如何發(fā)揮作用的？

2.2 不同接車方式下咽喉交叉作業(yè)

在編制到發(fā)線運用方案時，要盡可能壓縮列車、機車占用咽喉區(qū)的時間，減少進路之間的交叉干擾。在實際運營中，組合分解站的發(fā)車間隔經(jīng)常成為通過能力的限制因素，本次研究的主要是發(fā)往黃驊港方向的2萬噸組合列車的到發(fā)線運用優(yōu)化。為了研究列車出發(fā)和機車出入段時占用咽喉的情況，減少咽喉作業(yè)交叉，首先對神池南站II場咽喉道岔進行分組，神池南站重車場右端咽喉道岔分組如圖4所示。

圖4 神池南站重車場右端咽喉道岔分組Fig.4 Turnout groups at right throat of heavy wagon yard at Shenchinan Station

整理出各股道各項作業(yè)占用咽喉道岔組情況，各項作業(yè)占用道岔組情況如表1所示。

表1 各項作業(yè)占用道岔組情況Tab.1 Turnout groups occupied by each operation

研究按照前后兩列連續(xù)接入同一股道的方式將萬噸列車周期化接入到發(fā)線，在這種前提下又可具體劃分為3種不同接車方式：“并進式”接車、“并列式”接車和“交叉式”接車。

“并進式”接車，即每2列列車依次接入同一線束的2條到發(fā)線中，列車接入方式按到發(fā)線順序依次排列著接入，具體為第一對列車接入第一線束的II-4股道，第二對列車接入第一線束的II-6股道，第三對列車接入第二線束的II-7股道，第四對列車接入第二線束的II-9股道，直到將到發(fā)線完全占用一遍。

“交叉式”接車，即每2列列車以對稱方式接入首尾線束的到發(fā)線中，具體為第一對列車接入II-4股道，第二對列車接入II-19股道，依次類推，第七對列車接入II-6股道，第八對列車接入II-21股道，一直持續(xù)到將到發(fā)線完全占用一遍。

“并列式”接車與“并進式”接車類似，但每2列列車順序接入不同線束的一條到發(fā)線中，具體為第一對列車接入第一線束的II-4股道，第二對列車接入第二線束II-7股道，依次類推，第六對列車接入第六線束II-19股道，第七對列車接入第一線束的II-6股道，第八對列車接入第二線束的II-9股道，一直持續(xù)到將到發(fā)線完全占用一遍。

結合編制的一個周期內(nèi)2萬噸列車和機車占用到發(fā)線情況(未進行進路交叉疏解），分析各股道作業(yè)出現(xiàn)的交叉干擾。以下接車技術作業(yè)圖表中，藍色箭頭為機車入段開始時刻，橙色箭頭為機車出段結束時刻，初始鋪畫默認機車入段走行時分為30 min，出段走行時分為12 min，機車連掛萬噸列車時間25 min，2萬噸列車咽喉走行時間10 min，機車統(tǒng)一默認采用2臺交流機車連掛方式，且同時出段。3種接車方式階段計劃及交叉干擾情況分析如下。

（1）“并進式”接車階段計劃?！安⑦M式”接車技術作業(yè)圖表如圖5所示。結合表1各項作業(yè)占用咽喉道岔組情況，在“并進式”接車階段計劃中，右端咽喉處的各項作業(yè)可能出現(xiàn)的交叉如下。①機車出入段之間的交叉干擾：5道機車入段和11道、14道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾，8道機車入段和14道、17道機車出段產(chǎn)生交叉，11道機車入段和17道、20道機車出段產(chǎn)生交叉，14道機車入段和5道、20道機車出段產(chǎn)生交叉，17道機車入段和5道、8道機車出段產(chǎn)生交叉，20道機車入段和8道、11道機車出段產(chǎn)生交叉；②列車出發(fā)和機車入段之間的交叉干擾：5道機車入段和9道、10道、12道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉，8道機車入段和12道、13道、15道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉，11道機車入段和15道、16道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉；③列車出發(fā)和機車出段之間的交叉干擾：14道機車出段和10道、12道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉干擾，20道機車出段和18道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉干擾。

圖5 “并進式”接車技術作業(yè)圖表Fig.5 Technical operation chart of “simultaneous” type of receiving trains

（2）“交叉式”接車階段計劃?！敖徊媸健苯榆嚰夹g作業(yè)圖表如圖6所示。結合表1各項作業(yè)占用咽喉道岔組情況，在“交叉式”接車階段計劃中，右端咽喉處的各項作業(yè)可能出現(xiàn)的交叉如下。①機車出入段之間的交叉干擾：5道機車入段和5道、14道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾，8道機車入段和8道、20道機車出段產(chǎn)生交叉，11道機車入段和11道、17道機車出段產(chǎn)生交叉，14道機車入段和11道、14道機車出段產(chǎn)生交叉，17道機車入段和8道、17道機車出段產(chǎn)生交叉，20道機車入段和5道、20道機車出段產(chǎn)生交叉；②列車出發(fā)和機車入段之間的交叉干擾：5道機車入段和10道、12道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉，8道機車入段和13道、15道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉；③列車出發(fā)和機車出段之間的交叉干擾：5道機車出段和10道、12道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉干擾。

圖6 “交叉式”接車技術作業(yè)圖表Fig.3 Technical operation chart of “crossover” type of receiving trains

（3）“并列式”接車階段計劃?！安⒘惺健苯榆嚰夹g作業(yè)圖表如圖7所示。結合表1各項作業(yè)占用咽喉道岔組情況，在“并列式”接車階段計劃中，右端咽喉處的各項作業(yè)可能出現(xiàn)的干擾情況如下。①機車出入段之間的交叉干擾：5道機車入段和5道、20道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾，8道機車入段和5道、8道機車出段產(chǎn)生交叉，11道機車入段和8道、11道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾，14道機車入段和11道、14道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾，17道機車入段和14道、17道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾，20道機車入段和17道、20道機車出段都會產(chǎn)生交叉干擾；②列車出發(fā)和機車入段之間的交叉干擾：5道機車入段和13道、15道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉，17道機車入段和10道、12道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉，20道機車出段和13道、15道列車出發(fā)產(chǎn)生交叉干擾。

圖7 “并列式”接車技術作業(yè)圖表Fig.7 Technical operation chart of “parallel” type of receiving trains

綜合以上3種接車方式下的階段計劃和咽喉處交叉干擾，列車出發(fā)與機車出入段之間都不可避免地存在交叉且次數(shù)偏多，優(yōu)化起來難度較大，且機車入段作業(yè)與其他2項作業(yè)的交叉，在時間上并不是十分“緊急”，可在咽喉處等待。因此，可單獨考慮機車出段和列車出發(fā)在咽喉的交叉情況。

對以上3種接車方式階段計劃進行比較后得知：“交叉式”接車神池南站Ⅱ場右端咽喉處機車出段進入到發(fā)線連掛機車與2萬噸列車出發(fā)交叉次數(shù)最少，為3次，“并列式”接車為4次，“并進式”接車為5次。因此，重點研究“交叉式”接車作業(yè)方式。

2.3 交叉進路接發(fā)時序模型

由于機車出入段與列車到發(fā)存在進路交叉，不同的時序安排對咽喉能力利用帶來不同的影響，安排好咽喉交叉進路條件下機車與列車的接發(fā)時序，能夠充分發(fā)揮通過能力[6]。對于交叉進路下的“機車到”與“列車發(fā)”，采用交錯作業(yè)(到和發(fā)交錯進行)和連續(xù)作業(yè)(連續(xù)到或連續(xù)發(fā))方式，進路交叉作業(yè)時序模型圖如圖8所示。

圖8 進路交叉作業(yè)時序模型圖Fig.8 Time series model of cross-way access operation

作業(yè)時間分別為

式中：tf為連續(xù)發(fā)車間隔時分，min；td為機車連續(xù)出段入線連掛時分間隔，min；tfd為交叉進路條件下發(fā)到間隔時分，min；tdf為交叉進路條件下到發(fā)間隔時分，min；t連續(xù)為采用連續(xù)作業(yè)方式的作業(yè)時分，min；t交錯為采用交錯作業(yè)方式的作業(yè)時分，min。

目前神池南站運用的一些參數(shù)取值如表2所示。

表2 參數(shù)取值 minTab.2 Parameter value

由以上分析可知，神池南站Ⅱ場右端咽喉采用交錯作業(yè)方式接機車發(fā)列車對提高通過能力有利。

2.4 周期化運用下到發(fā)線通過能力分析

考慮咽喉作業(yè)交叉而導致到發(fā)線能力損耗，實際通過能力N實計算公式為

式中：ρ為能力損耗率。

由上文可知，神池南站Ⅱ場右端咽喉采用交錯作業(yè)方式接機車發(fā)列車對提高通過能力有利，則實際最大通過能力為

式中：tLOS為全周期因作業(yè)交叉產(chǎn)生的能力損耗，min；tW為完整的作業(yè)周期耗時，min；n為一個周期實際發(fā)出的列車數(shù)，列。

綜上，從理論上分析1 h發(fā)出的列車數(shù)應為2.86列，每條到發(fā)線一晝夜至多發(fā)送N實計= 2.86×24÷12 ≈ 6 列。根據(jù)圖解法鋪畫疏解交叉干擾作業(yè)后一個階段的到發(fā)線運用計劃，tf，td，tdf，tfd均嚴格按照上述作業(yè)時間標準，鋪畫的車站技術作業(yè)圖表如圖9所示。

圖9 周期化運用條件下車站技術作業(yè)圖表Tig.9 Station technical operation chart under the comdition of periodic application

到發(fā)線通過能力利用率k計算公式為

式中：T為各類型列車一晝夜占用到發(fā)線總時間，min；t固為固定作業(yè)時間，min；γ空為到發(fā)線空閑率。

由于到發(fā)線呈周期化運用，因而只需分析一條到發(fā)線即可。列車一次組合作業(yè)占用到發(fā)線時間為t占(135 min≤t占≤240 min)，固定作業(yè)時間t固取150 min，γ空= 0.15。

每條到發(fā)線通過能力為

從到發(fā)線能力利用率的角度來考慮，一晝夜每條到發(fā)線可發(fā)出2萬噸列車5至10列，而在萬噸列車10 min/列均衡到達的約束條件下，每條到發(fā)線一晝夜至多發(fā)送6列2萬噸列車，因而綜合考慮以上2種限制因素，可得出神池南站(12條組合到發(fā)線)一晝夜2萬噸列車發(fā)車數(shù)量為

按照C80車型計算，2萬噸列車的貨物總重為17 280 t，一年純運輸時間為347 d，則年運量Q(億 t)為

由計算結果可知：在萬噸列車均衡到達間隔時間為10 min的條件下，采用到發(fā)線周期化運用方案，2萬噸列車組合作業(yè)時間在135 ～ 240 min內(nèi)(受其他因素影響，取值在該區(qū)間變化時對最終能力無影響)，能夠實現(xiàn)最大4.3億t的年運量，較現(xiàn)有開行方案能夠實現(xiàn)的運量有明顯提升。

3 結束語

隨著我國重載鐵路的快速發(fā)展和朔黃線運量的持續(xù)增長，朔黃鐵路2萬噸重載列車數(shù)量必然持續(xù)增長。神池南站作為連接神朔線、準池線和朔黃線的樞紐站，在神朔線和準池線目前還不具備2萬噸列車開行條件時，承擔著萬噸列車組合成2萬噸列車的重要任務。基于現(xiàn)有到發(fā)線使用方案，結合周期化組織方式繪制分析不同接車方式下的階段計劃，選擇最優(yōu)周期化接車作業(yè)方式。通過建立交叉進路下接發(fā)時序模型，研究優(yōu)化后的到發(fā)線使用方案能力損耗情況，得出周期化組織方式對運量有顯著提升的結論。但現(xiàn)場作業(yè)中要實現(xiàn)這種運用方式仍面臨確保萬噸列車均衡到達難、站內(nèi)組織作業(yè)要求高、貨流不穩(wěn)定等諸多問題，需要進一步深化研究。