包神铁路运输组织优化研究

 摘 要:随着巴准铁路、塔韩铁路专用线及甘泉线的陆续建成投产，包神铁路将发展为神华煤炭运输通道的核心干线和集运枢纽。但是，目前包神铁路运输能力已接近饱和，制约了其长远发展，实施重载运输及其运输组织方式优化是包神铁路亟需探讨的课题。本文根据包神铁路车流组织以列为单位调整以及对线路通过能力要求较高等特点，通过分析包神铁路运输设备、运输模式以及重载列车组合站站型、在站作业特点和在站作业过程，引入组合站改编能力约束和编组去向数约束，将重载列车开行方案和组合站布局两个问题进行综合协调，以组合时间耗费最小化、通道流量最大化、车流走行最小、改编费用和组合站布局调整投资费用最低为目标，构建综合优化模型。最后，从包神铁路重载列车开行方案和组合站布局角度出发统筹考虑，提出应将发展重载运输作为提高包神铁路运输能力的基本方针，就包神铁路如何合理优化扩能和运输组织提出具体方案。
关键词：重载铁路；组合站；车流改编方案；包神铁路；组合列车；综合优化
0 前言
包神铁路是神华集团投资建设的第一条铁路，也是神华煤运通道的“源头”。自建线以来，运量逐年递增，由1989年的81万吨，上升为2011年14371万吨。包神铁路是我国继大秦、神朔、侯月、朔黄之后的第五条、神华集团第三条年运量过亿吨的铁路。至2012年9月7日,已实现连续6年过亿吨，连续8年千万吨级增长。在快速发展的背后，包神铁路也面对着运输能力已接近饱和、运输压力逐年增大的问题。随着神华集团的快速发展和甘泉、巴准、准池、新海、塔韩铁路等几条新线陆续建成投产。包神铁路向北将与京包、甘泉、塔韩线相连；向南与神朔并通过神朔与朔黄线相接；向东经巴准线、大准线与大秦线、朔黄线贯通；向西通过东乌线、三新铁路服务于乌海、宁煤矿区；在路网上形成甘泉、塔韩、东乌三个入口和包头、神朔、大准三个出口，成为神华铁路南北、东西两大通道的枢纽。面对新形势、新目标和新任务，除靠扩能改造来改善和提升运输效率外，更重要的是依靠科学合理的生产组织来保证。在这种形势下，实施重载运输及其运输组织方式优化是包神铁路亟需探讨的课题。
1实施重载运输的必要性
重载运输作为一种重要的运输组织方式，是提高铁路运输效率的重要手段，已在世界范围内得到了迅速发展。重载铁路不仅能够达到缓解铁路运力紧张，提高线路输送能力的目的，同时能够较大的降低铁路运输成本。特别是对于煤炭这类大宗货物的运输，其大运量运输特性更是显示出了独具的自身优势。随着包神铁路运量的日益增长和新线陆续接入，其车流来源与去向的多样性、车流组织的复杂性、车流密度和运输强度等都远远超出了设计能力。
1.1包神铁路实施重载运输的条件
包神铁路主要以煤炭运输为主，具有以下特点：
(1)货运流向集中。包神铁路煤炭运输流向是向北和向东，北线上行为重车方向，运量以沿线各站始发的煤炭为主，主要发往沿线的发电厂及其他厂矿、包头枢纽及经由本线和大包线集运至大秦线的煤炭；北线下行为轻车方向。北线装车远大于卸车，轻重车方向明显，重车流产生地主要集中在煤炭发送量较大的朝脑沟、韩家村、敖包沟、巴图塔、石圪台和瓷窑湾，沿线空车流产生地主要集中在关碾房、达拉特旗、万水泉南、河西等煤炭到站。本线东线下行为重车方向，运量以巴图塔、石圪台、布尔台、瓷窑湾及乌兰木伦等站的煤炭为主，主要经由神朔和朔黄铁路东运黄骅港方向。东线上行方向为轻车方向。
(2)整列直达列车为主的运输形式。包神铁路沿线内有装车数量大、流向比较集中的煤矿、电厂、化工企业，具有组织单元重载列车的巨大潜力。目前,除去往大秦线的车流在万水泉南站集结万吨，即本线运行5000t列车，在万水泉南站南场组合后在大包线运行；对于本线始发终到车流，按7200t组织；大包沿线及其他车流按5000t组织。
1.2实施重载运输是满足未来发展的重要途径
为了缓解包神铁路运输能力的限制，应在管内最大限度地组织车流开行单元重载列车或由单元重载列车组合而成的组合重载列车。包神线开行重载列车有较高的牵引定数，但与其衔接线路的牵引定数大多都不相同，所以重载列车的运行径路上包含了不同牵引定数的列车，通常需要在组合站进行换重作业或者进行列车组合作业。从直观上看，列车的组合与分解作业增加了列车的作业环节，降低了车辆的周转速度，是不经济的做法。但是，列车的组合与分解作业是减少列车数量和提高线路运输能力的主要措施，同时也能最大限度地减轻有关车站的作业负荷。
2重载列车开行方案与组合站布局的综合优化模型
重载列车组合站的布局调整，直接影响到包神铁路的车流组织态势，不合理的布局调整，不仅会浪费资源，而且也难以实现车流组织的优化。在此背景下，本文将重载列车开行方案和组合站布局两个问题耦合，根据包神铁路运输的特点，从组合站分工优化的角度出发，对重载列车开行方案与组合站布局进行综合优化，提出优化模型，以求为包神铁路运输组织优化问题提供一定的理论依据，具有一定的现实意义。
根据包神铁路以整列列车为单位进行调整的特点，可以将重载列车开行方案和组合站布局优化问题描述为：在包神铁路集疏运系统中有若干个装车点，需要将它们装出的货物列车送往卸车点，但由于受通道能力的限制，货物列车需在组合站组合为大列运输，或是在通道能力允许的条件下货物列车直接进入铁路运输，此时主要考虑铁路通过能力的限制、重载列车组合时间的耗费（包括前列等待后列的接续时间）、组合站建设投资费用、车流在组合站的作业费用以及区段内车流组织费用，建立综合优化模型。
2.1符号定义
设货物列车编组去向示意图为有向图G=(N,A)，其中N为节点集合，i∈N；Z为列车组合站的集合，j∈Z；A为联弧集合，节点i到组合站j的编组去向表示为(i,j)∈A。对于i∈N, 表示起点为节点i的联弧集合, 表示终点为节点i的联弧集合；令K表示货物列车基本类型的集合K＝｛0.5万ｔ列车，0.7万ｔ列车，1万t单元列车，1万t组合列车｝，对于k∈K，vk为车流k的大小，ok为车流k的起点，dk为车流k的终点；cij表示单位车流通过联弧(i,j)的费用为定值；uij为联弧(i,j)的容量。
引入如下决策变量:，如车流k通过联弧(i,j)则取值为1，否则为0；yij∈(0,1)，如果网络中包含联弧(i,j)则取值为1，否则为0;，如节点i采用第p种投资方案则取值为1，否则为0。
2.2相关因素分析
(1)组合站改建投资费用
组合站改建投资费用由其建设规模决定，而建设规模可用车站改编能力(U)和编组去向数(B)表示。为方便表述，将车场的具体布置以及车场设备的配置表述为不同的投资方案，采用一定的投资方案将提升组合站一定的作业能力和编组去向数。对于组合站j，设有P种投资方案，相应的投资规模记为，第p种投资方案下新增的改编能力、编组去向数分别为Up、Bp。设规划年限为M，λ为贴现率，则有，因此组合站j的第p种投资方案的年投资费用为α·。
(2)组合站的改编费用
提高组合站建设规模的直接经济效益有:单车作业成本的降低和改编能力的增加，使得一些本来在低效率技术站改编的车流部分地转移到作业效率较高的组合站进行改编，直接降低路网上的改编费用；增加直达去向数，使得某些有调车流变为无调车流，减少改编车数，从而减少相应的作业费用和车辆小时的滞留消耗，加速机车车辆的周转，取得节省运用车的换算效益。为方便表述，这里将上述所有经济效益综合纳入组合站的改编费用，即单位车流在组合站的改编费用(用H表示)。扩大组合站的投资规模,将降低该组合站单位车流的改编费用。因此，单位车流在组合站j的改编费用可表示为H(Uj)。
(3)列车组合耗费
设为每天从节点i出发、在组合站j组合的k类型列车的数量，列·d-1；则每天组合列车的总数量可以表示为：；由于不同类型列车组合方式和组合需要的时间不同，设为从节点i出发、在组合站j组合的k类型列车的组合系数，即1列组合列车中所包含的k类型列车的数量，当2列5000t列车组合为1列1万t组合列车时＝2，当2列7000t列车组合为1列1万t组合列车时=1.5；为从节点i出发、在组合站j组合k类型列车耗费的组合时间，min；则每天各种类型列车累计耗费的组合时间可以表示为：
由于并不是所有的列车都需要进行组合作业，所以则有
各种类型列车每天累计完成的运量可以简化表示为
设为组合站j与相邻组合站j＋１间每天开行的k类型列车数量，列·d-1；则列车流的平衡条件为：
(4)区段车流组织费用
组合站间车流组织费用主要考虑集结车小时、中间站因摘挂作业产生的停留车小时、停站次数、占用区段能力导致货物列车运输成本的增加等。其中占用区段通过能力而导致货物列车运输成本的增量取决于区段及周边路网的繁忙程度等诸多因素，不便在区段内确定其成本增量，这里仅考虑车辆的集结车小时和停留车小时。列车集结车小时与车流量的大小、车辆到达时机、列车开行数量、列车开行时机等因素有关。而对于重载列车而言，大多以列为单位进行调整，并且每列车的平均集结时间等于装车时间，为方便模型建立和求解,本文只考虑车流通过区段的费用,且假定为固定值(用cij表示节点i,j间的单位车流组织费用)。
（5）通过能力限制因素
设为从节点i到组合站j的线路能够通过k类型列车的最大通过能力，列·d-1；为组合站j与相邻组合站j＋１间线路能够通过k类型列车的最大通过能力，列·d-1；则需要满足：

另外，为了保证装车点装出的列车不出现对流情况，则有
且必须保证列车流的整数约束，即
3构建模型
组合站布置形式多样，不同站型、不同车场、不同设备配置条件下，组合站作业能力具有较大差异，因此其建设项目的组合乘数相当大，这会导致模型的求解规模巨大。针对在一定规划期内管内组合站布局调整的规模有限，而不同组合站的作业能力、地理位置差异导致其在线路中的地位各不相同的特点。在对管内组合站进行布局调整之前，可对组合站进行布局调整评价，形成部分组合站改扩建的候选集，这时只需对备选集中的组合站进行布局调整优化。这种处理方式可能会导致不能获得最优方案，但能大幅降低问题的求解难度，也比较贴近实际运作，这里用Z表示备选的组合站集合，Z∈N。
根据各组合站所处的位置和作用，对其功能和布局进行优化调整，为提高管内的万吨组合列车的比重打下基础。在这种原则的指导下，采用区域划分的思想对组合站进行合理的区域划分，优化区域内组合站的分工与合作。根据组合站的分布特征，将管内划分为若干区域，用R表示，此时决策变量更换为，，当组合站j在区域r中，且采用第p种投资建设策略则取值为1，否则为0。
为方便模型的构建，这里假设路网中车流数据已知且正确。以组合能力最大，车流通过联弧的费用、车流组合费用以及组合站建设贴现费用最小为目标，构建车流组合方案和组合站布局综合优化模型如下：
（1）
、分别表示布局调整后组合站j的改编力和编组去向数，则有
（2）
（3）
考虑如下约束：
① 车流不可拆分约束
（4）
② 联弧容量约束
（5）
③ 组合站编组去向约束
（6）
④组合站改编能力约束
（7）
⑤投资方案数约束
对于组合站j，虽然其备选投资方案可能有P种，但在一定规划期内，这些投资方案是互不相容的，最多只能选择一种，即
（8）
⑥组合站布局调整规模约束
可用布局调整的组合站数量来加以约束，也可采用规划期内的投资总额加以约束
（9）
（10）
通过区域划分可大幅减少搜索空间，降低问题的求解难度,但要求对区域划分科学合理。这要求路网中各组合站的区域特征比较鲜明，这也是构建模型的基础。
假定管内有Z个技术站，需对其中j个技术站提出新建或改建方案，每个车站的备选投资方案有p个，则对应的投资组合方案数为。基于备选集的优化模型中，令备选组合站为n(j<n<Z)个，则对应的投资组合方案数为。基于区域划分的优化模型中，将Z个技术站划分为R个区域，第r个区域中的技术站数量记为，则有，每个区域中需对1个技术站提出新建或改建方案，则对应的投资组合方案数为。根据备选集和区域划分的原则来建立模型，其求解规模有较大幅度的减小，能有效降低问题的计算工作量。
4实例分析
本次研究对既有包神铁路仍遵循现有货源和货流分配的原则和思路，根据该地区煤炭发展规律，采用正常递增。由于既有神朔铁路2015年受运输能力的限制，将包神铁路南段部分运量改为经由即将建成的巴准、准池铁路和大准铁路的点岱沟至外西沟段，再经朔黄铁路运往黄骅港方向。对于新建和规划铁路，根据神华集团铁路网发展思路，2015年和2020年甘泉、塔韩新建铁路所承担的煤炭，全部经由巴准、大准铁路，再径由准池、朔黄铁路运往黄骅港方向。

图1 包神铁路示意图

根据神华集团路网发展规划，结合目前路网实际，参考在建铁路和拟建铁路的设计文件，对既有路网的货源、货流进行了广泛的调查，又认真研究和分析了未来年度路网发展后，所吸引的货源以及货流变化等情况，推算出既有及研究年度包神铁路区段货流密度(如表4-1所示)。

表4-1 研究年度包神铁路区段货流密度 单位：万t
线路名称 区 段 2011年 2015年 2020
上行 下行 上行 下行 上行 下行
包神铁路 万水泉南～韩家村 4700 78 5880 880 7953 1100
韩家村～沙沙圪台 3702 78 4720 3380 6653 4795
沙沙圪台～巴图塔 3657 502 4165 3650 5745 5110
巴图塔～石圪台 2928 1792 3345 1980 4095 2000
石圪台～乌兰木伦 1095 5602 1750 4560 2100 4580
乌兰木伦～大柳塔 8 9676 10 9200 15 9800
甘泉铁路 万水泉南～河西 2050 1922 2228 2704
河西～金泉 2078 222 2233 304
金泉～甘其毛都 2775 207 3685 284
塔韩铁路 塔然高勒～李家 24 1500 44 2000
李家～韩家村 42 2500 68 4000
巴准铁路 巴图塔～点岱沟 10300 16000
新海铁路 梅林庙～新街 500 800
新街～海勒斯壕 2000 4000
由于近几年包神铁路集疏运线路的运量和技术条件变化比较快，列车类型也有相应的变化。为便于计算，本文假设某一时期包神铁路装车区各部分的最大装车能力如表2所示。
表2包神铁路装车区各部分最大装车能力统计表
装车点 列车种类
5千t/列 单元万t/列 万t组合/列
大包线 8 10
包神线 34
甘泉线 18
塔韩线 21
东乌线 12
巴准线 16 33
新海线 27 20
神朔线 74
4.1参数值的确定
在求解过程中，列车的组合时间耗费是模型中的１个变量。本文为了计算方便，首先对各种类型列车的组合时间耗费进行说明。根据2012年包神铁路开行万吨大列的跟踪写实资料，由2列5000t列车组合为１列1万t组合列车时，办理一列车到、发、组合需要占用到发线201min。以图1所示的虚拟路网为例，它包含21个节点，单位车流通过联弧的费用见图中联弧上的数字。假定有21支车流，各车流的起讫点、日均车流量如表3所示；各节点改编能力Uj、单位车流改编费用H、编组去向限制数量Bj、联弧容量uij见表3，对于节点j，假定各去向的联弧容量uij都相等。

图2 算例的虚拟路网
由于近几年包神铁路集疏运线路的运量和技术条件变化比较快，列车类型也有相应的变化。为便于计算，本文假设某一时期包神铁路主要车站的最大日均车流量如表2所示。
表2 包神铁路主要车站最大日均车流量统计表
起点Ok 讫点Dk 区段 日均车流量vk/车 起点Ok 讫点Dk 区段 日均车流量vk/车
3 1 万-万 1570 6 7 沙沙圪台-巴图塔 2670
3 2 万-包 100 7 8 巴图塔-石圪台 730
14 13 金-河 1110 8 9 石圪台-瓷窑湾 1860
13 3 河-万 1360 9 11 瓷窑湾-神东 2230
4 3 韩家村-万水泉南 1970 10 11 乌兰木伦-神东 1610
15 4 塔然高勒-韩家村 1300 11 12 神东-神木北 3840
5 4 东胜-韩家村 4340 10 9 乌兰木伦-瓷窑湾 410
6 5 沙沙圪台-东胜 4340 11 8 布尔台-石圪台 730
16 6 活蚕沟-沙沙圪台 740 7 17 巴图塔-海勒斯壕 1050
17 18 海勒斯壕-点岱沟 4360 19 17 新街-海勒斯壕 3700
20 19 梅林庙-新街 800

表2 各节点改编能力、单位车流改编成本、编组去向数和联弧容量数据
节点i 改编能力Ui/车 改编费用H 编组去向Bi/个 联弧容量uij/车 节点i 改编能力Ui/车 改编费用H 编组去向Bi/个 联弧容量uij/车
1 6.0 3 3100 11 6.0 3
2 6.0 3 600 12 6.0 2
3 6.0 4 8000 13 6.0 2
4 6.0 3 14 6.0 2
5 6.0 3 15 6.0 2
6 6.0 3 16 6.0 2
7 6.0 3 17 6.0 3
8 6.0 3 18 6.0 2
9 6.0 3 19 6.0 2
10 6.0 2 20 6.0 1

3.2计算结果及说明

为简便计算, 假定技术站的改扩建方案只有一种。在技术站布局优化过程中,如对某技术站进行改扩建,则其作业能力Ui增加500车,作业费用H变为5.0,编组去向数增加至3个(如之前大于或等于3,则其编组去向数不变)。表1、表2初始数据条件下,利用优化软件Lingo 8.0进行求解,目标函数值为9125。当布局调整规模限定在一个技术站时,不同技术站布局调整时对应的目标函数值如图2所示。由图2可知,对节点1进行改扩建时,获得的经济效益最大,随着车流量的增加,这种经济效益将更加凸现。其原因在于:通过提升节点1的作业能力,降低其作业费用,部分车流的技术作业从其他节点转移至节点1,同时为节点1组织开行远程直达列车、减少车流重复改编作业创造条件。

对于节点1, 在保持其改编能力不变的条件下, 改变其作业费用( 变化范围为5~ 6) 时, 车流改编方案没有发生变化, 这是因为节点1 本站车流量已达到了175 车, 节点8 至节点10 的车流在节点1、2 进行重复改编, 节点1 的能力利用率已达到饱和。而提升节点1 的改编能力后, 随着单位车流改编费用的变化, 车流改编方案也产生一定的变化。如当节点1 的单位车流改编费用小于5. 2 时, 节点8 至节点4 的车流的技术作业由节点2 转移至作业能力更大、作业费用更低的节点1, 提高了系统的经济效益, 也为节点1 组织远程直达运输提供了充足的车流。当限定为两个节点时，节点2和节点5的效益最大。
由计算结果分析可以发现，在考虑尽可能地增加运量的同时，可以通过以下三方面工作实现组合时间耗费最小化：①尽可能地集中进行列车的组合作业；②尽可能少安排将2列5000ｔ列车组合为1万ｔ组合列车；③为尽可能减少列车的组合工作，可将列车由装车点直接开往重载铁路装卸区。
对于节点5至节点1的管内车流，因其运行距离较短，且受电厂、化工厂厂前站的到发线有效长限制，本次研究仍维持既有牵引质量，即采用5000t。对开往节点1以远的车流，应组织开行重载列车。节点5至节点10的车流由于受节点10技术标准限制，牵引质量亦维持既有5000t。节点5、6、12发往节点8的车流，采用10000t编组。节点2至节点1的车流，采用10000t，节点2至节点5的车流，采用5000t。
对于本线始发终到煤炭车流，因其运行距离仅约64公里，按到发线有效长限制的列车牵引质量5500t组织；神华煤制烯烃专用线及金泉化工园区焦炭受甘泉铁路技术标准限制，按5000t组织，大包沿线煤炭及其他车流较小，不具备重载列车开行条件，按5000t组织。本段经大包线外运煤炭运量主要满足大秦线集运要求，相邻线到发大秦线的列车牵引质量要求尽量统一为5000t、10000t和20000t。大包线为大秦线煤炭集疏运的后方通道之一现状已开行重载列车，研究年度大包线部分车站延长到发线有效长度1700m，开行重载列车，其中包头枢纽内古城湾站为重载列车集结站。
综上所述，本线开行重载列车因开行数量少、改造工程大，重载列车运输组织、调度指挥难度大，且近远期开行重载列车仅4对/日，对本线运输能力提高有限，在本线运输距离短，集运成本较高，因此本线开行重载列车方案可行性较差。交接口集结重载列车方案中万水泉南交接需改建到发线有效长度至1700m，古城湾站为大包线重载列车集结站，万吨集结功能较为明确。从充分利用国铁资源，减少工程投资角度考虑，采用古城湾站集结方案有一定优势。但鉴于万水泉南站已拟建改造为万吨集结和交接站，南场为重车交接场，北场为轻车交接场，在万水泉南站交接集结同时进行，有利于减少运输组织作业环节，可充分提高运输效率，且呼和浩特铁路局交接条件发生变化，需交接口交接重载列车。因此，本次研究运输组织方案暂推荐去往大秦线的车流在万水泉南站集结万吨方案，即本线运行5000t列车，在万水泉南站北场交接后运行至古城湾站两列合一列在大包线运行；对于本线始发终到车流，按5500t组织；大包沿线及其他车流按5000t组织。

5　结论
重载列车开行方案和组合站布局是紧密相关的两个问题，同时也是铁路运输组织中重要的基础问题，本文将两者耦合，考虑组合站建设投资费用、车流在组合站的作业费用以及区段内车流组织费用，建立了重载列车开行方案和组合站布局综合优化模型。同时，采取组合站备选集限定和区域划分以降低模型求解的规模和求解难度，获得较为理想且符合铁路运输组织实际的优化方案，拓展了此类问题的研究思路。然而,由于技术站投资方案的组合数规模巨大,决定了综合优化问题的决策复杂性很高,对于较大规模的网络,优化软件很难在理想的时间内获得最优解或满意解。同时, 针对基于备选集和区域划分的优化模型中, 如何合理确定备选集的选取和区域的划分规则, 也需进一步研究。

参考文献
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