包神铁路重载列车开行方案与组合站布局的综合优化研究

 摘 要: 本文首先介绍了重载运输的定义及其发展情况，简要分析了重载运输组织的特点、重载列车组织形式的分类及其运用情况，并对重载铁路的类别及其所适用的重载列车组织形式进行了分析;同时研究了半封闭式重载铁路运输系统的构成，并对其运输组织的关键问题做了分析。在概述己有运输通道理论的基础上，阐述了重载运输通道的含义、结构、吸引范围和流量的分类，确定线路分工的相关原则;指出了铁路流量分配的特殊性，将流量对铁路广义运输费用的影响引入车流分配问题中，以系统最优原则建立了基于流量的重载运输通道车流分配模型。
其次，在重载运输系统集疏运一体化思想的指导下，提出了重载铁路运输系统集疏运一体化规划理论，研究识别重载运输通道中各线路间以及建设方案间相互关系的方法; 根据配流结果研究线路的建设改造问题，建立了重载铁路建设的双层规划模型，从设备技术改造和运输组织相结合的角度，指导重载运输系统的建设。通过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，依据神华重载铁路的发展现状，通过分析神华铁路运输设备、运输模式以及重载列车在站作业特点和在站作业过程，根据神华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，以神华铁路运能的合理利用为重点、车流方案调整为主线，对以神华铁路为背景的半封闭式重载运输系统进行研究，包括重载列车开行方案、线路的建设改造以及组合站布局等问题，力求符合神华重载铁路发展实际，并给出神华重载铁路实际的车流组织方法，以便为重载运输的发展起到一定的理论支撑作用。
关键词：神华铁路；重载铁路；组合站；车流改编方案；综合优化
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ABSTRACT
ABSTRACT：Firstly, the paper sums up the definition of heavy haul railway and its development course, briefly analyzes the characteristics of heavy haul railway, introduces the classification and application of the heavy haul railway and the applicable trains, studies the composition of the semi-closed heavy haul railway system, and makes analysis to key problems of the transportation organization.based on the exist theories of transportation corridor, defines the definition, structure, attractable range and classification of volume of the heavy-haul-railway corridor, and the relevant principles to divide the work between the lines in the corridor. The influence of the tree-type car flow routing on traffic assignment of railway is pointed out, and the impact of traffic volume on the generalized transport cost of railway is introduced. So the paper establishes the traffic volume distribution model of heavy haul railway based the system optimality principle.
Secondly,under the guidance of thought of integrative collection and distribution system, the plan of constructing integrative collection and distribution system of the semi-closed heavy haul railway is proposed and the method to identify the relationship between the lines in the heavy-haul-railway corridor and relationship between the construction scheme is researched. The paper according to the results of flow assignment to research line reconstruction problem,establishes Bi-level equipment construction technical programming model of investment planning, combining the update and the transportation organization, to guide the of the heavy haul railway transportation system.Under constraint of the train reorganization capacity and number of formation direction of combination stations, the two issues are integraled and optimized .The comprehensive optimization model is built with the objective to minimize the costs of combination times, wagon flow running ,wagon flow reorganization ,layout adjustment and maximization the channal flows of combination stations.
Finally, considering the current situation of Shenhua heavy haul railway, through analysis of railway transportation equipment, transportation mode, characteristics of combination station operating and operation process, according to the wagon flow organization as a unit adjustment and capacity requirements higher features , taking rational utilization of transport capacity as the focal point, studies on the problems related to transportation organization of the Shenhua semi-closed heavy haul railway, including heavy-haul railway plan, as well as lines construction ,combination station layout and other issues. The paper studies the theory of rationally distributing wagon flow of heavy-haul railway corridor, and also the theory of the corresponding update of railway facilities and according traffic organization of heavy haul railway.
Key Words: ShenHua railway;heavy haul railway;combination station;wagon flow reorganization; comprehensive optimization
CLASSNO：

目 录
中文摘要 iv
ABSTRACT v
目 录 VI
1 绪论 8
1.1 选题背景 8
1.2 选题的目的与意义 9
1.3 国内外重载铁路的运输组织及研究现状 9
1.3.1 国内外重载铁路的开行现状 9
1.3.2 国内外研究现状 12
1.4 研究内容 14
2 重载铁路运输组织基础理论 16
2.1 重载铁路运输概述 16
2.1.1 重载运输的定义及其发展 16
2.1.2 重载运输组织特点 16
2.2 重载铁路运输系统的影响因素分析 17
2.2.1 铁路线路和站场 17
2.2.2 列车牵引 18
2.2.3 铁路车辆 19
2.2.4 供电系统 19
2.2.5 运输组织 19
2.2.6 装车能力、卸车能力 20
2.3 重载运输组织模式及其适用条件分析 20
2.3.1 重载列车组织模式的分类 20
2.3.2 组织模式的适用条件 21
2.3.3 开行固定车底循环直达单元列车的有利性分析 22
2.3.4 重载铁路的模式类别 24
2.4 半封闭式重载铁路运输组织分析 26
2.4.1 半封闭式重载铁路运输系统构成 26
2.4.2 半封闭式重载铁路运输组织关键技术分析 27
2.5 本章小结 28
3 重载运输通道流量分配方法 29
3.1 重载运输通道理论分析 29
3.1.1 重载运输通道的含义及结构 29
3.1.2 重载运输通道吸引范围的界定 30
3.2 铁路运输通道流量分配问题概述 30
3.2.1 铁路货运配流的特殊性 31
3.2.2 铁路运输通道系统的数学描述 31
3.3 重载运输通道车流分配模型研究 32
3.3.1 重载线路运输特性分析 32
3.3.2 基于运量的重载运输通道车流分配模型 35
4 重载铁路系统建设规划研究 37
4.1 重载铁路系统建设规划理论 37
4.1.1 我国煤炭重载运输通道的规划状况 37
4.1.2 重载铁路系统建设规划理论研究 38
4.2 重载铁路系统建设规划模型研究 41
4.3 重载列车开行方案与组合站布局的综合优化模型研究 43
4.4 本章小结 47
5 神华重载铁路布局规划以及重载列车开行方案研究 48
5.1 神华集团铁路现状 48
5.2 神华新建铁路概况 50
5.3 神华集团铁路经济运量分析及预测 53
5.3.1 神华集团历年煤炭产量及研究年度煤炭预测产量 53
5.3.2 神华集团既有及研究年度铁路区段货流密度 53
5.4 神华集团既有铁路运输组织概况 55
5.5 神华铁路重载运输系统的规划研究 56
5.6 重载列车开行方案与组合站布局综合优化模型算例研究 60
5.6.1 参数值的确定 61
5.6.2 计算结果及说明 63
5.7 研究年度神华铁路车流组织综述 64
6 结论 67
参考文献 69

1 绪论
重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家得到了迅速发展。从我国铁路运输发展水平看，在相当长时期内煤炭等大宗货物运输仍将是铁路货运工作的重点和主要内容,而繁重的煤运任务要求铁路必须迅速突破运输“瓶颈”，形成大能力的煤炭运输系统。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。可见，重载运输将是今后我国铁路的重要发展方向之一。
1.1 选题背景
铁路作为国民经济重要的基础设施，是国家实施宏观调控的有力手段，它在交通运输体系中占有重要地位。我国是一个地域辽阔、人口众多、资源分布和经济发展地域性很强的发展中国家，铁路是我国国民经济发展的大动脉和先行官。铁路货物运输具有成本低、运距长、受自然环境影响小等优点，在铁路、公路、水运、航空、管道五种运输方式中，铁路运输被广大客户所选择。
随着国民经济的发展，我国铁路运能与运量的矛盾日趋紧张。以煤炭运输为例，煤炭作为我国的基础能源在一次能源生产和消费中均占70%以上，是我国未来相当长时期内最为经济可靠的主导能源。二十世纪80年代以来，我国经济迅速增长，工业化进程加速，明显拉动了煤炭的生产和消费，从1980年的6.1亿吨到2012年的36.6亿吨，32年间平均每年增长9631万吨。进入21世纪，我国经济社会进入新的发展阶段，主要耗煤行业产品产量的大幅增加有力地拉动了国内煤炭消费，主要表现为发电用煤快速增长，2004年分别比2000年增加约3.65亿吨，使煤炭消费进入快速增长阶段。
当前，我国已形成以山西、陕西、内蒙古西部即“三西”煤炭基地为中心向东北、京津冀、华东及中南四个调入区呈扇形辐射状调出煤炭的运输格局。为满足国民经济发展及全面建设小康社会的目标对能源运输的要求，原铁路部从扩大规模、完善结构、提高质量等方面努力来扩充运输能力、提高服务水平，相继投产了大秦铁路、朔黄铁路、邯济铁路、侯月铁路复线等一批煤炭运输干线，煤炭运输能力有了较大提高。在新建线路的同时不断采取措施对各煤炭外运基地的线路进行扩能改造，形成大能力运煤通道。我国己初步形成了在京沪、京广等繁忙干线的部分区段开行整列式重载列车，以及在大秦线开行组合式和单元式重载列车。其中，在繁忙干线上开行的整列式重载列车规模较小，而大秦线作为我国目前仅有的重载运输专用干线铁路，其运输质量和运输效率对整个铁路运输网络，乃至国民经济都有重要的作用。
1.2 选题的目的与意义
神华集团是以煤为基础，电力、铁路、港口、航运、煤制油与煤化工为一体，产运销一条龙经营的特大型能源企业，是我国规模最大、现代化程度最高的煤炭企业和世界上最大的煤炭经销商。截至2012年底，神华集团共有13个煤炭企业，其中9个在生产煤炭企业；共有76矿81井，其中在生产矿井62矿67井。在国家规划的十四个大型煤炭基地中，神华集团参与了神东基地、宁东基地、陕北基地和蒙东基地的开发建设。公司的煤炭生产布局，已经形成了神东矿区、准格尔矿区、胜利矿区和神华宁煤公司、神华新疆公司等主要矿区和矿井群。2012年神华集团生产原煤4.6亿吨，商品煤销售6亿吨；拥有1765公里的自营铁路，完成货运量3.4亿吨；在建和投运的电厂总装机容量达6323万千瓦；现拥有1.5亿吨吞吐能力的黄骅港和4500万吨吞吐能力的天津煤码头两个自有出海口，2012年港口吞吐量实现1.359亿吨。神华集团在神东煤田开采的绝大多数煤炭都是通过自有的包神、神朔、朔黄和大准铁路，分别通过包神—神朔—朔黄、包神—神朔—大秦以及大准—大秦等线路运送至黄骅港、秦皇岛港、天津港等环渤海港口，最终销往整个华东及东南沿海地区。目前，内蒙古煤炭铁路外运总量中约有40%是通过神华集团自有铁路外运。
但是，神华铁路的运输能力已经达到饱，加之主要装车点的技术标准也已无法满足日益增长的运量需求。为了使神华铁路继续保持良好的发展势头，在竞争中处于有利地位，进一步挖掘运输潜力、提高运输能力，更好地完成今后一定时期的运输任务，神华铁路势必要对既有的重载铁路进行扩能改造，同时要按照战略装车点的要求对管内部分车站以及装车线进行技术改造，建设一批具备重载列车解编能力和具备万吨列车（5000吨）整列装车、整列发车的战略装车点，使吸引区内的运力资源得到优化，形成以重载通道和战略装车点为主的重载运输系统。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，研究重载运输规划及神华铁路重载运输组织优化是亟需探讨的课题。本文以神华铁路为背景，对神华铁路重载运输组织进行系统的分析，同时追踪国外铁路重载运输的发展趋势，对重载运输组织的相关问题进行研究，以期为重载运输的推广和发展提供借鉴。
1.3 国内外重载铁路的运输组织及研究现状
1.3.1 国内外重载铁路的开行现状
(1)国外重载铁路的开行现状
①美国
目前，美国70%的铁路线路为重载铁路，标准轴重33t。重载列车编组通常为108辆货车，由3～6台机车牵引，列车总重为13600t。重载列车采用大容量、低自重的货车，最大允许轴重范围在29.8～35.7t之间。一般采用大功率内燃机车多机牵引，并配合采用机车同步操纵技术。重载运输线路采用重型钢轨，最大可达近70kg/m。为了适应重载运输的需要，一些主要编组站的股道长达数公里。对于煤炭运输车辆，一些铁路公司采取了5列一组、整列无隔墙的槽式车组，以减轻自重，增加载重。为进一步开拓重载运输市场，美国还在海铁联合运输中开行了高效率的双层集装箱重载货物列车，使重载运输前景被更加看好。
②澳大利亚
澳大利亚的矿产资源非常丰富，煤炭和铁矿石以及铝土、黄金的储量都位居世界前列。此外，澳大利亚还是世界上主要的粮食（小麦）输出国之一，这样的资源特点推动了澳大利亚铁路重载运输的发展。自从美国南方铁路公司于1960年成功开行重载单元列车以后，澳大利亚铁路很快就接受并采用铁路重载运输。澳大利亚其货物绝大多数为矿石、煤炭，其采用单元式重载运输，自动化程度高，线路多为单线，主要为矿区服务或由矿区开采公司经营，线路运输大多相对较为封闭，运输组织简单，线路运量较大，单列车列车重量很大，线路运量的提高主要依赖于列车重量。其采用规划型运输组织模式，列车绝大多数为直达，列车运行速度低，线路行车密度小，运输繁忙程度低，车辆为专用车辆，全员劳动生产率高。
③前苏联及俄罗斯
俄罗斯联邦幅员辽阔、资源丰富，煤炭、矿石等大宗货物运量占有较大比重。早在20世纪50年代中期，前苏联就开始研究铁路重载运输技术，通过大规模普及电力牵引和内燃牵引，普及自动闭塞、电气集中，实施复线改造，延长站线长度，铺设重型钢轨，配备大载重车辆等，以提高货物列车的平均重量。60年代末，普里伏尔加铁路局为了解决运营区段上因进行线路维修施工，造成能力受到损失、运输秩序被打乱的问题，开行了将两列或以上的普通列车直接连挂、合并运行的组合列车，以加速列车发行。1979年，全俄铁道科学研究院和勘测设计研究院研究提出了将列车重量提高到6000t的具体建议，并在西伯利亚和哈萨克斯坦与乌拉尔、欧洲部分相连的线路上完成了重载列车牵引试验。1983年以后，前苏联铁路大规模提高列车平均重量的工作全面展开，重载组合列车技术有了新突破，三联（三列车联挂）及多联方式的重载组合列车重量可超过万吨。1986年开行了总重达43407t的组合列车，创造了前苏联铁路重载列车的最高记录。1983～1986年，前苏联铁路列车平均重量提高了255t，货运量增加了9.5%。2004年，俄罗斯铁路研究了扩大重载列车和超长列车开行线路的方案，确定了适合发展重载运输的13条干线，总长28000km。
④南非
20世纪60年代末，南非铁路就已经开始发展重载运输。南非有两条重载铁路：一条是从锡申（Sishen）到萨尔达尼亚（Saldanha）的矿石运输专线（Orex），里程861km；另一条是从北部的煤炭基地姆普马兰加（Mpumalanga）到理查兹湾（Richardsbay）的运煤专线（COALlink），里程580km。COALlink运煤专线于1976年建成之日起，即成为南非煤炭出口的大通道。线路最初的设计能力是每年2100万t，由内燃机车牵引轴重为18.8t的货车，编组为76辆。此后按重载运输要求多次进行升级和改造，到1989年已开行了编组200辆的列车，轴重达到26t。2007年，COALlink线路完成的煤炭运量为6700万t。
重载运输线路的开行对南非铁路的运输效益影响较大。两条线路总里程不到1500km，约占南非铁路里程的6.3%，然而却完成了全国铁路约45%的运量，使南非铁路的纯利润率高达4.6%（南非铁路货运收入约占总收入的81.2%）。煤炭运输公司和矿石运输公司分别将南非大煤田、铁矿生产基地与港口连接起来，形成便捷的运输通道，实现了大运量、低成本的运营模式，在煤炭和矿石运输市场中极具竞争力。
⑤巴西
巴西的矿产、水力、森林等自然资源在世界上均占重要地位，铁矿总储量达800多亿t，居世界前列。巴西的淡水河谷矿业公司（CVRD）是世界最大的矿业巨头之一，它属下的维多利亚.米纳斯铁路和卡拉亚斯铁路也是世界铁路界著名的重载运输铁路，主要是用于把铁矿石运往港口。巴西重载同样开行的是单元重载列车，铁路运量大，车辆同为专用车，线路运输以矿石等大宗货物为主，兼顾运输少量的旅客和其他活物，采用规划型运输组织模式，运输密度较欧美发达国家略高，运输生产效率高。
⑥西欧
在西欧铁路主要是以客运为主，重点发展高速客运列车，重载运输发展规模不大。但在部分国家为满足煤炭、矿石等大宗货物的需要，也有部分线路采用了重载运输，常为专用铁路，开行规模小，行车密度不大，生产效率不高，列车运输组织简单。
(2)国内重载铁路的开行现状
我国重载铁路运输的发展经历了四个阶段，第一阶段：改造既有线、开行组合式重载列车。自1985至1993年，我国在学习前苏联经验的基础上，通过旧线改造，发展组合式重载列车。在一系列试验的基础上，北京铁路局于1985年3月正式开行了大同至秦皇岛的组合式重载列车，列车总至7400t，双机牵引。采用了高摩合成闸瓦、103型制功阀、滚动轴承及13号车钩等多项新技术。为了扩大重载列车的开行范围，并能普遍推广组合式重载列车，发展了“非固定”式的重载组合列车，即不受车底、车型、车钩及缓冲器的限制。沈阳、北京、济南、郑州及上海等铁路局先后组织开行了组合列车，有效地缓解了运输能力紧张的局面，但由于机车同步操纵问题未能很好解决、列车分解组合作业效率不高、车钩质量影响列车制动断钩等问题，90年代基本停开。
第二阶段：建成大秦线、开行单元重载列车。1990 年至1992 年，我国第一条双线电气化重载运煤专线—大秦线建成后，进行了大量的单项试验、综合试验及开行试验，借鉴北美、澳大利亚等地区开行重载单元列车的经验，以8K电力机车和C63专用车辆（采用高强度旋转式车钩、ABD-W型制动机和大容量缓冲器、车辆轴重为2lt），开行单机牵引6000t、双机牵引1万吨的重载单元列车。运输组织采用固定车辆，固定编组，循环直达运行，全程无改编作业。自1992年8月1日起，每天开行6000t单元重载列车6列，到年底共计开行900 多列。双机牵引1万吨列车自1992年9月正式开行，每周1列，后改为每月1列，最终因装卸、集结、运行等方面问题，万吨列车停开。
第三阶段：改造既有繁忙干线、开行整列式重载列车。1992 年至2003 年间，为满足不断增长的客货运需求，路网繁忙干线在客运列车不断提速的同时，结合既有线路改造，通过调整牵引机型、采用大功率机车、进行电气化改造等手段，将普通货物列车重量提高到5 000t。这种类型列车由大功率机车（单机或双机）牵引，机车位于列车头部，编挂普通车辆，采用普通货物列车的作业方法，列车到达、解体、编组、出发、取送、装卸和机车换挂等作业均与普通货物列车相同，相应线路车站到发线有效延长到1 050m。我国先后在京沪、京广等干线的繁忙区段开行5000t的整列式重载列车，通过延长站线和电气化技术改造，开行规模不断扩大，并逐步扩展到哈大、焦枝等既有线以及新建的朔黄线、侯月线，在很大程度上增加了运量。但也存在着一些问题，造成了重载列车实际达不到图定要求，未实现在这些区段开行整列式重载列车所期望达到的效果。整列式重载列车的运输织方式与普通列车基本相同，机车挂于列车头部，列车的运行、到达、装卸和机车的换挂都采用通常的办法，但在列车编组时要对旧型车辆进行限制，列车的操纵也有严格要求，这种重载列车模式对繁忙干线的扩能具有普遍意义。
第四阶段：以大秦线为代表开行1万吨、2万吨单元重载列车。进入2003年后，全国电煤供应全面紧张，迫切希望铁路运力增加。在铁路跨越式发展战略思想的指导下，大秦铁路在进行站场改造（到发线延长至1700m、部分2 800m）的基础上，采用NJ2大功率电力机车、C70及C80型重载货车，开行1万吨、2万吨单元重载列车。1万吨列车采用双机牵引，机车分别位于车列头部和中部；2万吨列车采用4台机车牵引，机车分别位于车列头部、中部和尾部。通过开行重载列车和优化运输组织，大秦线已实现年运量4.5亿吨的目标，运力的增加有效缓解了电煤紧张的状况。利用大秦线开行重载列车的经验，集（宁）包（头）三四线、山西中南部通道等一系列新建重载铁路陆续开工建设，并逐步投入运营。
1.3.2 国内外研究现状
目前国外研究内容集中在通过能力的研究上，近几年的研究主要集中在机车车辆、通信信号等硬件上，针对运输组织的研究很少。究其原因，除了前苏联曾在繁忙干线上开行超长超重的合并列车外，当今国外重载铁路运输线一般都是专线运输，普遍采用低密度、大载重量、固定车底循环拉运模式，主要依托高新技术的优化组合，设备有充分的维护时间，运输组织反而比较简单。以南非的重载铁路与我国的大秦线相比较，南非的两条主要重载铁路线，均采用轴重为26t的空气制动列车，列车编组200辆以上，列车牵引重量超过2万t，其中运煤线为电气化双线，全长580km，年运量5000多万t，铁矿石线为电气化单线，全长860km，年运量2000万t，同我国重载运输的大秦线相比，行车密度小得多；大秦线不仅担负大同地区与秦皇岛港之间的煤炭运输，而且是我国山西、陕西和内蒙广大地区煤炭外运的大通道，其货流的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过国外重载线路，而运输技术装备的水平，特别是列车载重量水平，尚低于国际先进水平。因此，由于国外采用低密度、大载重量的列车运行模式，运输组织比较简单，所以国外重载铁路的研究重点在机车车辆、通信信号问题上，而由于我国重载铁路采用高密度、大载重量并重的列车运行模式，所以除了需要研究机车车辆、通信信号问题外，由于运输组织问题较国际上其它重载运输线路复杂的多，所以运输组织问题也是重点研究的问题。
（1）国外研究现状
国外在重载铁路运输组织方面的研究很少，前苏联在上世纪七八十年代曾对繁忙干线上开行超长超重列车等经营进行总结，分别介绍了车、机、工、电、辆等与运输直接相关的业务部门的工作经验，但是理论研究不多。国外文献对铁路运输组织的研究内容主要集中在铁路通过能力上，国外能力问题的早期研究主要集中在各种能力的基本概念和对各单项设备能力的计算与确定上，早在1878年，俄国别尔霍夫斯基最早开始研究通过能力，到20世纪60-70年代，前苏联一些专家把客车扣除系数的理论分析和经验公式的计算应用到实际工作当中，取得了较好的效果。前苏联和我国铁路运输组织方式相似，都是组织型行车，运输能力研究开展较早；西方发达国家铁路运输组织方式不同于我国，是规划型行车，运输能力相对富裕，能力利用负荷较低而运输质量要求较高，注重对行车组织中得各种随机扰动对通过能力的影响研究，比较有代表意义的是德国铁路，他们借助利用系数计算通过能力，把区段通过能力分为区间通过能力、最小通过能力、限制通过能力、小时通过能力、没有缓冲时间的通过能力以及常量缓冲时间的小时通过能力等，并为保证能力的可实现性和一定的运输质量要求，在列车运行图中都预留了适当的缓冲时间，以弥补各种随机扰动所造成的能力损失，缓冲时间确定的基础则是对随机扰动造成的列车晚点及其传播规律的深入研究，其研究方法主要采用概率统计和排队论。
（2）国内研究现状
从上世纪90年代中期，结合我国铁路干线开行整列式重载列车的运输模式，我国学者进行了相关研究。谈学军探讨了关于在我国繁忙干线开行5000t级整列式重载列车的相关问题。刘其斌分析了繁忙干线开行5000t整列式重载列车对编组站作业的影响，研究了不同重载车流组织方案对编组站分工和能力的影响，并提出了点线能力协调的对策。贾元华针对铁路重载列车运输组织的装运作业环节，从产运总体角度出发，研究适应和配合干线的重载运输，为提高重载列车装运作业效率运用系统观点及技术经济分析等理论，并通过计算模拟分析，对有关重载列车装车地货物集运及其装车方式的选择问题进行一些初步分祈和探讨，提出有关结论和建议。李清立对重载铁路运输专线开行单元重载列车的重量、行车密度及合理运量范围等问题进行了多方案的比较和经济技术分析。范振平分析了装车地直达重载运输的规模经济特性，给出了确定最佳开行规模的求解方法，并提出了装车地直达重载运输的规模经济战略建议；进一步分析了平均间隔时间计算法的计算要素、依据和步骤，结合现状行车量计算了重载运输通过能力。
高家驹通过概率分析，探讨了编组站以通过列车、自编列车以及通过列车与自编列车组成组合列车的可能性，得出组合列车在编组站的编成概率与通过列车和自编列车的数最有关等结论。任作善通过对比开行组合列车和5000t单编列车两方案，强调了组合列车的地位和作用，并提出了新配线结构的配置图以协调点线能力。梁倩针对大秦线开行2万t重载组合列车，依据现有技术设备的特征、相邻线路技检作业分工方式、2万t重载列车的机车连挂方式、机车运用和组织方式、列车到达均衡程度、列检能力等研究了湖东站到发线的通过能力，并进一步研究了湖东站重车场到发线的合理设置数量。
（3）文献分析
国外相关文献的研究内容主要集中在通过能力等方面的研究上，针对组合列车和重载铁路这两方面的研究主要集中在机车车辆、通信信号等硬件上，运输组织的研究很少。国内研究文献中，关于重载列车开行的文献较多，主要集中在整列式重载列车对繁忙干线的影响及解决措施上，关于重载专线运输的研究比较少，集中在天窗设置、装车地货流集配方式及单元列车的开行效益上，这与大秦线当时运量不高运输组织不复杂有关。近几年，随着大秦线运量的急剧增长，运输需求和运输能力的矛盾凸显，大秦线扩能成为研究重点，有大量的文献对大秦线的扩能进行了研究。
1.4 研究内容
由于目前与重载运输相配套的运输组织模式和方法的研究还不够系统，未能给出一个适合我国铁路实际的、较为全面和系统的研究。对于已形成雏形的重载铁路运输系统如何发挥其整体性优势，如何形成合理高效的运输组织模式还有待深入研究。特别是对于发展过程中的重载运输，由于运输需求的不断增长，重载铁路本身还面临着扩能问题，对处于这一特定阶段的重载运输，其运能的合理利用是发挥重载铁路大能力和低成本优势的关键所在。而且，重载铁路运输组织应结合具体线路的货源货流及车流特点、线路在路网中的作用、发展重载运输的目的及着眼点等具体情况有针对性的加以选择，不同模式的重载铁路车流来源和去向、开行重载列车类型、运输组织特点、能力利用情况均存在差异。
基于此，本文依据神华重载铁路的发展现状，结合国内外的最新研究结果，通过分析神华铁路运输设备、运输模式以及重载列车在站作业特点和在站作业过程，根据神华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，以神华铁路运能的合理利用为重点，集疏运一体化思想为指导，以车流方案调整为主线，主要对以神华铁路为背景的半封闭式重载运输系统进行研究，包括重载铁路的合理运量、重载列车开行方案、线路的建设改造以及组合站布局等问题，力求符合神华重载铁路发展实际，以便为重载运输的发展起到一定的理论支撑作用。
（1）绪论
主要内容包括研究背景、研究意义、重载运输开行现状、研究现状综述、研究内容等。
（2）铁路重载运输组织基础理论分析
介绍了重载运输的定义及其发展、重载列车形式和重载铁路模式，并分析了半封闭式重载铁路运输组织的关键技术等。
（3）重载运输通道流量分配方法研究
以运输通道内部车流径路的组织为基础，将运量对广义运输费用的影响考虑在内研究重载运输通道流量合理分配问题，并建立流量分配模型并设计求解算法；在分析重载铁路吸引范围的基础上，研究如何根据运输需求的变化调整重载铁路的吸引范围。
（4）重载铁路系统建设规划模型研究
以配流结果为基础，在集疏运一体化思想的指导下，综合分析装、运、卸等设备技术条件间的依赖性和排斥性问题，通过调整重载线路与装(卸)车点间的广义运输费用建立重载运输系统建设规划模型，模型以流量分配为基础，以投资效益最大化为目标，以与车流分配相结合的角度研究技术设备的建设和改造问题。
（5）通过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。在此基础上，从神华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神华铁路运输能力的基本方针，就神华铁路如何合理优化扩能和运输组织提出具体方案，并给出符合神华重载铁路实际的运输组织方法。

2 重载铁路运输组织基础理论
2.1 重载铁路运输概述
2.1.1 重载运输的定义及其发展
重载运输是指在一定的铁路技术装备条件下，采用大功率机车和大轴重车辆，扩大列车编组长度，大幅度提高列车重量，充分利用运输设备的综合能力，降低运输成本，提高运输效率，达到一定重量标准的运输方式。重载运输在运送大宗货物上显示出高效率、低成本的巨大优势，是铁路运输规模经济和集约化经营的典范。铁路重载运输已成为许多国家追求的现代货运方式。各国对于重载列车的重量过去并没有规定统一的标准，都是开行重载列车的国家根据各自的具体技术条件和运营需要，按照相对于普通列车的重量和长度进行确定的。
世界各国的铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车型式和组织方式也各有特点。国际重载协会先后于1986年、1994年和2005年三次修订了重载铁路标准。1986年10月在加拿大温哥华召开的第三届国际重载大会上讨论确定，要求重载铁路应至少满足下列三个条件中的两项：
— 列车重量至少达到5000t；
— 轴重21t及以上；
— 年运量2000万t及以上。
1994年修订标准的要求重载铁路至少满足以下三个条件中的两项：
— 列车重量至少达到5000t；
— 轴重25t及以上；
— 在长度至少为150km的线路上年运量不低于2000万t。
在2005年国际重载协会理事会上，对新申请加入国际重载协会的重载铁路，要求至少满足以下三条标准中的两条：
— 列车重量不小于8000t；
— 轴重达27t以上；
— 在长度不小于150km线路上年运量不低于4000万t。
目前，我国的大秦线满足国际重载协会2005年的重载铁路新标准，朔黄、神朔、京广、京沪、京哈等干线满足1994年的标准。
2.1.2 重载运输组织特点
（1）地域性
我国资源和生产力分布很不均衡，呈现出西部的资源优势和东部的技术优势，不发达地区和经济高速发展的地区为发展本地区的经济，从而形成了煤炭、石油等大宗能源货物的长距离运输需求，因而货流的发源地和聚集地都具有鲜明的地域性。
（2）方向胜
货流的地域特性决定了重载运输具有相对稳定的方向性，如从西部地区向东南沿海省区大运量、长距离地输送大宗的煤炭等资源型货物，而空车回送过程中则呈上述反向货流。
（3）专业性
重载运输线路以大宗货物为主要运输内容，较为稳定、单一的货源为其采用专业化、自动化的运输设备提供了条件，使其专业化程度较高，进而使这种大容量的运输方式能够提供高效的运输服务。
（4）复杂性
重载运输线路由于总运量的要求，不但要有较高的列车重量，同时还需要有一定的列车速度作为实现运量的保证。在确保一定运量的前提下，为适应相衔接线路的实际条件，其重载列车的重量等级又具有一定的多样性，从而需要针对不同的线路采用有针对性的运输组织模式。
2.2 重载铁路运输系统的影响因素分析
2.2.1 铁路线路和站场
重载列车由于纵向冲击力的增加和车辆轴重的提高，对站场股道和线路有着更高的要求，需要更高的强度、耐久性和可靠性。铁路线路变形下沉主要是由于道床破坏所致，而道床破坏程度又与道床应力的3～4次方成正比，所以开行重载列车的线路，必须改善铁路路基，轨道的工作状态，同时由于牵引重量大，启动困难，对于轨道的平顺性和坡度要求也比较高。
1．重载铁路的线路应满足下列条件：
保证线路的基本参数，提高线路的平顺性；减缓线路的限制坡度；加大最小曲线半径；采用大号码的新型道岔；铺设无缝钢轨。
2．重载铁路站场的到发线长度应满足下列条件：
车站到发线有效长是决定列车牵引重量的基本条件。开行1000t或20000t列车，站线需要为1700m或2l00m。对于办理始发、终到重载列车的车站应延长l～2股道到发线；一般中间站可延长1股道到发线；中途有列检作业的车站延长2股道。
3．重载铁路路基和轨道应满足下列条件：
(1) 路基标准化
铁路路基是铁路线路的基础，它直接承受列车荷载，必须具备坚固、稳定、耐久的良好性能。我国重载线路路基技术标准铁道部已有规定。
(2)轨道重型化
加强轨道结构、提高线路承载力是保证重载列车安全运行的基础条件。现在全国各处线路普遍存在的问题是重型钢轨数量不足、轨下基础薄弱、道碴质量不良、道床脏污板结严重、轨枕易于断裂、线路稳定性差。为适应重载需要，应采用重型钢轨，承载力大的轨枕，扣件。钢轨应向重型化，强韧化方向发展，改进钢轨的材质，提高钢轨的抗磨耗、抗疲劳、耐腐蚀和抗损伤的能力。
(3)养路机械化
养路机械分大修机械、维修机械、检查机械和修理机械。重载铁路运输强度大，为了保证线路质量和行车安全，需要配备大修换轨排设备、机械化更换无缝线路长轨节、大型清筛机和配套的维修机械、钢轨打磨列车、钢轨探伤车、轨道检查车等。
(4)检测现代化
重载轨道采用现代化手段检测，是保证重载线路质量及列车运行安全的重要措旌。我国现在已经可以在轨检车上安装先迸的检测设备，实现实时察看轨道几何状态，保证列车运行安全。
2.2.2 列车牵引
重载列车重量大大超过普通列车，需要大功率的内燃、电力机车，应具有足够的牵引能力、较高的制动力、良好的控制功能、较低的轮轨动力作用及较高的运用可靠性。
1．机车功率和轮轨间粘着力应相匹配
选择合理的功率与黏着重量比，以保证机车有足够的牵引力。不光要考虑货车在限制坡度启动的问题，还要考虑到货车的牵引重量在以持续速度通过长大限制坡道而不发生空转的条件。
2．提高动力制动能力
动力制动可以解决空气制动的纵向冲击力大、制动力小、需要停车缓解的困难。动力制动还可以和空气制动相配合使用。
3．提高机车的控制水平
重载列车往往是多机牵引，因此存在运行中的牵引和制动过程能够同步自动调整和控制。
4．发展低动力作用转向架
机车车辆的发展的趋势是逐步采用大轴重、低自重。重载列车至少是25t的轴重，为了减轻机车对线路的破坏作用，应该采取低动力作用转向架。
5．提高机车运用的可靠性
重载运输对机车各主要部件的强度及其运用的可靠性要求较高，应广泛采用电子和微电子技术，并在机车上装设必要的动态故障检测和诊断系统确保安全。
6．长交路、轮乘制
应积极采用长交路、轮乘制，以发挥重载单元列车的运输优势，达到减少机车设备，节省投资，提高机车运用效率，加速机车车辆的周转，提高综合经济效益。
2.2.3 铁路车辆
为适应重载运输的需要，大型货车发展方向应该是宽、短、高(强度)、轻(自重轻)，在自重系数小的前提下，增大车辆的容积或增加轴重或者轴数，以及采用高强度车钩，大容量高性能缓冲器和新型制动机和转向架等。货车大型化是世界各国铁路车辆发展的共同趋势。美国新造货车轴重均在30t以上，铝合金敞车、高边车等大型专用货车的轴重达32．5t巴西广泛采用30t轴重的货车，南非窄轨重载铁路的货车轴重26t，澳大利亚已开始使用35t轴熏货车。
2.2.4 供电系统
重载列车和普通列车相比，牵引车列的电力机车的功率、接触网电流和整个供电设备规模等都要加大。增加了供电设备的投入，投入多少要与开行后在运输和社会效益方面进行技术经济比较，以免开行重载列车比重不大而降低供电设备的利用率。
2.2.5 运输组织
运输组织对重载列车的开行尤为重要，为了有效利用设备，保证线路畅通运输，必须做好组织工作。一是要加强日常空车调配以及货源、货流、车流的组织和调度指挥工作；二是重载列车与非重载列车数量、结构要匹配恰当。根据货流、车流集结情况，技术作业过程及到发线、调车机车、牵引机车等具体条件，制定重载列车与非重载列车在数量上的合理比例。三是中间越行站的布点要适宣，为待避客车、运行调整以及处理车辆故障等，在重载列车与非重载列车混合开行的区段，必须设立适当的中间站为越行站。它的设置与区段长度、区段内各种性质的列车数量、排列结构、速度差、红外线测轴温点的分布以及重载列车运行距离和各区段问的接续时刻等有关。四是行车指挥系统应逐步进行改革，以适应货运重载化的发展加强对重载运输的组织管理，进一步改革管理机制，改善运输组织。首先应修改昶补充现有的规程、规范、规则和其它一系列的规章制度，使上层建筑和经营管理适应重载运输的发展需要。
2.2.6 装车能力、卸车能力
与普通运输组织方式相比，重载运输对货源、货流集中及装卸车作业组织条件提出了更高的要求。具备大宗流向稳定集中的货源及大能力、高效率的装卸车作业系统是组织重载运输的必要条件之一，装车地货物生产力规模、布局及销售市场分布特点和卸车条件对铁路重载运输有很大影响和制约。从主要运输对象煤炭的情况来看，我国煤炭总产量及运量虽然较大，但多数煤矿属于中小型煤矿、矿井布局及产量分散，大型、特大型及露天煤矿较少，生产规模与国外相比较小，并且存在煤种杂、用户分散的状况。煤炭生产和运输布局的散乱、运输基础设施建设跟不上生产及运量的迅速增长，多数企业单位运输条件较差，铁路装车设施陈旧落后，都在一定程度上导致了局部运力的浪费，使装运环节上不能满足重载列车的装运要求，难以与改造后或新建的铁路干线输送能力相适应。随着铁路重载运输的进一步发展，这些方面的问题和矛盾将会显得更为突出和尖锐。
综上所述，影响重载运输系统的因素是多方面的，必须协调匹配，优化组合。重载铁路的主要技术条件和车流组织是各种技术设备合理利用和运营支出节省的综合体现，同时又要以现代化的运营管理、行车指挥系统、安全保证设施及产供销、装运卸的密切配合做依托。当前随着科学技术的进步，积极改革牵引动力，采用大功率机车，装设多机同步牵引操纵系统；提高车辆轴重，装设性能可靠的制动装置、高强度车钩和大容量缓冲器；采用新型轨道结构，铺设重型钢轨和无缝线路；延长站线长度。改造站场设备；选用先进的通信信号设备；实现货物装卸机械化和行车调度指挥运营管理自动化等技术，从整体上推动了铁路重载运输技术的迅速发展。
2.3 重载运输组织模式及其适用条件分析
2.3.1 重载列车组织模式的分类
世界各国铁路组织重载运输，根据货源、货流的具体情况，分为以下三种不同的组织模式：
1.单元式重载列车(以北美为代表)
单元式重载列车的概念最早是在美国提出的，它是以固定的机车、车辆(大功率机车+一定编成辆数的同一类型的专用货车)组合成为一个运输单元，并以此作为运营计费单位，列车重量在l0000吨至25000吨之间，采用多机牵引和遥控操纵装置，机车挂于列车头部和三分之二处；从装车点到卸车点之间固定循环拉运，装卸车时机车和车辆不进行摘钩，运行过程中不进行改编，按规定走行公里整列入段检修。装车站铺设环线(或贯通线)，利用定量漏斗或筒仓和自动计量装置，采用机车低恒速设备实行不停车装车，时速为0.8±0.2公里，每小时装车能力达7000吨至10000吨。卸车站采用翻车机或底开门自卸车辆，实行不摘钩卸车。
在机车车辆充足的情况下，采用这种重载运输组织模式可以最大限度地减少运营支出，大幅度降低运输成本；但要求货源充足，货物品类单一，货物到发地点统一，机车车辆、线路站场、装卸仓储等设备要配套，并要采取最合理的运行图及最佳周转方案。这种重载运输方式目前运用范围最广，经济效益也最显著。
2.整列式重载列车
整列式重载列车是采用普通列车的组织方法，由挂于列车头部的大功率单机或多机牵引，由不同型式和载重的货车车辆混合编组，达到规定载重量标准的列车。这种列车的运输特点和普通列车一样，采用一般列车的作业方法，列车到达、解体、编组、出发、取车、送车、装车、卸车和机车换挂等作业均与普通列车相同。这种列车不如单元式重载列车那样要求严格，既不要求五固定，在运输途中还可根据实际需要进行改编，也不要求整列装卸以及整列入段检修，因此具有更大的通用性。目前，在我国繁忙干线上开行的重载列车主要为这种模式，其它国家应用较少。
3.组合式重载列车
组合式重载列车的概念是指两列同方向上运行的货物列车合并为一个列车，列车重量在6000吨～20000吨之间，机车分别挂于列车头部和中部。组合列车适用于列车数量多、行车密度大，运能与运量的矛盾比较突出的铁路线路，它实质上是在线路通过能力紧张的区段，利用一条运行线行驶两列及以上货物列车的一种扩大运输能力的方式，目的主要是为扩大运输能力、挖掘现有设备潜力，以加速车流和货流输送。组合式重载列车可分为两种类型。第一种类型组合式重载列车是由两列及以上同方向运行的普通货物列车首尾相接、合并组成的列车。机车分别挂于原各自普通货物列车首部，由最前方货物列车的机车担任本务机车，运行至前方某一技术站或终到站后，分解为普通货物列车。这种重载运输方式始于1964年，在前苏联应用较多，我国曾在上世纪80年代中后期在丰沙大等线路上开行，由于组织复杂和设备条件所限基本停开。第二种类型组合式列车是由两列及以上同方向运行的单元重载列车首尾相接、合并组成的列车，根据需要机车有不同的联挂方式。我国大秦线所开行的2万t重载列车就是采用的这种组合形式。
此种类型重载列车比上述两种重载列车灵活，既可在装车站(集运站)或编组站内组合成列，整列进入卸车站；也可在途中适当地点分解成原列进入卸车站，或在解体站分解为两列以后，再进入卸车站。但其对机车操纵控制技术和运输组织各环节有更多要求，因而在世界范围内应用不太广泛。
2.3.2 组织模式的适用条件
1.单元式重载列车适用条件
单元列车的决定因素是所运物资的产销布局和运输条件，单元式重载列车的组织是建立在货流稳定、集中、大量的基础上，产、运、销相互协调一致，装、运、卸各个环节能力相互配合。一般由生产单位和消费者双方签订长期供货合同，铁路则在供应合同的基础上，按照运量、运距和列车周转时间来选定列车的最佳组成和运行方案。
开行重载单元列车需具备以下条件：货物品类单一、流向固定，基本由一个发站，发往一个到站；配置大功率的机车、使用专用重载车辆等技术设备；与之相协调的机车交路和乘务制度；固定编组成一个不需要解体的列车，中途通过编组站不进行任何解编作业；在货物集中化的基础上，实现铁路装卸的机械化和自动化；现代化的运营管理体制。
2.组合式重载列车适用条件
组合列车实质上是两列货物列车利用一条货车运行线。其适用于针对线路的繁忙程度，货流、车流的集散情况，装卸站的位置和编组站的线路布置，因地制宜地进行组合与分散，灵活组织，这样不仅节省了运行线，而且成倍增加列车重量，把增加行车密度和提高列车重量结合起来，从而最大限度地挖掘铁路既有技术设备的潜力，扩大线路的通过能力和输送能力，可以有效地缓和繁忙干线的紧张状况。