摘要：关于铁路车流组织的研究集中在列车编组计划的编制，如装车地直达列车编组计划，技术站列车编组计划，装车地直达和技术站直达列车编组计划的综合优化，分组列车编组计划的编制，以及编组计划与车流径路的综合优化等；还对编组计划决策支持系统进行了探讨，列车编组计划编制属于战术层面的运营管理，它考虑了路网运能的有效运用，而对服务水平约束（如运到期限等）的考虑略显不足。
关键词：铁路枢纽；内班列车流；组织优化
近几年，通过借鉴国外货运服务网络设计的思路，国内出现了部分铁路货运服务网络设计的研究.但在我国铁路运输产品组织方面的运用存在以下问题：一是服务网络设计是从战术层面展开，不能很好地满足枢纽内日常车流组织的需求；二是考虑到求解难度，服务网络设计很难将研究范围内所有枢纽内的所有站点都纳入。因此，有必要在既有列车编组计划、服务网络设计研究的基础上，对其在枢纽内的车流组织优化方案进行研究，而已有的铁路枢纽内车流组织的相关研究也很少考虑运输的服务水平。
基于上述分析，考虑班列组织的基本要求，研究如何在枢纽内组织不同的运输服务，完成组成班列或其基本车组，提升班列的组织效率和效益。首先分析枢纽内班列车流的组织问题，提出构建其运输服务网络的基本思路，并构建相应的优化模型；其后设计算例对模型进行验证。
1问题描述
铁路车流组织主要有技术站车流组织和装车地车流组织等形式，其中后者适合如煤炭、矿石等大宗车流，而一般不适合装车地产生的小股车流.高附加值货运需求具有小批量、多批次、时效性高等特点，是典型的小股车流。相对于其它货运站点，技术站设备先进、作业能力大、效率高。如将班列车流集中至技术站进行快速解编作业，集结成组/列，能有效提升班列产品的服务水平。本文基于此种作业模式，对枢纽内班列车流组织优化进行研究。与已有装车地、枢纽内车流组织的主要区别体现在：
（1）枢纽内班列车流组织属于运作层作业组织，针对高附加值货运需求；（2）枢纽内班列车流组织的前提是班列方案已定，通过优化小运转、摘挂列车的组织，满足班列开行对时间、车流量的要求；（3）基本思路是基于班列组织时间，反推枢纽内可能的运输服务（将枢纽内到发时刻、摘挂次数不同的摘挂和小运转列车称为不同的运输服务）。
在满足班列开行的前提下，以车流组织费用最小为目标，选择最为合理的运输服务。其中隐含了对车小时消耗的考虑，但其目标是为了满足班列组织对车流量和作业时间的要求，而非传统的以车小时消耗最小为目标。将这种思想延伸至整个运输过程，则是基于货物运到期限的车流组织。运输服务反推过程如下：如某班列开行时间为18:00，技术站解编作业时间为3h，摘挂作业时间为2h，站点间的列车运行时间为1h，则满足班列作业时间所有可能的运输服务及其在各站点的最晚发车时间。不同时间点所能组织的车流量也是不同的，如图货运站3中8:00发车的服务的货运量只有5车，10:00和12:00发车时可达到12车和15车。某班列需要10车及以上货物时，则只能从10:00和12:00发车的服务中选择。
2铁路枢纽内班列车流的组织优化模型
模型构建基于以下假设：
①班列的开行时间及其车流需求已知；②班列组织针对高附加值货运需求，运能释放背景下，假定服务于这部分货源的运输能力足够，即不考虑线路能力约束；③优化周期为枢纽内班列组织的最小周期；④枢纽内各站点在不同时间点上的货运需求量已知，并转化为车数。
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基于上节分析，构建枢纽内班列车流组织运输网络如下：设V为节点集合，i∈V，分为以下三类：一是货运需求的起始节点（Vo），表示实际的货运站点；二是货运服务节点（Vm），表示车流的发车作业和摘挂作业等，节点4至节点13，其中节点4-7、10、11表示发车作业，其余服务节点表示在各站点的甩挂作业；三是终止节点（Vd），表示枢纽内的技术站（或班列组织的作业站点）。设E为联弧集合，j∈E；oj和dj表示联弧j的起讫节点，同一运输服务上的节点间才有有向弧连接。由此可得枢纽内班列车流的组织的有向图G=（V,E），节点和联弧的属性将在模型构建时做详细说明。
设S为运输服务集合，s∈S.在所构建的有向图中，从起始节点到终止节点的路径表示运输服务；定义cs为组织运输服务S的费用，包括固定和变动成本。其中固定成本为组织运输服务组织成本（包括机车、车辆使用和人员成本）、甩挂作业成本（由于技术作业集中于技术站，货运站点内的甩挂作业无需考虑车辆的编组顺序，因此假定都只进行一次甩挂作业。而这部分成本与甩挂的车辆数关系不大，可视为固定成本）；变动成本和运输距离相关，可根据不同运输服务走行距离确定。而运输服务是基于枢纽内班列组织时间进行反推得出，无需计算列车的车小时消耗。因此，在运输服务确定时，其总费用也可确定，因此设定cs已知，本文不再详述其取值过程。
3算例分析
某枢纽为例，包含1个编组站，10个货运站点。假定决策周期（1d）内需要组织数列快运班列分别发往5个不同方向。为了方便定义时空网络，货运站点以数字表示，编组站以M表示，超级站点以V表示，用于存放未能送达编组站的货物。根据经验，Qmax，Qmin和 tstop值分别设为30车，1车和0.3 h，费用单位统一为元，货物单位和弧段能力单位统一为车，时间单位统一为h。列出了情景5的货物需求，其他场景依次递增递减10%。
取情景集S=10, 相对后悔值限定系数ω为0.1和0.03，每个场景下的概率ρs相同。在Windows 7 PC环境下，配置为2.20 GHz的CPU和4 GB RAM，C#编程调用ILOG CPLEX求解鲁棒模型的时间均小于2 min。
可以看出，在大部分的情景下模型CD的目标函数值都优于CR和CS，当ω=0.1时,模型CR的目标函数值与模型CS的目标函数值较接近，这是因为模型CS与CD的函数值的误差都小于相对后悔值限定系数ω。当ω=0.03时，模型CR的目标函数值比模型CS的目标函数值降低了5.10%，发送车数提高了5.66%，表明当相对后悔值限定系数小于模型CS与CD的函数值的误差时，模型CR的鲁棒性优势得以体现，其目标函数值和发送车数要更优于CS。对计算时间进行比较，当ω=0.03时模型CR计算时间最长为82 s，但依然属于可接受的时间范围内。综上可知，鲁棒优化模型比随机优化模型更具有优势。
结论
基于班列组织时间，反推枢纽内可能的运输服务，形成枢纽内班列车流组织服务网络。将节点分为货运需求的起始节点（货运站点）、货运服务节点（车流在枢纽内的作业）和终止节点（枢纽内的技术站或班列组织的作业站点）；并将其联弧能力设置为不同值以体现其货运需求量和班列组织对不同品类货物运量的要求。在此基础上，以运输服务组织总费用最小为目标，构建铁路枢纽内班列车流组织的混合整数规划模型。算例结果表明，所提出的方法可提供最优的枢纽内班列车流的组织方案，能够很好地满足枢纽内班列车流组织的要求，为铁路运输能力逐步释放背景下的，如“百千战略”下的运输产品的车流组织提供方法支持。今后将重点研究有节点能力约束条件下的枢纽内不同作业站点的协同作业优化方法，在满足枢纽内班列组织要求的基础上，考虑作业站点能力和区段的能力，协调不同站点的分工作业，提升整个枢纽的作业效率。
参考文献
[1]黎浩东，宋瑞，呼志刚。铁路枢纽内班列车流的组织优化研究[J].交通运输系统工程与信息，2014,14（5）：147-153.
[2]王保华，何世伟，宋瑞，等。快捷货运动态服务网络设计优化模型及其算法[J].铁道学报，2009,31（5）：17-22.
论文作者:刘铁军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/30
标签：车流论文; 枢纽论文; 组织论文; 作业论文; 节点论文; 货运论文; 模型论文; 《基层建设》2019年第14期论文;