動車組運用計劃編制及其優(yōu)化

蔣繼磊，楊志杰

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京 100081）

1 動車組運用計劃

動車組運用計劃是根據(jù)給定的列車運行圖，相關動車組修程、修制的規(guī)定和檢修基地限制條件等，對動車組的運用作出具體安排。動車組運用計劃包括動車組交路計劃、動車組分配計劃、動車組檢修計劃和動車組接運回送計劃。動車組交路計劃不涉及動車組實體，而分配計劃和檢修計劃具體到動車組實體，與動車組的歸屬段所、狀態(tài)和檢修基地的檢修能力有關。

1.1 動車組運用計劃優(yōu)化目標

（1）車底使用量越少越好。鐵路運輸經濟效益最大化要求鐵路設備投入盡可能少，動車組是完成客運專線運輸生產任務的最基本要素，在鐵路設備投資中占有較大比重。因此，在編制給定數(shù)量列車運行線、完成給定運輸任務的前提下，通過提高車底使用效率以減少車底使用數(shù)量，有利于降低運營成本。

（2）檢修次數(shù)越少越好?？紤]到維修需花費人力、時間、材料等各類資源，在滿足修程、修制條件并保證運輸安全的前提下，動車組檢修次數(shù)越少越好。因此，減少檢修次數(shù)也是動車組運用追求的目標之一[1]。

1.2 動車組運用計劃的分類

1.2.1 按照編制部門、編制內容的分類

（1）動車組運用基本計劃。動車組運用基本計劃是由相關計劃編制部門(鐵道部中心計劃編制部門或調度所計劃編制部門)編制。動車組運用基本計劃與列車運行基本計劃相對應，當列車運行基本計劃發(fā)生變動時，動車組運用基本計劃也要隨之變化。

（2）動車組運用實施計劃。動車組運用實施計劃是由調度所計劃編制部門編制。動車組運用實施計劃與列車運行實施計劃相對應，調度所計劃編制部門每編制一次列車運行實施計劃，也要相應的編制動車組運用實施計劃。動車組運用實施計劃除了編制動車組周轉接續(xù)關系外，還要根據(jù)動車組修程、修制和動車組履歷信息編制動車組分配計劃與動車組檢修計劃。

（3）動車組運用調整計劃。動車組運用調整計劃是由調度所動車調度員負責編制。當動車組出現(xiàn)故障或列車運行計劃發(fā)生調整影響到動車組周轉接續(xù)時，動車調度員根據(jù)實際情況編制動車組運用調整計劃。動車組運用調整計劃主要用于動車組的更換、動車組備用與解除備用和動車組檢修調整。

1.2.2 按照旅客需求、動車組歸屬、動車組種類的分類

（1）平日動車組運用計劃與假日動車組運用計劃。為適應平日和節(jié)假日旅客需求的不同，應分別采用不同的運行圖，動車組運用計劃也分為平日運用計劃與節(jié)假日運用計劃。為保證動車組在平日與節(jié)假日之間過渡和檢修計劃的實施，應編制相應的動車組運用過渡實施方案。

（2）單基地與多基地動車組運用計劃。當列車運行圖由一個動車基地配屬的動車組擔當，所編制的運用計劃為單基地動車組運用計劃。如果列車運行圖由兩個以上基地配屬的動車組擔當，相應的計劃為多基地動車組運用計劃。在編制多基地動車組運用計劃時，一般由編制人員綜合考慮各基地的情況和動車組的運用效率，決定各基地動車組列車擔當?shù)倪\行圖中的各列車車次。

（3）單車種與多車種動車組運用計劃。列車運行圖上的列車采用同一種類型的動車組擔當時，所對應的計劃為單車種類動車組運用計劃。如果運行圖上的列車由不同種類的動車組擔當，所對應的計劃為多車種動車組運用計劃。在編制多車種動車組運用計劃時，一般由編制人員綜合考慮各基地的情況和動車組的運用效率，決定由不同種類的動車組擔當運行圖中相應的列車車次。

（4）各種動車組運用計劃的組合。動車組運用計劃還可以是以上各種運用計劃的組合，如單車種單基地平日動車組運用計劃、單車種多基地假日動車組運用計劃等。

2 動車組運用計劃編制的影響因素

2.1 列車運行計劃約束

列車運行圖規(guī)定所有列車必須分配到一個運用狀態(tài)良好的動車組，而且列車的始發(fā)、終到時刻，以及始發(fā)、終到車站不能有任何變動。但是，如果對始發(fā)、終到時刻僅僅進行微小變動，并能夠明顯改變動車組的運用效率時，也可以向運行圖編制人員提出建議進行調整[2]。

2.2 檢修約束

（1）檢修地點約束。①檢修位置約束。在編制動車組運用計劃時，所安排的動車組檢修車站必須是有動車基地(所)的車站。②檢修能力約束。由于動車基地(所)檢修設備的限制，一晝夜最大能檢修動車組數(shù)是固定的，因而在編制動車組運用計劃時，分配給動車基地(所)的檢修動車組數(shù)不應超過該動車基地(所)的檢修能力[3]。③檢修型號約束。不同的動車基地(所)能夠檢修的動車組型號不同，在編制動車組運用計劃時，不應給動車基地(所)安排超出其所能檢修型號以外的動車組型號的檢修[4]。④檢修等級約束。不同的動車基地(所)最高檢修等級不同，在編制動車組運用計劃時，不應給動車基地(所)安排超出其所能承擔檢修等級以外等級的檢修[4]。

（2）檢修組織模式約束。所謂檢修組織模式約束，是指動車組一級修可以在任何具有檢修能力的動車運用所進行，二級以上級別的檢修則需要回到動車組歸屬段所進行。不同的檢修組織模式對動車組運用計劃編制有著較大影響[3]。

2.3 動車組運用模式約束

（1）固定運行區(qū)段。固定運行區(qū)段是指動車組在給定的線路上運行，并且其運行區(qū)段也是固定的。該使用方式便于客運專線的運輸組織，也便于動車組運用計劃的編制，但不利于提高動車組的運用效率，也不利于減少動車組的使用數(shù)量。

（2）不固定運行區(qū)段。不固定運行區(qū)段是指不限制動車組擔當?shù)倪\行區(qū)段，與固定運行區(qū)段相比，有利于提高動車組的運用效率，減少動車組的使用數(shù)量。但是，不固定運行區(qū)段的動車組接續(xù)安排比較緊密，出現(xiàn)較大運行干擾時，動車組運用會受到較大影響，動車組的運用調整比較困難。另外，由于這種運用方式比較靈活，增加了動車組運用計劃編制的難度[5]。

3 動車組運用計劃編制流程

3.1 動車組運用基本計劃編制

列車運行基本計劃編制完成后，需要編制相應的動車組運用基本計劃。鐵道部下達編制基本計劃的命令后，相應計劃編制部門(鐵道部或調度所)根據(jù)列車運行基本計劃，按照動車組信息，動車組修程、修制，檢修地點，檢修能力限制條件等要求，編制動車組運用基本計劃。

3.2 動車組運用實施計劃編制

動車組運用基本計劃編制完成后，客運專線調度所計劃編制人員根據(jù)鐵路部門相應列車運行實施計劃，動車組運用基本計劃，動車組修程、修制要求，檢修地點、檢修能力等信息，負責編制管轄范圍內的動車組運用實施計劃，包括動車組周轉接續(xù)實施計劃、動車組分配實施計劃和動車組檢修實施計劃。

4 動車組運用計劃優(yōu)化方案

動車組運用計劃不僅關系到能否按照圖定計劃組織行車，還直接影響到整個鐵路運輸成本，是鐵路運輸組織的基本計劃。動車組運用計劃包括動車組周轉接續(xù)、動車組分配計劃和動車組檢修計劃，目前主要是針對動車組接續(xù)周轉進行研究，因而全面分析動車組運用計劃且實施優(yōu)化方案具有十分重要的意義。

4.1 相關概念引入

（1）交路段。按照一定的接續(xù)標準，即滿足最小接續(xù)時間、在同一車站接續(xù)、車型和座位數(shù)相同、運用總里程或總時間滿足一級修限制，將某些運行線形成一組動車組在一天范圍內擔當?shù)挠行蜍嚧渭戏Q為一個交路段。

（2）交路。將一個或幾個交路段按照規(guī)則接續(xù)，即同一車站接續(xù)、滿足最小接續(xù)時間、車型或座位數(shù)相等，而形成的動車組運用周期稱為一個完整的動車組交路。

4.2 基于“約束提前、分步優(yōu)化”的動車組運用計劃編制模型

在有關研究成果的基礎上，采用“約束提前、分步優(yōu)化”的研究思路完成動車組運用計劃的編制。所謂“約束提前”，是指在初始生成交路段時要求交路段要滿足一級修作業(yè)的約束條件，這樣在后續(xù)編制動車組分配和檢修計劃時，將會減少很多條件約束，降低動車組運用計劃編制的復雜性。所謂“分步優(yōu)化”，是指按照步驟首先編制動車組周轉接續(xù)計劃，然后編制動車組分配計劃和檢修計劃并分別進行優(yōu)化。動車組運用計劃編制模型的算法步驟如下。

（1）生成交路段集合。把符合同一車站接續(xù)、滿足最小接續(xù)時間、運用總里程或總時間滿足一級修限制接續(xù)規(guī)則的運行線，連接成一組動車組一次一級修范圍內的有序集合，形成一個交路段，直到所有運行線都包括在交路段中，即形成交路段集合。生成交路段的優(yōu)化目標是在運行圖固定的前提下生成的交路段越少越好。由于交路段的數(shù)量決定了動車組的使用數(shù)量，該問題是一個 NP 問題，沒有切實可行的辦法求得最優(yōu)解，只能利用一些啟發(fā)式算法求得近似最優(yōu)解。

（2）由交路段組合成交路。把交路段集合按規(guī)則接續(xù)而形成若干個動車組運用周期交路，即動車組交路集合。為便于動車組運用、維修和管理，動車組交路周期長度應盡量均衡，并且交路周期越短越好。

（3）編制動車組分配和動車組檢修計劃。根據(jù)編制完成的動車組交路，為每個交路分配動車組并編制相應的檢修計劃，可以采用固定和不固定動車組的分配方法。①采用固定動車組分配時，由幾個交路段構成的交路應為該交路固定分配幾組動車組，并且這幾組動車組只負責擔當該交路。當某一組動車組需要三級以上檢修時，采用備用動車組臨時代替[6]。②采用不固定動車組分配時，由幾個交路段構成的交路應為該交路分配幾組動車組，并且這幾組動車組也可以被分配擔當其他交路。當某一組動車組需要三級以上檢修時，采用備用動車組臨時代替[6]。以上兩種動車組分配方式各有利弊，固定動車組分配簡單易行，但需要使用更多的動車組車底，而不固定動車組分配可以顯著提高動車組的使用效率，但分配方式較為復雜。

4.3 系統(tǒng)模擬實驗評價分析

基于“約束提前、分步優(yōu)化”的動車組運用計劃編制思路，開發(fā)動車組運用計劃編制系統(tǒng)。

模擬條件是以設計速度為350km/h的客運專線A—G為背景，全長1200km，沿線分別設A、B、C、D、E、F、G共7個車站。其中A、D、G站具有二級修檢修能力，其余4個站只具有一級修檢修能力。設定動車組每走行4000km進行一次一級修作業(yè)，每次需耗時1.5h；動車組每走行30000km進行一次二級修作業(yè)，每次需耗時4h。動車組的立折時間設定為25min，動車組運用方式采用固定區(qū)段運用，列車運行圖為成對運行圖(50對)。

根據(jù)模擬條件，人工編制與計算機編制動車組運用計劃的評價指標如表1所示。

在改變維修作業(yè)時間的情況下，其余模擬條件保持不變，得到動車組運用計劃的評價指標如表2所示。

表1 人工編制與計算機編制動車組運用計劃的評價指標

表2 不同維修條件下動車組運用計劃編制評價指標

根據(jù)表2數(shù)據(jù)進行分析，方案Ⅰ：一級修作業(yè)時間為1.5h，二級修作業(yè)時間為4h，立折時間為25min；方案Ⅱ：一級修作業(yè)時間為1.2h，二級修作業(yè)時間為3.5h，立折時間為20min；方案Ⅲ：一級修作業(yè)時間為1h，二級修作業(yè)時間為3h，立折時間為20min。

在改變動車組運用模式的情況下，其余模擬條件保持不變，得到動車組運用計劃的評價指標如表3所示。

表3 不同動車組運用模式條件下動車組運用計劃的評價指標

根據(jù)以上動車組運用計劃的評價指標數(shù)據(jù)可以得出以下結論。

（1）運用計算機技術并且選擇合適的編制算法可以有效提高動車組的運用效率，相比較而言，人工編制效果不如計算機編制。

（2）維修時間的縮短并不能顯著地提高動車組的運用效率。

（3）即使在不考慮維修條件的情況下，不固定運行區(qū)段的動車組運用計劃所需要的動車組數(shù)量也明顯少于固定運行區(qū)段的動車組數(shù)量。

5 結束語

“約束提前、分步優(yōu)化”的動車組運用計劃優(yōu)化思路，對動車組運用計劃編制流程進行有效分解，在保證動車組使用數(shù)量最少的前提下，降低了動車組分配計劃和檢修計劃的編制難度，提高了動車組的利用率，有效降低了運輸成本。

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