重載列車組合站通過能力計(jì)算方法研究

張進(jìn)川，楊 浩，劉 博，魏玉光

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

重載列車組合站通過能力計(jì)算方法研究

張進(jìn)川，楊 浩，劉 博，魏玉光

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

根據(jù)重載列車組合站的特點(diǎn)，分析車站站型、列車在站作業(yè)特點(diǎn)和列車在站作業(yè)過程等，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(shí)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(jì)算方法。以計(jì)算機(jī)仿真為手段，建立重載列車組合站通過能力仿真模型，制定了仿真實(shí)現(xiàn)策略，并以湖東站為例進(jìn)行了驗(yàn)證。

鐵路；重載列車；組合列車；通過能力

對(duì)于大宗物資運(yùn)輸通道的重載鐵路，由于其貨流來源與去向的多樣性，往往需要開行組合式重載列車，即為了提高重載鐵路的輸送能力，采取措施提高重載干線的列車牽引定數(shù)。由于相應(yīng)集疏運(yùn)線路的列車牽引定數(shù)相對(duì)較低，因此需要在技術(shù)站 (重載列車組合站)將若干列小編組列車 (小列) 組合為大編組列車 (大列)再進(jìn)行直達(dá)運(yùn)輸。

1 重載列車組合站的特點(diǎn)

影響組合列車開行規(guī)模的因素包括裝卸車能力、機(jī)車車輛性能、供電能力、區(qū)間通過能力和組合站通過能力等。其中，由于專業(yè)的重載列車組合站是新生事物，現(xiàn)行車站能力計(jì)算方法中尚無明確的關(guān)于重載列車組合站通過能力的計(jì)算理論與方法，因此研究重載列車組合站通過能力是合理利用重載鐵路運(yùn)能的重要課題。

1.1 重載列車組合站站型

重載列車組合站站型布置與普通編組站相比，車站作業(yè)過程簡單，沒有大量的解編作業(yè)，主要是負(fù)責(zé)重載列車的組合分解作業(yè)，因此車站到發(fā)線有效長較長，一般滿足2萬噸列車組合作業(yè)的到發(fā)線有效長需達(dá)到 2 800 m，滿足1萬噸列車組合的到發(fā)線有效長需達(dá)到 1 700 m。為了敘述方便，將用于組合列車作業(yè)的到發(fā)線稱為組合到發(fā)線，由組合到發(fā)線組成的車場稱為組合到發(fā)場，其余稱為普通到發(fā)線和普通到發(fā)場。為方便列車到達(dá)、組合、分解作業(yè)過程中機(jī)車的出入庫，到發(fā)線和機(jī)走線間設(shè)置腰岔，如圖1所示。

1.2 重載列車在組合站的作業(yè)特點(diǎn)分析

重載列車組合站主要是接發(fā)單元列車和組合列車。單元列車在車站的作業(yè)比較簡單，只需要進(jìn)行技檢或機(jī)車換掛、乘務(wù)組的換班等。組合列車在車站的作業(yè)大致分為3個(gè)階段：列車到達(dá)、列車組合、列車出發(fā)。編組站和重載列車組合站的列車在站作業(yè)過程如下。

（1）編組站的列車作業(yè)過程。到達(dá)作業(yè)：一條到發(fā)線只允許接入一列列車。解體作業(yè)：大量的車列解體作業(yè)，駝峰作業(yè)量較大。集結(jié)作業(yè)：車列集結(jié)過程復(fù)雜，集結(jié)車組數(shù)目大小不均。編組作業(yè)：列車編組形式多樣，利用牽出線編組列車。出發(fā)作業(yè)：列車出發(fā)占用道岔咽喉時(shí)間短，出發(fā)時(shí)間間隔較小。

（2）重載列車組合站的列車作業(yè)過程。到達(dá)作業(yè)：列車進(jìn)站占用咽喉時(shí)間較長，同一條到發(fā)線允許連續(xù)接車。組合作業(yè)：主要是大列間的集結(jié)，集結(jié)需要的車組數(shù)目少；組合形式比較簡單，由5 000 噸列車、萬噸列車組合成萬噸列車和2萬噸列車；列車在到發(fā)線上組合；車站的駝峰解體作業(yè)量較少，利用率不高。出發(fā)作業(yè)：列車出發(fā)占用咽喉時(shí)間長，出發(fā)時(shí)間間隔較大。

2 基于實(shí)現(xiàn)概率的重載列車組合站通過能力

2.1 組合站通過能力的影響因素

在實(shí)際工作中，由于車站能力受外部環(huán)境因素、設(shè)備因素、車流因素和組織管理因素等的影響，這些日常作業(yè)的不確定性對(duì)重載列車組合站通過能力有較大的影響，如列車不均衡到達(dá)造成短時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸供給的波動(dòng)等日常作業(yè)不規(guī)律性造成的影響[1]。影響重載列車組合站通過能力的主要因素是車站固有技術(shù)設(shè)備情況、車流構(gòu)成和數(shù)量、列車到發(fā)的均衡性、到發(fā)線的空費(fèi)時(shí)間、車站列檢能力和機(jī)車運(yùn)用模式等。

2.2 組合站通過能力實(shí)現(xiàn)概率的含義和計(jì)算方法

車站通過能力是固定設(shè)備、活動(dòng)設(shè)備和組織管理有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，在計(jì)算時(shí)不僅要考慮各種運(yùn)輸設(shè)備的數(shù)量、時(shí)空配置、運(yùn)營特點(diǎn)和生產(chǎn)過程的組織管理，而且要考慮各種變化條件下能力的可實(shí)現(xiàn)性。即車站通過能力水平不僅取決于各設(shè)備間的相互作用、相互制約的關(guān)系，而且取決于活動(dòng)設(shè)備對(duì)車站設(shè)備的占用頻率、延續(xù)時(shí)間和先后順序關(guān)系等，因此車站通過能力據(jù)有某種不確定性。

在給定的各項(xiàng)設(shè)備及運(yùn)行條件下，重載列車組合站在給定時(shí)間內(nèi)完成的組合量記為 X，則 X 是一個(gè)隨機(jī)變量。由于在給定時(shí)間內(nèi)完成并輸出的組合量是一個(gè)大于等于0的整數(shù)，所以該變量是一個(gè)離散型隨機(jī)變量，其分布應(yīng)為：

式中：xk為組合量的第 k 個(gè)可能值，列；Pk為組合量是 xk的概率。

定義重載列車組合站通過能力的實(shí)現(xiàn)概率為：在給定的各項(xiàng)設(shè)備、運(yùn)行條件和時(shí)間單元內(nèi) (通常為一晝夜 24 h)，重載列車組合站完成并輸出的組合量達(dá)到或超過給定目標(biāo)組合量的概率。由概率的可列可加性[2]，實(shí)現(xiàn)概率可表示為：

3 基于實(shí)現(xiàn)概率的重載列車組合站通過能力計(jì)算模型

計(jì)算車站通過能力主要有3種方法：分析計(jì)算法、圖解計(jì)算法和計(jì)算機(jī)仿真法。

目前，計(jì)算機(jī)仿真法是計(jì)算車站能力較常用的一種方法。該方法是在對(duì)鐵路運(yùn)輸能力的概念和理論基礎(chǔ)上，總結(jié)車站作業(yè)人員制定和實(shí)施車站技術(shù)作業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立作業(yè)組織規(guī)則及相應(yīng)的組織機(jī)制和調(diào)整體制，通過對(duì)影響車站作業(yè)能力的設(shè)備因素、車流因素和組織管理的復(fù)雜相互關(guān)系進(jìn)行追蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)備利用和作業(yè)組織的全方位模擬。計(jì)算機(jī)仿真法主要采用的是系統(tǒng)工程、隨機(jī)理論和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的方法，綜合利用了理論分析、思維分析和模擬數(shù)據(jù)分析等方法。

重載列車組合站仿真系統(tǒng)在每個(gè)仿真周期內(nèi)都要遍歷路網(wǎng)中每列車的詳細(xì)情況、進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)等，每一列車的仿真過程如下。

步驟 1：仿真系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生一列列車。

步驟 2：列車進(jìn)入進(jìn)站咽喉區(qū)域，判斷列車種類，如為待組合列車，轉(zhuǎn)到步驟 3；否則，列車進(jìn)入普通到發(fā)場區(qū)域，轉(zhuǎn)到步驟 5。

步驟 3：列車進(jìn)入組合到發(fā)場區(qū)域，判斷組合到發(fā)線占用狀態(tài)，若到發(fā)線后半段空閑且該列車到站與到發(fā)線前半段占用列車到站相同，則列車進(jìn)入到發(fā)線后半段，轉(zhuǎn)到步驟4；否則，列車接入組合到發(fā)線的前半段，轉(zhuǎn)回步驟 1。

步驟 4：對(duì)組合到發(fā)線上的兩列車進(jìn)行組合作業(yè)，組合作業(yè)時(shí)間根據(jù)概率分布隨機(jī)產(chǎn)生，列車數(shù)量減1。

步驟 5：列車進(jìn)行相關(guān)技術(shù)作業(yè)，作業(yè)時(shí)間根據(jù)分布隨機(jī)產(chǎn)生。

步驟 6：列車通過發(fā)車咽喉區(qū)域進(jìn)入出站區(qū)間，列車數(shù)量減 1。

在每一仿真周期內(nèi)，對(duì)仿真路網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的列車狀態(tài)進(jìn)行全部判斷之后，仿真時(shí)鐘步長向前推進(jìn)，最終達(dá)到預(yù)定的仿真總時(shí)間之后，仿真結(jié)束。

4 湖東站通過能力計(jì)算及結(jié)果分析

根據(jù)大秦鐵路湖東站重車場的車站配置圖、車流及作業(yè)組織辦法等，依照上述仿真思想、模型和方法，對(duì)湖東站的通過能力進(jìn)行了仿真計(jì)算。

主要針對(duì)2列萬噸列車組合為1列2萬噸列車的組合作業(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，仿真周期為 24 h。每次仿真開始前，隨機(jī)生成列車到達(dá)時(shí)間，列車到達(dá)時(shí)間是依照現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)確定，在仿真程序開始運(yùn)行之前，事先生成一定數(shù)量的列車到達(dá)時(shí)間表，仿真時(shí)依次讀取。當(dāng)?shù)竭_(dá)列車為到達(dá)某股道的第一列車時(shí) (停在股道前半段)，則等待第二列車的到達(dá)；當(dāng)?shù)竭_(dá)列車為到達(dá)某股道的第二列車時(shí)，即可進(jìn)行組合作業(yè)，作業(yè)時(shí)間根據(jù)概率分布隨機(jī)產(chǎn)生。其仿真程序如圖1所示。

根據(jù) 2006 年對(duì)湖東站現(xiàn)場列車作業(yè)的寫實(shí)情況，列車在車站的到發(fā)數(shù)據(jù)及作業(yè)時(shí)間分布情況如下。

（1）列車到達(dá)時(shí)間間隔分析。列車到達(dá)的平均時(shí)間間隔為 624 s，通過采用統(tǒng)計(jì)軟件分析，列車到達(dá)時(shí)間間隔基本服從正態(tài)分布。

（2）列車組合作業(yè)時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)場寫實(shí)數(shù)據(jù)，自中部機(jī)車入線至2萬噸列車組合完畢平均用時(shí)為25.6 min，其中最短時(shí)間為 10 min，最長時(shí)間為 54 min。通過采用統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)據(jù)大致服從正態(tài)分布。

（3）根據(jù)車站現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的各項(xiàng)作業(yè)交叉干擾情況。由交叉干擾引發(fā)的干擾時(shí)間近似服從正態(tài)分布，最小為 2 min，最大為 40 min，平均干擾時(shí)間為 12 min。

在仿真站內(nèi)列車作業(yè)時(shí)，引入隨機(jī)交叉干擾，仿真過程中將車站可能發(fā)生的各種交叉干擾轉(zhuǎn)化為對(duì)作業(yè)時(shí)間的影響，在給定作業(yè)時(shí)間的基礎(chǔ)上加上干擾時(shí)間[3]。因此，確定自第二列列車到達(dá)至2萬噸列車出清股道時(shí)間：平均用時(shí)為 161 min，其中最短時(shí)間為 68 min，最長時(shí)間為 330 min。通過采用統(tǒng)計(jì)軟件分析，數(shù)據(jù)基本服從 γ 分布，其兩個(gè)參數(shù)α、β分別為α＝8、β＝0.05。

湖東站2萬噸列車到發(fā)線數(shù)量為6條，需考慮列車組合作業(yè)的能力限制；而萬噸列車的到達(dá)場和2萬噸列車的直通作業(yè)不考慮能力限制。根據(jù)未來列車的主要去向，將組合列車設(shè)為3個(gè)去向 (曹妃甸、柳村南、其他)，其比例為 2:2.2:1；模擬時(shí)扣除車站天窗影響時(shí)間 120 min。每次仿真時(shí)給定的行車量足夠大，設(shè)定仿真時(shí)間 30 h，得到后 24 h 內(nèi)每次仿真能夠通過的行車量。不同行車量條件下的模擬結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，隨著行車量的增加，實(shí)現(xiàn)概率逐步減小，而且在臨界狀態(tài)時(shí)迅速下降，如圖 2所示。

根據(jù)模擬分析，假設(shè)車輛靜載重為 0.8，一年按 365 天計(jì)算，不考慮其他影響因素，在一定實(shí)現(xiàn)概率條件下湖東站的通過年運(yùn)量如表2所示。

經(jīng)分析可知，運(yùn)量達(dá)到 3.7 億 t 左右時(shí)，在既有設(shè)備條件下，湖東站能力利用基本飽和，如需進(jìn)一步擴(kuò)能，需要從設(shè)備改造或改善車流結(jié)構(gòu)，即增加直通2萬噸重載組合列車的數(shù)量方面考慮。

表1 不同行車量下的模擬結(jié)果

表2 一定實(shí)現(xiàn)概率條件下湖東站的通過年運(yùn)量

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1003-1421(2011)02-0006-04

U292.5+1；U292.3+7

B

2010-09-27

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2009X011-C)

責(zé)任編輯：林 欣