重載鐵路列車重量、速度、密度與運輸組織模式的關系

賈傳峻，胡思繼，楊宇棟

（1.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044；2.中鐵快運股份有限公司，北京 100055）

當今世界各國鐵路根據(jù)客貨運輸需求的特征，通過研究和探索，已由原來的單純增加路網(wǎng)密度轉向了優(yōu)化路網(wǎng)結構，如通過修建高速干線、客貨分流、改進車流組織方式等以提高鐵路運輸業(yè)的競爭能力。隨著各國鐵路運輸業(yè)的發(fā)展，逐漸形成了客運高速化、貨運重載化兩大發(fā)展趨勢，貨運重載化已經成為包括我國在內的大多數(shù)國家鐵路貨物運輸發(fā)展現(xiàn)代化的重要標志。鐵路列車重量、速度、密度是鐵路技術政策的主要內容之一，是重載鐵路相關技術政策和標準的重要組成部分，也是當前關系到重載運輸發(fā)展方向的關鍵問題之一。而實現(xiàn)重載鐵路列車重量、速度、密度的合理匹配是一個復雜的系統(tǒng)問題，鐵路運輸組織模式是影響三者間相互關系的主要因素。

1 鐵路運輸組織模式的分類

世界各國的運輸組織工作基本原理大致相同，但依據(jù)各國對于行車組織工作的兩個組成部分，年度性工作——列車運行圖和編組計劃及日常性工作——行車調度指揮的設計和處理方法不同，可分為規(guī)劃型行車組織體制和組織型行車組織體制兩類[1]。基于這兩類行車組織體制，各國鐵路所采用的運輸組織模式也分為基于規(guī)劃型行車組織體制的運輸組織模式和基于組織型行車組織體制的運輸組織模式，簡稱規(guī)劃型運輸組織模式和組織型運輸組織模式。

規(guī)劃型運輸組織模式是指，以年度規(guī)劃性的運輸組織基本技術文件為基礎，以日常組織性的運輸組織具體工作為輔的模式。該運輸組織模式嚴格地按照列車編組計劃和列車運行圖組織運輸。

組織型運輸組織模式是指，以年度規(guī)劃性的運輸組織技術文件為依據(jù)，以日常組織性的運輸組織文件組織具體工作的運輸組織模式。在該運輸組織模式下，列車運行圖是列車運行和運輸組織的基本文件，列車運行調度指揮是運輸組織的核心，要求貨物列車必須滿重或滿軸集結后方能開行。

2 不同運輸組織模式下重載鐵路列車重量、速度、密度的特點

2.1 組織型運輸組織模式

目前，我國和部分東歐國家采用了組織型運輸組織模式，在這種運輸組織模式下，鐵路大多為客、貨混跑，線路行車密度大、列車種類多、列車運行過程中干擾因素多，“按圖行車”僅在一定程度上對旅客列車有意義，旅客列車等級越高，其按列車運行圖運行的概率越大；而對于貨物運輸而言，其運輸組織主要是在基本運行圖提供的運輸能力下，按照日班計劃和階段計劃對運輸工作進行組織指揮，“按圖行車”情況較不理想。

在組織型運輸組織模式下，貨物列車的運輸組織方式是在貨物列車編組計劃的基礎上，將組織貨物列車運輸?shù)恼麄€過程分為若干個列車運行區(qū)段，依照貨物列車編組計劃規(guī)定的各類列車的編組要求組織滿重或滿軸，根據(jù)列車運行圖提供的列車運行線組織貨物列車運行。但是，由于為滿足充分利用運輸能力的要求，按照滿重或滿軸集結方式對列車重量或換長的規(guī)定，使列車牽引重量的可調整性被控制在一個較為嚴格的范圍內，即組織型運輸組織模式下的重載列車重量在運輸過程中可調整性較小。尤其在客貨混跑的情況下，由于要求重載列車具有較高的速度，列車重量應較小，而在同樣運量需求下要求列車的行車密度較高。因此，在組織型運輸組織模式下，重載列車的重量較大、速度高、密度高。

2.2 規(guī)劃型運輸組織模式

在規(guī)劃型運輸組織模式下，發(fā)展重載運輸?shù)臈l件限制較大。目前，美國及西歐等國家基本采用規(guī)劃型運輸組織模式。規(guī)劃型運輸組織模式嚴格地按照列車編組計劃和列車運行圖組織運輸，列車運行圖是列車運行組織的核心，調度指揮是輔助性工作，其職責在于根據(jù)列車運行圖組織行車，維護列車的正常運行秩序，保證“按圖行車”正常工作。

在規(guī)劃型運輸組織模式下，由于能夠充分保證運能，要求貨物列車應嚴格根據(jù)預先確定的列車運行線運行。因此，由于運能相對充分，該運輸組織模式對于列車滿重或滿軸要求相對較低，列車牽引重量的可調整性范圍相對較大，即這種模式下重載列車重量在運輸過程中可調整性較大，通常開行重載運輸?shù)木€路能夠實現(xiàn)客貨分線，列車的速度要求相對不是很高，列車的行車密度可根據(jù)列車重量的變化進行調整。通常情況下，由于列車重量較大，其行車密度較小，重載運輸線路列車重量大、速度較低、密度較低。目前，我國大秦鐵路初步實現(xiàn)了客貨分線。雖然大秦鐵路采用組織型運輸組織模式，但由于前方銜接港口，運輸組織具有一定的獨立性，該線路在一定程度上帶有規(guī)劃型組織模式的雛形。

3 重載鐵路列車重量、速度、密度匹配的多目標優(yōu)化模型

發(fā)展重載運輸，不同運輸組織模式下重載列車重量、速度、密度的發(fā)展條件不同，形成了不同的列車重量、速度、密度特點，確定三者合理關系涉及鐵路的車、機、工、電、輛等各個生產部門。

線路的實際情況不同，列車重量、速度、密度合理匹配的目標是提高鐵路運量和鐵路運輸企業(yè)的經濟效益。在技術、設備等條件允許的情況下，重載線路列車重量、速度、密度合理配置的主要影響因素涉及供給和需求兩個方面：①貨運需求的影響。重載列車是為貨物運輸需求服務的，因此貨流需求是影響重載列車開行的主要因素。具體包括區(qū)段貨流密度，貨物的流量、流向，貨物的品類，貨主對運到時間的要求等，鐵路運輸企業(yè)必須考慮貨主需求的差異。②重載運輸供給的影響。從重載運輸供給方面考慮，鐵路運輸能力是重載列車開行方案的保證。重載運輸供給包括鐵路運能 (線路、車輛等運輸設備能力) 及運輸企業(yè)的經濟效益等。

對重載線路列車重量、速度、密度的組合方案進行優(yōu)化的目標很多，但這些目標之間往往存在相互依存的聯(lián)系，從中挑選出具有代表性的目標，有利于對問題的求解。通過建立多目標優(yōu)化模型，將優(yōu)化指標轉化為重載列車重量、速度、密度的有關函數(shù)F(G，v，ρ)，結合運力規(guī)劃發(fā)展的特點，運用動態(tài)規(guī)劃的方法進行求解。

對于鐵路運輸企業(yè)而言，其運量將直接影響貨物運輸收入，貨物運輸收入由運費和雜費兩部分組成，主要與運量和運輸距離有關。對于一個區(qū)段，其運輸距離相對固定，貨物運輸收入可轉化為運量的函數(shù)，而運量為列車重量、速度、密度的函數(shù)，則運輸收入可以表示為列車重量、速度、密度的函數(shù)。同時，貨物運輸成本也與運量有關，按其與運量的關系，可以劃分為隨運量的變化而變化的變動成本，以及隨運量變化很小或不變的固定成本。變動成本和固定成本的劃分具有一定的相對性，某些成本在一定時間或范圍內可能是不變的，但隨著條件的變化也會發(fā)生改變，轉為變動成本，因而變動成本又可分為短期變動成本和長期變動成本[2]。貨物運輸成本可以轉化為運量的函數(shù)，而運量為列車重量、速度、密度的函數(shù)，故貨物運輸成本可以表示為列車重量、速度、密度的函數(shù)。由此可見，運輸收入與運輸支出的差額，即運輸利潤可以作為衡量列車重量、速度、密度匹配情況的主要指標之一。

另外，市場占有率和需求滿足率是衡量其運輸服務質量的主要指標，由于鐵路運輸運量大、運輸穩(wěn)定、運價低等特點和優(yōu)勢，使鐵路運輸在市場占有方面處于一定的優(yōu)勢地位，從而使需求滿足率指標較市場占有率更具有代表性，可以作為重載鐵路運輸企業(yè)提供服務的主要指標。

設區(qū)段內重載列車牽引重量為Q，限制區(qū)段重載列車平均速度為v，區(qū)段行車密度為N，ρ=/N(表示區(qū)段實際運行列車數(shù)或對數(shù))，則此3項指標優(yōu)化可表示為某個函數(shù)，設此函數(shù)為：L(G，v，ρ)。3 項優(yōu)化指標函數(shù)確定后，可根據(jù)重載線路相關的技術、設備及經濟情況確定約束條件，如一定牽引功率下列車重量與速度的函數(shù)關系，重載列車在區(qū)間運行的最大、最小限速等。這些約束條件可歸納為如下3種情況：

從理論上講，鐵路運輸部門的決策者希望各項優(yōu)化指標都能夠達到最優(yōu)，但實際情況下由于各項指標可能相互制約，以及各種約束條件的存在，需要決策者根據(jù)不同時期的運輸需求和不同情況下的約束條件，在多個優(yōu)化指標之間進行比選。重載鐵路列車重量、速度、密度匹配的優(yōu)化問題是一個動態(tài)性的多目標和多階段優(yōu)化問題，即需要同時實現(xiàn)多個目標，假設除L(G,v,ρ) 之外有另一優(yōu)化指標函數(shù)Z(Q,v,ρ)，在求解重載鐵路列車重量、速度、密度相互匹配的多目標優(yōu)化問題時，運用了多目標動態(tài)規(guī)劃方法，通過各項指標在不同線路、不同條件和不同時期的重要程度，根據(jù)函數(shù)的數(shù)量，分別賦予各函數(shù)目標權重系數(shù)，在此設為w1、w2，然后將經過處理后的各項指標函數(shù)加權求和，構造優(yōu)化目標函數(shù)。重載鐵路列車重量、速度、密度匹配的多目標優(yōu)化模型為：

4 結束語

通過對不同運輸組織模式下重載鐵路列車重量、速度、密度的特點及其關系的分析，提出運用多目標規(guī)劃方法建立模型，對三者合理匹配進行求解的基本方法。我國重載鐵路發(fā)展有著很大的空間及廣闊的市場，特別是隨著貨物重載運輸技術的不斷改進，重載列車“重量、速度、密度”的合理組合將成為貨運重載技術體系的核心。

[1] 胡思繼. 列車運行及通過能力理論[M]. 北京：中國鐵道出版社，1993.

[2] 李岱安. 中國鐵路成本計算[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.