編組站運輸能力查定計算方法的研究

吳 鑫，姚宇峰

（1.呼和浩特鐵路局 包頭西站，包頭 010010；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

編組站運輸能力查定計算方法的研究

吳 鑫1，姚宇峰2

（1.呼和浩特鐵路局 包頭西站，包頭 010010；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

本文結合編組站作業(yè)特點，基于編組站綜合自動化（SAM）系統(tǒng)的運營環(huán)境，利用SAM系統(tǒng)的作業(yè)過程數(shù)據(jù)，對編組站的到發(fā)線接發(fā)車能力、調車場解編能力、咽喉通過能力以及最終能力的查定計算方法展開研究。

能力查定；編組站；綜合自動化系統(tǒng)；空費率

新一代編組站綜合自動化（Synthetic Automation of Marshalling yard，SAM）系統(tǒng)由中國鐵道科學研究院與鐵路總公司信息技術中心聯(lián)合研制，它是將車站計劃調度系統(tǒng)和信號控制系統(tǒng)綜合集成的編組站管理與控制系統(tǒng)。其緊緊圍繞“局站一體化”、“管控一體化”、“運維結合”的設計思想，并以行車組織和貨運組織為主線，以運輸生產(chǎn)安全、高效為目標，充分協(xié)調各作業(yè)環(huán)節(jié)的工作，從而提高全員勞動生產(chǎn)率并提供更好的安全保障，提高我國編組站的總體技術水平。

編組站的作業(yè)能力直接影響到路網(wǎng)的暢通，伴隨著鐵路運輸市場化及高速鐵路運輸?shù)母咚侔l(fā)展，開行了大量快速列車、夕發(fā)朝至/朝發(fā)夕至列車和貨運“五定班列”，使編組站的作業(yè)組織、運轉設備承受了很大的壓力。

本文結合編組站作業(yè)的特點，基于編組站綜合自動化系統(tǒng)的運營環(huán)境，對編組站的到發(fā)線接發(fā)車能力、調車場解編能力、咽喉通過能力以及最終能力的查定計算方法展開研究。

SAM系統(tǒng)運營后，合理使用其豐富的數(shù)據(jù)資源完成編組站的能力查定，尋找編組站各項作業(yè)最薄弱環(huán)節(jié)，可以為編組站的科學管理、科學決策提供重要依據(jù)，以期使編組站的運能發(fā)展與鐵路運輸需求相適應，獲得更好的經(jīng)濟效益。

1 國內外研究現(xiàn)狀

國外學者于數(shù)學、運籌學角度進行研究，更注重學術價值，而和實際的生產(chǎn)作業(yè)關聯(lián)并不密切。

國內學者在車站能力優(yōu)化設計及設計評價方面先后經(jīng)歷了圖解計算法、直接計算法、利用率計算法、排隊論方法、計算機模擬方法等，并取得了一些成果。但由于信息采集條件的限制，存在人工寫實工作量大、不確定因素多等問題，計算得到的數(shù)據(jù)準確度不高。

2 計算方法的研究

2.1 基礎參數(shù)計算

車站的《車站行車工作細則》（簡稱“站細”）里明確規(guī)定了車站各崗位工作人員的交接班、吃飯時間以及機車整備時間，同時，站細也規(guī)定了設備空費率[1]的取值范圍和作業(yè)的標準時間，但實際計算車站運輸能力值時，需要確定的設備空費值和準確的作業(yè)時間。因此，在完成能力計算前，需要統(tǒng)計以往作業(yè)數(shù)據(jù)獲得確定的設備空費值和作業(yè)時間值。

設備的空費率是設備一晝夜或者指定時間內良好狀態(tài)下空閑時間占設備可用時間的百分比。按照設備類別，對綜合自動化系統(tǒng)內編組站的歷史作業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，獲得時間段內的設備空閑時間和設備可用時間，經(jīng)計算得到此時段內的設備空費率，對各時間段內的空費率取加權平均值作為此設備的計算空費率。空費率的權重是根據(jù)計算空費率相對作業(yè)量的分布規(guī)律通過數(shù)據(jù)挖掘技術獲得，并結合站細規(guī)定的取值范圍。設備空費率計算公式如下：

式中：γj表示j類設備在n個統(tǒng)計班次或晝夜內的平均空費率； j表示j類設備；i表示統(tǒng)計的第i個班次或晝夜； n表示統(tǒng)計的班次或者晝夜數(shù)；wi表示統(tǒng)計的第i個班次或晝夜內設備的空費率值對平均空費率的貢獻權值；表示第i個班次或晝夜時間內j類設備的良好狀態(tài)下總的空閑時間；表示第 i個班次或晝夜時間內j類設備的良好狀態(tài)下總的可用時間。

車站人員進行運輸組織分析時，可通過比對實際的平均時間和站細規(guī)定的作業(yè)時間標準找出影響車站作業(yè)效率的瓶頸作業(yè)，采取對應的措施解決作業(yè)瓶頸。

2.2 設備能力值計算

車站的運輸能力由運輸生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的運輸設備的作業(yè)能力綜合體現(xiàn)，車站運輸能力具體表現(xiàn)為到發(fā)線的接發(fā)列車能力、咽喉區(qū)的通過能力、駝峰的解體能力和編尾牽出線的編組能力。

綜合國內外對車站運輸能力計算方法，針對編組站作業(yè)的不同環(huán)節(jié)采用不同的計算方法：以公式計算法為基礎，結合數(shù)理統(tǒng)計的理論，對能力查定計算基礎參數(shù)獲取算法進行優(yōu)化，剔除或弱化能力計算基礎數(shù)據(jù)中影響運算準確性的偶然因素，充分考慮作業(yè)交叉、設備工作狀態(tài)等因素。

2.2.1 到發(fā)線接發(fā)列車能力計算

到發(fā)場的接發(fā)列車能力采用對每條到發(fā)線的到發(fā)能力匯總的方式獲得。計算每條到發(fā)線的利用率，根據(jù)到發(fā)線的作業(yè)量和利用率計算本線路的接發(fā)能力，最后匯總所有作業(yè)股道的能力作為到發(fā)場的接發(fā)能力。

（1）到發(fā)線利用率的計算。獲取統(tǒng)計時間內每條作業(yè)股道上列車或者車列的占用時間值作為股道主要作業(yè)時間值T列占，調車作業(yè)或者本務機走行占用股道的時間值作為主要作業(yè)的妨礙時間值T妨礙。計算每條股道在統(tǒng)計時間內可進行接發(fā)列車作業(yè)的總時間T總，即：

T總＝（1–γ空費）（1440–T妨礙），股道的利用率可通過下列公式獲得。

作業(yè)股道的空費系數(shù)γ空費根據(jù)《車站行車工作細則編制規(guī)則》規(guī)定，在0.15 ～ 0.20 范圍內取值。為了獲取較精確的到發(fā)線作業(yè)能力，按上述的統(tǒng)計方法獲得到發(fā)線空費率。

列車占用股道時間T列占是指由準備列車進路時起至列車完全出清作業(yè)股道時止。由計算機實現(xiàn)列車占用時間的統(tǒng)計公式如下：

式中，i表示占用股道的第 種作業(yè)； wi是整數(shù)規(guī)劃變量，表示占用股道的第i種作業(yè)是否是統(tǒng)計的作業(yè)類型，如果是則為2，否則為1；表示占用股道的第i種作業(yè)的列車、車列或者調機出清此股道的時刻；表示為占用股道的第i種作業(yè)開始準備進路的時刻。

應用上述公式進行妨礙作業(yè)時間的統(tǒng)計，僅需將改變變量wi所表示的屬性，改變其取值即可。

（2）到發(fā)線實際接發(fā)列車數(shù)統(tǒng)計。到發(fā)線實際接發(fā)列車數(shù)是以指定時間和作業(yè)股道為條件，從數(shù)據(jù)庫的列車作業(yè)結果數(shù)據(jù)表中獲得。統(tǒng)計公式如下：

式中， i表示到發(fā)場的第i條股道； ni表示到發(fā)場的第i條股道實際作業(yè)列車數(shù)； j表示占用到發(fā)場的第i條股道的所有作業(yè)數(shù)量；是0～1變量參數(shù)，表示占用到發(fā)場的第i條股道的作業(yè) j的作業(yè)種類，如果作業(yè)類型為列車，取值為0，否則為1。

（3）到發(fā)線接發(fā)列車能力計算。到發(fā)線接發(fā)列車能力是通過統(tǒng)計的實際作業(yè)列車數(shù)與到發(fā)線的利用率進行商運算得到，某一股道作業(yè)能力的計算公式如下：

（4）到發(fā)場作業(yè)能力計算。獲得每一條作業(yè)股道的接發(fā)車能力后，對作業(yè)股道的能力進行加和運算即得到到發(fā)場的接發(fā)列車能力。計算公式為：

2.2.2 解編能力計算

編組站的解編作業(yè)錯綜復雜，根據(jù)對作業(yè)過程的分析，將解編作業(yè)抽象化。將解體作業(yè)過程抽象為工件搬運和工件加工問題，待解車列為工件，調機為搬運工人，駝峰為加工機器，作業(yè)進路抽象為搬運路徑，將編組作業(yè)抽象為工件搬運組裝過程，那么解編作業(yè)即可看成工件加工、組裝和搬運過程，作業(yè)平臺為駝峰和牽出線。通過計算加工平臺的利用率，將調機作為加工的約束條件實現(xiàn)解編能力的計算，復雜的作業(yè)過程即簡單、清晰化。解編能力計算可由2 步完成：計算設備的利用率和計算設備的作業(yè)能力。

2.2.2.1 設備利用率計算

（1）設備作業(yè)時間統(tǒng)計

駝峰的占用時間由解體推峰進路準備完畢時刻起至解體完畢調機回退至到達場折返股道時止，駝峰的空閑時間由解體調機走行至折返股道時刻至下一推峰進路準備好時刻止。如果出現(xiàn)調機下峰進行整場作業(yè)，駝峰停止解體溜放作業(yè)，此部分時間統(tǒng)計為駝峰的固定作業(yè)范疇內。對于調機的整備、調車組的吃飯、交接班則全部統(tǒng)計為駝峰的固定作業(yè)。

通過對編尾的編組作業(yè)分析可知，調機由折返位置經(jīng)由牽出線的進路準備好時即為編組的開始時刻，當調機牽引編成車列至出發(fā)場股道時止為完成了一次編組列車作業(yè)。依據(jù)此作業(yè)過程進行統(tǒng)計牽出線的占用時間和空閑時間。

由計算機實現(xiàn)作業(yè)時間統(tǒng)計的計算公式為：

式中，i表示第i類設備，例如駝峰線XT1、牽出線 SQ1等；表示第i類設備作業(yè)的結束時刻；表示第i類設備開始作業(yè)的準備進路時刻；表示第i類設備在指定時間內的作業(yè)時間。

車站運輸設備空閑時間的統(tǒng)計計算公式為：

（2）設備利用率計算

2.2.2.2 設備作業(yè)能力計算

2.2.3 咽喉通過能力計算

咽喉區(qū)的通過能力是由選定的關鍵道岔或者道岔組的通過能力體現(xiàn)，在一晝夜或者指定時間段內，本咽喉區(qū)的關鍵道岔或者道岔組可以通過的列車數(shù)。所以，咽喉區(qū)的通過能力計算可分2 步進行。

2.2.3.1 咽喉區(qū)關鍵道岔或者道岔組的選定

咽喉區(qū)關鍵道岔或者道岔組選定的原則為：到達場或者出發(fā)場銜接兩個及其以上方向時，按照銜接方向分別確定接車進路或者發(fā)車進路上工作負荷最大的道岔或者道岔組作為本接車進路或者出發(fā)進路的關鍵道岔組。遵循上述原則，統(tǒng)計作業(yè)進路數(shù)據(jù)，獲得作業(yè)進路占用道岔或道岔組的負荷量，從而確定關鍵道岔或道岔組。能力計算軟件依據(jù)以下公式按照銜接方向別、進路別、道岔別（或道岔組）進行關鍵道岔或道岔組的確定。

式中，j表示到達場或出發(fā)場所銜接的n個作業(yè)方向中的第j個方向；r表示到達場或出發(fā)場銜接的第j個方向上所排布的m條進路中的第r條進路；表示到達場或出發(fā)場銜接的第j個方向上排布的第r條進路占用道岔或者道岔組S的時間； Sj表示到達場或出發(fā)場銜接的第j個方向的關鍵道岔或道岔組。

2.2.3.2 咽喉區(qū)通過能力計算

咽喉區(qū)通過能力的計算是對關鍵道岔或者道岔組占用、出清時間的統(tǒng)計，獲得道岔或者道岔組的利用率。結合實際作業(yè)列車列數(shù)和利用率獲得咽喉的通過能力。如果本作業(yè)場銜接兩個及其以上方向時，將各個方向的能力進行加和就為本咽喉區(qū)的通過能力；如果作業(yè)場僅銜接一個方向時，咽喉區(qū)的通過能力等于該方向上各條進路咽喉關鍵道岔或者道岔組的能力之和。

計算咽喉區(qū)關鍵道岔或者道岔組的利用率時，由于其作業(yè)負荷量包括調機、本務機走行，調機、本務機占用必然影響到列車進路的排布，因此計算利用率時將調機、本務機走行占用作為妨礙列車作業(yè)的固定作業(yè)。此時，利用率所反映的就是可用于接發(fā)列車的設備利用狀況。如有站間有車次的單機調移作業(yè)，那么接入到發(fā)場作業(yè)可看作是列車作業(yè)，計算利用率時按照列車占用統(tǒng)計。

獲得咽喉區(qū)關鍵道岔或者道岔組的利用率之后，按照銜接的方向分別對通過本咽喉區(qū)的列車數(shù)進行統(tǒng)計，用獲得的列車數(shù)與利用率求商，并將各個方向的通過能力值進行加和匯總得到本咽喉區(qū)的通過能力。實現(xiàn)計算的公式如下：

式中， j表示到發(fā)場銜接的第j方向；i表示銜接第j方向占用s道岔或道岔組的第i個作業(yè)項；nisj表示銜接第j方向占用s道岔或道岔組的第i個作業(yè)項的作業(yè)量；Ks表示銜接第j方向的作業(yè)進路所占用s道岔或道岔組的利用率； N是銜接到發(fā)場咽喉區(qū)的通過能力。

2.2.4 車站最終能力確定

將車站咽喉道岔、到發(fā)線的通過能力，駝峰、牽出線的改編作業(yè)能力進行匯總，得到在統(tǒng)計時間段內車站實際作業(yè)能力值。針對最大能力和較小能力進行詳細分析和綜合平衡，針對車站設備能力的薄弱環(huán)節(jié)，重新調整有關各項設備的作業(yè)分工，將繁忙部分擔當?shù)淖鳂I(yè)，重新加以分配，分配給作業(yè)較少的部分擔當，以滿足全站較大行車量的需要。通過綜合平衡以及各有關設備能力的再分配后，所得的車站各車場每晝夜所能通過的最大貨物列車數(shù)，就是車站最終的作業(yè)能力。實現(xiàn)的計算公式如下：

2.2.5 數(shù)值檢驗

按照上述的計算方法，采集呼和浩特鐵路局包頭西站3個月的作業(yè)過程數(shù)據(jù)，得到編組站的各項作業(yè)能力。按照包頭西站所配屬的作業(yè)股道數(shù)以及列車占用股道作業(yè)的平均時間，查《GB13231-1991鐵路編組站到發(fā)線通過能力計算方法》，將獲得的能力值與附件表中所記載的能力值進行比對，檢驗獲得的計算值，計算值位于規(guī)定取值范圍內，滿足能力查定要求。

3 結束語

編組站運輸能力查定將編組站的設備信息、作業(yè)信息以及作業(yè)過程信息有機地融合，綜合展現(xiàn)運輸生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的作業(yè)能力，為運輸組織指揮人員調整運輸組織模式、站場改擴建提供準確的數(shù)據(jù)支持，使編組站運輸生產(chǎn)組織工作更合理、科學，有助于制定車站發(fā)展規(guī)劃，實現(xiàn)編組站綜合效益的最大化。

[1]孔慶鈴，劉其斌.鐵路運輸能力計算與加強[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2]楊介平.鐵路運輸能力的計算與利用[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]H?B?普拉夫金.車站配線及能力計算方法[M].劉其斌.北京：北方交通大學出版社，1986.

[4]李玉旦，彭 輝.車站技術作業(yè)過程和通過能力查定計算管理系統(tǒng)研究[J].鐵路計算機應用，1999，8（3）：11-13.

[5]劉 瀾，甘 靈.車站咽喉通過能力可視化計算集成系統(tǒng)的研究[J].數(shù)學的實踐與認識，2005，35（2）：80-86.

責任編輯 陳 蓉

圖4 兩種時間序列分別進行春運客運量預測分析圖

可以看出采用兩種不同的時間序列分析方法分別進行2010年客運量預測時與2010年實際客運量的差異。節(jié)前預售情況預測比較接近實際值，節(jié)后歷年客運量預測值比較接近實際值。這充分證明了前面的論述：客運量具有穩(wěn)定的形態(tài)，可以在預測中相對較為平衡的保持客運量的波動形態(tài)?？推鳖A售情況預測在節(jié)后不太理想的主要原因經(jīng)過分析，和預售期的調整有關，因為2007年、2008年、2009年的預售期與2010年調整的預售期不盡相同，這樣直接引起的就是預售規(guī)律的隨之破壞，從而導致預測結果的偏差。

圖5給出了采用HAP方法進行鐵路發(fā)送量預測的2010年預測案例，預測誤差整體小于5%，證明了HAP方法的有效性和可用性。

圖5 2010年鐵路春運客流預測曲線圖

3 結束語

本文從鐵路的客流規(guī)律研究出發(fā)，發(fā)現(xiàn)客流具有良好的穩(wěn)定性、顯著的周期性和趨勢性，通過采用差分的方式自動識別客流規(guī)律，將歷史數(shù)據(jù)和實時產(chǎn)生的預售數(shù)據(jù)引入預測，并將重要的運輸能力因素引入預測，從而提高預測的精確性。實際的鐵路客運量預測結果表明了該方法在進行鐵路總量預測時的可用性和有效性。

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[3]王 燕．應用時間序列分析[M]．北京：中國人民大學出版社，2005．

責任編輯 陳 蓉

Calculation method of transportation capacity check for marshalling station

WU Xin1,YAO Yufeng2
( 1.Baotou West Station,Hohhot Railway Administration,Baotou 010010,China;2.Signal &Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This article combined with the characteristics of marshalling station operation,based on the operating environment of Synthetic Automation of Marshalling yard(SAM)System,used the process data of SAM System,researched on the capability of receiving and dispatching train,decoding ability of marshalling yard,the throat pass ability as well as the calculation method of transportation capacity check.

capacity check;marshalling station;Synthetic Automation of Marshalling yard(SAM)System;idle rate

U284.67∶TP39

A

1005-8451（2016）02-0007-05

2015-06-16

吳 鑫，工程師；姚宇峰，助理研究員。