基于既有運(yùn)行圖的高鐵行包運(yùn)輸方案優(yōu)化*

劉 勇 朱曉寧 閆柏丞 劉 瀟

(深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心1) 深圳 518021) (北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院2) 北京 100044)

基于既有運(yùn)行圖的高鐵行包運(yùn)輸方案優(yōu)化*

劉 勇1,2)朱曉寧2)閆柏丞2)劉 瀟2)

(深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心1)深圳 518021) (北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院2)北京 100044)

基于既有旅客列車運(yùn)行圖下的高速鐵路行包運(yùn)輸組織方案建立了優(yōu)化模型，利用LINGO9.0平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行了求解，并以京滬高鐵為背景設(shè)計(jì)了算例對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，模型對(duì)高速鐵路快運(yùn)組織方案設(shè)計(jì)問題具有良好的適用性和優(yōu)化效果.通過給出高速鐵路快運(yùn)停站方案和裝卸車作業(yè)計(jì)劃，能為高速鐵路貨物運(yùn)輸組織提供一定的決策支持.

鐵路運(yùn)輸；快運(yùn)組織方案；非線性整數(shù)規(guī)劃；高鐵快運(yùn)；既有運(yùn)行圖

0 引 言

當(dāng)前關(guān)于高鐵快運(yùn)的研究主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與定價(jià)、運(yùn)量預(yù)測(cè)分配、列車貨運(yùn)技術(shù)、車站布局和作業(yè)流程設(shè)計(jì)等方面[1-4]，而對(duì)高鐵快運(yùn)列車運(yùn)輸方案研究較少[5-7].少量的研究也集中于研究既有鐵路貨運(yùn)組織方式在高速鐵路中的應(yīng)用，且多針對(duì)高鐵貨運(yùn)班列，單一從貨運(yùn)視角出發(fā)，未充分考慮當(dāng)前高速鐵路網(wǎng)以客運(yùn)列車為核心服務(wù)對(duì)象的客觀條件，以及未考慮結(jié)合既有運(yùn)行圖合理安排列車時(shí)空分布，一定程度上脫離實(shí)際需求，對(duì)企業(yè)實(shí)踐缺乏指導(dǎo)意義.

文中著眼于既有高速鐵路運(yùn)行圖，綜合考慮快運(yùn)市場(chǎng)多樣化需求，通過建立基于既有運(yùn)行圖的高速鐵路快運(yùn)組織方案優(yōu)化模型，提出1種快運(yùn)組織方案的編制方法，為高鐵貨物運(yùn)輸提供理論依據(jù)和決策支持.

1 問題描述與模型建立

1.1 問題描述

在當(dāng)前運(yùn)營(yíng)水平下，裝備技術(shù)條件仍未達(dá)到以高頻次開行高鐵貨運(yùn)班列的要求，旅客運(yùn)輸仍是高速鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵娜蝿?wù).因此，高速鐵路快運(yùn)組織方案是在既有高鐵客運(yùn)組織的基礎(chǔ)上進(jìn)行的貨運(yùn)作業(yè)組織，其核心是合理調(diào)配高鐵快運(yùn)的運(yùn)輸能力，確定高鐵快運(yùn)的停站組織方案和貨物裝卸車計(jì)劃，既滿足高鐵貨物的運(yùn)輸需求，又盡可能地減少對(duì)高鐵客運(yùn)組織的影響.高鐵貨物運(yùn)輸組織的示意圖見圖1.

圖1 高鐵貨運(yùn)組織方案示意圖

由圖1可知，高速鐵路組織快捷貨物運(yùn)輸停站方案是在客運(yùn)停站方案的基礎(chǔ)上，依據(jù)沿線高鐵貨運(yùn)需求、設(shè)施設(shè)備條件和客運(yùn)高鐵列車在沿線車站客運(yùn)組織時(shí)間等因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果.與高鐵貨物專列開行方案不同，高鐵貨運(yùn)組織方案是高鐵旅客運(yùn)輸組織的附屬方案，著重于滿足以小件貨物為主要貨運(yùn)對(duì)象的小批量、靈活性和時(shí)效性要求，在方案屬性上具有靈活性和實(shí)時(shí)性特征，是針對(duì)具體的貨物運(yùn)輸需求制定的具有時(shí)效性的停站方案和裝卸車作業(yè)計(jì)劃.

1.2 基本假設(shè)

依據(jù)問題描述，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，現(xiàn)對(duì)問題給出如下假設(shè).

1) 列車同質(zhì)性假設(shè) 對(duì)于在辦理點(diǎn)經(jīng)停的高鐵列車，均可納入辦理高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)列車的備選集.現(xiàn)階段，我國(guó)高鐵列車主要利用車廂兩端大件行李處搭載定制的專業(yè)化集裝設(shè)備，對(duì)于辦理貨物業(yè)務(wù)而言，可以提供的運(yùn)輸條件基本相同.

2) 高鐵車站貨運(yùn)作業(yè)可行性假設(shè) 辦理點(diǎn)均具備提供高鐵貨運(yùn)服務(wù)的基礎(chǔ)技術(shù)條件，不同等級(jí)的高鐵站依據(jù)經(jīng)停列車的總停站時(shí)間不同，所容許辦理的最大貨運(yùn)業(yè)務(wù)量有所差異，且在貨運(yùn)作業(yè)能力上與高鐵客運(yùn)作業(yè)能力相匹配.

3) 運(yùn)輸能力假設(shè) 在計(jì)劃期內(nèi)，運(yùn)輸部門所投放的動(dòng)車組運(yùn)力能滿足所有的高鐵貨物運(yùn)輸需求.操作過程中，貨運(yùn)部門可通過設(shè)計(jì)不同時(shí)效性的貨運(yùn)產(chǎn)品，通過在時(shí)間維度上分散客戶的貨運(yùn)需求來保障貨運(yùn)服務(wù)的能力充足.

4) 運(yùn)輸直達(dá)假設(shè) 高鐵貨物運(yùn)輸組織方案采取站到站一次直達(dá)本線運(yùn)輸?shù)姆绞?，不存在中轉(zhuǎn)情況.由于貨物的裝卸作業(yè)會(huì)對(duì)高鐵客運(yùn)組織產(chǎn)生影響.因此，在高鐵貨物作業(yè)組織過程中以滿足貨物直達(dá)運(yùn)輸需求為主.

5) 車站貨運(yùn)裝卸作業(yè)時(shí)間假設(shè) 在選定貨運(yùn)辦理點(diǎn)的列車停站時(shí)間，扣除正常旅客乘降時(shí)間要求外，其時(shí)間長(zhǎng)度滿足高鐵列車裝卸隨車搭載的快件貨物的時(shí)間要求.

1.3 符號(hào)說明

1.4 目標(biāo)函數(shù)

高鐵貨物運(yùn)輸組織方案是在高鐵旅客運(yùn)輸組織方案的基礎(chǔ)上，綜合考慮動(dòng)車組列車、辦理車站及貨運(yùn)需求等因素的綜合方案.高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)是以圖定旅客列車開行情況為基礎(chǔ)，且車站貨運(yùn)作業(yè)的辦理勢(shì)必會(huì)對(duì)正常客運(yùn)作業(yè)產(chǎn)生影響.因此，高鐵貨物運(yùn)輸組織方案優(yōu)化的目標(biāo)為最小化高速列車辦理貨運(yùn)作業(yè)總次數(shù)，減少貨運(yùn)作業(yè)對(duì)高鐵旅客運(yùn)輸組織的影響.由此可知，模型的目標(biāo)為

(1)

1.5 約束條件

高鐵貨物運(yùn)輸組織方案主要受到高鐵旅客運(yùn)輸組織方案的影響，此外，還受到貨物運(yùn)輸屬性、動(dòng)車組列車運(yùn)輸能力及高鐵站作業(yè)能力的影響.具體約束如下.

1) 高鐵貨運(yùn)辦理站點(diǎn)約束 對(duì)于備選集內(nèi)的高鐵站點(diǎn)，都是高鐵貨運(yùn)業(yè)務(wù)的服務(wù)對(duì)象，即高鐵快運(yùn)辦理點(diǎn)至少有1列高鐵列車經(jīng)停該站辦理貨運(yùn)作業(yè).

?j∈K

(2)

2) 貨物運(yùn)輸總量約束 在計(jì)劃期內(nèi)，動(dòng)車組的投放比例是充足的，計(jì)劃期內(nèi)的高鐵貨物可以全部運(yùn)完.對(duì)單個(gè)貨物而言，每件貨物有且僅有一列客運(yùn)列車搭載.

?j,k∈K,m∈M

(3)

3) 高鐵運(yùn)輸能力約束 高鐵主要以旅客運(yùn)輸為主，每節(jié)車廂所留有的運(yùn)輸空間是有限的，因此，每列車運(yùn)輸貨物的總數(shù)不能超過單列車的運(yùn)載總?cè)萘?即對(duì)于每列車在任何一個(gè)站，在經(jīng)過一次裝卸車后其貨物的保有量不能超過該列車的運(yùn)載容量.

?v∈K,i∈N

(4)

4) 運(yùn)輸時(shí)限約束 高鐵貨運(yùn)主要面向的是時(shí)效性強(qiáng)、附加值高的貨物，為滿足貨物運(yùn)輸?shù)臅r(shí)限要求，對(duì)單個(gè)貨物而言，成功運(yùn)輸?shù)那疤釛l件是運(yùn)載貨物的高鐵列車到站時(shí)刻不能晚于貨物最晚運(yùn)到的承諾時(shí)間.

?j,k∈K,i∈N，m∈M

(5)

5) 列車辦理站數(shù)量約束 在高鐵客運(yùn)車站進(jìn)行貨運(yùn)作業(yè)會(huì)對(duì)車站客流乘降組織產(chǎn)生影響.因此，對(duì)任意選定搭載貨物的旅客列車，其辦理貨物業(yè)務(wù)的總數(shù)應(yīng)該得到控制，即任何列車其辦理貨運(yùn)業(yè)務(wù)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)不能超過允許辦理站點(diǎn)的最大值.

?i∈N

(6)

6) 列車辦理站約束 高鐵貨運(yùn)業(yè)務(wù)是在客運(yùn)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上開展的，對(duì)單次列車而言，其貨運(yùn)業(yè)務(wù)的辦理站點(diǎn)只能是在客運(yùn)業(yè)務(wù)辦理站點(diǎn)上選擇的結(jié)果；對(duì)單個(gè)站點(diǎn)而言，只有當(dāng)列車停站時(shí)才能辦理相應(yīng)的貨運(yùn)作業(yè).

xij·(zij-1)=0,?j∈K,i∈N

(7)

7) 貨物運(yùn)輸方案與貨運(yùn)站業(yè)務(wù)辦理方案約束 只有在辦理高鐵貨運(yùn)業(yè)務(wù)的辦理站，才能進(jìn)行貨物的運(yùn)輸.

?j,k∈K,i∈N,m∈M

(8)

8) 決策變量0-1約束

(xij-1)·xij=0,?j∈K,i∈N

(9)

?j,k∈K,i∈N,m∈M

(10)

2 模型求解與算例分析

2.1 算例描述

以京滬高鐵為高鐵快運(yùn)組織方案為算例背景，選取京滬線上客貨運(yùn)量較大、列車經(jīng)停時(shí)間總和較長(zhǎng)且車站貨運(yùn)作業(yè)條件較好的7個(gè)高鐵站作為辦理貨運(yùn)業(yè)務(wù)的備選集，并選取京滬線上開行時(shí)刻和停站時(shí)長(zhǎng)較符合要求的13列高鐵作為辦理貨運(yùn)業(yè)務(wù)的列車備選集.以京滬高鐵下行方向的高鐵貨運(yùn)需求為例，要求在計(jì)劃期滿足內(nèi)京滬線上共110個(gè)集裝單元貨物的快運(yùn)需求.其中，設(shè)定每列動(dòng)車組可容許裝卸的最大集裝單元個(gè)數(shù)為10個(gè)；單次列車容許辦理貨運(yùn)作業(yè)的站點(diǎn)數(shù)不超過5個(gè)，計(jì)劃內(nèi)各站貨運(yùn)產(chǎn)品見表1.

表1 高鐵貨運(yùn)服務(wù)產(chǎn)品運(yùn)輸時(shí)限

對(duì)當(dāng)日達(dá)和次晨達(dá)產(chǎn)品而言，其截單時(shí)間在當(dāng)天中午12：00，運(yùn)輸時(shí)間在當(dāng)天完成；而對(duì)于次日達(dá)產(chǎn)品而言，截單時(shí)間為當(dāng)天22：00，運(yùn)輸時(shí)間為次日白天完成.因此，在裝卸車作業(yè)計(jì)劃編制上主要分為兩個(gè)計(jì)劃時(shí)段，當(dāng)天12：00的計(jì)劃主要面向的是當(dāng)日達(dá)和次晨達(dá)的貨運(yùn)需求；當(dāng)天22：00的計(jì)劃主要面向的是次日達(dá)產(chǎn)品.本次算例主要針對(duì)的是當(dāng)日達(dá)(A)和次晨達(dá)(B)的12：00計(jì)劃，計(jì)劃期內(nèi)各地間貨運(yùn)需求總量分布見表2，備選集內(nèi)列車停站方案和運(yùn)行時(shí)刻見表3～4.

表2 京滬線12:00計(jì)劃期內(nèi)高鐵快運(yùn)需求量(A-B)

注：快運(yùn)量統(tǒng)計(jì)以集裝單元為單位.

2.2 算例求解及分析

分析可知，高速鐵路快運(yùn)組織方案優(yōu)化模型為非線性整數(shù)規(guī)劃問題.文中重點(diǎn)在問題描述和優(yōu)化方案生成，求解算法的選擇以能獲得滿意解為出發(fā)點(diǎn)，以算法求解速度為基本原則，盡可能選擇通用求解方法，在對(duì)問題進(jìn)行小規(guī)模算例驗(yàn)證比較的基礎(chǔ)上，選擇LINGO9.0對(duì)問題進(jìn)行求解.將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入模型，利用LINGO9.0求解工具，求解可得求解結(jié)果見表5～6，依據(jù)求解結(jié)果，綜合列車既有客運(yùn)停站方案，可得列車貨運(yùn)組織方案見圖2.

表4 選定京滬線高鐵客運(yùn)時(shí)刻表

表5 高鐵貨運(yùn)停站方案(下行)

表6 高鐵貨物裝卸車作業(yè)計(jì)劃(數(shù)量-車次)

圖2 高鐵貨物運(yùn)輸組織方案

由以上高鐵貨物運(yùn)輸組織方案可以看出：

1) 在滿足貨運(yùn)需求方面，時(shí)段內(nèi)當(dāng)日達(dá)和次晨達(dá)貨物均按時(shí)運(yùn)出，未出現(xiàn)滯留.

2) 共有9列高鐵列車投入下行方向貨物運(yùn)輸，沿線共啟用貨運(yùn)辦理點(diǎn)27次，占備選停站總數(shù)的38.57%，有效控制了利用既有高鐵開行列車開展快件運(yùn)輸對(duì)高鐵既有客運(yùn)的影響.

3) 以辦理點(diǎn)使用率(使用辦理點(diǎn)數(shù)/備選辦理點(diǎn)數(shù))為指標(biāo)，可看出天津西站高鐵貨運(yùn)對(duì)天津西站和蘇州站干擾較大，使用率分別達(dá)66.67%和50%，南京、徐州、濟(jì)南客運(yùn)受干擾程度控制較好.

4) 在能力利用上，計(jì)劃期內(nèi)，平均單次列車運(yùn)輸?shù)呢浳餅?2.22個(gè)，能力復(fù)用率達(dá)122.2%；從周轉(zhuǎn)量來看，高鐵貨運(yùn)組織方案的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量為420(集裝單元數(shù)量乘以運(yùn)輸區(qū)段數(shù)量)，相較運(yùn)力投放總量540(集裝單元數(shù)量乘以運(yùn)輸區(qū)段數(shù)量)而言，總運(yùn)力利用率達(dá)77.78%.

3 結(jié) 束 語

針對(duì)當(dāng)前熱點(diǎn)的高鐵快運(yùn)方案設(shè)計(jì)問題，在總結(jié)實(shí)踐和理論研究成果的基礎(chǔ)上，給出了適應(yīng)于當(dāng)前情況下解決高速鐵路快運(yùn)組織問題的新思路和新方法.通過將高速鐵路快運(yùn)組織方案分解為快運(yùn)列車停站方案和裝卸車作業(yè)計(jì)劃，提出了適用于已知高速鐵路快運(yùn)辦理點(diǎn)條件下的快運(yùn)組織方案優(yōu)化模型，利用LINGO9.0平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行了求解，并通過算例對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明，模型對(duì)現(xiàn)實(shí)問題具有良好的適用性和優(yōu)化作用，通過給出高速鐵路快運(yùn)停站方案和裝卸車作業(yè)計(jì)劃，為高速鐵路貨物運(yùn)輸組織提供決策支持.然而，高鐵快運(yùn)的實(shí)施不僅需要對(duì)運(yùn)輸組織方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要對(duì)貨運(yùn)組織流程、裝載搬運(yùn)器械標(biāo)準(zhǔn)、場(chǎng)站設(shè)施布局等配套工程進(jìn)行一體化優(yōu)化改進(jìn)，車輛與貨物及車站與貨物間的同步配合是進(jìn)一步研究的方向.

[1]張濤.中鐵快運(yùn)開展高鐵快遞業(yè)務(wù)的研究[D].北京：北京交通大學(xué),2014.

[2]梁皓妍.高鐵快遞產(chǎn)品優(yōu)化配置研究[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

[3]米曉芳.高鐵快遞業(yè)務(wù)運(yùn)作方案設(shè)計(jì)-以華東地區(qū)為例[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

[4]宮強(qiáng).哈爾濱鐵路局高鐵快遞運(yùn)營(yíng)管理研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2015.

[5]JEONG S J, LEE C G, BOOKBINGER J H. The European freight railway system as a hub-and-spoke network[J].Transportation Research Part A: Policy and Practice，2007,41(6):523-536.

[6]PAZOUR J A, MELLER R D, POHL L M. A model to design a national high-speed rail network for freight distribution[J]. Transportation Research Part A： Policy & Practice,2010,44(3):119-135.

[7]董凱凌.高速鐵路快捷貨物運(yùn)輸組織相關(guān)問題研究[D].成都：西南交通大學(xué),2014.

Express Freight Transportation Plan Optimization Based on Existed High Speed Railway Timetable

LIU Yong1,2)ZHU Xiaoning2)YAN Baichen2)LIU Xiao2)

(ShenzhenUrbanTransportPlanningCenter,Shenzhen518021,China)1)(SchoolofTrafficandTransportation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)2)

An optimization model is established for the transportation organization scheme of high speed railway based on the existing high-speed railway timetable. This model is solved using LINGO9.0 platform. By using Beijing-Shanghai High Speed Railway as the background, a case study is designed to validate the rational of the established model. The results show that the model has a good adaptability and optimized effects in solving the design problems of transportation organization scheme of high speed railway. Moreover, through the proposed model, an optimized express freight transport plan and loading and unloading scheme are acquired, which could guide practice to some extent.

railway transportation; express freight transport plan; nonlinear integer programming; express of EMUs; existed high-speed railway timetable

2016-10-24

*國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目資助(71390332)

U294.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.019

劉勇(1990—)：男，碩士，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)檐壍澜煌ㄟ\(yùn)輸組織優(yōu)化