鐵路空車調(diào)整優(yōu)化模型研究

于 橫，溫 鑫 YU Heng,WEN Xin

（1.呼和浩特鐵路局呼和貨運(yùn)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.呼和浩特鐵路局集寧站，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

0 引言

鐵路空車調(diào)整問題是涉及鐵路運(yùn)輸資源優(yōu)化配置的重要問題，“不僅是實(shí)際生產(chǎn)中的重要內(nèi)容”，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[1]。

車流調(diào)整是鐵路調(diào)度工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在日常運(yùn)輸組織工作中，車流調(diào)整通過合理的車流預(yù)測(cè)、推算、組織，防止區(qū)間通過能力浪費(fèi)和線路、車站階段性堵塞[2]。車流調(diào)整必須實(shí)行高度集中、統(tǒng)一調(diào)整的原則[3]。在貨物運(yùn)輸過程中，空車資源是裝車的保證，空車又來源于重車的卸車作業(yè)[4]。鐵路空車產(chǎn)生于卸車量大于裝車量的車站，即空車供給站。然而，鐵路貨流的始發(fā)位于空車需求站。鐵路路網(wǎng)上空車需求站與空車供給站的分布通常并不均衡，有些車站只能產(chǎn)生空車，并沒有貨源，而有些車站則相反，還有部分車站既是空車的供給站，又是貨流的始發(fā)站。因此，需要將空車供給站（卸車站）產(chǎn)生的空車源源不斷地運(yùn)送至空車需求站（裝車站），即空車調(diào)整。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)型階段，鐵路過去以煤炭、鋼鐵為主的貨運(yùn)需求大幅下降，在此大背景之下，我國(guó)鐵路貨運(yùn)部門進(jìn)行了一系列以市場(chǎng)為中心的貨運(yùn)組織改革。其中，對(duì)于鐵路車流組織的優(yōu)化是鐵路部門以市場(chǎng)為中心改革的重要內(nèi)容之一。空車調(diào)整又是車流組織中的主要組成部分，也是鐵路車輛資源合理運(yùn)用的重要手段[5]。

在我國(guó)鐵路貨車中敞車約占了60%以上的比重，并承擔(dān)了大部分貨種的裝運(yùn)任務(wù)[8]，但是，高效的空車調(diào)整計(jì)劃可以進(jìn)一步緩解空車供給需求緊張的矛盾，對(duì)鐵路部門提質(zhì)增效具有正面的促進(jìn)作用。

1 鐵路空車調(diào)整優(yōu)化模型的建立

在當(dāng)下鐵路貨運(yùn)組織改革的背景下，應(yīng)將市場(chǎng)的要素更多地考慮其中，所以本文在模型建立的過程中分別將車種代用要素，裝車站最優(yōu)空車裝車時(shí)間窗要素考慮在內(nèi)，最后為了更加契合市場(chǎng)要素，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為空車調(diào)整后鐵路部門營(yíng)業(yè)收入最大化。

模型參數(shù)及變量如下：

模型共有6個(gè)約束條件，分別是節(jié)點(diǎn)車流平衡約束、空車車流直達(dá)約束、貨運(yùn)計(jì)劃約束、鐵路貨車保有量約束、空車供給能力約束、決策變量取整約束。下面分別對(duì)前5個(gè)約束條件進(jìn)行進(jìn)一步說明。

節(jié)點(diǎn)車流平衡約束。對(duì)于鐵路路網(wǎng)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其到達(dá)的車流中包含有到達(dá)空車流與到達(dá)重車流。同理，節(jié)點(diǎn)出發(fā)的車流中包含出發(fā)空車流與出發(fā)重車流。其到達(dá)的貨車數(shù)應(yīng)與出發(fā)的貨車數(shù)在數(shù)量上相等，見圖1。

所以，對(duì)于路網(wǎng)中任意節(jié)點(diǎn)有以下車流平衡約束：

圖1 節(jié)點(diǎn)i車流構(gòu)成

空車車流直達(dá)約束。設(shè)置該約束的目的是為了避免空車車輛的循環(huán)走行和多余走行，限制空車能夠一次調(diào)配到位，所以對(duì)于空車車流有以下約束：

（3）評(píng)標(biāo)不公正、不科學(xué)；詢標(biāo)不公正，對(duì)關(guān)系戶只提優(yōu)點(diǎn)，不提缺點(diǎn)，對(duì)其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手只提缺點(diǎn)，突出關(guān)系戶各方面都優(yōu)于其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手；評(píng)標(biāo)過程不公開；定標(biāo)前談判壓價(jià)和違規(guī)分包，定標(biāo)后在簽合同時(shí)還要過分壓價(jià)；

貨運(yùn)計(jì)劃約束。對(duì)于重車車流，裝運(yùn)的貨物首先應(yīng)滿足每日總公司的指令性任務(wù)。所以有以下約束：

其次重車車流在滿足指令性任務(wù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量滿足貨物運(yùn)輸計(jì)劃中的其它運(yùn)輸任務(wù)。所以有以下約束：

鐵路貨車保有量約束。貨車保有量對(duì)于貨車?yán)糜泻艽笥绊憽榱顺掷m(xù)不間斷地完成運(yùn)輸任務(wù)，鐵路局都要有一定數(shù)量的貨車保有量：

車站空車供給能力約束。對(duì)于空車供給站i所能提供的空車不應(yīng)大于其自身的供給能力A供i：

模型目標(biāo)函數(shù)考慮鐵路部門營(yíng)業(yè)收入最大化，其中考慮了下列要素：重車所獲得的收入部分、調(diào)運(yùn)空車所花費(fèi)的費(fèi)用部分、車種代用策略所花費(fèi)的費(fèi)用部分、貨運(yùn)需求沒有得到滿足造成的損失部分、考慮裝車站空車需求時(shí)間窗所需費(fèi)用部分。接下來對(duì)模型目標(biāo)函數(shù)的各個(gè)部分進(jìn)行進(jìn)一步解釋說明。

重車收入部分，重車收入是鐵路部門的主要收入來源，該要素與各站間各品類貨物的運(yùn)價(jià)、貨車靜載重和鐵路部門裝車的重車數(shù)有關(guān)。目標(biāo)函數(shù)中重車收入部分可表示如下：

調(diào)運(yùn)空車費(fèi)用部分。對(duì)于某卸車站卸空的某種車種的貨車，在滿足本站雙重作業(yè)車后，仍有多余的貨車車輛，要向需要該種車種的裝車站調(diào)配，在調(diào)配的過程中會(huì)產(chǎn)生空車調(diào)整費(fèi)用。該部分費(fèi)用與各貨運(yùn)站間的空車調(diào)運(yùn)費(fèi)用和空車車數(shù)有關(guān)。目標(biāo)函數(shù)中空車調(diào)整費(fèi)用部分表示如下：

車種代用費(fèi)用部分。在運(yùn)輸生產(chǎn)的實(shí)際過程中，通常會(huì)出現(xiàn)某種或某幾種貨車車種相對(duì)短缺而其它車種數(shù)量相對(duì)富余的狀態(tài)，針對(duì)這樣的情況，車種代用成為運(yùn)輸生產(chǎn)過程中一種必要的手段。但是采用車種代用策略由于代用之后的裝載加固、加裝篷布等會(huì)產(chǎn)生車種代用費(fèi)用。鐵路部門車種代用費(fèi)用表示如下：

未被滿足的貨運(yùn)需求所造成的損失。與運(yùn)輸需求相比，鐵路某些貨車車輛資源屬于相對(duì)短缺資源。貨主向鐵路運(yùn)輸企業(yè)提報(bào)的請(qǐng)求車計(jì)劃不可能全部滿足。此時(shí)，鐵路運(yùn)輸企業(yè)并未滿足的運(yùn)輸需求的狀況相比于滿足該部分貨運(yùn)需求時(shí)造成了損失。為簡(jiǎn)化模型，將未被滿足的運(yùn)輸需求對(duì)鐵路運(yùn)輸企業(yè)所造成的損失近似看作貨物的運(yùn)價(jià)部分。該部分在目標(biāo)函數(shù)中表示如下：

當(dāng)重車全部到達(dá)目的地卸車為空車后，需要向空車需求站進(jìn)行空車的排空。然而，在現(xiàn)實(shí)情況下一日中裝車站對(duì)于各類空車的需求有一個(gè)時(shí)間窗的約束，即該裝車站對(duì)于某種貨物的裝車需要在一個(gè)時(shí)段內(nèi)，若空車提前到達(dá)則會(huì)在該站進(jìn)行存儲(chǔ)，從而產(chǎn)生空車存儲(chǔ)費(fèi)用；若空車延遲到達(dá)貨物則會(huì)繼續(xù)占用倉(cāng)庫(kù)從而產(chǎn)生額外的倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用；只有當(dāng)空車到達(dá)時(shí)間在一定的時(shí)間段內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生以上所描述的費(fèi)用。所以，對(duì)于本文空車調(diào)整模型引入空車需求時(shí)間窗要素，該要素有兩項(xiàng)構(gòu)成分別是空車提前到達(dá)的空車存車費(fèi)用和空車延誤到達(dá)的貨物倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用，表示如下：

將上述目標(biāo)函數(shù)各項(xiàng)與約束條件結(jié)合起來，構(gòu)成考慮鐵路運(yùn)輸企業(yè)營(yíng)業(yè)收入最大化的鐵路空車調(diào)整計(jì)劃優(yōu)化模型：

2 結(jié) 論

本文提出了在節(jié)點(diǎn)車流平衡約束、空車車流直達(dá)約束、貨運(yùn)計(jì)劃約束、鐵路貨車保有量約束、車站空車供給能力約束的條件下，并考慮車種代用因素與裝車站空車需求時(shí)間窗因素，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為路局營(yíng)業(yè)收入最大化。從而能夠進(jìn)一步適應(yīng)鐵路以市場(chǎng)為中心的貨運(yùn)組織改革，節(jié)省運(yùn)輸成本，提高運(yùn)輸效益。對(duì)提高鐵路貨運(yùn)部門服務(wù)質(zhì)量與服務(wù)水平都有積極地促進(jìn)作用。

[1] 張紅斌，董寶田，孫遠(yuǎn)運(yùn).基于能力約束的多車種空車動(dòng)態(tài)調(diào)整方法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,40(6):50-56.

[2] 曲思源.不均衡運(yùn)輸條件下車流調(diào)整的優(yōu)化[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2007,29(2):41-53.

[3] 鐵道部.鐵路運(yùn)輸調(diào)度規(guī)則[Z].2005.

[4] 譚云江.路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間空車調(diào)配模型與算法研究[D].成都：西南交通大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2006.

[5] 王都，閆海峰，譚云江.路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間鐵路冷藏車空車調(diào)整的蟻群算法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2008,29(2):131-135.

[6] Paolo Toth,Daniele Vigo.An Overview of Vehicle Routing Problems[C]//The vehicle routing problem,2002:1-26.

[7] 鐵道部科學(xué)技術(shù)研究所.國(guó)外鐵路[Z].1991.

[8] 王占國(guó)，何瑩.我國(guó)鐵路敞車運(yùn)用[J].中國(guó)鐵路，1999(12):35-36.