考慮鐵路貨場(chǎng)繁忙度與成本的樞紐內(nèi)貨運(yùn)調(diào)度決策研究

謝如鶴， 喻佩云， 黃祖慶， 程彩霞， 韓煒城

(廣州大學(xué) 物流與運(yùn)輸研究所，廣東 廣州 510006)

0 引言

為了深化運(yùn)輸供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，完善運(yùn)輸保障機(jī)制，推動(dòng)運(yùn)輸組織創(chuàng)新，鐵路貨運(yùn)需要提高調(diào)度水平[1]。目前，貨運(yùn)調(diào)度計(jì)劃很大程度上取決于調(diào)度人員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)判斷[2]。為了優(yōu)化鐵路貨運(yùn)調(diào)度，Markus 等[3]運(yùn)用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化列車編組問題，考慮列車的發(fā)到時(shí)間及其他相關(guān)條件，再選擇合適的調(diào)度方法；趙紀(jì)偉等[4]在闡述貨場(chǎng)的取送車、裝卸作業(yè)、貨位及搬運(yùn)4 種作業(yè)能力的基礎(chǔ)上，引入調(diào)車不均衡系數(shù)，提出貨場(chǎng)能力補(bǔ)償方案。已有研究較多集中于貨場(chǎng)作業(yè)中部分能力的優(yōu)化，較少將作業(yè)能力用于分析貨場(chǎng)整體的運(yùn)作效率，也缺少對(duì)貨運(yùn)成本的分析與考量。鐵路貨場(chǎng)的各項(xiàng)作業(yè)情況不僅能反映貨場(chǎng)運(yùn)作效率，而且也可以作為調(diào)度的判斷條件。研究當(dāng)樞紐內(nèi)有重車積壓(或貨場(chǎng)堵塞)時(shí)，通過繁忙度指標(biāo)分析不同貨場(chǎng)中的取送能力、裝卸能力、搬運(yùn)能力和貨位能力的情況，由成本分析篩選出合適的重車卸車地點(diǎn)，最終決定是否變更卸車貨場(chǎng)則由貨主決定。該方法依托實(shí)時(shí)貨運(yùn)信息，輔助調(diào)度人員篩選出合適的作業(yè)貨場(chǎng)，促進(jìn)貨場(chǎng)資源合理高效利用，從而提高鐵路貨物運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量。

1 鐵路貨場(chǎng)決策分析及調(diào)度模型構(gòu)建

1.1 繁忙度分析

1.1.1 繁忙度的含義及計(jì)算公式

鐵路貨場(chǎng)中各項(xiàng)作業(yè)的作業(yè)時(shí)間目前沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于以往研究成果，選取鐵路貨場(chǎng)的取送、裝卸、搬運(yùn)和貨位4 項(xiàng)作業(yè)能力，將繁忙度指標(biāo)定義為貨場(chǎng)的某項(xiàng)作業(yè)在一定時(shí)間內(nèi)的作業(yè)量與該項(xiàng)作業(yè)能力的理論最大值的比值[5]。貨場(chǎng)作業(yè)能力與繁忙度計(jì)算公式如表1 所示。

其中Nqmax，Nzmax，Nbmax，Nhmax為各項(xiàng)作業(yè)能力的理論最大值，在此選擇繁忙度最大的一項(xiàng)作為整個(gè)貨場(chǎng)的繁忙度δ。

1.1.2 繁忙度等級(jí)劃分

為了更好地評(píng)價(jià)鐵路貨場(chǎng)的運(yùn)作效率，將貨場(chǎng)各項(xiàng)作業(yè)能力的繁忙程度分為不繁忙、一般繁忙、比較繁忙、非常繁忙4 個(gè)等級(jí)。繁忙度指標(biāo)等級(jí)如表2所示。

1.2 成本分析

成本分析是通過測(cè)算原貨場(chǎng)和備選貨場(chǎng)的各項(xiàng)成本發(fā)生項(xiàng)，比選確定出調(diào)度總成本產(chǎn)生最小的貨場(chǎng)，幫助貨主決策。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]，將貨車延誤時(shí)產(chǎn)生的費(fèi)用分為作業(yè)成本、等待成本和運(yùn)輸成本。成本分析中各項(xiàng)作業(yè)的參數(shù)及定義如表3 所示。

1.2.1 原貨場(chǎng) j 的成本

貨車在不同運(yùn)行階段，成本可以分為發(fā)到、中轉(zhuǎn)和貨車運(yùn)行作業(yè)成本。結(jié)合表1 的各項(xiàng)作業(yè)，假設(shè)各貨場(chǎng)的固定成本相對(duì)不變，作業(yè)費(fèi)率不同，計(jì)算原貨場(chǎng)j的作業(yè)成本Yj為

表1 貨場(chǎng)作業(yè)能力與繁忙度計(jì)算公式Tab.1 Freight yard operation capacity and busy degree calculation formula

表2 繁忙度指標(biāo)等級(jí)Tab.2 Coefficient of the busy degree

表3 參數(shù)及定義Tab.3 The parameters and the definitions

原貨場(chǎng)j的等待成本Cj為

原貨場(chǎng)j的運(yùn)輸成本Tj[8]為

綜上，原貨場(chǎng)j的調(diào)度總成本Zj為

1.2.2 備選貨場(chǎng) i 的成本

當(dāng)貨主選擇往備選貨場(chǎng)i(i= 1，2，…，n)調(diào)運(yùn)時(shí)，計(jì)算備選貨場(chǎng)的作業(yè)成本Yi為

貨場(chǎng)i的等待成本Ci為

貨車從編組站到備選貨場(chǎng)i的運(yùn)輸成本Ti為

綜上，備選貨場(chǎng)i的調(diào)度總成本Zi為

1.3 調(diào)度模型建立

鐵路貨車調(diào)度，需要滿足分層分級(jí)管理、集中統(tǒng)一指揮的原則，具體細(xì)則如下。①在運(yùn)輸工作的日常計(jì)劃中，編組站及區(qū)段站需要及時(shí)收集到達(dá)列車預(yù)、確報(bào)，掌握車流變化，正確推算現(xiàn)車和相關(guān)指標(biāo)，按階段向鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所匯報(bào)車流和車站作業(yè)情況。②當(dāng)計(jì)劃組織無(wú)法有效完成卸車任務(wù)時(shí)，應(yīng)先向上級(jí)匯報(bào)，在收到指令后進(jìn)行合理的調(diào)度作業(yè)，從而確保貨場(chǎng)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。③變更到達(dá)車站(貨場(chǎng))時(shí)，應(yīng)確保車流通暢，不同貨場(chǎng)之間的調(diào)度需要在貨物運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)考核指標(biāo)達(dá)標(biāo)的前提下進(jìn)行。

基于上述鐵路貨場(chǎng)繁忙度分析、成本分析及調(diào)度原則，構(gòu)建單目標(biāo)規(guī)劃函數(shù)，選取最為合適的調(diào)度貨場(chǎng)，構(gòu)建模型如下。

式中：δj為原計(jì)劃貨場(chǎng)j的繁忙度；δi為備選貨場(chǎng)i的繁忙度。

2 算例分析

2.1 調(diào)度決策邏輯框架圖

綜合上述鐵路調(diào)度基本原則和鐵路貨場(chǎng)決策分析及調(diào)度模型，假定貨車停留時(shí)間、線路占用情況、兩端站區(qū)間狀況均符合調(diào)度車流計(jì)劃性原則。鐵路局集團(tuán)公司根據(jù)列車運(yùn)行圖顯示的情況，充分了解線路的運(yùn)輸效率，判斷備選線路是否滿足調(diào)度條件，在貨場(chǎng)各項(xiàng)要求滿足調(diào)度原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鐵路貨車調(diào)度決策分析。

調(diào)度邏輯思路如下：①判斷是否符合調(diào)度原則及運(yùn)輸效率等情況，當(dāng)滿足原則后進(jìn)入下一步。②繁忙度分析。在鐵路貨運(yùn)計(jì)劃中，假設(shè)以原貨場(chǎng)的繁忙程度大于0.8，備選貨場(chǎng)的繁忙度小于0.6 為閾值(此閾值可以根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整)，判斷是否需要進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)貨場(chǎng)各項(xiàng)繁忙程度未超出臨界值時(shí)，按照原計(jì)劃作業(yè)；否則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。③成本分析。以鐵路調(diào)度總成本最小為目標(biāo)，按照模型分別計(jì)算鐵路貨車的作業(yè)成本、等待成本和運(yùn)輸成本，篩選出調(diào)度的目標(biāo)貨場(chǎng)。④詢問貨主的意見，進(jìn)行貨運(yùn)安排。

鐵路貨場(chǎng)調(diào)度邏輯框架如圖1 所示。

2.2 繁忙度計(jì)算

根據(jù)上述貨場(chǎng)調(diào)度邏輯框架，首先應(yīng)分析繁忙度，決定是否調(diào)整調(diào)度貨場(chǎng)。現(xiàn)假定貨車行駛至某編組站時(shí)，得出原計(jì)劃貨場(chǎng)x及樞紐內(nèi)的備選貨場(chǎng)x1，x2，x3的取送繁忙度δq、裝卸繁忙度δz、搬運(yùn)繁忙度δb和貨位繁忙度δh。原計(jì)劃貨場(chǎng)(x)及備選貨場(chǎng)(x1，x2，x3)的繁忙度如表4 所示。

由表4 數(shù)據(jù)可知，該狀況下原貨場(chǎng)x的繁忙度為0.81，狀態(tài)為“非常繁忙”，需要進(jìn)行調(diào)度。備選貨場(chǎng)x1的繁忙度為0.50，狀態(tài)為“一般繁忙”；貨場(chǎng)x2的繁忙度為0.41，狀態(tài)為“不繁忙”；貨場(chǎng)x3的繁忙度0.60，狀態(tài)為“比較繁忙”。3 個(gè)貨場(chǎng)的運(yùn)作情況均符合調(diào)度備選條件，因此再對(duì)x，x1，x2，x34 個(gè)貨場(chǎng)做進(jìn)一步的成本分析。

2.3 成本計(jì)算

圖1 鐵路貨場(chǎng)調(diào)度邏輯框架Fig.1 Logical diagram of railway freight yard dispatching

表4 原計(jì)劃貨場(chǎng)(x)及備選貨場(chǎng)(x1，x2，x3)的繁忙度Tab.4 Busy degree of the original freight yards (x) and optional ones (x1, x2, x3)

按照調(diào)度邏輯框架進(jìn)行繁忙度測(cè)算后，進(jìn)行成本分析。已知貨車總數(shù)為10 車，貨車的平均靜載重為30 t/車。此時(shí)貨車運(yùn)至編組站，貨車距離原貨場(chǎng)x為5 km，距離備選貨場(chǎng)x1，x2，x3分別為9.5 km，13.3 km 和13.8 km。鐵路樞紐貨場(chǎng)相對(duì)位置如圖2 所示。其中，貨場(chǎng)x的作業(yè)費(fèi)率為8.51 元/t，貨場(chǎng)x1，x2，x3的作業(yè)費(fèi)率分別9 元/t、8.17 元/t 和8.77 元/t。為便于研究，假設(shè)各貨場(chǎng)作業(yè)的固定成本相同，此處忽略不計(jì)。由于原計(jì)劃調(diào)度貨場(chǎng)的繁忙程度為0.81 (非常繁忙)，存在延遲，延遲費(fèi)率為10 元/ (車·h)，貨車停留在原貨場(chǎng)的等待時(shí)間為5 h。貨車調(diào)至貨場(chǎng)x1，x2，x3的等待時(shí)間分別為2 h，1 h，3 h。假設(shè)運(yùn)輸費(fèi)用中，發(fā)到基價(jià)為5.4 元/t，運(yùn)行基價(jià)為0.027 6 元/ (t·km)。

圖2 鐵路樞紐貨場(chǎng)相對(duì)位置Fig.2 Relative position of railway freight yards in hub

按照調(diào)度模型的對(duì)應(yīng)公式，由公式(1)可以計(jì)算原貨場(chǎng)作業(yè)成本Y為2 553 元。由公式(5)可得x1，x2，x3的作業(yè)成本為2 700 元、2 451 元和2 631 元。

由公式(2)可以計(jì)算原貨場(chǎng)的等待成本C為500元。由公式(6)可知備選貨場(chǎng)x1，x2，x3的等待成本分別為200 元、100 元和 300 元。

由公式(3) 可計(jì)算原貨場(chǎng)的運(yùn)輸成本T為1 661.40 元。由公式(7) 可算出備選貨場(chǎng)x1，x2，x3的運(yùn)輸成本為1 698.66 元、1 730.12 元和1 734.26 元。

由公式(4)和(8)可以計(jì)算出各貨場(chǎng)的調(diào)度總成本Z，其中貨場(chǎng)x2的調(diào)度總成本最小，為4 281.12 元。進(jìn)一步地，征求貨主意見；當(dāng)貨主同意調(diào)度時(shí)，選擇x2作為調(diào)度貨場(chǎng)。當(dāng)貨主不同意調(diào)度時(shí)，在原貨場(chǎng)x等待。貨場(chǎng)各項(xiàng)成本及調(diào)度總成本如表5 所示。

表5 貨場(chǎng)各項(xiàng)成本及調(diào)度總成本 元Tab.5 Various costs and overall dispatching cost of the freight yard

3 結(jié)論

（1）研究引入繁忙度的指標(biāo)及計(jì)算公式，通過計(jì)算貨場(chǎng)的取送、裝卸、搬運(yùn)和貨位能力，確定貨場(chǎng)整體的運(yùn)作狀況。運(yùn)用成本分析法計(jì)算鐵路貨車的作業(yè)、等待及運(yùn)輸成本，以此構(gòu)建調(diào)度模型，形成調(diào)度邏輯框架，將貨場(chǎng)的繁忙度和成本分析作為調(diào)度決策的判決條件，幫助調(diào)度人員篩選出合適的貨場(chǎng)，減少貨車積壓和等待時(shí)間，使貨場(chǎng)資源得到合理高效的利用，從而提高鐵路貨物運(yùn)輸效率。

（2）模型的構(gòu)建以運(yùn)輸線路通暢、日班計(jì)劃達(dá)到要求等多種假設(shè)為前提，對(duì)比貨場(chǎng)間的繁忙度和成本，僅適用于貨場(chǎng)間的調(diào)度決策。研究未考慮在裝卸車貨場(chǎng)已經(jīng)確定的情況下如何進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)調(diào)度，在后續(xù)研究中應(yīng)就優(yōu)化利用貨場(chǎng)能力、提高樞紐調(diào)度效率等進(jìn)一步完善研究?jī)?nèi)容。