基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)研究

游艷雯

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京?100081)

0 引言

編組站是全國(guó)鐵路網(wǎng)車流的重要集散點(diǎn)，主要任務(wù)是解編車流，即大量解體和編組各種列車[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)鐵路運(yùn)輸整體在技術(shù)站停留時(shí)間占全程運(yùn)輸時(shí)間(包括貨物在裝卸站停留時(shí)間、貨車在技術(shù)站停留時(shí)間、貨物列車旅行時(shí)間)的1/3左右。由此可見，編組站運(yùn)營(yíng)效率的高低直接關(guān)系到整個(gè)路網(wǎng)的生產(chǎn)效率和效益水平。

既有研究成果中，謝海紅等[3]認(rèn)為辦理車數(shù)、中時(shí)、解編車列數(shù)、停時(shí)、超編組計(jì)劃(技術(shù))直達(dá)列車、始發(fā)正點(diǎn)率等生產(chǎn)性指標(biāo)是反映編組站生產(chǎn)業(yè)績(jī)、作業(yè)組織水平和生產(chǎn)效率方面的指標(biāo)；余少鶴等[4]應(yīng)用因素分析理論，分析編組站運(yùn)營(yíng)指標(biāo)構(gòu)成因素對(duì)其變化的影響規(guī)律，通過選取多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用主成分分析法對(duì)若干編組站運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行分析，得出貨車工作量和中轉(zhuǎn)車運(yùn)用效率是衡量編組站運(yùn)營(yíng)績(jī)效的主要因素；張?zhí)靷5]利用模糊評(píng)判方法，選取有調(diào)中轉(zhuǎn)車停留時(shí)間、車站能力利用率和車站運(yùn)營(yíng)可靠性3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)編組站運(yùn)營(yíng)效果；鄧煜陽[6]、張桂華[7]、高宇虹[8]根據(jù)編組站的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)性，將編組站指標(biāo)分為輸入、輸出指標(biāo)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析研究編組站運(yùn)營(yíng)效率。

路網(wǎng)性編組站位于多條干線的交叉點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)較普通編組站略有不同。車站工作報(bào)告(運(yùn)站報(bào)-12)作為目前編組站的運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基本涵蓋了編組站運(yùn)輸生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法建立路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)模型，分析運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)結(jié)果，為優(yōu)化編組站運(yùn)營(yíng)效率提供研究依據(jù)。

1 我國(guó)路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

由于運(yùn)輸組織變化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，鐵路生產(chǎn)力布局進(jìn)一步調(diào)整，目前我國(guó)已經(jīng)形成40個(gè)重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)編組站的總體格局，按其在路網(wǎng)中的地位和作用，包括路網(wǎng)性編組站13個(gè)、區(qū)域性編組站11個(gè)、地方性編組站16個(gè)。全路重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)編組站布局及主要銜接線路如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)[9]，2016年，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)編組站日均辦理車數(shù)511 965輛，其中有調(diào)中轉(zhuǎn)辦理車數(shù)281 837輛，無調(diào)中轉(zhuǎn)辦理車數(shù)223 822輛，無調(diào)比重基本保持在42%的水平；中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間6.9 h，其中有調(diào)中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間10.7 h，無調(diào)車中轉(zhuǎn)停留時(shí)間1.86 h。

路網(wǎng)性編組站是位于路網(wǎng)、樞紐地區(qū)的重要地點(diǎn)，承擔(dān)大量中轉(zhuǎn)車流改編作業(yè)，編組大量技術(shù)直達(dá)和直通列車的大型編組站[10]。目前13個(gè)路網(wǎng)性編組站分別是：位于京廣線(北京—廣州)上的豐臺(tái)西、鄭州北、武漢北站，京滬線(北京—上海)上的濟(jì)西、南京東站，隴海線(蘭州—連云港)上的蘭州北、新豐鎮(zhèn)站，京哈線(北京—哈爾濱)上的蘇家屯、哈爾濱南站，京九線(北京—香港)上的向塘西站和滬昆線(上?！ッ?上的貴陽南站，焦柳線(焦作—柳州)上的襄陽北站和襄渝線(襄樊—重慶)上的興隆場(chǎng)站。日均辦理車數(shù)、日均解編列數(shù)、中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間是編組站重要的作業(yè)考核指標(biāo)，根據(jù)《全國(guó)鐵路統(tǒng)計(jì)資料匯編》[11]進(jìn)行聚類分析可以初步掌握編組站的運(yùn)營(yíng)水平，其中路網(wǎng)性編組站情況如下。

（1）新豐鎮(zhèn)站是陜煤、疆煤外運(yùn)通道上的重要樞紐節(jié)點(diǎn)，豐臺(tái)西站是華北地區(qū)鐵路車輛的主要集散地和晉煤外運(yùn)的主要通道，鄭州北站主要承擔(dān)南北京廣、東西隴海4個(gè)方向貨物列車中轉(zhuǎn)作業(yè)，3個(gè)編組站日均辦理車數(shù)在20 000輛以上，有調(diào)車數(shù)在14 000輛以上，無調(diào)比重為40%左右，日均解編列數(shù)在300列左右，中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間處于中等水平，約7 h。

（2）濟(jì)西、蘇家屯、襄陽北、武漢北4個(gè)編組站分別處于京滬線、京哈線、焦柳線、京廣線的大型鐵路樞紐內(nèi)，主要是對(duì)各干線間列車及大量零散車流的交換，日均辦理車數(shù)為16 000 ～ 20 000輛，有調(diào)車數(shù)為9 000 ～ 12 000輛，無調(diào)比重為40%左右，日均解編列數(shù)在200列左右，中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間較短，約5 h。

（3）蘭州北、哈爾濱南、向塘西、貴陽南、南京東5個(gè)編組站分別位于隴海線、京哈線、京九線、滬昆線、京滬線等主要干線兩端，日均辦理車數(shù)為 10 000 ～ 16 000 輛，有調(diào)車數(shù)為 7 000 ～ 12 000輛，無調(diào)比重為23%左右，中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間處于中等水平，約7 h。其中，蘭州北、貴陽南站日均解編列數(shù)在250列左右，哈爾濱南、向塘西站日均解編列數(shù)在200列左右，南京東站日均解編列數(shù)在150列左右。

圖1 全路重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)編組站布局及主要銜接線路Fig.1 Layout and main connecting lines of key statistical marshalling yards

（4）興隆場(chǎng)是西南地區(qū)最大的編組站，為西南地區(qū)貨物列車匯集中心，目前日均辦理車數(shù)在8000輛左右，中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間較長(zhǎng)，約9 h，日均解編列數(shù)在150列左右，無調(diào)比重低，僅10%左右是限制其運(yùn)輸效率的主要原因。

2 基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)分析

2.1 建立評(píng)價(jià)模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)是以相對(duì)效率概念為基礎(chǔ)，用于評(píng)價(jià)具有相同類型的多投入、多產(chǎn)出的決策單元(DMU)是否技術(shù)有效的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法[12]，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是不受計(jì)量單位影響，不需要事先對(duì)各計(jì)量單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；二是指標(biāo)權(quán)重的確定完全依賴客觀數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確；三是對(duì)于非有效決策單元，可以為運(yùn)營(yíng)主體提供具體的調(diào)整方向及調(diào)整值。當(dāng)投入和產(chǎn)出指標(biāo)較多時(shí)，可能導(dǎo)致大量決策單元有效，因而指標(biāo)數(shù)不應(yīng)超過決策單元數(shù)的一半。C2R模型和BC2模型是DEA最具代表性的2種模型，結(jié)合使用可以得出更加豐富的信息。

（1）C2R模型適用于規(guī)模收益不變的情況，刻畫決策單元的技術(shù)效率，可進(jìn)一步分解成純技術(shù)效率和規(guī)模效率兩者的乘積?；诋a(chǎn)出導(dǎo)向的C2R模型如下。

式中：θ為目標(biāo)決策單元輸入的權(quán)系數(shù)；ε為一個(gè)常量，表示非阿基米德無窮小；e^和e為單位向量；s-表示輸入的松弛變量，s-≥0；s+表示輸出的松弛變量，s+≥0；λj為第j個(gè)決策單元的權(quán)重變量，λj≥0；xj為第j個(gè)決策單元的輸入；x0為目標(biāo)決策單元的輸入；yj為第j個(gè)決策單元的輸出；y0為目標(biāo)決策單元的輸出；j= 1，2，…，n。

假設(shè)公式 ⑴ 最優(yōu)解為θ*，λ*。其中，①當(dāng)θ*= 1，表示 DMU 技術(shù)有效；θ*＜ 1，表示 DMU 技術(shù)無效。表示規(guī)模收益遞增表示規(guī)模收益不變表示規(guī)模收益遞減。

（2）BC2模型適用于規(guī)模收益可變的情況，生產(chǎn)可能集的構(gòu)成不滿足錐性的公理假設(shè)，僅刻畫決策單元的純技術(shù)效率。BC2模型是在C2R模型的基礎(chǔ)上增加了凸性假設(shè)，基于產(chǎn)出導(dǎo)向的BC2模型如下。

假設(shè)公式⑷最優(yōu)解為θ'*，如果θ'*= 1，表示DMU純技術(shù)有效；θ'*＜ 1，表示DMU純技術(shù)無效。

（3）評(píng)價(jià)結(jié)果。如果技術(shù)有效，表明該企業(yè)既沒有因投入多余而造成資源使用上的浪費(fèi)，也沒有因產(chǎn)出不足而造成資源分配上的效率損失，說明該決策單元資源配置狀態(tài)相對(duì)合理；如果技術(shù)無效，則表明該企業(yè)沒有達(dá)到資源最優(yōu)配置狀態(tài)。如果純技術(shù)有效，表明該企業(yè)具有較強(qiáng)的技術(shù)水平和管理素質(zhì)，企業(yè)內(nèi)部管理水平較高，有助于企業(yè)獲得較好的經(jīng)營(yíng)效率；如果純技術(shù)無效，表明該企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理還不十分成熟，內(nèi)部控制不穩(wěn)定。如果規(guī)模有效，表明該企業(yè)投入的規(guī)模既不偏小也不偏大，“偏大”指當(dāng)投入成倍增大時(shí)，產(chǎn)出增長(zhǎng)倍數(shù)會(huì)低于投入；“偏小”指當(dāng)投入成倍增大時(shí)，產(chǎn)出增長(zhǎng)倍數(shù)會(huì)高于投入；如果規(guī)模無效，需要根據(jù)規(guī)模報(bào)酬所處階段(遞減或遞增)改善規(guī)模以提升效率。處于規(guī)模報(bào)酬遞減階段，表示該決策單元有過多的投入，應(yīng)縮減規(guī)模以達(dá)到最佳規(guī)模狀態(tài)；處于規(guī)模報(bào)酬遞增階段，表示該決策單元投入不足，應(yīng)擴(kuò)大規(guī)模以達(dá)到最佳規(guī)模狀態(tài)。

2.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

編組站由到達(dá)場(chǎng)、駝峰、調(diào)車場(chǎng)、牽出線、出發(fā)場(chǎng)及相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備組成，共同完成列車的到達(dá)、解體、集結(jié)、編組和出發(fā)作業(yè)[1]。路網(wǎng)性編組站重點(diǎn)完成車列解、編和車輛集結(jié)作業(yè)，因而參考目前主要編組站統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，從生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)投入3個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

按照DEA模型要求，首先將編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)分為輸入指標(biāo)和輸出指標(biāo)，其次考慮到模型對(duì)指標(biāo)個(gè)數(shù)的要求，遵循指標(biāo)選取原則，一是選取的指標(biāo)能夠反映評(píng)價(jià)目的和內(nèi)容，二是避免選取指標(biāo)之間出現(xiàn)較強(qiáng)的線性關(guān)系，三是考慮指標(biāo)的多樣性、可獲得性和全面性，最終確定基于DEA的路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)模型的輸入指標(biāo)為編組站站型、無調(diào)比重、調(diào)車機(jī)臺(tái)數(shù)，輸出指標(biāo)為日均辦理車數(shù)、中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間、日均解編列數(shù)，不同編組站的站型值[6]如表1所示。

圖2 路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of operation efficiency of railway network marshalling yards

3 案例分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

決策單元為編號(hào)A—M的13個(gè)路網(wǎng)性編組站，由于輸入指標(biāo)為越小越好的指標(biāo)，輸出指標(biāo)為越大越好的指標(biāo)，因而無調(diào)比重和中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間為逆指標(biāo)，用倒數(shù)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 不同編組站的站型值Tab.1 Yard type values of different marshalling yards

表2 路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)Tab.2 Original data of operation efficiency evaluation index of railway network marshalling yard

3.2 基本效率分析

經(jīng)過Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，輸入指標(biāo)與輸出指標(biāo)間存在因果關(guān)系，符合DEA方法對(duì)輸入輸出指標(biāo)的要求。利用MATLAB中Linprog函數(shù)求解產(chǎn)出導(dǎo)向型C2R模型和BC2模型，編組站運(yùn)營(yíng)效率測(cè)算結(jié)果如表3所示。

表3 編組站運(yùn)營(yíng)效率測(cè)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of operation efficiency of marshalling yard

由表3可知，決策單元B，C，F(xiàn)，G，H，I，M的技術(shù)效率值、純技術(shù)效率值、規(guī)模效率值均為1，表明這些決策單元技術(shù)效率、純技術(shù)效率、規(guī)模效率有效，應(yīng)總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)繼續(xù)保持。決策單元A，K，L的技術(shù)效率值、純技術(shù)效率值、規(guī)模效率值均小于1，表明技術(shù)效率、純技術(shù)效率、規(guī)模效率無效，且處于規(guī)模報(bào)酬遞增階段，應(yīng)擴(kuò)大規(guī)模以達(dá)到最佳規(guī)模狀態(tài)，同時(shí)注意內(nèi)部管理水平。決策單元D，E，J技術(shù)效率值、純技術(shù)效率值、規(guī)模效率值均小于1，表明這些決策單元技術(shù)效率、純技術(shù)效率及規(guī)模效率無效，且處于規(guī)模報(bào)酬遞減階段，應(yīng)縮減規(guī)模以達(dá)到最佳規(guī)模狀態(tài)，同時(shí)注意內(nèi)部管理水平。

3.3 松弛變量分析

根據(jù)投影原理對(duì)非DEA有效的決策單元進(jìn)行分析，結(jié)合投入、產(chǎn)出松弛變量的求解，得出非DEA有效決策單元的目標(biāo)值如表4所示。

對(duì)于非DEA有效的決策單元，可以通過3種方式調(diào)整其投入、產(chǎn)出，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橛行卧Ｒ皇窃诋a(chǎn)出保持不變的情況下減少投入；二是在投入保持不變的情況下增大產(chǎn)出；三是減少投入的同時(shí)也增大產(chǎn)出。以決策單元A為例，如果想達(dá)到資源配置效率最大化，由于在投入中存在調(diào)車機(jī)浪費(fèi)，應(yīng)減少調(diào)車機(jī)2臺(tái)，同時(shí)優(yōu)化車流結(jié)構(gòu)，增加無調(diào)比重至46.4%；總支出中日均辦理車數(shù)、日均解編列數(shù)分別提高74.43%，36.04%，中轉(zhuǎn)車平均停留時(shí)間降低36.04%。但是，決策單元A處于規(guī)模報(bào)酬遞增階段，減少投入是不符合效率原則的，因而后續(xù)改進(jìn)策略應(yīng)以提高內(nèi)部管理水平、彌補(bǔ)產(chǎn)出為主，無需降低投入，決策單元K，L相同。而決策單元D，E，J處于規(guī)模報(bào)酬遞減階段，從效率角度考慮不宜繼續(xù)增加投入規(guī)模而應(yīng)更加注重調(diào)整運(yùn)營(yíng)策略，增加產(chǎn)出。

表4 非DEA有效決策單元的目標(biāo)值Tab.4 Target value of non DEA effective decision unit

4 結(jié)束語

編組站是位于鐵路網(wǎng)的干線節(jié)點(diǎn)，集中辦理大量列車解編作業(yè)的車站，其中路網(wǎng)性編組站一般位于鐵路網(wǎng)中多條主要干線的交叉點(diǎn)，銜接多條線路，在提升鐵路運(yùn)輸效率效益方面發(fā)揮著重要作用。基于DEA建立的路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率評(píng)價(jià)模型，可以客觀地評(píng)價(jià)各編組站運(yùn)營(yíng)效率，通過松弛變量分析得到具體的調(diào)整方向，最終目標(biāo)要實(shí)現(xiàn)技術(shù)效率、純技術(shù)效率及規(guī)模效率均有效，即資源配置及內(nèi)部管理水平最優(yōu)。另外，還應(yīng)通過對(duì)投入產(chǎn)出指標(biāo)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，分析今后路網(wǎng)性編組站運(yùn)營(yíng)效率情況，為鐵路運(yùn)輸企業(yè)提供參考價(jià)值。