高速鐵路動車組檢修資源 布局優(yōu)化研究

陳錦宗，何最新，王 瑩，李海鷹，錢繼磊

（1. 北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044；2. 中國國家鐵路集團有限公司 運輸統(tǒng)籌監(jiān)督局， 北京 100844；3. 北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；4.中國人民 解放軍 66172 部隊，河北 石家莊 050200)

0 引言

根據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2030 年，形成“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補充的發(fā)達完善的高速鐵路網(wǎng)。截至2018 年末，全國高速鐵路營業(yè)總里程達2.9 萬km，動車組保有量從2015 年的17 600 輛增加到26 000輛。2015 年至2018 年，既有線客車保有量保持在5 萬輛左右，趨于穩(wěn)定。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的逐步完善，輻射范圍不斷增加，將會持續(xù)刺激客運需求，動車組的運用量和保有量勢必增加，對動車段和動車運用所的運檢能力提出更高的要求。因此，優(yōu)化動車組的檢修資源布局，即動車段和動車運用所的布局，以適應路網(wǎng)發(fā)展。同時，為了充分利用既有設備、降低建設成本，考慮到既有旅客列車開行數(shù)量的減少，客車車輛段的管理能力出現(xiàn)富余，對利用客車車輛段延伸管理動車運用所提供了可能。

國內對動車組檢修資源的研究，主要集中在動車組運用檢修計劃的優(yōu)化和生產(chǎn)力布局調整后評價上，對動車段所的宏觀布局研究較少。例如，張正舟[1]對比分析我國客車整備和動車運用的聯(lián)系與區(qū)別；馬國友[2]介紹日本的動車基地情況，為國內動車組檢修資源布局提出建議；袁濤[3]建立基于自組織理論的評價模型來評價鐵路生產(chǎn)力的布局調整；鞏亮等[4]利用模糊綜合評價模型評價鐵路運輸生產(chǎn)力布局的調整；韓建成[5]對沈陽鐵路局的生產(chǎn)力布局調整情況進行評價；段志焱[6]利用統(tǒng)計學方法比選新線條件下車務系統(tǒng)的生產(chǎn)力布局調整方案；李成兵[7]總結鐵路生產(chǎn)力布局調整思路，利用雙層規(guī)劃模型優(yōu)化機車檢修布局；錢繼磊等[8]分析新線對檢修資源布局的影響，構建動車組運用檢修優(yōu)化模型，利用動車組最少需要數(shù)為指標比選不同的布局方案。研究針對發(fā)達完善路網(wǎng)條件下的動車組檢修需求，并考慮客車車輛段的富余能力，以動車段和動車運用所的綜合成本與動車組的運用成本最低為優(yōu)化目標，對動車組檢修資源的布局進行優(yōu)化研究。

1 高速鐵路動車組檢修資源布局現(xiàn)狀與分析

截至2019 年，全路18 個鐵路局集團公司共設12 個動車段和1 個動車客車段，共57 個動車運用所，每個動車段或動車客車段一般管理2 個及以上動車運用所，個別動車運用所由客車車輛段管理?？偨Y目前動車段、客車車輛段和動車運用所的管理現(xiàn)狀，可將動車組的管理模式分為以下5 類：一是在高速鐵路網(wǎng)發(fā)達的地區(qū)，設置1 個動車段和1 個動車客車段或2個動車段，以便更好地管理動車組；二是高速鐵路列車和既有線列車開行數(shù)量較均衡的鐵路局集團公司，設置1 個動車段和1 個客車車輛段，分別管理動車組和既有客車；三是鐵路局集團公司管轄范圍較大且既有線列車開行數(shù)量較多者，客車管理壓力較大，設置2 個甚至3 個客車車輛段和1 個動車段，以滿足車輛管理檢修需求；四是動車運用所由于距離區(qū)域內的動車段過遠，交由客車車輛段管理；五是高速鐵路里程不長、動車組配屬數(shù)量不多的鐵路局集團公司，基本不設置動車段，只設置1 個客車車輛段，并延伸管理管內的少數(shù)動車運用所。各鐵路局集團公司動車運用所管轄情況如表1 所示。

為充分利用既有設施設備、節(jié)約成本，當需要提高動車組檢修能力時，可采用的動車運用所布局方案有以下3 種。方案一：在原有動車運用所的基礎上擴能，管理模式不變。方案二：利用客車車輛段的富余能力，改擴建動車運用所，并交由客車車輛段管理。方案三：新建動車運用所，由區(qū)域內的動車段或臨近的客車車輛段管理。

考慮對既有資源與管理架構的利用，3 個方案的工程建設成本與管理成本逐個遞增，對動車組運用也會造成不同的影響。其中，方案一可在一定時期內提高動車組檢修能力，對動車組運用的影響最?。环桨付眉扔匈Y源改擴建動車運用所，節(jié)省資源的同時緩解檢修壓力，但客車車輛段的管理難度會增大，需要提高客車車輛段的管理水平；方案三新建動車運用所要求重新分配區(qū)域內的動車組檢修任務，對動車組開行方案與動車組交路的影響較大。改變動車運用所的布局或開通新線路，都會影響原有列車的開行路徑和組織模式，因而應結合鐵路網(wǎng)發(fā)展的階段性特征，提前進行布局優(yōu)化，合理配置發(fā)達完善路網(wǎng)條件下的檢修資源。

表1 各鐵路局集團公司動車運用所管轄情況Tab.1 Management situation of EMU depots of each Railway Group

2 高速鐵路動車組檢修資源布局優(yōu)化方法

通過構建動車組運用檢修接續(xù)網(wǎng)絡，建立動車組檢修資源布局優(yōu)化模型，根據(jù)近遠期規(guī)劃，定量計算在不同地點新建或改擴建動車運用所的綜合成本，從而得到該規(guī)劃條件下最優(yōu)的布局方案。

2.1 構建動車組運用檢修接續(xù)網(wǎng)絡

根據(jù)動車組運用檢修的特點，可將動車組檢修資源布局優(yōu)化問題轉化為一類基于多基地車輛路徑運用的基地選址問題，即對一系列需求點(需開行的列車)，在滿足車輛行駛距離等約束(動車組檢修周期約束)的條件下，組織一定數(shù)量的車輛(動車組)從基地(動車運用所)出發(fā)，有序地訪問若干需求點后返回相應的基地，使得目標函數(shù)最小的過程，從而根據(jù)選擇的備選基地確定最優(yōu)的基地選址。

在構建動車組運用檢修接續(xù)網(wǎng)絡時，把“運用所—運輸任務需求—運輸任務或接續(xù)關系”的相互關聯(lián)關系構造描述為“車庫—運輸需求—路徑弧”的邏輯網(wǎng)絡。具體抽象化描述如下。將1 組具有相同起訖點的列車抽象為1 段運輸需求弧，列車開行數(shù)量為該弧的運輸需求量；為每個列車起訖點車站建立列車出發(fā)節(jié)點和列車到達節(jié)點，以區(qū)分列車運輸任務弧和列車接續(xù)弧；將1 個動車運用所視為 1 個車庫。在此基礎上，以列車運輸任務弧和列車接續(xù)弧為路徑弧，建立動車組檢修運用接續(xù)網(wǎng)絡，具體步驟如下。

（1）建立車庫節(jié)點。為每個動車運用所和備選動車運用所建立車庫節(jié)點，每個車庫設有檢修能力上限。動車組必須在動車運用所進行檢修，備選動車運用所一般設置在具有大量始發(fā)終到動車組的車站附近，以避免過多的空車走行。

（2）建立運輸節(jié)點。將各個列車起訖點車站分為列車出發(fā)節(jié)點和列車到達節(jié)點，出發(fā)節(jié)點可作為動車組出段弧的終點、動車組運輸任務弧的起點和動車組接續(xù)弧的終點，到達節(jié)點可以作為運輸任務弧的終點、動車組入段弧的起點和動車組接續(xù)弧的起點。

（3）建立運輸路徑弧。首先，針對車庫節(jié)點，建立車庫節(jié)點與運輸節(jié)點間的動車組出段弧、動車組入段弧和空車走行弧，并建立起終點均為車庫節(jié)點的動車組停駐弧；其次，建立各列車起訖點對應的車站節(jié)點間的運輸任務弧；第三，根據(jù)動車組接續(xù)的約束條件，建立運輸任務間的接續(xù)弧。上述各弧均具有動車組走行里程和走行時間的時空屬性，對于運輸任務弧，還具備列車開行數(shù)量的屬性。

以甲、乙、丙3 個大型高速鐵路客運站為例，構建動車組運用檢修接續(xù)網(wǎng)絡如圖1 所示。圖1 中，正方形表示備選動車段所抽象而成的車庫節(jié)點；白底圓形和灰底圓形分別表示車站的出發(fā)節(jié)點和到達節(jié)點；由備選點到車站出發(fā)節(jié)點的灰色有向實線表示動車組出段??；由車站到達節(jié)點到備選點的灰色實線表示入段弧；由出發(fā)節(jié)點到到達節(jié)點的黑色有向實線代表列車任務弧；由到達節(jié)點到出發(fā)節(jié)點的黑色有向實線代表列車接續(xù)弧；由備選點到非相鄰的車站出發(fā)節(jié)點的灰色虛線表示空走出段弧；由各個備選點發(fā)出并回到備選點的虛線表示列車停駐弧；各個車站到達節(jié)點間的灰色虛線表示列車空走弧。由于各站之間均有較大的客流，為便于及時檢修始發(fā)終到的動車組列車，3 個客運站附近均設置備選動車段或動車運用所。

圖1 動車組運用檢修接續(xù)網(wǎng)絡Fig.1 Logic network of EMU operation and maintenance

2.2 構建動車組檢修資源布局優(yōu)化模型

在高速鐵路網(wǎng)絡逐步完善的過程中，客運需求和動車組檢修任務不斷增加并趨于穩(wěn)定，因而動車組檢修資源的布局優(yōu)化需要面向發(fā)達完善路網(wǎng)條件下趨于穩(wěn)定的需求配置和優(yōu)化檢修資源，其優(yōu)化目標如下。①動車組運用數(shù)量最少，充分利用檢修里程，避免由于檢修資源布局不合理導致提前檢修等情況，從而增加動車組購置成本和檢修成本。②動車段或動車運用所建設(新建或改擴建)與管理的綜合成本最小。③動車組空走里程最少，避免因檢修布局不合理帶來動車組運用成本的增加。

基于動車組運用檢修接續(xù)網(wǎng)絡，目標①可用出段弧被訪問的次數(shù)來表示各動車運用所的動車組運用數(shù)量，目標③可根據(jù)空走弧的訪問次數(shù)來計算。基于此，動車組檢修資源布局優(yōu)化模型可以表示 如下。

公式 ⑴ 是目標函數(shù)，表示動車組需要數(shù)、動車段或動車所的綜合成本、動車組空走距離之和最小；公式 ⑵ 表示所有的運輸需求都需要被滿足，完成所有運輸任務；公式 ⑶ 表示任意節(jié)點到達和出發(fā)的動車組數(shù)量保持一致；公式 ⑷ 和公式 ⑸ 分別表示動車組累計走行距離約束和累計走行時間約束，即檢修周期約束；公式 ⑹ 表示動車段或動車運用所檢修的動車組數(shù)量應不大于其檢修能力；公式 ⑺ 表示在一定時間范圍內，某動車組擔當運輸任務時，僅能從某動車段或動車運用所出段1 次；公式 ⑻ 表示每當有動車組在某備選動車段或動車運用所出段，則該備選點必須被選擇。

3 算例分析

以目前路網(wǎng)處于建設階段的某區(qū)域為研究對象，利用動車組檢修資源布局優(yōu)化模型，優(yōu)化近遠期動車段和動車運用所布局。該區(qū)域內現(xiàn)有7 個大型城市。其中，城市A，D，E 已建有動車段或動車運用所，城市C 設有客車車輛段。7 個城市間目前共開通7 條高速鐵路線路，預計到2025 年新開1 條線路，到2030 年再新開3 條線路，未來所有城市間全部連通，共11 條線路。結合客流的增長與分布情況、現(xiàn)有檢修資源布局情況，未來可以采用的方案有：在城市C 的客車車輛段擴建動車運用所，分別在城市B，E，G 新建動車運用所。該區(qū)域2025 年和2030 年的列車開行對數(shù)如表2 所示。

表2 該區(qū)域2025 年和2030 年列車開行對數(shù) 對/ dTab.2 Number of trains in this area in 2025 and 2030

對于既有資源改擴建為動車所與新建動車所這2種方案，在檢修能力和綜合成本上存在較大差異，前者可利用既有的土地資源、管理機構等，其綜合成本較低，但檢修能力往往較小。由于在不同城市新建(或改擴建)動車運用所的用地成本和管理成本等存在較大差異，并且該數(shù)據(jù)難以準確獲取，考慮到對模型求解的影響，僅對動車運用所的綜合成本進行粗略估算，用于體現(xiàn)動車運用所新建與改擴建的成本差異。檢修點的綜合成本與檢修能力如表3 所示。

表3 檢修點的綜合成本與檢修能力Tab.3 Comprehensive cost and maintenance capacity of the EMU depots

以不同城市間的距離、動車組運行時長為已知參數(shù)，采用CPLEX 軟件求解動車組檢修資源布局優(yōu)化模型。備選檢修點布局計算結果如表4 所示。

表4 備選檢修點布局計算結果Tab.4 Calculation result of the layout of the EMU depots

各動車段所檢修任務分工如表5 所示，動車組運用指標與綜合成本如表6 所示。

計算結果表明，為滿足該區(qū)域近遠期規(guī)劃的檢修需求，近期需要在城市B 新建動車運用所，遠期需要將城市C 的既有客車車輛段改擴建為動車運用所，分析原因如下。①動車組的檢修需求具有階段化特征。在路網(wǎng)建設的不同階段，動車組檢修需求不同。同時，鐵路工程設施的配套建設常常落后于路網(wǎng)建設，因而動車段和動車運用所的布局需要具有前瞻性，應適時新建動車運用所，以緩解動車組檢修能力緊張的問題。②提高檢修效率，降低動車組空走里程的需要。動車組空走里程是衡量動車運用檢修效率的重要指標，為降低動車組的空走里程，需要在有大量始發(fā)終到列車的車站附近設置動車運用所，以提高運行圖的兌換率和列車的準點率、降低運輸成本。

表5 各動車段所檢修任務分工 列/ dTab.5 Maintenance tasks division of each depot

表6 動車組運用指標與綜合成本Tab.6 Indicator of the EMU operation and overall costs

4 結束語

動車段和動車運用所的布局影響動車組的運用效率，進而影響整個路網(wǎng)的運輸效率。在高速鐵路網(wǎng)階段化發(fā)展的過程中，不同階段對動車組的檢修需求不同，對動車組檢修資源布局的要求也存在差異。研究提出的動車運用所布局方案與動車組檢修資源布局優(yōu)化模型，兼顧動車段和動車運用所管理建設成本及動車組運用檢修效率，注重對既有資源的利用，以及動車組檢修資源與路網(wǎng)建設的適配，能夠充分利用鐵路運輸設備的能力，適應我國不同路網(wǎng)發(fā)展階段和動車組修程修制改革的需求，為未來我國動車段所布局優(yōu)化調整提供參考。