包神鐵路能力計(jì)算與瓶頸識(shí)別疏解研究

關(guān) 達(dá)，石 磊，孔 亮，曹 瑞，楊育龍，趙 杰

（神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司 運(yùn)輸管理部，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

0 引言

包神鐵路(萬水泉南—神東)是神華集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡稱“神華集團(tuán)”)“西煤東運(yùn)”通道的重要組成部分，煤炭裝車量占神華集團(tuán)煤炭外運(yùn)裝車總量的60%以上。包神鐵路以東勝站為界，分為北線和南線。北線(萬水泉南—東勝)為電氣化單線區(qū)段，南線(東勝—神東)為電氣化雙線區(qū)段，其中南線運(yùn)輸能力較為緊張。隨著新準(zhǔn)鐵路(新街—點(diǎn)岱溝)、塔韓鐵路(塔河—韓家園)及甘泉鐵路(甘其毛都—萬水泉南)的修建，包神鐵路將逐步由現(xiàn)在的裝煤線轉(zhuǎn)變?yōu)樯袢A煤炭運(yùn)輸通道的核心干線，預(yù)計(jì)包神鐵路的運(yùn)輸需求量將進(jìn)一步增長，僅通過列車組織優(yōu)化挖掘潛在能力，難以滿足將來的貨運(yùn)需求，而如果對(duì)全線進(jìn)行改造擴(kuò)能，需要投入大量的人力物力，難以在短期內(nèi)收到成效，缺乏可行性和必要性。為此，研究包神鐵路通過能力計(jì)算方法，借鑒“瓶頸理論”識(shí)別包神鐵路通過能力瓶頸，研究突破能力瓶頸的方法，實(shí)現(xiàn)能力瓶頸轉(zhuǎn)移或疏解，從而提升線路運(yùn)輸能力。

國內(nèi)外學(xué)者在運(yùn)輸能力計(jì)算和能力瓶頸識(shí)別方面進(jìn)行了大量研究。于伯良等[1]將鐵路通過能力定義為“在一定的機(jī)車車輛類型、信號(hào)設(shè)備和行車組織方法條件下，鐵路區(qū)段內(nèi)各項(xiàng)固定設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所能通過的最大列車數(shù)”。馬孟祺[2]將目前較為成熟的通過能力計(jì)算方法分為分析計(jì)算法、圖解法以及模擬仿真法，分析各方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。楊浩[3]和馬彩雯[4]提出鐵路區(qū)間通過能力，車站通過能力、解編能力及裝卸能力的計(jì)算方法，給出能力計(jì)算參數(shù)的查定方法。單征等[5]將能力瓶頸定義為“交通系統(tǒng)在沒有加載客、貨流條件下，運(yùn)力資源配置最小，或在實(shí)際運(yùn)輸生產(chǎn)過程中，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的車站或線路”。Kuo 等[6]利用生產(chǎn)線的生產(chǎn)率指標(biāo)進(jìn)行“靈敏度”分析，將對(duì)系統(tǒng)整體影響最高的機(jī)器定義為系統(tǒng)的瓶頸，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得機(jī)器的待料和阻礙概率，進(jìn)行瓶頸辨識(shí)。何文中等[7]基于TOC 理論和串并聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng)OTE 計(jì)算公式，識(shí)別瓶頸設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)瓶頸。王剛等[8]認(rèn)為傳統(tǒng)瓶頸識(shí)別獨(dú)立于調(diào)度優(yōu)化之外，不能保證瓶頸識(shí)別的有效性，為此提出瓶頸分級(jí)識(shí)別框架，采用遺傳算法和Plant-Simulation 優(yōu)化仿真結(jié)合的方法，利用給出的工序級(jí)瓶頸識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行瓶頸識(shí)別，克服傳統(tǒng)瓶頸識(shí)別考慮因素欠缺、識(shí)別指標(biāo)片面的問題。

包神鐵路線路條件復(fù)雜，沿線車站布局和功能不同，與一般的單線鐵路和雙線鐵路有一定的區(qū)別。為此，采用分析計(jì)算法中的利用率計(jì)算法，計(jì)算包神鐵路通過能力。考慮各項(xiàng)能力度量指標(biāo)，應(yīng)用通行能力法[9]，從車站及線路動(dòng)態(tài)瓶頸2 方面對(duì)包神鐵路能力瓶頸進(jìn)行識(shí)別。

1 鐵路能力計(jì)算及瓶頸識(shí)別方法

1.1 能力計(jì)算和瓶頸識(shí)別步驟

在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過程中，將超出自身最大可用能力(以最大可利用率衡量)的設(shè)施設(shè)備定義為“能力瓶頸”[5]。能力瓶頸的識(shí)別方法和步驟如下。

步驟1：能力計(jì)算參數(shù)查定。車站股道占用時(shí)間與到發(fā)線通過能力利用率的計(jì)算涉及參數(shù)較多，參數(shù)取值的隨機(jī)性較大，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理、擬合，得到較為合理的參數(shù)，是后續(xù)分析計(jì)算的基礎(chǔ)。

步驟2：鐵路通過能力計(jì)算分析。從TDCS系統(tǒng)中采集實(shí)際列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)包神鐵路全線車站的正線、到發(fā)線、道岔(組)的日均利用率及全天內(nèi)利用率的變化情況、車流不均衡情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

步驟3：能力瓶頸識(shí)別。根據(jù)設(shè)施設(shè)備通過能力利用情況，判別是否存在車站或線路動(dòng)態(tài)能力瓶頸。

1.2 鐵路通過能力計(jì)算的利用率法

采用利用率法計(jì)算鐵路通過能力時(shí)，首先計(jì)算各固定設(shè)備(正線、到發(fā)線、咽喉、區(qū)間等)的利用率，然后計(jì)算車站一晝夜最大通過列車數(shù)。車站一晝夜最大通過列車數(shù)為各類或各方向列車數(shù)除以利用率得到的列車數(shù)再加上固定作業(yè)時(shí)間作業(yè)的列車數(shù)。

設(shè)一晝夜內(nèi)某種設(shè)備的實(shí)際總消耗數(shù)量為A總(或全部作業(yè)實(shí)際占用該設(shè)備的總時(shí)間為T）；某種設(shè)備一晝夜所能提供的可用數(shù)量為A(或該設(shè)備一晝夜的總工作時(shí)間，取1440min)；一晝夜固定作業(yè)(不因主要作業(yè)量變化而增減的作業(yè))消耗的設(shè)備數(shù)量為A固(或占用該設(shè)備的總時(shí)間為t固)；由于列車到達(dá)不均衡、作業(yè)間不協(xié)調(diào)或設(shè)備故障等技術(shù)原因引起的損耗，用空費(fèi)系數(shù)α表示；可平行進(jìn)行同一種作業(yè)，或生產(chǎn)同種產(chǎn)品的設(shè)備數(shù)量為M。

基于利用率的能力計(jì)算公式為

式中：ni為第i種貨物列車的數(shù)量(或進(jìn)行第i項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的累積次數(shù))；ai為第i種貨物列車的消耗設(shè)備的定額；ti為第i項(xiàng)技術(shù)作業(yè)每次占用設(shè)備時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；k為計(jì)數(shù)變量，表示共有k種列車。

根據(jù)A總或T，可以按以下公式計(jì)算通過能力利用率

或

式中：K為設(shè)備的通過能力利用率。

然后，可以按以下公式計(jì)算該項(xiàng)設(shè)備的通過能力

式中：N為該項(xiàng)設(shè)備的通過能力；Ni為第i種貨物列車(或第i項(xiàng)技術(shù)作業(yè))分?jǐn)偟耐ㄟ^能力；n固為固定作業(yè)所需要的通過能力。

1.3 鐵路能力瓶頸識(shí)別方法

1.3.1 車站能力

車站內(nèi)部設(shè)施的利用情況不僅與列車數(shù)量相關(guān)，而且與站內(nèi)作業(yè)進(jìn)路密切相關(guān)。因此，根據(jù)作業(yè)進(jìn)路，確定進(jìn)、出站列車通過的設(shè)施，然后根據(jù)設(shè)施通過能力利用情況，判別是否存在動(dòng)態(tài)能力瓶頸。構(gòu)建以下車站能力瓶頸動(dòng)態(tài)識(shí)別模型

式中：d為規(guī)劃周期(如遠(yuǎn)、中、近期)內(nèi)的不同階段；BNk,m為線路k的車站m中的動(dòng)態(tài)能力瓶頸設(shè)施集合；bNk,m,n為線路k的車站m中動(dòng)態(tài)能力瓶頸設(shè)施；Qd,k,m,n為階段d線路k的車站m中，設(shè)施n預(yù)計(jì)需要承擔(dān)的接發(fā)列車數(shù)量；ηk,m,n為線路k的車站m中，設(shè)施n接發(fā)能力的最大利用率；Fk,m,n為線路k上車站m中，設(shè)施n的通過能力；χ為規(guī)劃周期的階段總數(shù)。

1.3.2 線路能力

當(dāng)通過線路區(qū)間的列車數(shù)超過區(qū)間各設(shè)施設(shè)備所能提供的通過能力時(shí)，則認(rèn)為該線路區(qū)間出現(xiàn)能力瓶頸。考慮線路平縱斷面條件，如果線路條件(坡度、曲線等)限制了列車運(yùn)行速度，導(dǎo)致區(qū)間能力實(shí)際值小于期望值時(shí)，該區(qū)間為線路瓶頸區(qū)間，構(gòu)建以下線路能力瓶頸動(dòng)態(tài)識(shí)別模型

式中：d為規(guī)劃周期(如遠(yuǎn)、中、近期)內(nèi)的不同階段；BNk為線路k上的動(dòng)態(tài)能力瓶頸區(qū)間集合；bNk,m為線路k上的動(dòng)態(tài)能力瓶頸區(qū)間m；Qd,k,m為階段d線路k上區(qū)間m預(yù)計(jì)通過列車數(shù)量，可從列車運(yùn)行圖中統(tǒng)計(jì)得到；ηk,m為線路k上區(qū)間m通過能力的最大利用率；Fk,m為線路k上區(qū)間m的通過能力；χ為規(guī)劃周期所分的階段總數(shù)。

2 包神鐵路能力利用分析與瓶頸識(shí)別

基于能力計(jì)算方法和能力瓶頸識(shí)別方法，對(duì)包神鐵路通過能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和瓶頸識(shí)別，尋找突破能力瓶頸的方法，力求使得瓶頸轉(zhuǎn)移或消失，為包神鐵路進(jìn)一步挖潛擴(kuò)能提供依據(jù)。

2.1 能力利用分析

通過提取和分析包神鐵路2016—2017年60余萬條TDCS 數(shù)據(jù)，得出區(qū)間列車運(yùn)行時(shí)分、車站咽喉及到發(fā)線占用時(shí)間、車站的繁忙時(shí)段等相關(guān)參數(shù)。

2.1.1 車站能力利用分析

使用能力計(jì)算的利用率法，計(jì)算包神鐵路全線各車站的正線、到發(fā)線、道岔組的日均利用率，分析1 d 內(nèi)利用率的變化情況、車流不均衡情況，得到2016—2017年包神鐵路車站正線最高利用率如圖1 所示；2016—2017年包神鐵路車站到發(fā)線最高利用率如圖2 所示；2016—2017年包神鐵路車站道岔最高利用率如圖3 所示。

由圖1 至圖3 可知，萬水泉南、東勝、瓷窯灣和神東車站的正線利用率均大于60%；沙壩子、石圪臺(tái)、瓷窯灣、烏蘭木倫和神東車站的到發(fā)線最高利用率均大于80%；咽喉區(qū)道岔能力利用率均較低，僅石圪臺(tái)車站的道岔能力利用率大于60%，各車站咽喉區(qū)能力較為富余。同時(shí)，各車站正線、到發(fā)線、道岔最高利用率有較大差異，反映各車站作業(yè)負(fù)荷不均衡。在運(yùn)輸組織中，應(yīng)組織設(shè)備利用率較低的車站分擔(dān)更多運(yùn)輸負(fù)荷，減緩設(shè)備損耗速度。同時(shí)，在將來的設(shè)備維護(hù)、改造、新建過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)利用率較高的設(shè)備的維護(hù)更新。

圖1 2016—2017年包神鐵路車站正線最高利用率Fig.1 Maximum main track utilization rate of stations on Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

圖2 2016—2017年包神鐵路車站到發(fā)線最高利用率Fig.2 Maximum departure-receiving track utilization rate of stations on Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

圖3 2016—2017年包神鐵路車站道岔最高利用率Fig.3 Maximum turnout utilization rate of stations on Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

2.1.2 區(qū)間通過能力利用分析

采用車流徑路識(shí)別與歸類算法處理TDCS 數(shù)據(jù)，得到016—2017年包神鐵路所有列車流的OD 路徑合計(jì)約280種。2016—2017年包神鐵路主要車流徑路列車數(shù)量如圖4所示。2016—2017年主要車流徑路列車數(shù)量示意圖如圖5所示。圖5 中，不同顏色用于區(qū)分車流徑路的起始站，不同線寬表示車流量大小。

從區(qū)間通過能力看，包神鐵路北線各區(qū)間通過能力的利用率不高，且能力利用較為均衡。包神鐵路能力的限制區(qū)間主要集中在南線，特別是巴圖塔至大柳塔沿線區(qū)間的通過能力尤為緊張。

由圖5 可知，包神鐵路以巴圖塔(紅色)、烏蘭木倫(綠色)、大柳塔(黃色) 3 個(gè)車站(或車站方向)作為始發(fā)終到站的列車較多。此外，流量較大的車流徑路(如巴圖塔—神東)途經(jīng)的區(qū)段相對(duì)集中，包神鐵路南線的運(yùn)輸壓力明顯大于北線。

圖4 2016—2017年包神鐵路主要車流徑路列車數(shù)量Fig.4 Trains operated on main routes of Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

圖5 2016—2017年主要車流徑路列車數(shù)量示意圖Fig.5 Diagram of train quantity in main flow path in 2016 to 2017

2.2 能力瓶頸識(shí)別

利用能力瓶頸識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算得到包神鐵路能力瓶頸。包神鐵路車站通過能力瓶頸如表1 所示；包神鐵路區(qū)間通過能力瓶頸如表2 所示。

表1 包神鐵路車站通過能力瓶頸Tab.1 Station passing capacity bottleneck of Baotou-Shenhua Railway

2.3 能力瓶頸消解措施

（1）在困難區(qū)間增設(shè)線路所。該措施可以有效壓縮列車間隔時(shí)間，提升區(qū)間通過能力。包神鐵路沙沙圪臺(tái)—巴圖塔區(qū)間的列車運(yùn)行時(shí)分較長，一定程度上制約了巴圖塔以北車站裝車的車流輸送。因此，可以在此區(qū)間增設(shè)線路所，以提高通過能力。

（2）區(qū)間自動(dòng)閉塞改造。應(yīng)用自動(dòng)閉塞的區(qū)段上，列車可以以較小的間隔時(shí)間追蹤運(yùn)行，大大提高區(qū)間通過能力。同時(shí)，自動(dòng)閉塞區(qū)間安裝了連續(xù)的軌道電路，可以自動(dòng)檢查軌道的完整性，提高行車安全性。包神鐵路能力的限制區(qū)間主要集中在南線，可以針對(duì)南線的實(shí)際運(yùn)能需求，制訂自動(dòng)閉塞改造方案，以緩解能力緊張的局面。

表2 包神鐵路區(qū)間通過能力瓶頸Tab.2 Section passing capacity bottleneck of Baotou-Shenhua Railway

（3）增建區(qū)間復(fù)線。增建復(fù)線后，上、下行列車不需要停車會(huì)讓，旅行速度加快，可以大幅度提高區(qū)間通過能力。增建雙線應(yīng)分階段逐步進(jìn)行，可以考慮先增建限制區(qū)間的復(fù)線。包神鐵路南線運(yùn)能最緊張的區(qū)間是瓷窯灣—神東區(qū)間，該區(qū)間改造為雙線后，東勝—神東區(qū)段將成為雙線區(qū)段。近期可以組織烏蘭木倫車流按照迂回徑路運(yùn)輸，遠(yuǎn)期可以將瓷窯灣、烏蘭木倫、神東、石圪臺(tái)4 個(gè)車站改造為萬噸站。屆時(shí)，烏蘭木倫站可以開行萬噸列車，直接到達(dá)或通過神東站，而不通過神瓷區(qū)間。瓷窯灣、石圪臺(tái)站可以組織開行萬噸列車，使包神鐵路東線在較長的時(shí)間內(nèi)保持運(yùn)能充足。

（4）車站到發(fā)線改造。車站到發(fā)線資源的配置對(duì)線路的運(yùn)輸能力有很大的影響。將瓷窯灣改造為萬噸組合站，既可以組合本站重車成為萬噸列車，也可以將包神鐵路南線裝車站發(fā)來的“小列”組合成萬噸列車，石圪臺(tái)站組合的萬噸列車也可以直接通過。貨物列車平均靜載重將得到提升，在不增加列車對(duì)數(shù)的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能的目的。

3 研究結(jié)論

（1）采用利用率計(jì)算法對(duì)包神鐵路通過能力進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，從車站通過能力和線路區(qū)間通過能力2 方面，對(duì)包神鐵路能力瓶頸進(jìn)行識(shí)別和分析，發(fā)現(xiàn)石圪臺(tái)、瓷窯灣和神東車站，以及沙沙圪臺(tái)—巴圖塔區(qū)間通過能力尤為緊張，是包神鐵路通過能力的瓶頸。

（2）結(jié)合包神鐵路實(shí)際運(yùn)營狀況和線路條件，在車站的擴(kuò)建改造、增建區(qū)間復(fù)線、區(qū)間行車閉塞方法和相關(guān)設(shè)備更新升級(jí)等方面，對(duì)包神鐵路能力瓶頸的消解提出建議，為包神鐵路后續(xù)的挖潛擴(kuò)能和科學(xué)組織決策提供依據(jù)。