重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

符佳芯

（西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展推動(dòng)了鐵路運(yùn)輸?shù)姆睒s，重載鐵路運(yùn)輸以大運(yùn)量、低成本等優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。為了增加重載鐵路的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效益，應(yīng)對(duì)重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品的開行方案進(jìn)行研究，合理配置鐵路運(yùn)輸資源，提高重載鐵路的競(jìng)爭(zhēng)力。

郭帥，等[1]以北京局集團(tuán)公司快捷貨物運(yùn)輸為例，通過建立標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、拓展直達(dá)運(yùn)輸業(yè)務(wù)等方式構(gòu)建快捷的貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。秦勝，等[2]通過分析目前長(zhǎng)江沿岸貨運(yùn)市場(chǎng)的供求情況，設(shè)計(jì)了沿江鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品優(yōu)化方案。王波，等[3]分析了鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品的多樣性，在此基礎(chǔ)上提出了差異化的運(yùn)輸產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。王永成[4]從影響既有線開行重載列車的影響因素出發(fā)，分析了重載列車組織形式，并提出了既有線重載運(yùn)輸組織方案。段力偉[5]分析了不同市場(chǎng)細(xì)分、不同客戶需求的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了有針對(duì)性和差異性的鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品，來滿足貨運(yùn)市場(chǎng)的運(yùn)輸需求并降低鐵路運(yùn)輸費(fèi)用。宗巖[6]在分析國(guó)外鐵路的貨運(yùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為我國(guó)可以借鑒其先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，從貨運(yùn)需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的角度出發(fā)，開發(fā)“定制化、準(zhǔn)時(shí)化、個(gè)性化、多樣化”的鐵路特色貨運(yùn)產(chǎn)品，并加強(qiáng)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的管理，以達(dá)到增強(qiáng)鐵路競(jìng)爭(zhēng)力的目的。王宏亮[7]設(shè)計(jì)了差異化和定制化的鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品，指出優(yōu)先組織大宗貨物列車運(yùn)行、靈活定價(jià)、提高附加值貨運(yùn)產(chǎn)品的市場(chǎng)份額是提高鐵路運(yùn)輸效益的有效途徑。許振東，等[8]認(rèn)為通過建立集疏運(yùn)一體化的貨運(yùn)組織模式和客戶服務(wù)中心，可以提高貨物運(yùn)輸效率和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。武軼杰[9]分析朔黃鐵路近遠(yuǎn)期運(yùn)量增長(zhǎng)的情況，通過建立目標(biāo)規(guī)劃模型，在線路運(yùn)量最大、機(jī)車車輛數(shù)量最少、不超過線路平均通過能力等約束條件下對(duì)該問題進(jìn)行了求解。伍夢(mèng)歡[10]研究了既有線開行重載列車需要具備的條件，通過計(jì)算年貨運(yùn)量、既有線通過能力，建立滿足旅客運(yùn)輸需求的既有線列車開行數(shù)量?jī)?yōu)化模型。

為實(shí)現(xiàn)重載鐵路貨運(yùn)的健康發(fā)展，應(yīng)通過對(duì)傳統(tǒng)的貨運(yùn)產(chǎn)品種類、數(shù)量、路徑等屬性進(jìn)行分析，構(gòu)建與貨運(yùn)市場(chǎng)和自身優(yōu)勢(shì)相適應(yīng)的貨運(yùn)產(chǎn)品體系，滿足多樣化的運(yùn)輸需求。同時(shí)貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足線路的年輸送能力、機(jī)車車輛運(yùn)輸數(shù)量的限制以及線路日常列車運(yùn)行調(diào)整的需要，不僅可以起到優(yōu)化運(yùn)輸資源配置的作用，還有利于運(yùn)輸成本的降低和運(yùn)輸效益的提升。

1 鐵路現(xiàn)有貨運(yùn)產(chǎn)品分析

1.1 貨運(yùn)產(chǎn)品的形式與分類

鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品是指以列車為載體，實(shí)現(xiàn)貨物在空間上的位移，即貨物從約定起點(diǎn)至約定終點(diǎn)的運(yùn)輸服務(wù)，及其鐵路運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的各種延伸服務(wù)，如信息查詢服務(wù)、質(zhì)量保證等。

鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品按照不同的開行方式、列車編組方式、運(yùn)輸貨物品類、列車開行技術(shù)條件等運(yùn)營(yíng)組織管理因素可劃分為多種。我國(guó)傳統(tǒng)的鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品是運(yùn)能緊張情況下開行的低附加值的貨運(yùn)產(chǎn)品形式，主要用于保障基礎(chǔ)的運(yùn)輸需求，所以其形式單一，主要有：直達(dá)列車、直通列車、區(qū)段列車、摘掛列車、小運(yùn)轉(zhuǎn)列車等。

隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，貨運(yùn)產(chǎn)品的差異性也愈加明顯。為滿足多樣化的貨運(yùn)需求和運(yùn)輸時(shí)效性的要求，出現(xiàn)了一些新形式的貨運(yùn)產(chǎn)品，主要有特快貨物班列、快運(yùn)貨物列車、“五定班列”、冷藏列車等。這些貨運(yùn)產(chǎn)品提高了鐵路的運(yùn)輸效益。

根據(jù)鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品的特征構(gòu)建不同系列的產(chǎn)品體系，可增加貨運(yùn)產(chǎn)品品種多樣性，提高產(chǎn)品開發(fā)的速度，幫助重載鐵路快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。

（1）基于貨物的產(chǎn)品體系。鐵路運(yùn)輸?shù)呢浳镏饕譃楦吒郊又瞪唐放c大宗商品兩大類。其中高附加值的商品包括商品車、橡膠、紙品等，大宗貨物包括煤炭、鋼鐵、糧食等。針對(duì)不同品類的貨物，可開發(fā)設(shè)計(jì)的貨運(yùn)產(chǎn)品包括煤炭專列、糧食專列、集裝箱專列、鮮活貨物班列等。

（2）基于運(yùn)輸組織形式的產(chǎn)品體系。針對(duì)不同的貨物運(yùn)輸組織形式和途中作業(yè)內(nèi)容，貨運(yùn)產(chǎn)品包括大宗貨物直達(dá)班列、組織中轉(zhuǎn)班列、一站直達(dá)列車、途中甩掛列車、途中卸車列車等。

（3）基于時(shí)效性的產(chǎn)品體系。按照不同貨物列車運(yùn)行速度，貨運(yùn)產(chǎn)品可分為特快貨物班列、快速貨物班列、普速貨物班列，按貨物送達(dá)時(shí)間可分為當(dāng)日達(dá)列車、次日達(dá)列車和規(guī)定期限列車。

1.2 貨主對(duì)鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品的需求分析

貨主對(duì)鐵路貨運(yùn)的需求是在滿足產(chǎn)品“位移”的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品功能、附加服務(wù)等方面提出的要求。在進(jìn)行重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從所運(yùn)送貨物的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合重載鐵路自身優(yōu)勢(shì)和線路特征，注重客戶需求，開發(fā)設(shè)計(jì)適應(yīng)鐵路發(fā)展的一體化貨運(yùn)產(chǎn)品，以增加鐵路貨運(yùn)的多樣性，滿足不同客戶需求。

（1）經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性是指運(yùn)輸成本或運(yùn)輸費(fèi)用。傳統(tǒng)的運(yùn)輸成本主要指每單位重量公里的運(yùn)費(fèi)，與貨物運(yùn)量、運(yùn)距等因素有關(guān)?，F(xiàn)在客戶一般期望購(gòu)買整體服務(wù)，即包括接取送達(dá)、運(yùn)輸、裝卸等服務(wù)，運(yùn)輸成本指的是運(yùn)輸過程中的總費(fèi)用。在服務(wù)質(zhì)量相同的條件下，客戶往往傾向于選擇運(yùn)輸費(fèi)用低的貨運(yùn)產(chǎn)品。

（2）安全性。貨物運(yùn)輸?shù)幕疽笫潜ＷC貨物完好無損、安全送達(dá)目的地，這也是衡量運(yùn)輸服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)之一。鐵路運(yùn)輸企業(yè)通常以貨運(yùn)責(zé)任事故數(shù)、萬元賠償率等指標(biāo)反映貨物運(yùn)輸?shù)陌踩浴Ｄ壳?，鐵路運(yùn)輸企業(yè)運(yùn)用科學(xué)化管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)等手段，大大提高了各種貨運(yùn)產(chǎn)品的安全性。

（3）時(shí)效性?，F(xiàn)在，貨主對(duì)貨運(yùn)產(chǎn)品的時(shí)效性要求越來越高，提高貨運(yùn)產(chǎn)品的時(shí)效性主要體現(xiàn)在縮短送達(dá)時(shí)間并準(zhǔn)時(shí)交貨。在鐵路運(yùn)輸組織中，時(shí)效性用貨物運(yùn)到期限體現(xiàn)。運(yùn)到期限由貨物發(fā)送時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間和特殊作業(yè)時(shí)間三部分組成。其中貨物發(fā)送時(shí)間規(guī)定為1天，運(yùn)輸時(shí)間和特殊作業(yè)時(shí)間與運(yùn)輸條件、貨物種類等因素有關(guān)。貨運(yùn)產(chǎn)品的時(shí)效性主要受既有設(shè)備設(shè)施、運(yùn)輸組織水平等因素的影響，不同的貨物對(duì)時(shí)效性的要求也不盡相同。

（4）便捷性。貨物運(yùn)輸?shù)谋憬菪灾饕w現(xiàn)在客戶辦理手續(xù)方便快捷、信息服務(wù)暢通高效等方面。鐵路運(yùn)輸企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)化經(jīng)營(yíng)簡(jiǎn)化客戶作業(yè)手續(xù)、縮短貨物運(yùn)送時(shí)間、提高準(zhǔn)時(shí)交貨率、加強(qiáng)信息技術(shù)支持等方式提高運(yùn)輸服務(wù)水平。便捷性是貨運(yùn)產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。

2 重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案設(shè)計(jì)

2.1 重載列車組織形式

重載運(yùn)輸是指在一定的鐵路技術(shù)設(shè)備條件下，擴(kuò)大列車編組，提高列車牽引重量的運(yùn)輸方式。重載運(yùn)輸是鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)，也是鐵路運(yùn)輸發(fā)展現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。按照組織形式，重載列車主要分為單元式、整列式和組合式重載列車。

（1）單元式重載列車。單元式重載列車是指由固定的機(jī)車車輛（大功率機(jī)車和一定輛數(shù)的同一類型的專用車輛）組成一個(gè)運(yùn)輸單元，以此作為運(yùn)營(yíng)計(jì)費(fèi)單位。

組織單元式重載列車要求裝車、運(yùn)行和卸車等環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合，各項(xiàng)設(shè)備實(shí)施配套齊全，組織形式要求較高，需要滿足以下條件：貨運(yùn)量較大且貨流穩(wěn)定，流向集中，列車固定編組和固定的作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，在固定的裝卸站之間往返運(yùn)輸貨物，途中不需要解編作業(yè)；運(yùn)用大功率機(jī)車和專用貨車，以及相應(yīng)的機(jī)車交路和乘務(wù)制度，保障列車正常運(yùn)行；具有良好的裝卸能力，實(shí)現(xiàn)快速貨物作業(yè)；合理有效的運(yùn)營(yíng)管理體制。大秦線采用了此類重載列車。

（2）整列式重載列車。整列式重載列車是指由大功率機(jī)車或雙機(jī)牽引，不同類型的車輛混合編組，并達(dá)到規(guī)定重量標(biāo)準(zhǔn)的列車。

整列式重載列車的貨物作業(yè)、換掛作業(yè)等與普通貨物列車相似，在運(yùn)行途中還可進(jìn)行改編作業(yè)。組織整列式重載列車要求貨運(yùn)量較大且貨流穩(wěn)定，車站到發(fā)線有效長(zhǎng)需要延長(zhǎng)至1 050m以上。朔黃鐵路采用了此類列車。

（3）組合式重載列車。組合式重載列車是將兩列及以上同方向運(yùn)行的列車首尾相連，合并組成的重載列車，機(jī)車掛于列車的頭部和中部。

開行組合式重載列車?yán)谠黾恿熊嚲幗M輛數(shù)和牽引重量，節(jié)省運(yùn)行線，有效緩解線路運(yùn)輸能力緊張，提高鐵路線路能力、設(shè)備設(shè)施利用效率和運(yùn)輸效益。組織組合式重載列車需要考慮線路的繁忙程度、貨流來源以及裝卸站的位置，合理組合和分解列車，提高貨物運(yùn)輸效率。

隨著重載鐵路技術(shù)設(shè)備逐步完善以及大型貨車的發(fā)展，根據(jù)鐵路運(yùn)輸需要，規(guī)劃不同重量、組織形式的重載列車貨運(yùn)產(chǎn)品方案，最大限度地提高重載鐵路的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效益，成為鐵路運(yùn)貨工作面臨的重大課題。

2.2 重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案模型的構(gòu)建

2.2.1 約束條件。為滿足重載鐵路年輸送能力要求，充分利用線路能力，本文通過建模選擇合理的重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案。確定鐵路上開行的重載列車主要包括5 000t、8 000t、10 000t、20 000t四種類型。模型應(yīng)滿足的約束條件如下：

（1）重載鐵路年貨運(yùn)量不少于需求運(yùn)輸能力；

（2）考慮實(shí)際運(yùn)輸組織過程中列車運(yùn)行圖調(diào)整的需要，線路通過能力利用率不高于80%；

（3）每日運(yùn)用的機(jī)車總臺(tái)數(shù)應(yīng)少于日均配置數(shù)量；

（4）C80型貨車用于20 000t重載列車，數(shù)量有限。

約束條件（1）是由決策者提出的關(guān)于貨運(yùn)量的硬性要求，是模型追求的最主要的優(yōu)化目標(biāo)，為第一優(yōu)先級(jí)，用P1表示；約束條件（2）是對(duì)線路能力的要求，預(yù)留線路能力進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整，為第二優(yōu)先級(jí)，用P2表示；約束條件（3）是由于機(jī)車數(shù)量有限，以提高機(jī)車運(yùn)用效率為目標(biāo)，為第三優(yōu)先級(jí)，用P3表示；約束條件（4）是由于貨車數(shù)量有限，在開行方案中以實(shí)現(xiàn)貨車數(shù)量最少為目標(biāo)，為第四優(yōu)先級(jí)，用P4表示。

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)。鐵路上開行牽引重量為Qi的列車數(shù)量為xi，i=1,2,3,4，根據(jù)貨物列車開行對(duì)數(shù)的公式，開行對(duì)數(shù)為：

式中，G—年設(shè)計(jì)貨運(yùn)量；Kb—貨運(yùn)波動(dòng)系數(shù)；φi—牽引重量為Qi的載重系數(shù)。

根據(jù)平行運(yùn)行圖計(jì)算公式：

式中，Tc—天窗維修時(shí)間；

Ii—重量為Qi的列車的追蹤間隔時(shí)間。

根據(jù)非平行運(yùn)行圖的計(jì)算得到的開行對(duì)數(shù)：

式中，nk—線路上開行的旅客列車數(shù)；εk—開行旅客列車的扣除系數(shù)。

在我國(guó)鐵路線路上，開行一列20 000t重載列車需4臺(tái)電力機(jī)車牽引，10 000t和8 000t需2臺(tái)機(jī)車，5 000t需1臺(tái)機(jī)車。機(jī)車周轉(zhuǎn)時(shí)間為θj，需要系數(shù)為Kj，機(jī)車日均運(yùn)用臺(tái)數(shù)為N，則：

式中，tb—機(jī)車在基本段停留時(shí)間；tz—機(jī)車在折返段停留時(shí)間；ts—在區(qū)間單方向純運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)約束條件（1）：

根據(jù)約束條件（2）：

根據(jù)約束條件（3）：

根據(jù)約束條件（4），20 000t重載列車編組輛數(shù)m，貨車周轉(zhuǎn)時(shí)間是θh，C80貨車日均配備m臺(tái)，則：

綜上所述，重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案的多目標(biāo)模型為：

本文建立的重載列車開行組合方案模型為多目標(biāo)規(guī)劃模型，利用LINGO軟件，將多目標(biāo)拆分為幾個(gè)單目標(biāo)問題，并按優(yōu)先等級(jí)第一至第四依次求解，將結(jié)果輸出并加以分析。

3 案例分析

結(jié)合大秦線的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)我國(guó)某重載鐵路20 000t列車追蹤間隔時(shí)間為12min，10 000t列車追蹤間隔時(shí)間為10min，8 000t與5 000t列車追蹤間隔時(shí)間為8min。采用V型維修天窗，作業(yè)時(shí)間為180min，貨運(yùn)波動(dòng)系數(shù)為1.1，雙線預(yù)留0.15的后備能力，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該鐵路線路上每日運(yùn)行10對(duì)旅客列車，旅客扣除系數(shù)為2.6，機(jī)車每日可運(yùn)用420臺(tái)，在基本段與折返段停留時(shí)間為180min，C80貨車編組輛數(shù)為200輛，貨車周轉(zhuǎn)時(shí)間θh為3d。表1是三類貨車的技術(shù)參數(shù)：

表1 三種貨車技術(shù)參數(shù)

根據(jù)本文建立的優(yōu)化模型，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)公式（9），得到的多目標(biāo)規(guī)劃模型為：

運(yùn)用LINGO軟件，求出此多目標(biāo)模型的解，表2為最終開行方案。

表2 重載列車開行組合方案

從表2可以看到，四種方案都滿足該重載鐵路設(shè)計(jì)年運(yùn)量和線路能力的要求。

方案1是只開行5 000t重載列車，便于運(yùn)輸組織，但需要增加機(jī)車運(yùn)用臺(tái)數(shù)，該組織方案不利于鐵路運(yùn)輸效率的提高。

方案2開行了5 000t和20 000t的重載列車，但需要增加C80型貨車數(shù)量。

方案3開行了5 000t、8 000t和20 000t的重載列車，也需要增加C80型貨車數(shù)量。

方案4開行5 000t、8 000t、10 000t和20 000t的重載列車，同時(shí)滿足了四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，較為合理。

由此可知，對(duì)于該重載鐵路，方案4的開行組合方案較為理想，但在未來，隨著貨運(yùn)量的增加和技術(shù)設(shè)備不斷創(chuàng)新，線路可以只開行10 000t和20 000t的列車，便于降低運(yùn)輸組織和調(diào)度工作的難度，提高貨物運(yùn)輸效率和效益。

4 結(jié)語

本文提出的重載鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品開行方案優(yōu)化方法，滿足了重載鐵路多樣化的運(yùn)輸需求，并對(duì)運(yùn)輸資源配置起到了優(yōu)化作用。另外，本文在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了重載鐵路的年運(yùn)量、線路能力、機(jī)車車輛數(shù)量等，還需要進(jìn)一步對(duì)“天窗”設(shè)置方式、到發(fā)線使用、通信等設(shè)備配置方案進(jìn)行研究，以提高重載鐵路運(yùn)輸效率。