重载铁路通道万t组合列车开行范围研究

耿　放,　罗玉屏

(石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄　050043)



重载铁路通道万t组合列车开行范围研究

耿放,罗玉屏

(石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄050043)

以方案主要可变动成本消耗临界值为目标，从乘务配置班数、日均运用货车辆数和机车供应台次3方面关键因素切入，以反应各起讫点间距离特征的机车走行时间为决策变量。对蒙西至华中地区煤运通道邓湖以北，开行5 000 t单元列车和开行1万t组合列车(单机牵引)两种开行方案进行了其对应的经济适用性分析比对，给出了两种方案各自对应的以起讫点间走行时间为自变量的成本函数，得出了运行图未满及相同运量条件下两种方案主要可变动成本支出相等时对应的临界点走行时间为18.285 h。为邓湖以北各OD对间万t列车的开行范围及时机提供了合理的理论依据。

重载运输；煤运通道；开行范围；开行成本；方案比选

0　引言

根据目前我国重载铁路运输技术的经验来看，对于重载线路较高的运量目标，合理的开行万t级组合列车具有投资少、效益高、安全情况好等特点。对于铁路运输企业来说，是否选择开行万t列车、何时开行万t列车、以何种形式开行都是其需要考虑的问题，这就涉及到了万t列车开行范围相关的问题，欧美等发达国家的在重载铁路运输方面，大都有地域辽阔、线路利用率低、运输能力富裕等特点。因此，对万t级组合列车的开行范围、开行时机等运输问题并无相关文献研究。

艾厚文等[1]以蒙西至华中地区煤运通道为研究对象，以大宗煤炭货物流量及流向为依据，对其万t列车开行的必要性、开行范围、开行时机进行研究并做方案比较，对万t列车开行范围提出建议。张晓东[2]在对大包线万t列车牵引方式、车站分布情况等分析的基础上，分别讨论了3种万t列车开行方案。王慈光[3]用单纯形法求解目标规划模型，将其应用于重载铁路运输组织中对列车开行方案进行优化。文献[4-5]对重载铁路装车区车流组织优化问题进行研究，以单元式和组合式重载列车开行数量为自变量，建立相关模型使得组合时间最小，效率最大，并都提出了相应的算法及实例验证。文献[6-7]主要解决了基于重载铁路中装车地直达列车开行方案的优化问题。周军[8]通过对大秦铁路进行调研，结合朔黄线年运量为两亿t及三亿t时列车开行对数测算、所需乘务员测算和机车整备设备通过能力，提出了朔黄线开行万t列车所需要的技术改造。国内对重载铁路万t级组合列车相关的车流组织优化问题，大都集中在这些方面。由于蒙西至华中煤运通道的特殊性，国内对万t组合列车开行范围问题，也并无太多研究。

在以上研究基础上，以蒙西至华中煤运通道为研究对象，对运行图未满情况下，万t组合列车合理开行范围问题进行讨论，旨在解决运输企业运营初期的开行成本优化问题。

1　通道特征及问题描述

蒙西至华中地区铁路煤运通道，北起鄂尔多斯腹地东乌铁路的浩勒报吉站，途经蒙西、陕西、山西等我国最重要的煤炭产区，直达鄂湘赣煤炭消费地，全长1 814.8 km，其中浩勒报吉至襄阳牵引质量为10 000 t；襄阳至吉安为5 000 t，途中设邓湖(襄阳)组合分解站承担整个集疏运系统本线车流的组合分解作业任务。根据通道线路技术标准、规划建设通道的设计技术标准条件、通道运输产品的确定以及运输需求，可知通道可开行5 000 t、10 000 t重载列车[9-10]。但由于邓湖以南的通道线路技术标准设计其牵引质量为5 000 t，因此在重车方向万t列车需在邓湖组合分解站进行分解作业后才能发往通道疏运端。

研究目标为运行图未满情况下的开行方案选择问题。运行图未满，反映线路通过能力未达到饱和，在不考虑成本前提下，全部开行5 000 t单元列车即可满足运量需求。但随着开行距离的增大，合理的开行万t组合列车较全部开行5 000 t单元里车可有效地降低开行成本。因此，需对选择开行万t组合列车时的合理开行距离进行研究。由于距离因素对开行成本的影响并不直观，本文则对两种方案开行成本相等时的机车临界走行时间进行相关计算研究，以此来反应开行距离对方案选择的影响。而开行万t组合列车又涉及两种机车选型方案，即双机牵引和单机牵引，本文选用单机牵引情况下的万t组合列车方案进行计算研究。

由于万t列车需要在集疏运端分别进行组合分解作业，这样其相对于5 000 t列车来说大大增加了其车底周转时间，但万t列车的开行在乘务和机车供应方面又较5 000 t列车的需求量更少，同时考虑装卸车作业时间差别，因此可对日均运用货车辆数、乘务员配置班数、日均机车供应台次分别标定参数并以周转时间为重点对其相应成本进行计算。

首先，需确定两种方案列车的开行数量。

其次，在此基础上计算仅开行5 000 t单元列车和仅开1万t组合列车两种情况下相应的日均乘务员配置班数、运用货车辆数、机车供应台次3方面可变动成本。

最后，构建两种方案对应的费用函数并计算成本支出相等时临界点的列车旅行时间值，并以此来反应OD对之间开行万t组合列车的合理范围及开行时机。

2　模型构建

2.1列车开行数量

由于集运端装车点能力在初期完全满足运量需求，可不做考虑。机车和货车车辆的购置方案也均为待定因素，引入参数x1为仅开行5 000 t列车时日均开行的数量，x2为同等运量条件下开行1万t列车时的开行列车数量。则有

(1)

式中，k={1,2}；G为年目标运量；θ为载重系数；Q为k类列车的质量；α波为波动系数，一般取1.0～1.1，保守起见考虑这里取1.1。

货车考虑采用C80通用敞车，当运行图未满时采取全部开行5 000 t单元列车及全部开行万t组合列车两种方案，日均开行列车数x1、x2，及各相关参数值如表1，由于是在运行图未满情况下的开行数量，故认为x1和x2均满足通过能力约束。

表1　日均开行列车数

此时两种方案分别可满足不超过2亿t和3亿t时的运量要求。

2.2成本因素

(1)日均运用货车车辆数

(2)

(3)

式中，m为列车的编成辆数；T车为列车的货车车辆全周转时间；t装、t卸、t旅、t中、t组、t解分别为车辆的装车作业时间、卸车作业时间、途中旅行时间、中转技术作业时间、列车组合作业时间以及分解作业时间；x为日均开行列车数。

对邓湖以北货车车辆的运用情况进行对比，首先需确定两种方案各自对应的货车车辆全周转时间，其中t旅与起讫点间的走行距离有关，作为车辆、乘务、机车3个主要成本因素的全周转时间的关键组成要素，这里将其作为成本函数中的一个决策变量，反应了各OD对之间的距离与方案选择之间决策关系。万t列车计算对象为全部编组的116辆货车的周转时间，因此这里需考虑两种方案在疏运端的卸车作业时间，如表2所示。

表2　日均运用货车辆数

注：表中万t列车的组合分解作业时间主要取自大秦铁路的相关时间数据[11]；两种类型列车的装卸车时间主要综合朔黄、大秦等现有重载铁路并结合蒙华煤运通道集疏运端各装车点及卸车点的相关技术条件确定的。

(2)乘务员配置班数

(4)

式中，t乘为乘务员全周转时间，包括列车旅行时间和乘务员辅助作业时间两部分；β为乘务员预备率，一般取12%；2 000.4为乘务员年标准工时。

乘务员全周转时间包括列车旅行时间和乘务辅助作业时间两部分，其中辅助作业时间按照运行图技术资料中规定的货运机车在机务段及换乘点作业时分标准进行计算：出库作业时间从出勤到开车90 min，入库作业时间从到达到退勤60 min；换乘点进行换挂作业时间40 min；交接作业30 min，由于乘务交路相对较短，各起讫点之间辅助作业时间略有不同，在不影响方案比对的前提下，这里将辅助时间取固定值5 h。考虑单机牵引情况下，万t组合列车分解作业过程特点，因此计算乘务员的全周转时间时应将分解作业时间考虑在内。则单机牵引状态下万t组合列车较5 000 t列车在乘务员配置方面有较为明显的减少，如表3。

表3　乘务员配置班数

(3)日均机车供应台次

(5)

(6)

式中，T机为机车全周转时间；λ为机车检备率，一般取20%；t本、t折为机车分别在本段及其所在站、折返段及其所在站停留时间。

机车全周转时间包括机车途中纯运行时间、站停时间和机车本段及折返段停留时间，其中中间站停留时间以及机车在本段和折返段停留时间总和取标准作业时间3.5 h，如表4。

表4　日均机车供应台次

2.3模型建立

引入参数c1、c2分别为日均运用货车车辆及一个乘务员班组的单位成本支出(单位:元)；c3、c4为两种方案在机车供应方面成本因素对应的单位成本支出(单位:元)。

货车车辆方面，由于计算内容为日均运用货车车辆，则其日均成本考虑采用，货车车辆以自有资金购买和租赁两种方式时费用的平衡点，即约130元/辆d；c1=130。

乘务员方面，其计算内容为日均乘务员配置班组数，因此，这里采用一班两个乘务员的形式，取乘务员平均工资274元/d；c2=548。

机车方面，5 000t列车、万t列车分别考虑采用HXD1B和HXD1F单机牵引，两种机车购置费用及折旧情况如表5。

由于计算内容为日均机车供应台次，折旧额按直线折旧法计算其日均折旧额，并将检修成本考虑在内。

表5　机车购置费用及折旧

注：由于HXD1F未上线，其各项成本以HXD1型机车为基础数据推算而得。中修周期为2 a。

c3=6 264；c4=10 753。

由此，可以得出两种方案在以上3个方面的日均开行成本对比。

开行5 000 t单元列车时的主要可变动成本为C1=M1c1+W1c2+N1c3。

C1=1.588×10-2G(t旅+1)130+1.334×10-3G(t旅+5)548+1.334×10-3G(t旅+5)6 264

(9)

简化C1=4.84G(t旅+6.499)。

开行1万t组合列车时的主要可变动成本为C2=M2c1+W2c2+N2c4。

C2=1.588×10-2G(t旅+17)130+6.667 0×10-4G(t旅+6)548+1.632×10-4G(t旅+3.5)10 753

(10)

简化C2=4.185G(t旅+10.378)。

求解C1=C2时，t旅的值。

3　模型求解

图1　成本函数图像

由费用函数可以看出，开行成本是关于运量和起讫点间走行时间的函数，但对于两方案的比对以此种方法计算的情况下是与运量无关的，由于本文计算的假定条件是运行图未满，其实际意义表示为，如当采取全部开行5 000 t单元列车情况下线路能力未饱和，此时由于5 000 t单元列车组织形式简单，线路条件(通过能力)又允许全部开行5 000 t列车，故一般没有开行万t组合列车的必要，即可满足当下运量目标，因此，在这种环境下是否选择开行万t列车并不以运量为决策变量，则无需考虑运量对两种方案对比情况下主要成本的影响，但其确实存在一种可能，即一部分起讫点间可以选择合理的开行万t列车，其运营成本较全部开行5 000 t单元列车时的运营成本有显著的降低。因此决策因素则集中在与距离成正比关系的走行时间方面，则其主要突出各起讫点间的方案选择情况。

由函数形式可知，其图像为马鞍曲面，利用Matlab画出的两种方案的成本函数图像如图1(图像所设边界条件为：G∈{0,30 000}，t旅∈{0,50})。

可以得出临界点走行时间为18.285h，其意义为，当机车走行时间大于18.285h的情况下，可以考虑选择开行万t组合列车，18.285h以内在通过能力允许情况下则可考虑全部开行5 000t列车。进而可以考虑不同起讫点间的方案选择。如，海则摊至邓湖区段，机车旅行速度为50km/h时，其旅行时间为31.61h，则此时即可考虑选择开行万t组合列车，从而可较全部开行5 000t列车的开行方案的运营成本有显著降低。

4　结论

通过对蒙西至华中煤运通道邓湖以北两种开行方案相关的可变动成本的对比分析，得出了运行图未满情况下合理的万t列开行条件，按计算结果选择不同起讫点间开行不同类型列车，在完成同等运量情况下可有效地降低开行成本。

研究对象为蒙西至华中煤运通道，探讨了此研究思路的可行性，由于对参数的标定并不一定适用于所有线路，对于其它线路，各种计算参数可灵活标定，得出的成本平衡的临界点走行时间也会有所差异。如，装卸车作业时间，组合分解作业时间及机车相关参数，也可按不同装车点，不同起讫点的实际数据分别标定，从而得出更加合理的临界点走行时间。

本文仅对可定量化的成本相关指标进行了研究探讨，因此如何把无法量化的指标定量化，如两种方案相应的组织难度，在初期运量较少的情况下万t相对5 000t组织难度要大，但随着运量的增大，5 000t列车的大量开行给办理相应技术作业的车站带来越来越大的压力(技检作业：5 000t始发30min，到达40min，中转40min；组合万t60min从某种程度上是对组织难度的一种反应)此时，5 000t则比万t组织难度要大，这里就需要考虑诸多与组织难度有关的因素进行量化处理，或者用一种方法使无法量化的指标直接参与定量化的计算。故可从此角度出发对本文研究内容做进一步修正完善。

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Research on Operation Range of 10 000-Ton Combined Train of Heavy Haul Channels

Geng Fang,Luo Yuping

(College of Transportation, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

With the critical value in the main variable cost consumption of the schemes as the goal, starting with the key factors of three aspects including train crew number, average daily wagons and locomotives available, taking the travel time that represents the characteristics of the start-destination distance as decision-making variable, an analysis and comparison is made of the economical applicability of the two kinds of operation scheme, the 5 000-ton heavy-haul train and the 10 000-ton combined heavy-haul train (single engine) in the north of DengHu of Coal Transportation Passage from West Inner Mongolia to Central China Area. The corresponding cost function of each scheme is presented with the travel time between the start and destination as independent variables. It is concluded that the critical travel time of the two schemes with the equivalent main variable cost is 18.285 hours under the condition that the train operation diagram is not fully filled and there is the same volume. It provides a reasonable theoretical basis for the operation scope and opportunity of the 10 000-ton combined heavy-haul train of each OD pairs in the north of DengHu.

heavy haul transportation;coal transportation passage;operation scope;operation cost;plan comparison and selection

2015-08-07责任编辑:车轩玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.10

耿放(1991-)，男，硕士研究生，主要从事轨道交通运输组织的研究。E-mail: gengfang0717@163.com

U296

A

2095-0373(2016)03-0053-06

耿放,罗玉屏.重载铁路通道万t组合列车开行范围研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):53-58.