快速货运动车组配载技术研究及仿真

矫成斌,刘先恺,余进

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程实验室，山东 青岛 266111)*



快速货运动车组配载技术研究及仿真

矫成斌,刘先恺,余进

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程实验室，山东 青岛 266111)*

快速货运列车配载技术的难点是需要根据货物的卸载站点及该站点新装载的货物进行综合性配载，传统的货物配载技术已不能满足需求.针对这一问题，以某型号动车组为研究对象，将其车厢进行改造并划分区域，在此基础上建立二维配载网络模型.首先，通过对单节车厢区域的分析，建立了装车条件、发车条件、上下车条件三类约束条件，并分别建立了约束方程组.然后，将整车的约束方程组进行整理得到目标函数，建立虚拟配载数学模型.最后，利用CJHJ编写配载模型测试软件，通过随机生成测试文件对配载模型进行测试.结果表明，在充分获取货物信息的基础上该配载模型可以计算出一个最优的配载方案，提高了车辆的装载率和装配效率，提高客户服务质量和公司经济效益，最终达到公司物流的科学化管理.

快速货运列车；配载技术；网络模型；约束条件

0 引言

随着近年来物流运输经济的不断发展，快速铁路货运逐渐成为人们关注的焦点[1-2].货运配载技术的应用可以优化运输资源配置，加速物流，提高铁路货运列车的安全性和运行效率.配载技术在飞机运输、港口运输上应用较多[3-7]，铁路货运中应用较少[8].铁路货运列车与汽车运输和飞机运输存在很大的不同，货运列车运行区间存在多站点装卸载货物的需求，需要根据货物的卸载站点及该站点新装载的货物的配载进行综合性配载，以满足对于各个站点快速卸载及配载的需求.因此，其他运输领域的配载技术难以直接应用到铁路货运中.本文针对这一问题开展快速货运动车组配载技术研究，将某型号动车组车厢进行改造并划分区域，依据二维网络模型建立装车条件、发车条件、上下车条件三类约束条件，将整车的约束方程组进行整理得到目标函数，建立虚拟配载数学模型，并通过编写配载模型测试软件对其进行测试.结果表明该配载模型可以很好地解决快速货运动车组优化配载问题.

1 问题描述

1.1 车厢改造

本次设计针对某型号高速动车组，车厢内将不再有座椅，将其改造为具有8个集装箱卡槽的车厢[9].那么一辆列车按照8编组计算则有64个集装箱卡槽，要设计一个配载模型，为一条线路安排各个集装箱在车上的位置.为了满足快速性的要求，要求在发车前收集集装箱的信息，然后经过配载模型的运算，输出每个集装箱在哪一个站上下车和每个集装在列车中的位置，并且为了满足快速发车的要求，每个集装箱除了上下车，在车上不能移动.

1.2 车厢区间划分

将车厢分成6个区域，如图1所示.从图中可以看出1，2，3区和6，5，4区域是对称的.那么这两个块之间的约束条件是基本相似的.列车在一条线路上运行的时候，当它到达某个站，对于要上1区的集装箱，2区域的不能阻挡1区域上车.对于2区域的集装箱，它不能阻挡1区域和3区域的集装箱上车.对于3区域的集装箱，要能从2区域上车.

图1 车厢区间划分示意图

2 系统建模

2.1 二维网络模型

建立网络模型如图2.图中横向为集装箱安放的位置，纵向为车站编号，右侧方形表示集装箱，每个集装箱的两个箭头分别表示其上下车的站点.数学模型要结合车厢区间划分和二维模型描述，在二维模型中，列车线路有N个站，每个集装箱从一个站上车、另一站下车.

图2 二维网络模型

2.2 约束条件

为了满足集装箱在中途站能够进行上下车，需要满足一定的条件，由于将集装箱分为6个区，每个区域只需要考虑与其最近能够上下车的门区域的位置.装载顺序为3区、4区、1区、6区、2区和5区.

(1)对于1区，能够从2区上车、下车;

(2)对于2区，要求上车时不会阻挡1区和3区内的集装箱上、下车;

(3)对于3区，要求能够从2区上车、下车;

(4)对于4区，要求能从5区域上、下车;

(5)对于5区，要求不能阻挡4区和6区上、下车;

(6)对于6区，要去能从5区上、下车.

利用二维的网络流模型，约束条件划为3个大块，一个是装车条件，另一个是发车条件，最后一个是上、下车条件.用m代表集装箱总数量，问题转换为求解：

(1)

2.2.1 装车约束条件

对于二维模型中的一个行车区间，由于每个行车区间至多只能有一个集装箱占用，那么可以用加法符号表示出：

(2)

为了便于理解，将上面的式子展开得到：

(3)

那么上面是一个大小为64×n的线性方程组.

2.2.2 发车约束条件

对于发车条件就是一个集装箱至多只能在一个集装箱卡槽上安放，那么可以得到下面的式子

(4)

展开得到：

(5)

2.2.3 上下车约束条件

对于上车约束条件，这个比较复杂，车厢内每个位置需要单独考虑，对于第一个集装卡槽，满足能从卡槽2上车，那么可以用真值表罗列所有的情况，对于卡槽1和卡槽2，根据它们的真值表1，其中3、6、7行为不能存在的情况.

表1 上车约束条件

那么上述真值表可以表述为方程组(6)的形式：

(6)

上述方程可以组织为式(7)的形式：

(7)

表2 下车约束条件

可以转换为方程组：

(8)

与上面的方程一样，这个方程组里面包含了(n-1)m2个方程.依次类似，由于推导过程和卡槽1处类似，集装箱卡槽2与集装箱卡槽4之间关系的推倒不再赘述，由于卡槽2与卡槽3满足关系，对应于卡槽3与考槽4之间的关系，现在直接给出整车的数学模型：

(9)

(10)

(11)

(12)

上面的数学方程组数量巨大，可通过遍历法进行方程组求解，得到优化配载方案，为快速货运提供技术支撑.

3 仿真验证

采用C#语言编写上述配载模型的测试软件，其中的GUI交互界面采用WPF设计.配载模型测试软件的主界面如图3所示.

图3 配载模型测试软件主界面

根据约定的格式生成测试文件，其中最主要的信息为集装箱货物的上车站和目的站.通过配载模型运算得到配载结果以Excel格式输出.图4是自行编写的2维绘图界面，X轴表示集装箱数量，Y轴表示装载率，装载率此处定义为：在以运送站数和集装箱数量构成的二维空间中，所装载的集装箱数量与满额数量之间的比值.通过图中的结果可以发现集装箱的数量对装载率的影响较大，主要原因是集装箱数量低时无法满足列车的运量.当集装箱数量达到350件时装载率达到最大，在87%～90%之间，随着集装箱数量的增加，装载率变化不大.

图4 装载率测试图

通过对图4所示测试结果的检查分析可以发现该配载模型可以很好的解决快速货运动车组货物配载问题，提高装载率和配载效率，优化运输资源配置，加速物流，提高铁路货运列车的安全性和运行效率.

4 结论

本文针对某型号动车组进行快速货运动车组配载技术研究.首先，将车厢进行改造并划分区域，依据二维网络模型建立装车条件、发车条件、上下车条件三类约束条件，并分别建立了约束方程组.然后，将整车的约束方程组进行整理得到目标函数，建立虚拟配载数学模型.最后，通过编写配载模型测试软件对其进行测试.结果表明该配载模型可以很好地解决快速货运动车组优化配载问题，提高货运列车的安全性和运行效率.后续工作中将对模型增加紧急件约束和包车箱约束条件，开发满足工程化需求的配载管理系统.

[1]郭玉华. 高速铁路发展与中国铁路货运[J]. 铁道经济研究, 2010(6): 12-16.

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[4]李鹏，汤勇. 三维货物装箱问题的研究进展[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(5): 1232-1242.

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[9]吴强，郭玉华，李笑红. 铁路集装箱运输[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2011.

Research and Simulation Verification of Express Freight Train Loading Technology

JIAO Chengbin, LIU Xiankai, YU Jin

(National Engineering Laboratory, CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266111, China)

The difficulty of the Express Freight Train loading technology is the need for comprehensive matching according to the unloading site and the site of the new shipment. Traditional loading technology cannot meet the demand of the market. In order to solve the problem, the EMU needs to be transformed and the area needs to be divided. On this basis, a two-dimensional distribution network model is established. Through the model analysis, the constraint conditions of loading, departure and on and off are obtained. Then the mathematical model of express freight train loading is construct, and C# is used to write a test software to verify the accuracy of the model. The results show that an optimal loading plan can be calculated according to the model, and the efficiency of the assembly is improved.

express freight train; loading technology; network model; constraint condition

1673-9590(2016)04-0029-04

2015-12-01

矫成斌(1988-)，男，工程师，硕士，主要从事高速列车智能化检测及牵引变流技术的研究E-mail:jiaochengbin@cqsf.com.

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