高速铁路动车组检修资源 布局优化研究

陈锦宗，何最新，王 莹，李海鹰，钱继磊

（1. 北京交通大学 交通运输学院，北京 100044；2. 中国国家铁路集团有限公司 运输统筹监督局， 北京 100844；3. 北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；4.中国人民 解放军 66172 部队，河北 石家庄 050200)

0 引言

根据我国《中长期铁路网规划》，到2030 年，形成“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的发达完善的高速铁路网。截至2018 年末，全国高速铁路营业总里程达2.9 万km，动车组保有量从2015 年的17 600 辆增加到26 000辆。2015 年至2018 年，既有线客车保有量保持在5 万辆左右，趋于稳定。随着我国高速铁路网的逐步完善，辐射范围不断增加，将会持续刺激客运需求，动车组的运用量和保有量势必增加，对动车段和动车运用所的运检能力提出更高的要求。因此，优化动车组的检修资源布局，即动车段和动车运用所的布局，以适应路网发展。同时，为了充分利用既有设备、降低建设成本，考虑到既有旅客列车开行数量的减少，客车车辆段的管理能力出现富余，对利用客车车辆段延伸管理动车运用所提供了可能。

国内对动车组检修资源的研究，主要集中在动车组运用检修计划的优化和生产力布局调整后评价上，对动车段所的宏观布局研究较少。例如，张正舟[1]对比分析我国客车整备和动车运用的联系与区别；马国友[2]介绍日本的动车基地情况，为国内动车组检修资源布局提出建议；袁涛[3]建立基于自组织理论的评价模型来评价铁路生产力的布局调整；巩亮等[4]利用模糊综合评价模型评价铁路运输生产力布局的调整；韩建成[5]对沈阳铁路局的生产力布局调整情况进行评价；段志焱[6]利用统计学方法比选新线条件下车务系统的生产力布局调整方案；李成兵[7]总结铁路生产力布局调整思路，利用双层规划模型优化机车检修布局；钱继磊等[8]分析新线对检修资源布局的影响，构建动车组运用检修优化模型，利用动车组最少需要数为指标比选不同的布局方案。研究针对发达完善路网条件下的动车组检修需求，并考虑客车车辆段的富余能力，以动车段和动车运用所的综合成本与动车组的运用成本最低为优化目标，对动车组检修资源的布局进行优化研究。

1 高速铁路动车组检修资源布局现状与分析

截至2019 年，全路18 个铁路局集团公司共设12 个动车段和1 个动车客车段，共57 个动车运用所，每个动车段或动车客车段一般管理2 个及以上动车运用所，个别动车运用所由客车车辆段管理。总结目前动车段、客车车辆段和动车运用所的管理现状，可将动车组的管理模式分为以下5 类：一是在高速铁路网发达的地区，设置1 个动车段和1 个动车客车段或2个动车段，以便更好地管理动车组；二是高速铁路列车和既有线列车开行数量较均衡的铁路局集团公司，设置1 个动车段和1 个客车车辆段，分别管理动车组和既有客车；三是铁路局集团公司管辖范围较大且既有线列车开行数量较多者，客车管理压力较大，设置2 个甚至3 个客车车辆段和1 个动车段，以满足车辆管理检修需求；四是动车运用所由于距离区域内的动车段过远，交由客车车辆段管理；五是高速铁路里程不长、动车组配属数量不多的铁路局集团公司，基本不设置动车段，只设置1 个客车车辆段，并延伸管理管内的少数动车运用所。各铁路局集团公司动车运用所管辖情况如表1 所示。

为充分利用既有设施设备、节约成本，当需要提高动车组检修能力时，可采用的动车运用所布局方案有以下3 种。方案一：在原有动车运用所的基础上扩能，管理模式不变。方案二：利用客车车辆段的富余能力，改扩建动车运用所，并交由客车车辆段管理。方案三：新建动车运用所，由区域内的动车段或临近的客车车辆段管理。

考虑对既有资源与管理架构的利用，3 个方案的工程建设成本与管理成本逐个递增，对动车组运用也会造成不同的影响。其中，方案一可在一定时期内提高动车组检修能力，对动车组运用的影响最小；方案二利用既有资源改扩建动车运用所，节省资源的同时缓解检修压力，但客车车辆段的管理难度会增大，需要提高客车车辆段的管理水平；方案三新建动车运用所要求重新分配区域内的动车组检修任务，对动车组开行方案与动车组交路的影响较大。改变动车运用所的布局或开通新线路，都会影响原有列车的开行路径和组织模式，因而应结合铁路网发展的阶段性特征，提前进行布局优化，合理配置发达完善路网条件下的检修资源。

表1 各铁路局集团公司动车运用所管辖情况Tab.1 Management situation of EMU depots of each Railway Group

2 高速铁路动车组检修资源布局优化方法

通过构建动车组运用检修接续网络，建立动车组检修资源布局优化模型，根据近远期规划，定量计算在不同地点新建或改扩建动车运用所的综合成本，从而得到该规划条件下最优的布局方案。

2.1 构建动车组运用检修接续网络

根据动车组运用检修的特点，可将动车组检修资源布局优化问题转化为一类基于多基地车辆路径运用的基地选址问题，即对一系列需求点(需开行的列车)，在满足车辆行驶距离等约束(动车组检修周期约束)的条件下，组织一定数量的车辆(动车组)从基地(动车运用所)出发，有序地访问若干需求点后返回相应的基地，使得目标函数最小的过程，从而根据选择的备选基地确定最优的基地选址。

在构建动车组运用检修接续网络时，把“运用所—运输任务需求—运输任务或接续关系”的相互关联关系构造描述为“车库—运输需求—路径弧”的逻辑网络。具体抽象化描述如下。将1 组具有相同起讫点的列车抽象为1 段运输需求弧，列车开行数量为该弧的运输需求量；为每个列车起讫点车站建立列车出发节点和列车到达节点，以区分列车运输任务弧和列车接续弧；将1 个动车运用所视为 1 个车库。在此基础上，以列车运输任务弧和列车接续弧为路径弧，建立动车组检修运用接续网络，具体步骤如下。

（1）建立车库节点。为每个动车运用所和备选动车运用所建立车库节点，每个车库设有检修能力上限。动车组必须在动车运用所进行检修，备选动车运用所一般设置在具有大量始发终到动车组的车站附近，以避免过多的空车走行。

（2）建立运输节点。将各个列车起讫点车站分为列车出发节点和列车到达节点，出发节点可作为动车组出段弧的终点、动车组运输任务弧的起点和动车组接续弧的终点，到达节点可以作为运输任务弧的终点、动车组入段弧的起点和动车组接续弧的起点。

（3）建立运输路径弧。首先，针对车库节点，建立车库节点与运输节点间的动车组出段弧、动车组入段弧和空车走行弧，并建立起终点均为车库节点的动车组停驻弧；其次，建立各列车起讫点对应的车站节点间的运输任务弧；第三，根据动车组接续的约束条件，建立运输任务间的接续弧。上述各弧均具有动车组走行里程和走行时间的时空属性，对于运输任务弧，还具备列车开行数量的属性。

以甲、乙、丙3 个大型高速铁路客运站为例，构建动车组运用检修接续网络如图1 所示。图1 中，正方形表示备选动车段所抽象而成的车库节点；白底圆形和灰底圆形分别表示车站的出发节点和到达节点；由备选点到车站出发节点的灰色有向实线表示动车组出段弧；由车站到达节点到备选点的灰色实线表示入段弧；由出发节点到到达节点的黑色有向实线代表列车任务弧；由到达节点到出发节点的黑色有向实线代表列车接续弧；由备选点到非相邻的车站出发节点的灰色虚线表示空走出段弧；由各个备选点发出并回到备选点的虚线表示列车停驻弧；各个车站到达节点间的灰色虚线表示列车空走弧。由于各站之间均有较大的客流，为便于及时检修始发终到的动车组列车，3 个客运站附近均设置备选动车段或动车运用所。

图1 动车组运用检修接续网络Fig.1 Logic network of EMU operation and maintenance

2.2 构建动车组检修资源布局优化模型

在高速铁路网络逐步完善的过程中，客运需求和动车组检修任务不断增加并趋于稳定，因而动车组检修资源的布局优化需要面向发达完善路网条件下趋于稳定的需求配置和优化检修资源，其优化目标如下。①动车组运用数量最少，充分利用检修里程，避免由于检修资源布局不合理导致提前检修等情况，从而增加动车组购置成本和检修成本。②动车段或动车运用所建设(新建或改扩建)与管理的综合成本最小。③动车组空走里程最少，避免因检修布局不合理带来动车组运用成本的增加。

基于动车组运用检修接续网络，目标①可用出段弧被访问的次数来表示各动车运用所的动车组运用数量，目标③可根据空走弧的访问次数来计算。基于此，动车组检修资源布局优化模型可以表示 如下。

公式 ⑴ 是目标函数，表示动车组需要数、动车段或动车所的综合成本、动车组空走距离之和最小；公式 ⑵ 表示所有的运输需求都需要被满足，完成所有运输任务；公式 ⑶ 表示任意节点到达和出发的动车组数量保持一致；公式 ⑷ 和公式 ⑸ 分别表示动车组累计走行距离约束和累计走行时间约束，即检修周期约束；公式 ⑹ 表示动车段或动车运用所检修的动车组数量应不大于其检修能力；公式 ⑺ 表示在一定时间范围内，某动车组担当运输任务时，仅能从某动车段或动车运用所出段1 次；公式 ⑻ 表示每当有动车组在某备选动车段或动车运用所出段，则该备选点必须被选择。

3 算例分析

以目前路网处于建设阶段的某区域为研究对象，利用动车组检修资源布局优化模型，优化近远期动车段和动车运用所布局。该区域内现有7 个大型城市。其中，城市A，D，E 已建有动车段或动车运用所，城市C 设有客车车辆段。7 个城市间目前共开通7 条高速铁路线路，预计到2025 年新开1 条线路，到2030 年再新开3 条线路，未来所有城市间全部连通，共11 条线路。结合客流的增长与分布情况、现有检修资源布局情况，未来可以采用的方案有：在城市C 的客车车辆段扩建动车运用所，分别在城市B，E，G 新建动车运用所。该区域2025 年和2030 年的列车开行对数如表2 所示。

表2 该区域2025 年和2030 年列车开行对数 对/ dTab.2 Number of trains in this area in 2025 and 2030

对于既有资源改扩建为动车所与新建动车所这2种方案，在检修能力和综合成本上存在较大差异，前者可利用既有的土地资源、管理机构等，其综合成本较低，但检修能力往往较小。由于在不同城市新建(或改扩建)动车运用所的用地成本和管理成本等存在较大差异，并且该数据难以准确获取，考虑到对模型求解的影响，仅对动车运用所的综合成本进行粗略估算，用于体现动车运用所新建与改扩建的成本差异。检修点的综合成本与检修能力如表3 所示。

表3 检修点的综合成本与检修能力Tab.3 Comprehensive cost and maintenance capacity of the EMU depots

以不同城市间的距离、动车组运行时长为已知参数，采用CPLEX 软件求解动车组检修资源布局优化模型。备选检修点布局计算结果如表4 所示。

表4 备选检修点布局计算结果Tab.4 Calculation result of the layout of the EMU depots

各动车段所检修任务分工如表5 所示，动车组运用指标与综合成本如表6 所示。

计算结果表明，为满足该区域近远期规划的检修需求，近期需要在城市B 新建动车运用所，远期需要将城市C 的既有客车车辆段改扩建为动车运用所，分析原因如下。①动车组的检修需求具有阶段化特征。在路网建设的不同阶段，动车组检修需求不同。同时，铁路工程设施的配套建设常常落后于路网建设，因而动车段和动车运用所的布局需要具有前瞻性，应适时新建动车运用所，以缓解动车组检修能力紧张的问题。②提高检修效率，降低动车组空走里程的需要。动车组空走里程是衡量动车运用检修效率的重要指标，为降低动车组的空走里程，需要在有大量始发终到列车的车站附近设置动车运用所，以提高运行图的兑换率和列车的准点率、降低运输成本。

表5 各动车段所检修任务分工 列/ dTab.5 Maintenance tasks division of each depot

表6 动车组运用指标与综合成本Tab.6 Indicator of the EMU operation and overall costs

4 结束语

动车段和动车运用所的布局影响动车组的运用效率，进而影响整个路网的运输效率。在高速铁路网阶段化发展的过程中，不同阶段对动车组的检修需求不同，对动车组检修资源布局的要求也存在差异。研究提出的动车运用所布局方案与动车组检修资源布局优化模型，兼顾动车段和动车运用所管理建设成本及动车组运用检修效率，注重对既有资源的利用，以及动车组检修资源与路网建设的适配，能够充分利用铁路运输设备的能力，适应我国不同路网发展阶段和动车组修程修制改革的需求，为未来我国动车段所布局优化调整提供参考。