考虑铁路货场繁忙度与成本的枢纽内货运调度决策研究

谢如鹤， 喻佩云， 黄祖庆， 程彩霞， 韩炜城

(广州大学 物流与运输研究所，广东 广州 510006)

0 引言

为了深化运输供给侧结构性改革，完善运输保障机制，推动运输组织创新，铁路货运需要提高调度水平[1]。目前，货运调度计划很大程度上取决于调度人员个人的经验判断[2]。为了优化铁路货运调度，Markus 等[3]运用数学模型优化列车编组问题，考虑列车的发到时间及其他相关条件，再选择合适的调度方法；赵纪伟等[4]在阐述货场的取送车、装卸作业、货位及搬运4 种作业能力的基础上，引入调车不均衡系数，提出货场能力补偿方案。已有研究较多集中于货场作业中部分能力的优化，较少将作业能力用于分析货场整体的运作效率，也缺少对货运成本的分析与考量。铁路货场的各项作业情况不仅能反映货场运作效率，而且也可以作为调度的判断条件。研究当枢纽内有重车积压(或货场堵塞)时，通过繁忙度指标分析不同货场中的取送能力、装卸能力、搬运能力和货位能力的情况，由成本分析筛选出合适的重车卸车地点，最终决定是否变更卸车货场则由货主决定。该方法依托实时货运信息，辅助调度人员筛选出合适的作业货场，促进货场资源合理高效利用，从而提高铁路货物运输效率和服务质量。

1 铁路货场决策分析及调度模型构建

1.1 繁忙度分析

1.1.1 繁忙度的含义及计算公式

铁路货场中各项作业的作业时间目前没有统一的衡量标准。因此，基于以往研究成果，选取铁路货场的取送、装卸、搬运和货位4 项作业能力，将繁忙度指标定义为货场的某项作业在一定时间内的作业量与该项作业能力的理论最大值的比值[5]。货场作业能力与繁忙度计算公式如表1 所示。

其中Nqmax，Nzmax，Nbmax，Nhmax为各项作业能力的理论最大值，在此选择繁忙度最大的一项作为整个货场的繁忙度δ。

1.1.2 繁忙度等级划分

为了更好地评价铁路货场的运作效率，将货场各项作业能力的繁忙程度分为不繁忙、一般繁忙、比较繁忙、非常繁忙4 个等级。繁忙度指标等级如表2所示。

1.2 成本分析

成本分析是通过测算原货场和备选货场的各项成本发生项，比选确定出调度总成本产生最小的货场，帮助货主决策。通过查阅相关文献[6-7]，将货车延误时产生的费用分为作业成本、等待成本和运输成本。成本分析中各项作业的参数及定义如表3 所示。

1.2.1 原货场 j 的成本

货车在不同运行阶段，成本可以分为发到、中转和货车运行作业成本。结合表1 的各项作业，假设各货场的固定成本相对不变，作业费率不同，计算原货场j的作业成本Yj为

表1 货场作业能力与繁忙度计算公式Tab.1 Freight yard operation capacity and busy degree calculation formula

表2 繁忙度指标等级Tab.2 Coefficient of the busy degree

表3 参数及定义Tab.3 The parameters and the definitions

原货场j的等待成本Cj为

原货场j的运输成本Tj[8]为

综上，原货场j的调度总成本Zj为

1.2.2 备选货场 i 的成本

当货主选择往备选货场i(i= 1，2，…，n)调运时，计算备选货场的作业成本Yi为

货场i的等待成本Ci为

货车从编组站到备选货场i的运输成本Ti为

综上，备选货场i的调度总成本Zi为

1.3 调度模型建立

铁路货车调度，需要满足分层分级管理、集中统一指挥的原则，具体细则如下。①在运输工作的日常计划中，编组站及区段站需要及时收集到达列车预、确报，掌握车流变化，正确推算现车和相关指标，按阶段向铁路局集团公司调度所汇报车流和车站作业情况。②当计划组织无法有效完成卸车任务时，应先向上级汇报，在收到指令后进行合理的调度作业，从而确保货场的有效运转。③变更到达车站(货场)时，应确保车流通畅，不同货场之间的调度需要在货物运输经营考核指标达标的前提下进行。

基于上述铁路货场繁忙度分析、成本分析及调度原则，构建单目标规划函数，选取最为合适的调度货场，构建模型如下。

式中：δj为原计划货场j的繁忙度；δi为备选货场i的繁忙度。

2 算例分析

2.1 调度决策逻辑框架图

综合上述铁路调度基本原则和铁路货场决策分析及调度模型，假定货车停留时间、线路占用情况、两端站区间状况均符合调度车流计划性原则。铁路局集团公司根据列车运行图显示的情况，充分了解线路的运输效率，判断备选线路是否满足调度条件，在货场各项要求满足调度原则的基础上，进行铁路货车调度决策分析。

调度逻辑思路如下：①判断是否符合调度原则及运输效率等情况，当满足原则后进入下一步。②繁忙度分析。在铁路货运计划中，假设以原货场的繁忙程度大于0.8，备选货场的繁忙度小于0.6 为阈值(此阈值可以根据情况适当调整)，判断是否需要进行调度。当货场各项繁忙程度未超出临界值时，按照原计划作业；否则进入下一环节。③成本分析。以铁路调度总成本最小为目标，按照模型分别计算铁路货车的作业成本、等待成本和运输成本，筛选出调度的目标货场。④询问货主的意见，进行货运安排。

铁路货场调度逻辑框架如图1 所示。

2.2 繁忙度计算

根据上述货场调度逻辑框架，首先应分析繁忙度，决定是否调整调度货场。现假定货车行驶至某编组站时，得出原计划货场x及枢纽内的备选货场x1，x2，x3的取送繁忙度δq、装卸繁忙度δz、搬运繁忙度δb和货位繁忙度δh。原计划货场(x)及备选货场(x1，x2，x3)的繁忙度如表4 所示。

由表4 数据可知，该状况下原货场x的繁忙度为0.81，状态为“非常繁忙”，需要进行调度。备选货场x1的繁忙度为0.50，状态为“一般繁忙”；货场x2的繁忙度为0.41，状态为“不繁忙”；货场x3的繁忙度0.60，状态为“比较繁忙”。3 个货场的运作情况均符合调度备选条件，因此再对x，x1，x2，x34 个货场做进一步的成本分析。

2.3 成本计算

图1 铁路货场调度逻辑框架Fig.1 Logical diagram of railway freight yard dispatching

表4 原计划货场(x)及备选货场(x1，x2，x3)的繁忙度Tab.4 Busy degree of the original freight yards (x) and optional ones (x1, x2, x3)

按照调度逻辑框架进行繁忙度测算后，进行成本分析。已知货车总数为10 车，货车的平均静载重为30 t/车。此时货车运至编组站，货车距离原货场x为5 km，距离备选货场x1，x2，x3分别为9.5 km，13.3 km 和13.8 km。铁路枢纽货场相对位置如图2 所示。其中，货场x的作业费率为8.51 元/t，货场x1，x2，x3的作业费率分别9 元/t、8.17 元/t 和8.77 元/t。为便于研究，假设各货场作业的固定成本相同，此处忽略不计。由于原计划调度货场的繁忙程度为0.81 (非常繁忙)，存在延迟，延迟费率为10 元/ (车·h)，货车停留在原货场的等待时间为5 h。货车调至货场x1，x2，x3的等待时间分别为2 h，1 h，3 h。假设运输费用中，发到基价为5.4 元/t，运行基价为0.027 6 元/ (t·km)。

图2 铁路枢纽货场相对位置Fig.2 Relative position of railway freight yards in hub

按照调度模型的对应公式，由公式(1)可以计算原货场作业成本Y为2 553 元。由公式(5)可得x1，x2，x3的作业成本为2 700 元、2 451 元和2 631 元。

由公式(2)可以计算原货场的等待成本C为500元。由公式(6)可知备选货场x1，x2，x3的等待成本分别为200 元、100 元和 300 元。

由公式(3) 可计算原货场的运输成本T为1 661.40 元。由公式(7) 可算出备选货场x1，x2，x3的运输成本为1 698.66 元、1 730.12 元和1 734.26 元。

由公式(4)和(8)可以计算出各货场的调度总成本Z，其中货场x2的调度总成本最小，为4 281.12 元。进一步地，征求货主意见；当货主同意调度时，选择x2作为调度货场。当货主不同意调度时，在原货场x等待。货场各项成本及调度总成本如表5 所示。

表5 货场各项成本及调度总成本 元Tab.5 Various costs and overall dispatching cost of the freight yard

3 结论

（1）研究引入繁忙度的指标及计算公式，通过计算货场的取送、装卸、搬运和货位能力，确定货场整体的运作状况。运用成本分析法计算铁路货车的作业、等待及运输成本，以此构建调度模型，形成调度逻辑框架，将货场的繁忙度和成本分析作为调度决策的判决条件，帮助调度人员筛选出合适的货场，减少货车积压和等待时间，使货场资源得到合理高效的利用，从而提高铁路货物运输效率。

（2）模型的构建以运输线路通畅、日班计划达到要求等多种假设为前提，对比货场间的繁忙度和成本，仅适用于货场间的调度决策。研究未考虑在装卸车货场已经确定的情况下如何进行场内调度，在后续研究中应就优化利用货场能力、提高枢纽调度效率等进一步完善研究内容。