重载铁路货运产品开行方案优化设计

符佳芯

（西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 611756）

0 引言

我国经济的飞速发展推动了铁路运输的繁荣，重载铁路运输以大运量、低成本等优势成为我国铁路货物运输的发展趋势。为了增加重载铁路的运输能力和运输效益，应对重载铁路货运产品的开行方案进行研究，合理配置铁路运输资源，提高重载铁路的竞争力。

郭帅，等[1]以北京局集团公司快捷货物运输为例，通过建立标准化作业、拓展直达运输业务等方式构建快捷的货物运输网络。秦胜，等[2]通过分析目前长江沿岸货运市场的供求情况，设计了沿江铁路货运产品优化方案。王波，等[3]分析了铁路货运产品的多样性，在此基础上提出了差异化的运输产品设计理念。王永成[4]从影响既有线开行重载列车的影响因素出发，分析了重载列车组织形式，并提出了既有线重载运输组织方案。段力伟[5]分析了不同市场细分、不同客户需求的特点，设计了有针对性和差异性的铁路货运产品，来满足货运市场的运输需求并降低铁路运输费用。宗岩[6]在分析国外铁路的货运产品设计的基础上，认为我国可以借鉴其先进发展经验，从货运需求和市场竞争的角度出发，开发“定制化、准时化、个性化、多样化”的铁路特色货运产品，并加强对铁路运营的管理，以达到增强铁路竞争力的目的。王宏亮[7]设计了差异化和定制化的铁路货运产品，指出优先组织大宗货物列车运行、灵活定价、提高附加值货运产品的市场份额是提高铁路运输效益的有效途径。许振东，等[8]认为通过建立集疏运一体化的货运组织模式和客户服务中心，可以提高货物运输效率和运输服务质量。武轶杰[9]分析朔黄铁路近远期运量增长的情况，通过建立目标规划模型，在线路运量最大、机车车辆数量最少、不超过线路平均通过能力等约束条件下对该问题进行了求解。伍梦欢[10]研究了既有线开行重载列车需要具备的条件，通过计算年货运量、既有线通过能力，建立满足旅客运输需求的既有线列车开行数量优化模型。

为实现重载铁路货运的健康发展，应通过对传统的货运产品种类、数量、路径等属性进行分析，构建与货运市场和自身优势相适应的货运产品体系，满足多样化的运输需求。同时货运产品开行方案的设计应满足线路的年输送能力、机车车辆运输数量的限制以及线路日常列车运行调整的需要，不仅可以起到优化运输资源配置的作用，还有利于运输成本的降低和运输效益的提升。

1 铁路现有货运产品分析

1.1 货运产品的形式与分类

铁路货运产品是指以列车为载体，实现货物在空间上的位移，即货物从约定起点至约定终点的运输服务，及其铁路运输过程中产生的各种延伸服务，如信息查询服务、质量保证等。

铁路货运产品按照不同的开行方式、列车编组方式、运输货物品类、列车开行技术条件等运营组织管理因素可划分为多种。我国传统的铁路货运产品是运能紧张情况下开行的低附加值的货运产品形式，主要用于保障基础的运输需求，所以其形式单一，主要有：直达列车、直通列车、区段列车、摘挂列车、小运转列车等。

随着我国工业产业结构的调整优化，货运产品的差异性也愈加明显。为满足多样化的货运需求和运输时效性的要求，出现了一些新形式的货运产品，主要有特快货物班列、快运货物列车、“五定班列”、冷藏列车等。这些货运产品提高了铁路的运输效益。

根据铁路货运产品的特征构建不同系列的产品体系，可增加货运产品品种多样性，提高产品开发的速度，帮助重载铁路快速响应市场需求。

（1）基于货物的产品体系。铁路运输的货物主要分为高附加值商品与大宗商品两大类。其中高附加值的商品包括商品车、橡胶、纸品等，大宗货物包括煤炭、钢铁、粮食等。针对不同品类的货物，可开发设计的货运产品包括煤炭专列、粮食专列、集装箱专列、鲜活货物班列等。

（2）基于运输组织形式的产品体系。针对不同的货物运输组织形式和途中作业内容，货运产品包括大宗货物直达班列、组织中转班列、一站直达列车、途中甩挂列车、途中卸车列车等。

（3）基于时效性的产品体系。按照不同货物列车运行速度，货运产品可分为特快货物班列、快速货物班列、普速货物班列，按货物送达时间可分为当日达列车、次日达列车和规定期限列车。

1.2 货主对铁路货运产品的需求分析

货主对铁路货运的需求是在满足产品“位移”的基础上，对产品功能、附加服务等方面提出的要求。在进行重载铁路货运产品创新设计时，应从所运送货物的特点出发，结合重载铁路自身优势和线路特征，注重客户需求，开发设计适应铁路发展的一体化货运产品，以增加铁路货运的多样性，满足不同客户需求。

（1）经济性。运输经济性是指运输成本或运输费用。传统的运输成本主要指每单位重量公里的运费，与货物运量、运距等因素有关。现在客户一般期望购买整体服务，即包括接取送达、运输、装卸等服务，运输成本指的是运输过程中的总费用。在服务质量相同的条件下，客户往往倾向于选择运输费用低的货运产品。

（2）安全性。货物运输的基本要求是保证货物完好无损、安全送达目的地，这也是衡量运输服务的标准之一。铁路运输企业通常以货运责任事故数、万元赔偿率等指标反映货物运输的安全性。目前，铁路运输企业运用科学化管理、标准化作业等手段，大大提高了各种货运产品的安全性。

（3）时效性。现在，货主对货运产品的时效性要求越来越高，提高货运产品的时效性主要体现在缩短送达时间并准时交货。在铁路运输组织中，时效性用货物运到期限体现。运到期限由货物发送时间、运输时间和特殊作业时间三部分组成。其中货物发送时间规定为1天，运输时间和特殊作业时间与运输条件、货物种类等因素有关。货运产品的时效性主要受既有设备设施、运输组织水平等因素的影响，不同的货物对时效性的要求也不尽相同。

（4）便捷性。货物运输的便捷性主要体现在客户办理手续方便快捷、信息服务畅通高效等方面。铁路运输企业通过网络化经营简化客户作业手续、缩短货物运送时间、提高准时交货率、加强信息技术支持等方式提高运输服务水平。便捷性是货运产品一体化设计需要考虑的重要因素。

2 重载铁路货运产品开行方案设计

2.1 重载列车组织形式

重载运输是指在一定的铁路技术设备条件下，扩大列车编组，提高列车牵引重量的运输方式。重载运输是铁路运输的发展趋势，也是铁路运输发展现代化的标志之一。按照组织形式，重载列车主要分为单元式、整列式和组合式重载列车。

（1）单元式重载列车。单元式重载列车是指由固定的机车车辆（大功率机车和一定辆数的同一类型的专用车辆）组成一个运输单元，以此作为运营计费单位。

组织单元式重载列车要求装车、运行和卸车等环节协调配合，各项设备实施配套齐全，组织形式要求较高，需要满足以下条件：货运量较大且货流稳定，流向集中，列车固定编组和固定的作业时间标准，在固定的装卸站之间往返运输货物，途中不需要解编作业；运用大功率机车和专用货车，以及相应的机车交路和乘务制度，保障列车正常运行；具有良好的装卸能力，实现快速货物作业；合理有效的运营管理体制。大秦线采用了此类重载列车。

（2）整列式重载列车。整列式重载列车是指由大功率机车或双机牵引，不同类型的车辆混合编组，并达到规定重量标准的列车。

整列式重载列车的货物作业、换挂作业等与普通货物列车相似，在运行途中还可进行改编作业。组织整列式重载列车要求货运量较大且货流稳定，车站到发线有效长需要延长至1 050m以上。朔黄铁路采用了此类列车。

（3）组合式重载列车。组合式重载列车是将两列及以上同方向运行的列车首尾相连，合并组成的重载列车，机车挂于列车的头部和中部。

开行组合式重载列车利于增加列车编组辆数和牵引重量，节省运行线，有效缓解线路运输能力紧张，提高铁路线路能力、设备设施利用效率和运输效益。组织组合式重载列车需要考虑线路的繁忙程度、货流来源以及装卸站的位置，合理组合和分解列车，提高货物运输效率。

随着重载铁路技术设备逐步完善以及大型货车的发展，根据铁路运输需要，规划不同重量、组织形式的重载列车货运产品方案，最大限度地提高重载铁路的运输能力和运输效益，成为铁路运货工作面临的重大课题。

2.2 重载铁路货运产品开行方案模型的构建

2.2.1 约束条件。为满足重载铁路年输送能力要求，充分利用线路能力，本文通过建模选择合理的重载铁路货运产品开行方案。确定铁路上开行的重载列车主要包括5 000t、8 000t、10 000t、20 000t四种类型。模型应满足的约束条件如下：

（1）重载铁路年货运量不少于需求运输能力；

（2）考虑实际运输组织过程中列车运行图调整的需要，线路通过能力利用率不高于80%；

（3）每日运用的机车总台数应少于日均配置数量；

（4）C80型货车用于20 000t重载列车，数量有限。

约束条件（1）是由决策者提出的关于货运量的硬性要求，是模型追求的最主要的优化目标，为第一优先级，用P1表示；约束条件（2）是对线路能力的要求，预留线路能力进行运行调整，为第二优先级，用P2表示；约束条件（3）是由于机车数量有限，以提高机车运用效率为目标，为第三优先级，用P3表示；约束条件（4）是由于货车数量有限，在开行方案中以实现货车数量最少为目标，为第四优先级，用P4表示。

2.2.2 目标函数。铁路上开行牵引重量为Qi的列车数量为xi，i=1,2,3,4，根据货物列车开行对数的公式，开行对数为：

式中，G—年设计货运量；Kb—货运波动系数；φi—牵引重量为Qi的载重系数。

根据平行运行图计算公式：

式中，Tc—天窗维修时间；

Ii—重量为Qi的列车的追踪间隔时间。

根据非平行运行图的计算得到的开行对数：

式中，nk—线路上开行的旅客列车数；εk—开行旅客列车的扣除系数。

在我国铁路线路上，开行一列20 000t重载列车需4台电力机车牵引，10 000t和8 000t需2台机车，5 000t需1台机车。机车周转时间为θj，需要系数为Kj，机车日均运用台数为N，则：

式中，tb—机车在基本段停留时间；tz—机车在折返段停留时间；ts—在区间单方向纯运行时间。

根据约束条件（1）：

根据约束条件（2）：

根据约束条件（3）：

根据约束条件（4），20 000t重载列车编组辆数m，货车周转时间是θh，C80货车日均配备m台，则：

综上所述，重载铁路货运产品开行方案的多目标模型为：

本文建立的重载列车开行组合方案模型为多目标规划模型，利用LINGO软件，将多目标拆分为几个单目标问题，并按优先等级第一至第四依次求解，将结果输出并加以分析。

3 案例分析

结合大秦线的运营经验，假设我国某重载铁路20 000t列车追踪间隔时间为12min，10 000t列车追踪间隔时间为10min，8 000t与5 000t列车追踪间隔时间为8min。采用V型维修天窗，作业时间为180min，货运波动系数为1.1，双线预留0.15的后备能力，根据设计要求，该铁路线路上每日运行10对旅客列车，旅客扣除系数为2.6，机车每日可运用420台，在基本段与折返段停留时间为180min，C80货车编组辆数为200辆，货车周转时间θh为3d。表1是三类货车的技术参数：

表1 三种货车技术参数

根据本文建立的优化模型，结合相关的技术参数，根据公式（9），得到的多目标规划模型为：

运用LINGO软件，求出此多目标模型的解，表2为最终开行方案。

表2 重载列车开行组合方案

从表2可以看到，四种方案都满足该重载铁路设计年运量和线路能力的要求。

方案1是只开行5 000t重载列车，便于运输组织，但需要增加机车运用台数，该组织方案不利于铁路运输效率的提高。

方案2开行了5 000t和20 000t的重载列车，但需要增加C80型货车数量。

方案3开行了5 000t、8 000t和20 000t的重载列车，也需要增加C80型货车数量。

方案4开行5 000t、8 000t、10 000t和20 000t的重载列车，同时满足了四个优化目标，较为合理。

由此可知，对于该重载铁路，方案4的开行组合方案较为理想，但在未来，随着货运量的增加和技术设备不断创新，线路可以只开行10 000t和20 000t的列车，便于降低运输组织和调度工作的难度，提高货物运输效率和效益。

4 结语

本文提出的重载铁路货运产品开行方案优化方法，满足了重载铁路多样化的运输需求，并对运输资源配置起到了优化作用。另外，本文在进行优化设计时，只考虑了重载铁路的年运量、线路能力、机车车辆数量等，还需要进一步对“天窗”设置方式、到发线使用、通信等设备配置方案进行研究，以提高重载铁路运输效率。