客運(yùn)專線動車組運(yùn)用與周期研究

客運(yùn)專線動車組運(yùn)用與周期研究

為了最大限度地降低客戶的成本，鐵路設(shè)備必須投資合理數(shù)量的鐵路設(shè)備。動車組是完成客戶物流生產(chǎn)任務(wù)的最基本因素，在鐵路設(shè)備的投資中占著很大比例。因此在運(yùn)輸任務(wù)確定的前提下,通過組織合理的運(yùn)輸方案提高動車組使用效率,從而減少其配置數(shù)量是降低客運(yùn)專線投資、提高其經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。目前,我國對客運(yùn)專線動車組運(yùn)用的研究取得了一定成效。不少專家、學(xué)者提出了動車組的不固定區(qū)段使用及優(yōu)化問題,這些研究對今后動車組的運(yùn)用具有一定的參考價值;由于動車組在各客運(yùn)區(qū)段運(yùn)行缺乏明顯的規(guī)律性、運(yùn)輸計劃復(fù)雜且需要不斷地制定新的運(yùn)輸計劃,加重了運(yùn)輸調(diào)整的困難。本文借鑒動車組不固定方式使用的思路及國外客運(yùn)專線運(yùn)營的成功經(jīng)驗(yàn),提出了一種新的運(yùn)用方式——周期性運(yùn)用。它的含義是:假設(shè)各種不同型號的動車組運(yùn)行區(qū)段不固定、可以在任何客運(yùn)區(qū)段運(yùn)行,當(dāng)且僅當(dāng)動車組回到其始發(fā)站,并且保證在此過程中至少有一次經(jīng)過具有一級維修條件的車站,且在站停留時間不小于其相應(yīng)的作業(yè)時間。構(gòu)成這一封閉循環(huán)的過程即為動車組周期性運(yùn)用計劃的編制過程。分析可知動車組周期性運(yùn)用具有明顯的規(guī)律性,且運(yùn)輸計劃一旦制定完成就相對固定,同時也能夠較好地解決維修基地零部件配置及乘務(wù)員配備等一系列問題。1tsp和tsp問題動車組周期性運(yùn)用計劃編制問題的重點(diǎn)是解決列車接續(xù)及檢修計劃的制定。為此,可將此問題轉(zhuǎn)化為動車組運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)上具有較多約束條件和目標(biāo)函數(shù)的TSP(TravelingSalesmanProblem)問題。動車組運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)以列車運(yùn)行圖為基礎(chǔ),將列車看成點(diǎn),將列車的接續(xù)看作弧,接續(xù)費(fèi)用作為弧的權(quán)重。1.1模擬模型1.1.1點(diǎn)點(diǎn)集合用有向圖DK=(VK,AK)表示K型動車組的運(yùn)用網(wǎng)絡(luò);VK={vki|vki=(tfmi,ξfi,tdmi,ξdi)}是點(diǎn)的集合,其中,m為ξfi或ξdi,點(diǎn)對應(yīng)給定運(yùn)行圖中的列車,點(diǎn)中包含列車i的始發(fā)時刻tfmi、終到時刻tdmi、始發(fā)車站ξfi和終到車站ξdi等信息;AK={akij|akij=(vki,vkj);vki,vkj∈VK}是弧的集合,弧akij=(vki,vkj)對應(yīng)列車i與j之間的接續(xù),每個弧akij被分配一個權(quán)重?ωkij;K為與動車組k型號一致的所有動車組的集合。1.1.2r級檢修費(fèi)用(1)在已確定客運(yùn)專線全線運(yùn)行圖的基礎(chǔ)上,進(jìn)行動車組優(yōu)化配置,運(yùn)行圖規(guī)定的每一列車車次必須分配到一個動車組且僅能分配一個,所分配動車組與該列車車次所需動車組屬性應(yīng)一致。在此過程中所有列車的始發(fā)、終到時刻及始發(fā)、終到車站不作任何變動。定義決策變量χkij為動車組k(k∈K)在執(zhí)行完列車i后是否接續(xù)列車j運(yùn)行,有χkij={1動車組k執(zhí)行完列車i后接續(xù)運(yùn)行列車j0否則定義匹配性函數(shù)βki以描述動車組與列車之間的限制βki={1vki∈VΚ0vki?VΚ{ΝΚ∑i=1ΝΚ∑j=1χkij=1βkiβkj=1?k,i,j(2)K型動車組運(yùn)行完列車i后,在車站m存在轉(zhuǎn)線等所需要的基本技術(shù)作業(yè)時間TmΚR(R∈(Yjx,Rj,Lz)),其中,Yjx為一級修作業(yè);Rj為日檢作業(yè);Lz為立折作業(yè)。前續(xù)列車的終到站必須與后續(xù)列車的始發(fā)站一致,后續(xù)列車的始發(fā)時刻應(yīng)晚于前行列車的終到時刻,且其時間差不小于基本技術(shù)作業(yè)時間TmΚR?；kij=(vki,vkj)對應(yīng)列車i與j之間的接續(xù)關(guān)系。每個弧akij被分配一個權(quán)重?ωkij,表示動車組k在車站m完成列車i后接續(xù)運(yùn)行列車j的希望程度;在滿足作業(yè)要求的前提下,權(quán)重越小接續(xù)運(yùn)行的希望程度越高;其大小隨指派關(guān)系不同而改變,是指派問題的指派費(fèi)用。?ωkij={tfmj-tdmitfmj-tdmi≥ΤmΚRtfmj-tdmi+1440tfmj-tdmi＜ΤmΚRχkij=1?k∈Κ定義匹配性函數(shù)PmΚR以描述車站m是否具備對K型動車組進(jìn)行R級檢修功能;決策變量DkRi表示動車組k執(zhí)行完列車i后是否需要進(jìn)行R級檢修;動車組k的R級檢修對應(yīng)實(shí)際走行公里為lkR;K型動車組的R級檢修對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)走行公里為LΚR(R∈(Yjx,Rj,Lz));檢修波動變量ΔBΚR表示K型動車組的R級檢修公里可以上下浮動的量;決策變量CmkRi表示動車組k運(yùn)行完列車i后到達(dá)車站m時檢修設(shè)備是否有能力對其進(jìn)行R級檢修;決策變量γkij表示動車組k運(yùn)用交路中列車i的終到站與列車j的始發(fā)站是否一致。ΡmΚR={1車站m具備對Κ型動車組的R級檢修功能0否則DkRi={1LΚR-ΔBΚR≤lkR≤LΚR+ΔBΚR0否則?k∈ΚCmkRi=CξdkiRi={1有能力對其進(jìn)行R級檢修0否則γkij={1ξdi=ξfj0ξdi≠ξfj{ΡξdΚiRχkijβkiβkjγkijDkRiCξdkiRi=1?ωkij≥ΤξdΚiRR∈(Yjx,Rj,Lz)?Κ,i,j(3)在滿足約束條件(2)的前提下,定義檢修優(yōu)先權(quán)函數(shù)Sur(K,R)以表示K型動車組各級檢修作業(yè)的權(quán)重。Sur(Κ,Yjx)＞Sur(Κ,Rj)＞Sur(Κ,Lz)?Κ(4)動車組k運(yùn)用交路在同一時段范圍內(nèi)最多只能勾畫一列車運(yùn)行線。動車組在執(zhí)行運(yùn)行任務(wù)時,與列車是一一對應(yīng)的關(guān)系,即任一動車組在執(zhí)行完列車i后最多只能執(zhí)行一個后續(xù)列車j,且在執(zhí)行列車j之前也只能執(zhí)行一個緊前列車i。{∑j=1ΝΚχijk=1?k,i∑i=1ΝΚχijk=1?k,j(5)動車組k的運(yùn)用交路在完成一個周期過程中,至少應(yīng)具備一次一級檢修作業(yè)條件。定義決策變量SYjxk以表示動車組k是否具備一級檢修作業(yè)條件。{∑i=1ΝΚDYjxik≥1?kΡYjxξidΚχijkβikβjkγijkCYjxiξidk=1ω?ijk≥ΤYjxξidΚSYjxk={1滿足約束條件(5)0否則(6)把從VK中未被訪問過的最早始發(fā)列車對應(yīng)的點(diǎn)vik,作為動車組k運(yùn)用交路的開始點(diǎn),記作vsk;并記vik為已被訪問。定義鏈(v1′k,v2′k,…,vn′k)表示動車組k接續(xù)運(yùn)行列車的過程。vsk={vik|min{tifm|tifm∈vik,vik∈VΚ}}則有vs′k。(7)從點(diǎn)vik開始按照貪婪準(zhǔn)則(greedycriterion)在滿足約束條件(2)的前提下,從VK中選擇下一未被訪問過的接續(xù)列車l;并記vlk為已被訪問。ω?ilk=min{ω?ijk|aijk∈AΚ}則有(vs′k,v2′k,…,vi′k,vl′k)。(8)如果列車l的終到車站ξld與列車s的始發(fā)車站ξsf一致,且在動車組k的接續(xù)運(yùn)行(vs′k,v2′k,…,vi′k,vl′k)過程中滿足約束條件(5),則將列車l對應(yīng)點(diǎn)vlk作為動車組k運(yùn)用交路的終止點(diǎn),記作vek。{ξsf=ξed∑SYjxk≥1?k則有(vs′k,v2′k,…,vi′k,ve′k)。由此可得,鏈(vs′k,v2′k,…,vi′k,ve′k,vs′k)即構(gòu)成一個回路,即已構(gòu)成封閉循環(huán)。這一過程即為動車組k的周期性運(yùn)用計劃的編制過程,點(diǎn)vs′k,v2′k,…,vi′k,ve′k為動車組k一個周期內(nèi)依次接續(xù)運(yùn)行列車的組合。(9)若動車組k的運(yùn)用交路在尚未完成LYjxΚ±ΔBYjxΚ的過程中,經(jīng)過PYjxmΚ為真的車站m且在站停留時間不小于TYjxmΚ,則認(rèn)為其已具備一級檢修作業(yè)條件。SYjxk={1ΡYjxξidΚχijkβikβjkγijkCYjxiξidk=1ω?ijk≥ΤYjxξidΚ0否則1.2動車組周期模型通過1.1.2節(jié)中的約束條件(1)～(8)對動車組周期性運(yùn)用計劃的研究,可知,動車組k在標(biāo)準(zhǔn)的接續(xù)過程中只要滿足約束條件(8)即構(gòu)成一封閉循環(huán),也即動車組k承擔(dān)一系列固定車次的運(yùn)輸任務(wù)且在固定地點(diǎn)進(jìn)行固定檢修作業(yè),此過程即構(gòu)成一個周期。從動車組周期性運(yùn)用計劃的實(shí)際鋪畫結(jié)果可知,各動車組運(yùn)用周期的長短與其每天接續(xù)列車運(yùn)行線的屬性、次序等因素有關(guān);分析得所有動車組的平均周期為10.6d,在此稱其為“大周期性”。針對這一特點(diǎn),提出進(jìn)一步縮短動車組運(yùn)用周期的想法,并基于以上模型,對其是否已具備一級檢修作業(yè)條件進(jìn)行修改。在這里只要滿足約束條件(8)和(9)即認(rèn)為其已構(gòu)成封閉循環(huán),即構(gòu)成一個周期。此種運(yùn)用方式稱為“小周期性”。由實(shí)際鋪畫得,所有動車組的平均周期為5.7d,明顯短于“大周期性”運(yùn)用周期。2最短在站停留時間在給定運(yùn)行圖的前提下,基于上述模型,初步研制開發(fā)了客運(yùn)專線動車組運(yùn)用計劃編制模擬系統(tǒng)軟件。此模擬系統(tǒng)軟件充分利用了可變深度局部搜索思想和回朔策略,使得動車組在換掛列車運(yùn)行線的過程中,所有列車在車站m的接續(xù)停留時間Zm在考慮各種維修等作業(yè)的條件下取最小值時,即∑m=1ΜΖm也取最小值。因此,通過求解Zm的最小值即求可得所有動車組最小總周轉(zhuǎn)停留時間,即可得到整個運(yùn)行圖動車組運(yùn)用數(shù)量的最優(yōu)解。最短在站接續(xù)停留時間為minΖm=∑i=1∑ΝΚ∑j=1∑ΝΚ(ω?ijkχij)動車組需要數(shù)等于其消耗的總時間除以1440min,總時間數(shù)等于動車組掛線運(yùn)行時間和周轉(zhuǎn)接續(xù)停留時間的總和。所有動車組的掛線運(yùn)行時間總和就是運(yùn)行圖各運(yùn)行線旅行時間總和,其值是固定不變的。周轉(zhuǎn)接續(xù)停留時間總和就是動車組在各個車站因維修等作業(yè)要求而停留的時間總和,大小隨指派關(guān)系不同而改變,是指派問題的指派費(fèi)用。因此,動車組使用數(shù)Ntrain-set表示為Νtrain-set=[∑m=1Μ∑i=1∑ΝΚ(tidm-tifm)+∑m=1ΜΖm]/14403模擬示例分析3.1客運(yùn)專線運(yùn)行條件以某客運(yùn)專線A—B為背景,A和B分別設(shè)置一級檢修作業(yè)的設(shè)備,C、D、F等3個車站設(shè)置具有日檢作業(yè)功能的設(shè)備。綜合維修天窗按0:00～6:00矩形“天窗”考慮,列車運(yùn)行圖的其它各項(xiàng)參數(shù)均按文獻(xiàn)取值。動車組標(biāo)準(zhǔn)維修條件為每走行30000km(LYjx)進(jìn)行一次一級修,需耗時4h(TYjx);每走行3000km(LRj)進(jìn)行一次日檢作業(yè),需耗時1.5h(TRj);每運(yùn)行一列車車次后需進(jìn)行一次立折,每次立折時間為24min(TLz)?？瓦\(yùn)專線A—B,各客運(yùn)區(qū)段技術(shù)條件如表1所示;各客運(yùn)站間列車對數(shù)如表2所示,全部列車之和為136列。3.2系統(tǒng)操作需求情況依據(jù)表2數(shù)據(jù)鋪畫列車運(yùn)行圖,利用客運(yùn)專線動車組運(yùn)用計劃編制模擬系統(tǒng)軟件,在給定運(yùn)行圖條件下模擬得到不同維修作業(yè)時間下不同運(yùn)用方式的動車組需求數(shù)量如表3所示。3.3防治動車組大周期和小周期運(yùn)用所需資源量的影響(1)固定性運(yùn)用方式是指,動車組在旅客列車始發(fā)站與終到站間固定運(yùn)行。即使不考慮維修情況,所需的動車組數(shù)量也明顯多于不固定性運(yùn)用方式與周期性運(yùn)用方式。(2)在采用的運(yùn)行圖結(jié)構(gòu)條件下,試圖通過縮短動車組維修作業(yè)時間,以調(diào)整運(yùn)行線之間的指派關(guān)系來減少動車組需求數(shù)量,結(jié)果表明其效果并不明顯。同時將一級修及日檢作業(yè)時間改為24min,則動車組大周期性與小周期性運(yùn)用所需求的動車組數(shù)量均為45套,分別較標(biāo)準(zhǔn)方案的49套與48套相差不多。由此可見,各種維修作業(yè)時間不是影響動車組數(shù)量的主要因素,但隨著檢修作業(yè)時間的減小對動車組的需求數(shù)量呈下降趨勢。(3)研究表明,通過改變運(yùn)行圖結(jié)構(gòu),周期性運(yùn)用方式下動車組需求數(shù)量在48套～56套之間波動。由此可見,運(yùn)行圖結(jié)構(gòu)對動車組需求數(shù)量影響較大。因此,編制接續(xù)良好的運(yùn)行圖,對減少動車組配置數(shù)量具有顯著的意義。(4)雖然周期性運(yùn)用所需要的動車組數(shù)量較不固定性稍多一點(diǎn),但由于不固定運(yùn)用方式下,動車組在各客運(yùn)區(qū)段的運(yùn)行缺乏明顯的規(guī)律性、運(yùn)輸計劃復(fù)雜且需要不斷地制定新的運(yùn)輸計劃,因而不利于形成合理的運(yùn)輸組織方案。動車組的周期性運(yùn)用具有明顯的規(guī)律性。通過研究得出,此種運(yùn)用方式并沒有過度增加動車組的數(shù)量,所以認(rèn)為動車組周期性運(yùn)用不失為一種行之有效的運(yùn)用方式。3.4動車組走行公里和斷裂率仍以表3動車組周期性運(yùn)用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。從動車組的運(yùn)用交路圖看,各動車組基本上每天接續(xù)運(yùn)行2～4次。標(biāo)準(zhǔn)方案各種運(yùn)用方式條件下動車組運(yùn)用指標(biāo)見表4。表4中利用率由式(1)計算得到?？芍獎榆嚱M周期性運(yùn)用方式下年平均走行里程高達(dá)94×104km,較國外動車組運(yùn)用指標(biāo)高。標(biāo)準(zhǔn)方案條件下各站配屬動車組數(shù)量見表5,由此可確定各站存車線等設(shè)備規(guī)模。同時通過分析動車組運(yùn)用交路圖,可確定動車段等設(shè)備規(guī)模及各種維修部件的配置。利用率=生產(chǎn)時間/(總時間-綜合維修天窗時間)(1)生產(chǎn)時間=旅行時間+標(biāo)準(zhǔn)接續(xù)時間(2)4運(yùn)行圖調(diào)整模型的應(yīng)用動車組周期性運(yùn)用方式是通過總結(jié)既有鐵路的客車車底使用方式以及國內(nèi)外學(xué)者的研究成果,同時借鑒國外客運(yùn)專線運(yùn)營的成功經(jīng)驗(yàn),針對我國客運(yùn)專線具體情況提出的一種新的運(yùn)用方式。由于平日和節(jié)假日旅客運(yùn)輸需求的不同,針對這種需求差異,在平日和節(jié)假日分別采用不同的分號運(yùn)行圖,因此動車組運(yùn)用計劃也被分為平日運(yùn)用計劃和節(jié)假日運(yùn)用計劃。為保證動車組在平日和節(jié)假日等分號運(yùn)行圖之間過渡和檢修計劃的實(shí)施,先編制平日運(yùn)用計