基于既有運行圖的高鐵行包運輸方案優化*

劉 勇 朱曉寧 閆柏丞 劉 瀟

(深圳市城市交通規劃設計研究中心1) 深圳 518021) (北京交通大學交通運輸學院2) 北京 100044)

基于既有運行圖的高鐵行包運輸方案優化*

劉 勇1,2)朱曉寧2)閆柏丞2)劉 瀟2)

(深圳市城市交通規劃設計研究中心1)深圳 518021) (北京交通大學交通運輸學院2)北京 100044)

基于既有旅客列車運行圖下的高速鐵路行包運輸組織方案建立了優化模型，利用LINGO9.0平臺對模型進行了求解，并以京滬高鐵為背景設計了算例對模型的有效性進行了驗證.結果表明，模型對高速鐵路快運組織方案設計問題具有良好的適用性和優化效果.通過給出高速鐵路快運停站方案和裝卸車作業計劃，能為高速鐵路貨物運輸組織提供一定的決策支持.

鐵路運輸；快運組織方案；非線性整數規劃；高鐵快運；既有運行圖

0 引 言

當前關于高鐵快運的研究主要集中在產品設計與定價、運量預測分配、列車貨運技術、車站布局和作業流程設計等方面[1-4]，而對高鐵快運列車運輸方案研究較少[5-7].少量的研究也集中于研究既有鐵路貨運組織方式在高速鐵路中的應用，且多針對高鐵貨運班列，單一從貨運視角出發，未充分考慮當前高速鐵路網以客運列車為核心服務對象的客觀條件，以及未考慮結合既有運行圖合理安排列車時空分布，一定程度上脫離實際需求，對企業實踐缺乏指導意義.

文中著眼于既有高速鐵路運行圖，綜合考慮快運市場多樣化需求，通過建立基于既有運行圖的高速鐵路快運組織方案優化模型，提出1種快運組織方案的編制方法，為高鐵貨物運輸提供理論依據和決策支持.

1 問題描述與模型建立

1.1 問題描述

在當前運營水平下，裝備技術條件仍未達到以高頻次開行高鐵貨運班列的要求，旅客運輸仍是高速鐵路運輸的核心任務.因此，高速鐵路快運組織方案是在既有高鐵客運組織的基礎上進行的貨運作業組織，其核心是合理調配高鐵快運的運輸能力，確定高鐵快運的停站組織方案和貨物裝卸車計劃，既滿足高鐵貨物的運輸需求，又盡可能地減少對高鐵客運組織的影響.高鐵貨物運輸組織的示意圖見圖1.

圖1 高鐵貨運組織方案示意圖

由圖1可知，高速鐵路組織快捷貨物運輸停站方案是在客運停站方案的基礎上，依據沿線高鐵貨運需求、設施設備條件和客運高鐵列車在沿線車站客運組織時間等因素進行優化設計的結果.與高鐵貨物專列開行方案不同，高鐵貨運組織方案是高鐵旅客運輸組織的附屬方案，著重于滿足以小件貨物為主要貨運對象的小批量、靈活性和時效性要求，在方案屬性上具有靈活性和實時性特征，是針對具體的貨物運輸需求制定的具有時效性的停站方案和裝卸車作業計劃.

1.2 基本假設

依據問題描述，結合現場實際情況，現對問題給出如下假設.

1) 列車同質性假設 對于在辦理點經停的高鐵列車，均可納入辦理高鐵快運業務列車的備選集.現階段，我國高鐵列車主要利用車廂兩端大件行李處搭載定制的專業化集裝設備，對于辦理貨物業務而言，可以提供的運輸條件基本相同.

2) 高鐵車站貨運作業可行性假設 辦理點均具備提供高鐵貨運服務的基礎技術條件，不同等級的高鐵站依據經停列車的總停站時間不同，所容許辦理的最大貨運業務量有所差異，且在貨運作業能力上與高鐵客運作業能力相匹配.

3) 運輸能力假設 在計劃期內，運輸部門所投放的動車組運力能滿足所有的高鐵貨物運輸需求.操作過程中，貨運部門可通過設計不同時效性的貨運產品，通過在時間維度上分散客戶的貨運需求來保障貨運服務的能力充足.

4) 運輸直達假設 高鐵貨物運輸組織方案采取站到站一次直達本線運輸的方式，不存在中轉情況.由于貨物的裝卸作業會對高鐵客運組織產生影響.因此，在高鐵貨物作業組織過程中以滿足貨物直達運輸需求為主.

5) 車站貨運裝卸作業時間假設 在選定貨運辦理點的列車停站時間，扣除正常旅客乘降時間要求外，其時間長度滿足高鐵列車裝卸隨車搭載的快件貨物的時間要求.

1.3 符號說明

1.4 目標函數

高鐵貨物運輸組織方案是在高鐵旅客運輸組織方案的基礎上，綜合考慮動車組列車、辦理車站及貨運需求等因素的綜合方案.高鐵快運業務是以圖定旅客列車開行情況為基礎，且車站貨運作業的辦理勢必會對正常客運作業產生影響.因此，高鐵貨物運輸組織方案優化的目標為最小化高速列車辦理貨運作業總次數，減少貨運作業對高鐵旅客運輸組織的影響.由此可知，模型的目標為

(1)

1.5 約束條件

高鐵貨物運輸組織方案主要受到高鐵旅客運輸組織方案的影響，此外，還受到貨物運輸屬性、動車組列車運輸能力及高鐵站作業能力的影響.具體約束如下.

1) 高鐵貨運辦理站點約束 對于備選集內的高鐵站點，都是高鐵貨運業務的服務對象，即高鐵快運辦理點至少有1列高鐵列車經停該站辦理貨運作業.

?j∈K

(2)

2) 貨物運輸總量約束 在計劃期內，動車組的投放比例是充足的，計劃期內的高鐵貨物可以全部運完.對單個貨物而言，每件貨物有且僅有一列客運列車搭載.

?j,k∈K,m∈M

(3)

3) 高鐵運輸能力約束 高鐵主要以旅客運輸為主，每節車廂所留有的運輸空間是有限的，因此，每列車運輸貨物的總數不能超過單列車的運載總容量.即對于每列車在任何一個站，在經過一次裝卸車后其貨物的保有量不能超過該列車的運載容量.

?v∈K,i∈N

(4)

4) 運輸時限約束 高鐵貨運主要面向的是時效性強、附加值高的貨物，為滿足貨物運輸的時限要求，對單個貨物而言，成功運輸的前提條件是運載貨物的高鐵列車到站時刻不能晚于貨物最晚運到的承諾時間.

?j,k∈K,i∈N，m∈M

(5)

5) 列車辦理站數量約束 在高鐵客運車站進行貨運作業會對車站客流乘降組織產生影響.因此，對任意選定搭載貨物的旅客列車，其辦理貨物業務的總數應該得到控制，即任何列車其辦理貨運業務的站點個數不能超過允許辦理站點的最大值.

?i∈N

(6)

6) 列車辦理站約束 高鐵貨運業務是在客運業務的基礎上開展的，對單次列車而言，其貨運業務的辦理站點只能是在客運業務辦理站點上選擇的結果；對單個站點而言，只有當列車停站時才能辦理相應的貨運作業.

xij·(zij-1)=0,?j∈K,i∈N

(7)

7) 貨物運輸方案與貨運站業務辦理方案約束 只有在辦理高鐵貨運業務的辦理站，才能進行貨物的運輸.

?j,k∈K,i∈N,m∈M

(8)

8) 決策變量0-1約束

(xij-1)·xij=0,?j∈K,i∈N

(9)

?j,k∈K,i∈N,m∈M

(10)

2 模型求解與算例分析

2.1 算例描述

以京滬高鐵為高鐵快運組織方案為算例背景，選取京滬線上客貨運量較大、列車經停時間總和較長且車站貨運作業條件較好的7個高鐵站作為辦理貨運業務的備選集，并選取京滬線上開行時刻和停站時長較符合要求的13列高鐵作為辦理貨運業務的列車備選集.以京滬高鐵下行方向的高鐵貨運需求為例，要求在計劃期滿足內京滬線上共110個集裝單元貨物的快運需求.其中，設定每列動車組可容許裝卸的最大集裝單元個數為10個；單次列車容許辦理貨運作業的站點數不超過5個，計劃內各站貨運產品見表1.

表1 高鐵貨運服務產品運輸時限

對當日達和次晨達產品而言，其截單時間在當天中午12：00，運輸時間在當天完成；而對于次日達產品而言，截單時間為當天22：00，運輸時間為次日白天完成.因此，在裝卸車作業計劃編制上主要分為兩個計劃時段，當天12：00的計劃主要面向的是當日達和次晨達的貨運需求；當天22：00的計劃主要面向的是次日達產品.本次算例主要針對的是當日達(A)和次晨達(B)的12：00計劃，計劃期內各地間貨運需求總量分布見表2，備選集內列車停站方案和運行時刻見表3～4.

表2 京滬線12:00計劃期內高鐵快運需求量(A-B)

注：快運量統計以集裝單元為單位.

2.2 算例求解及分析

分析可知，高速鐵路快運組織方案優化模型為非線性整數規劃問題.文中重點在問題描述和優化方案生成，求解算法的選擇以能獲得滿意解為出發點，以算法求解速度為基本原則，盡可能選擇通用求解方法，在對問題進行小規模算例驗證比較的基礎上，選擇LINGO9.0對問題進行求解.將基礎數據代入模型，利用LINGO9.0求解工具，求解可得求解結果見表5～6，依據求解結果，綜合列車既有客運停站方案，可得列車貨運組織方案見圖2.

表4 選定京滬線高鐵客運時刻表

表5 高鐵貨運停站方案(下行)

表6 高鐵貨物裝卸車作業計劃(數量-車次)

圖2 高鐵貨物運輸組織方案

由以上高鐵貨物運輸組織方案可以看出：

1) 在滿足貨運需求方面，時段內當日達和次晨達貨物均按時運出，未出現滯留.

2) 共有9列高鐵列車投入下行方向貨物運輸，沿線共啟用貨運辦理點27次，占備選停站總數的38.57%，有效控制了利用既有高鐵開行列車開展快件運輸對高鐵既有客運的影響.

3) 以辦理點使用率(使用辦理點數/備選辦理點數)為指標，可看出天津西站高鐵貨運對天津西站和蘇州站干擾較大，使用率分別達66.67%和50%，南京、徐州、濟南客運受干擾程度控制較好.

4) 在能力利用上，計劃期內，平均單次列車運輸的貨物為12.22個，能力復用率達122.2%；從周轉量來看，高鐵貨運組織方案的貨運周轉量為420(集裝單元數量乘以運輸區段數量)，相較運力投放總量540(集裝單元數量乘以運輸區段數量)而言，總運力利用率達77.78%.

3 結 束 語

針對當前熱點的高鐵快運方案設計問題，在總結實踐和理論研究成果的基礎上，給出了適應于當前情況下解決高速鐵路快運組織問題的新思路和新方法.通過將高速鐵路快運組織方案分解為快運列車停站方案和裝卸車作業計劃，提出了適用于已知高速鐵路快運辦理點條件下的快運組織方案優化模型，利用LINGO9.0平臺對模型進行了求解，并通過算例對模型進行驗證.結果表明，模型對現實問題具有良好的適用性和優化作用，通過給出高速鐵路快運停站方案和裝卸車作業計劃，為高速鐵路貨物運輸組織提供決策支持.然而，高鐵快運的實施不僅需要對運輸組織方案進行優化設計，還需要對貨運組織流程、裝載搬運器械標準、場站設施布局等配套工程進行一體化優化改進，車輛與貨物及車站與貨物間的同步配合是進一步研究的方向.

[1]張濤.中鐵快運開展高鐵快遞業務的研究[D].北京：北京交通大學,2014.

[2]梁皓妍.高鐵快遞產品優化配置研究[D].北京：北京交通大學,2015.

[3]米曉芳.高鐵快遞業務運作方案設計-以華東地區為例[D].北京：北京交通大學,2015.

[4]宮強.哈爾濱鐵路局高鐵快遞運營管理研究[D].長春:吉林大學,2015.

[5]JEONG S J, LEE C G, BOOKBINGER J H. The European freight railway system as a hub-and-spoke network[J].Transportation Research Part A: Policy and Practice，2007,41(6):523-536.

[6]PAZOUR J A, MELLER R D, POHL L M. A model to design a national high-speed rail network for freight distribution[J]. Transportation Research Part A： Policy & Practice,2010,44(3):119-135.

[7]董凱凌.高速鐵路快捷貨物運輸組織相關問題研究[D].成都：西南交通大學,2014.

Express Freight Transportation Plan Optimization Based on Existed High Speed Railway Timetable

LIU Yong1,2)ZHU Xiaoning2)YAN Baichen2)LIU Xiao2)

(ShenzhenUrbanTransportPlanningCenter,Shenzhen518021,China)1)(SchoolofTrafficandTransportation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)2)

An optimization model is established for the transportation organization scheme of high speed railway based on the existing high-speed railway timetable. This model is solved using LINGO9.0 platform. By using Beijing-Shanghai High Speed Railway as the background, a case study is designed to validate the rational of the established model. The results show that the model has a good adaptability and optimized effects in solving the design problems of transportation organization scheme of high speed railway. Moreover, through the proposed model, an optimized express freight transport plan and loading and unloading scheme are acquired, which could guide practice to some extent.

railway transportation; express freight transport plan; nonlinear integer programming; express of EMUs; existed high-speed railway timetable

2016-10-24

*國家自然科學基金重大項目資助(71390332)

U294.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.019

劉勇(1990—)：男，碩士，助理工程師，主要研究領域為軌道交通運輸組織優化