基于煤炭儲配基地的區域循環準時制班列組織模式及其機車周轉模型研究

朱　亮，花　偉，王　德

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京　100081；2.中國鐵路總公司 科技管理部，北京　100844；3.中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京　100081；4.中國鐵道學會，北京　100844)

在我國鐵路貨運結構中，煤炭的發送量約占貨運總運量的50%，而其周轉量約占40%[1]，因此煤炭運輸是我國鐵路貨運收入的最主要來源，對鐵路的貨運經營至關重要。但是隨著路網規模逐步擴大、大宗物資運輸需求持續下滑[2]，在煤炭行業持續低迷的新常態下，客戶企業更加青睞能夠降低經營成本、提升服務品質的煤炭運輸產品。 因此，亟待根據客戶需求對鐵路煤炭運輸產品進行創新。

關于通過充分發揮煤炭物流供應鏈的規模化、集約化、共享化、信息化、全程化等優勢，降低煤炭全程物流成本的思路已取得國內廣泛共識[3-4]。國內有關學者對鐵路如何發展煤炭物流也進行了深入的研究[5-9]，但多局限于鐵路發展物流增值服務方面，未從供應鏈高度認識鐵路發展煤炭物流的問題；國外有關學者對煤電產業縱向市場的產運銷企業影響力[10-11]、電企煤炭供應鏈及長期協議[12]、煤企物流網絡構建[13-17]以及庫存控制[18-21]等問題進行了深入研究，但研究主要圍繞電企和煤企展開。在現場實踐方面，西安、哈爾濱鐵路局在煤炭運輸產品創新實踐方面嘗試在管內開行煤炭配送“準時制”班列，是較為先進的運輸組織模式，但由于準時制班列對組織協同度要求高，目前僅在鐵路局管內開行。

針對準時制班列跨局開行存在協調困難、煤企和火電企業等在煤炭供應鏈上的利益分配失衡等問題，作者基于納什均衡理論[22]提出了基于煤炭儲配基地構建鐵路主導型煤炭供應鏈的思路[23]，即基于煤炭儲配基地的區域循環準時制班列運輸組織模式，提高煤炭市場響應速度和產品供給時效，降低全程物流成本和創造衍生價值，實現三方共贏。另外，國務院、國家發改委在已印發的煤炭物流發展相關規劃及行動指南文件中也明確提出：要規劃建設大型煤炭儲配基地，引導煤炭物流向集約化、規模化方向發展[24-25]。綜上，本文主要針對區域循環準時制班列的運輸組織模式及機車周轉問題進行研究。

1　區域循環準時制班列運輸組織模式

區域循環準時制班列的組織過程如圖1所示，其組織模式概括如下。

1)運行線固化

煤炭儲配基地會同鐵路運輸部門與需求企業協商制定準時制班列的開行頻率，并根據機車車輛檢修、機班值乘等相關要求，編制合理的運行圖，準確控制裝卸站點與裝卸時間、在途運輸及技術作業的時間等，以保證煤炭產品準點到達需求企業指定的位置，為需求企業科學安排接卸車計劃創造條件，同時保持合理的庫存量。

圖1　區域循環準時制班列組織流程圖

2)固定車底

選擇狀態良好的車輛組成整列固定車底，在煤炭儲配基地與需求企業之間循環運行。牽引準時制班列的機車直接將重車車底送達需求企業指定的堆場甩掛后，就地轉線，再連掛已卸空的固定車底(如有需要加掛列尾)，然后返回煤炭儲配基地并將空車車底送至指定的存車線。固定車底的車輛編成輛數則由運行區段的牽引定數、裝卸車能力等因素綜合決定。

3)簇式機車交路

固定配屬機車、機班，專門服務于煤炭儲配基地輻射區域內的配送交路，按照機車檢修周期、煤炭儲配基地檢修能力、機班值乘的規定，編制機車運用、檢修及整備計劃、司機排班計劃，在區域內形成簇式機車交路，如圖2所示。

圖2　簇式機車交路示意圖

4)推薦采用底開門漏斗車

底開門漏斗車依靠自身重力自動卸車，卸凈率高，較翻車機方式能夠大幅節省卸車機械及勞力的成本，卸車效率約為三車翻車機方式的2倍，而購置成本略高于普通敞車，適用于煤炭、礦石運輸。盡管底開門漏斗車在嚴寒地區其底部卸料口容易凍結，但鑒于底開門漏斗車的上述優點，在具備適用條件的前提下，應優先采用底開門漏斗車作為編組區域循環準時制班列車底的車輛。

2　區域循環準時制班列機車周轉模型

2.1　班列的機車周轉問題分析

多臺機車在同一煤炭儲配基地和多個需求企業之間往返配送煤炭，將牽引每個班列的機車的往返運行線視為1個配送任務，并有且僅有1臺機車擔當，則在滿足時間接續要求、區段機型匹配及檢修整備要求等相關約束條件的前提下，每臺機車可在煤炭儲配基地與多個需求企業間擔當多個配送任務。因此，編制機車周轉圖的主要目標是使完成所有配送任務所需的機車數量最少。

將機車運用時間劃分為生產時間(包括擔當運行線的運行時間、最小接續時間和檢修作業時間等)和非生產時間(主要為超出最小接續時間標準部分的等待時間等)。由于列車運行圖已知，且機車最小接續時間和檢修作業時間標準均為給定值，因此減少機車非生產時間與使機車數量最少的目標是一致的。

2.2　班列的機車周轉模型

如果將班列的每個配送任務分別對應1個城市，將機車在配送任務之間的接續看作是旅行商在各城市間的旅行，則機車在配送任務間的接續問題與旅行商問題(Traveling Salesman Problem，TSP)具有相似性。因此可將多臺機車擔當多個配送任務的周轉問題歸結為最小化旅行商數量的多旅行商問題(Multi-Traveling Salesman Problem，MTSP)，并構建基于MTSP問題的機車運用、檢修、整備一體化編制模型。

2.2.1參數定義

(1)設在編制周期T內的配送任務數量為N，為完成所有配送任務而投入使用的機車數量為M。

(3)E={eij(vi,vj)|i=1,2,…,N;j=1,2,…,N;i≠j;vi,vj∈V}為連接配送任務vi與vj的弧的集合，弧eij(vi,vj)為0—1變量，反映了配送任務vi與vj之間的接續關系，當配送任務vi與vj滿足接續條件時eij(vi,vj)=1，否則eij(vi,vj)=0。

2.2.2目標函數

根據多旅行商問題的基本模型及求解機車周轉問題的具體約束條件，以投入的機車數量最少為優化目標，則求解機車周轉問題的數學模型Z為

Z=minM

(1)

2.2.3約束條件

1)基于多旅行商問題的模型基本約束

求解基于多旅行商問題的機車周轉模型的基本約束條件為

(2)

i≠j

(3)

i≠j

(4)

式(2)表示任意1個配送任務只能由1臺機車承擔；式(3)和式(4)表示機車k所完成多個配送任務之間的接續關系為唯一的。

2)牽引區段約束

機車k若為電力機車，因其僅能在電氣化區段運行，則有

(5)

(6)

3)配送任務接續時間約束

機車在完成配送任務vi后，需要經過空車車底甩掛、轉線、連掛、試風制動試驗等相關技術作業過程，然后才能接續下一趟配送任務vj。因此設機車需要的最短接續時間為T接，則機車完成配送任務vi后再承擔配送任務vj，接續時間必須滿足：

wij≥T接

(7)

4)需求企業內作業時間接續約束

在機車擔任配送任務vi的過程中，其重車運行線的終到時間與空車運行線的始發時間之間間隔的時間(接續時間)qi為

(8)

如果設采用漏斗車自卸方式時所需的最短接續時間為T漏，采用翻車機系統卸車方式所需的最短接續時間為T翻，則qi必須滿足：

qi≥T漏vi∈V漏

(9)

或

qi≥T翻vi∈V翻

(10)

5)內燃機車入庫整備約束

如果擔當配送任務的是內燃機車，則設內燃機車每次整備(加油加砂)后能夠續航牽引的運行里程為l內；在內燃機車準備擔當下一個配送任務vj前，其在上次整備之后已經累計運行的里程為l累計，則允許該機車擔當配送任務vj的前提是：

l累計+lj≤l內

(11)

如果不滿足式(11)，則內燃機車需要入庫整備。設內燃機車從入庫整備到接續下一個配送任務需要的最短時間為T內，則接續時間需滿足：

wij≥T內

(12)

6)電力機車入庫整備約束

如果擔當配送任務的是電力機車，則根據機車規程，電力機車每次整備后能夠續行的時間T電1不超過48 h。因此，在電力機車準備擔當下一個配送任務vj前，其在上次整備之后已經累計運行的時間為T累計，則允許該電力機車接續擔當配送任務vj的前提是：

(13)

如果不滿足式(13)，則該電力機車需要入庫整備。設電力機車從入庫整備到接續下一個配送任務需要的最短接續時間為T電2，則接續時間需滿足：

wij≥T電2

(14)

7)機車修程修制約束

根據機務段修管理規則，內燃機車的維修計劃通常是根據累計走行公里制定的，其最低級別的輔修修程通常為2萬～4萬km，電力機車的輔修修程也基本相當。相對區域內的短途配送來說，更高級別的維修很少涉及，因此在修程修制約束條件中，僅考慮輔修修程及整備里程。

(15)

(16)

設從機車入段進行輔修到承擔下一個配送任務需要的接續時間為T輔，則機車完成配送任務vi后入段輔修，然后再承擔配送任務vj需要滿足：

wij≥T輔

(17)

3　區域循環準時制班列機車周轉模型的求解算法

因為用解析方法很難求解基于MTSP基本模型構建的區域循環準時制班列機車周轉模型，所以選取啟發式算法中的蟻群算法對模型進行求解，具體算法設計及求解步驟如下。

1)有向圖轉化

基于配送任務的各項接續作業時間標準，將編制周期內配送任務的接續關系轉化為有向圖G=(V,E)。

2)步進方向

為完成配送任務而構建的機車運用網絡按時間順序的方向步進。

3)機車初始化

初始時，對所有配送任務不設定可接續的前向配送任務，而只根據配送任務通過的區段是否為電氣化區段，分別安排適宜類型的機車承擔，而且每臺機車的初始走行里程可根據基地內機務段的輔修或整備能力而設置，以免發生機車集中輔修或整備的情況。

4)輔修或整備檢查

每當某臺機車完成某一配送任務后，均按照式(11)—式(17)核查該機車是否達到輔修或整備條件，若達到則安排其進行檢修或整備作業。

5)選擇配送任務

(1)首先選擇滿足式(2)—式(10)且尚未完成接續的配送任務，將其加入接續禁忌表；

(2)按照時序逐一計算禁忌表中各配送任務的接續概率，并生成1個隨機數，讓機車擔當選中的配送任務；當某個配送任務無機車能夠擔當時，系統自動增加1臺機車加入機車運用網絡。機車k在完成配送任務vi后接續下一配送任務vj的概率為

(18)

6)檢查所有配送任務是否都有機車擔當

(1)如果還有配送任務沒有機車擔當，則轉至步驟5，繼續本次迭代任務；

(2)如果所有配送任務都有機車擔當，則根據評價指標對本次得到的機車周轉方案進行評價，并與當前“最好”機車周轉方案進行比較，如果本次方案優于當前“最好”方案，則保留本次方案為當前“最好”機車周轉方案。

7)信息素更新

當完成1次周轉方案求解后，即所有配送任務的禁忌表為空時，在下一迭代前對信息素進行更新。因為目標函數Z是以機車使用臺數最小化為優，所以只有當本次目標函數的取值小于給定的指標值時，才允許參與本次迭代的機車遺留其信息素，否則不允許其遺留信息素。接續弧eij上的信息素總量為

τij(t+1)=ρτij(t)+Δτij(t)

(19)

式中：τij(t+1)為本次迭代后在接續弧eij上所遺存的信息素總量；τij(t)為第t次迭代后在接續弧eij上所遺存的信息素總量，t=0表示初始信息量；ρ為常參數， 其取值范圍為(0，1)，表示先前總信息素的遺存度，即信息素量在每次迭代前會按比例1-ρ揮發； Δτij(t)為本次迭代新增的信息素量，按下式計算。

(20)

式中：Q為一正常數，表示每只螞蟻所攜帶的信息素；Ik為機車k在編制周期內的工作效率指標，其取值越大則說明機車Ik的工作效率越高，按下式計算。

(21)

8)結束條件

利用式(18)—式(21)對基于MTSP的區域循環準時制班列機車周轉模型進行循環求解，直到滿足以下條件之一，求解過程結束。

(1)當求解的循環次數到達規定的最大循環次數，即求解時間超出了所規定的時間限度時；

(2)當每次循環的接續關系完全相同，即螞蟻不再探索新的接續關系時。

4　案例分析

以河南濟源區域為例，按照準時制班列組織模式及本文所建的機車周轉模型，分析該區域開行循環準時制班列所需要的機車數量。

1)貨源貨流概況

根據統計，該區域的主要需求企業日均煤炭到達量見表1。

表1　濟源區域主要需求企業日均煤炭到達量　車

2)約束條件設置和計算分析

假設在濟源區域沁河北站附近設置煤炭儲配基地，對主要需求企業開行區域循環準時制班列配送煤炭。由于班列的運行線路為電氣化區段，因此機車采用電力機車。按照2015年全路貨運列車平均旅行速度36.8 km·h-1估算，儲配基地至需求企業的運輸距離及運行時間見表2。模型各參數及每日班列開行列數的取值分別見表3、表4。在考慮裝車能力、交接班等因素條件下，設計準時制班列每日固化運行線的開行時刻表見表5，其中A1表示企業A的配送任務1，依次類推。

以表5為例，在不考慮機班乘務接續條件下，采用本文模型和算法得到完成每日配送任務的機車最省周轉方案為：①A1-B1-F1；②A2-B2-G1；③A3-C1-H1(J1)；④A4-D1-I1(K1)；⑤E1。機車按此周轉方案依次擔當每天的配送任務，因為在每天的配送任務接續間隔中，都有接續時長能夠滿足機車入庫整備作業時間要求的，所以可以利用在儲配基地的接續間隔時間或夜間入庫時間進行機車的整備作業，而機車在擔當周轉方案中段⑤的配送任務后，即可入段進行輔修作業，因此，為完成表5所給的配送任務及輔修作業，需要5臺機車。

表2煤炭儲配基地至需求企業的列車往返走行距離及運行時間

需求企業所在車站往返走行距離/km運行時間/min企業A沁河北610企業B孟津 71116企業C待王 5996企業D軹城 2642企業E沁陽 2134企業F軹城 2642企業G獅子營79129企業H嘉峰 78127企業I濟源 1829企業J待王 5996企業K濟源 1829

表3　模型各參數取值表

表4　區域循環準時制班列每日開行列數　列

若將配送任務E1的牽重運行線始發時刻調整為10:40—11:30之間，則可以形成如下機車周轉方案：①A1-B1-F1；②A2-B2-G1；③A3-C1-H1(J1)；④A4-E1-D1-I1(K1)。機車按此調整的機車周轉方案依次擔當每天的配送任務，因為在完成段①的配送任務后就可以入段進行輔修作業，因此，只需要4臺機車。

表5　區域循環準時制班列開行時刻表

按照成本效益分析方法，從煤炭供應鏈整體成本效益角度對傳統煤炭運輸組織模式和基于煤炭儲配基地的區域循環準時制班列組織模式進行比較，梳理兩者在作業組織環節的不同及其引起的成本效益變化，見表6。

由表6可知，對濟源區域按照基于煤炭儲配基地的區域循環準時制班列組織模式組織煤炭運輸進行估算[26]，可有效降低煤炭供應鏈的整體運作成本，另外還能同時提升鐵路運輸服務品質、鞏固貨源等其他效益。

5　結束語

本文在提出的基于煤炭儲配基地的區域循環準時制班列組織模式的基礎上，構建了基于MTSP基本模型的區域循環準時制班列機車周轉模型，并設計了基于蟻群算法的模型求解算法。以河南濟源區域為例，結合實際的煤炭貨源OD數據及鐵路運營數據，驗證了基于MTSP的區域循環準時制班列機車周轉模型和算法的可行性。基于煤炭儲配基地的區域循環準時制班列組織模式能夠有效降低煤炭需求企業的庫存成本和卸車成本，提高鐵路運輸組織效率和貨運服務品質，符合現代物流發展方向。

表6　煤炭運輸組織模式比較

[1]中國鐵路總公司計劃統計部.2013年全國鐵路統計資料匯編[M].北京：中國鐵道出版社，2014：32-35.

[2]盧春房.自主創新 驅動發展 全面提升我國鐵路科技水平——在中國鐵路總公司科技工作會議上的講話(摘要)[J].中國鐵路，2016(5)：1-6.

[3]康淑云,胡小蕓.推行煤炭供應鏈管理降低能源成本——國務院發展研究中心產業經濟部研究室主任錢平凡專訪[J].煤炭經濟研究，2013(3):5-18.

[4]錢平凡.煤炭供應鏈管理正當其時[J].新遠見，2013(4):23-29.

[5]崔艷萍.關于鐵路發展煤炭物流能力的思考[J].鐵道貨運，2014(2)：10-14.

(CUI Yanping. Thoughts on Railway Developing Coal Logistic Capacity[J]. Railway Freight Transport, 2014(2)：10-14.in Chinese)

[6]榮朝和.煤炭物流對我國鐵路運輸的影響與挑戰[J].中國鐵路，2007(12)：31-35.

[7]安京義.鐵路運輸對煤炭物流的影響[J].煤，2012(12)：54-55.

[8]鄧成堯,潘樹平,韓金剛，等.煤炭物流對我國鐵路運輸發展的影響分析[J].鐵道貨運，2013(11)：16-23.

[9]韓晶.關于實行運貿一體化、拓展煤炭市場的思考[J].濟鐵科技，2013(3)：6-8.

[10]ATKINSON Scott E， KERKVLIET Joe.Measuring the Multilateral Allocation of Rents：Wyoming Low-Sulfur Coal[J].Renew of Economics and Statistics，1986，62(3)：81-88.

[11]ATKINSON Scott E， KERKVLIET Joe.Dual Measures of Monopoly and Monopsony Power：an Application to Regulated Electric Utilities[J].Review of Economics and Statistics，1989，71(5)：250-257.

[12]JOSKOW Paul L.The Performance of Long-Term Contracts-Further Evidence from Coal Markets[J].American Economic Review，1990，77(1)：168-185.

[13]FU Yonghui, PIPLANI Rajesh.Supply-Side Collaboration and Its Value in Supply Chains[J].European Journal of Operation Research,2004,152(1)：281-288.

[14]CHIOU Suh-Wen.A Fast Polynomial Time Algorithm of Logistics Network Flows[J].Applied Mathematics and Compution,2008,199(1)：162-170.

[15]FLEISCHMANN M.Reverse Logistics Network Structures and Design[R].Holland：Eras University Rotterdam,2001.

[16]ACKERMANN Jorg, MULLER Egon.Modelling,Planning and Designing of Logistics Structures of Regional Competence Cell-Based Networks with Structure Types[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2007，23(6)：601-607.

[17]TANIGUCHI Eiichi, THOMPSON Russell C.Modeling City Logistics[J].Transportation Research Record,2002(2):45-51.

[18]GOYAL S K.On Improving the Single-Vendor Single-Buyer Integrated Production Inventory Model with a Generalized Policy[J].European Journal of Operational Research，2000，125(2)：429-430.

[19]HILL Roger M.The Single-Vendor Single-Buyer Integrated Production-Inventory Model with a Generalised Policy[J].European Journal of Operational Research，1997，97(3)：493-499.

[20]ZIPKIN， PAUL H.Competitive and Cooperative Inventory Policies in a Two-Stage Supply Chain[J].Management Science，1999，(45)7：936-953.

[21]GOYAL S K，GUPTA Y P.Integrated Inventory Models：the Buyer-Vender Coordination[J].European Journal of Operational Research，1989，41(3)：26l-269.

[22]MCCONNELL Campbell，BRUE Stanley， FLYNN Sean.Microeconomics[M].19th ed. New York：McGraw-Hill Education，2011.

[23]朱亮.基于納什均衡理論的煤炭供應鏈生態及博弈策略探討[J].鐵道運輸與經濟，2016(5)：74-79.

[24]國務院辦公廳.國務院辦公廳關于印發能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)的通知[EB/OL].2014-06-07[2016-07-06].http://www.nea.gov.cn/2014-12/03/c_133830458.htm.

[25]國家發改委.國家發展改革委關于印發煤炭物流發展規劃的通知[EB/OL]. 2013-12-30[2016-07-06].http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201401/t20140110_588364.html.

[26]朱亮.鐵路主導型煤炭供應鏈關鍵問題研究[D]. 北京：中國鐵道科學研究院，2016.