5億t年運量目標下朔黃鐵路天窗設置方案的優化

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(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發展有限責任公司,河北 肅寧 062350；3.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031)

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯，東至河北省黃驊市黃驊港站，總長約614km，設計為國家I級雙線電氣化重載鐵路，2016年完成運量2.72億t，遠期設計年運量為5億t[1]。目前運量條件下朔黃鐵路通過能力已很緊張，為滿足遠期設計運能，只有逐步增大列車軸重和壓縮天窗時間2種方法。但從施工維修的角度出發，運量增加必然對應著綜合維修時間的延長，即天窗時間增加，二者互相矛盾。本文由此出發，嘗試在滿足施工維修需求的前提下盡量優化天窗設置方案，從而滿足遠期運量設計。

有關朔黃鐵路運營及維修施工的研究較為豐富，但關于運營的研究主要集中在大運量目標下運輸組織[2]、管理模式[3]、設備改造[4]等運輸層面問題的研究中，對維修施工的研究也僅從換軌技術[5]、施工干擾[6]、機械清篩[7]等天窗施工影響因素出發進行分析，并未將運營、維修施工2方面問題有效地結合起來，故而對線路天窗設置方案的研究也只停留在淺層，僅對維修施工成本、作業安全、現場操作等因素[8]進行了定性分析，未能深入剖析天窗設置方案優化問題。本文將線路行車和維修施工中對天窗產生影響的因素有機地結合起來，以明確天窗作業內容和開設時長、提高天窗內作業效率、分析天窗開設對運量影響為目標，對朔黃鐵路天窗設置方案優化問題進行深入研究。

1 天窗設置現狀及作業內容

1.1 天窗設置現狀

目前朔黃鐵路采用的維修模式為綜合天窗維修和日常養護，其中天窗是綜合天窗，由電務、供電和工務共同利用。天窗應選用垂直矩形形式，原因為：①朔黃鐵路為無縫線路，且東西跨度較大。無縫線路的相關作業需滿足軌溫條件，而采用除矩形天窗外其他形式的天窗均易超出鎖定軌溫。②朔黃鐵路所屬神華集團有限責任公司是集煤炭產、運、銷為一體的企業，天窗開設形式直接影響到煤礦、港口的生產活動，為便于協調和統一指揮，宜采用垂直矩形天窗。

重載鐵路天窗設置方案應與線路特點相結合。朔黃鐵路天窗的設置因季節不同差異較大[1-3]，由于地處華北地區，冬季道床凍結，清篩、搗固等作業無法進行，因此冬季天窗時間較短，次數也最少；春、秋季由于溫度比較溫和，符合作業所需溫度的時段長，因此每周天窗開設次數最多，每次開設的時長也最長。當前天窗設置方案見表1?？芍磕? h天窗共計開設22次；4 h天窗共計開設69次。

表1 朔黃鐵路天窗開設現狀

1.2 天窗內工務作業內容

統計朔黃鐵路春、夏、秋、冬4個季節天窗作業內容，如表2所示，朔黃鐵路春、夏、秋季的工務作業內容主要為換軌、清篩、搗固等大中修施工作業，而冬季主要為線路、道岔的維修保養。

表2 朔黃鐵路各季節天窗內的工務作業內容

通過對2017年朔黃鐵路天窗內作業內容進行統計分析，可知天窗內(除冬季外)主要的大機作業和大中修施工作業項目為：①成段更換鋼軌；②清篩(線路、道岔、橋隧)；③搗固(線路、道岔)；④打磨、銑磨鋼軌。

2 天窗開設時長特點分析

天窗開設時間反映在2個方面，即開設時長和開設時段，這2方面的選擇都應在滿足施工維修需求的前提下盡量減少對通過能力的影響。其中，天窗開設時段受溫度限制，難以調整，因此天窗開設時間的主要調整內容為開設時長，開設時長必須滿足天窗內各項作業的需求。朔黃鐵路天窗由于采用垂直矩形天窗，因此非冬季天窗具有以下特點。

1)本線較長導致各類作業基本一直存在。天窗內進行的作業主要有搗固、清篩、換軌、打磨，對天窗內實際作業情況進行統計，發現各綜合天窗內均存在這4類作業。

2)朔黃鐵路天窗還需與神朔鐵路天窗保持一致，進而導致各類作業均存在的概率更大。即便當朔黃鐵路的某個天窗內不含某項關鍵作業(如換軌)時，也很難保證神朔鐵路天窗內沒有該項作業。因此，朔黃鐵路天窗的時長不僅受本線天窗作業的限制，還受到與其保持一致的線路天窗作業的限制。

3)同一施工季節內天窗時長應統一。為便于施工和運輸組織，同一施工季節內天窗開設應盡量一致。

綜上，天窗作業方案的開設時長受到多方面因素的限制，但在天窗時間內4類主要作業都存在。

3 天窗作業效率分析

3.1 線路維修施工作業周期分析

朔黃鐵路以重載煤炭運輸為主，線路大修周期的制定過程中除了參考鐵運[2006]146號《鐵路線路修理規則》(簡稱《修規》)等規章，還要綜合考慮朔黃鐵路自身運營特點，具體為：①保證安全性，不能因鋼軌疲勞和超期服役造成行車事故；②追求經濟性，要根據鋼軌疲勞傷損規律選擇適當的大修時機，避免因超前太多形成資產浪費；③考慮資本投入的均勻性和施工對運輸影響各年度的均衡性。由此按《修規》進行調整，適當延長維修施工作業周期，見表3。

表3 朔黃鐵路維修施工作業周期 年

3.2 鐵路大機作業效率分析

鐵路大機作業主要包括線路、橋隧、道岔的清篩作業以及搗固、鋼軌打磨(銑磨)5方面。

朔黃鐵路涉及大機作業的綜合維護業務主要由神華集團公司軌道機械化維護分公司(簡稱神維公司)承擔。神維公司大型養路機械配備情況見表4。

表4 神維公司大型養路機械配備情況

通過對神維公司歷年作業內容及作業時間的數據進行統計，得到各類作業內容在4 h天窗內的單機作業效率及輔助作業時間(換軌作業除外)，并根據前文所定作業周期及朔黃鐵路的設備情況，得到各類作業內容每年應完成的工作量，見表5。

表5 朔黃鐵路各維修作業項目4 h天窗內單機效率、

3.3 線路換軌作業效率分析

換軌作業內容繁多，需按順序進行卸軌、焊軌、換軌和收軌工作，因此與其他作業項目不同的是，換軌作業每個天窗內的作業內容都不一樣，因此難以衡量出每個天窗的換軌作業效率。本文根據實際施工計劃來分析換軌作業效率。中鐵一局2016—2017年朔黃鐵路某大中修工程換軌施工計劃如圖1所示。

圖1 換軌施工計劃

由圖1可知，施工時間為14個月(其中2016年11月、12月及2017年1月、2月未施工)，施工天窗數約為120個，計算可得平均每1個天窗完成的換軌作業量為1.2 km。需要注意的是，在實際生產過程中換軌作業還受到施工單位間協作程度、鋼軌供應以及焊軌車數量的限制，因此實際換軌效率的確定更為復雜，此處不再考慮。

4 天窗設置對年運量的影響分析

4.1 天窗設置下通過能力的影響因素

朔黃鐵路僅開行2萬t、萬t、普通3類貨物列車，2017年朔黃鐵路各區段圖定行車對數統計見表6。

表6 朔黃鐵路各區段圖定行車對數統計 對/d

朔黃鐵路天窗對通過能力的可能影響因素主要有區間運行時分、起停車附加時分、列車追蹤時間間隔、到發線有效長及數量、裝卸時間、技術作業時間和施工后慢行。

朔黃鐵路全線共35個車站，除去線路起訖站外余下車站上、下行平均可用到發線數量分別為3.9和3.8。在朔黃鐵路實際運行圖中，天窗前各類列車停站較為均勻，統計可知列車在各站天窗前停車為2～3對。因此到發線數量完全滿足天窗前停車需求，僅到發線有效長成為限制通過能力的因素。

同理，分析得出裝卸時間、技術作業時間均不構成通過能力的限制因素。故朔黃鐵路天窗下通過能力的影響因素為區間運行時分、起停車附加時分、列車追蹤時間間隔、到發線有效長和施工后慢行。

4.2 天窗設置下通過能力計算

朔黃鐵路通過能力的計算方法為

n=(1 440-T天窗-T無效)/I

(1)

式中：n為線路通過能力，對/d ；T天窗為天窗開設時長，min；T無效為天窗前空費三角區時長，min；I為列車追蹤時間間隔，min。

考慮到朔黃鐵路開行的不同種類列車對應的追蹤時間間隔不同，將式(1)轉換為

(2)

(3)

表7 朔黃鐵路不同天窗設置且慢行情況下通過能力對/d

注：天窗開設0 h時無慢行。

4.3 考慮天窗的年運量計算方法

結合以上研究，可由線路通過能力計算得出當前朔黃鐵路天窗設置條件下最大日運量,見表8。

表8 朔黃鐵路不同天窗設置條件下最大日運量 萬t

由表8計算得到朔黃鐵路年總運量為4.31億t，比實際年總運量多0.81億t。需注意的是該數值未考慮到運量增長后導致維修施工作業量增大，進而要求增加天窗時長的問題，但該數值也足以說明目前朔黃鐵路對有效時間的利用并不充分。當然，朔黃鐵路要在未來達到5億t的年運量目標，還需要對天窗進一步優化，同時采取停止普通貨車開行，提升2萬t列車開行比例等措施。為能兼顧運輸和天窗，需研究天窗設置與年運量之間的關系。

年天窗總時長Tw與全年可供行車時間T行車的關系可表述為

(4)

式中：nw為線路全年開設天窗的次數。

年行車量N可由其表示為

N=T行車/∑(αPIP)

(5)

年運量也由T行車確定，計算式為

Q=N∑(αPQP),P={a,b}

(6)

式中：Q為年運量，萬t；QP對應P類列車年運量，萬t。

由此可得朔黃鐵路年運量計算式為

(7)

5 朔黃鐵路天窗設置優化模型

5.1 決策變量的選取

由于冬季(11，12，1—3月)天窗只進行少量保養作業，因此模型優化時不予考慮，僅對春、秋季(5，10月)和夏季(4，6—9月)天窗的每周開設次數和時長進行優化。因此可選取決策變量，設春、秋季單個天窗開設時長為x1，每周開設次數為y1；夏季單個天窗開設時長為x2，每周開設次數為y2。x1,x2單位為min。

5.2 目標函數

在滿足維修施工作業量的前提下，應以天窗對線路行車影響最小為目標。天窗對線路行車的影響主要體現在無效時長及天窗開設時長。

每開設一個天窗就會產生一個T無效，因此春、夏、秋季天窗三角區的影響θ1為

(8)

式中：ε1為春、秋季每月周數；ε2為夏季每月周數。

天窗開設時長的影響θ2為

θ2=2ε1x1y1+5ε2x2y2

(9)

以天窗開設對行車的影響θ最小為目標，即

minθ=θ1+θ2

(10)

5.3 約束條件

1)決策變量約束

春、夏、秋季每周天窗開設數量應滿足

0≤y1,y2≤7

(11)

由《修規》可知天窗開設時長應滿足

180≤x1,x2≤300

(12)

且天窗開設時長應滿足換軌作業要求，因此又有

x1,x2≥t軌min

(13)

式中:t軌min為換軌作業所需的最短時間，取210 min。

2)施工維修作業量約束

施工維修作業應完成規定任務，則

2ε1y1(x1-tq)kq+5ε2y2(x2-tq)kq≥uq,

q∈Ω

(14)

式中：tq為各施工作業時間；kq為各施工作業效率；uq為各施工項目年工作總量；Ω為各施工項目的集合，具體數據參見表5。

3)工作疲勞約束

考慮到人工工作疲勞，規定施工維修不得太過集中。任務量過重時，為保證線路狀態，維護行車安全，一周任務量至少應分2次天窗完成，則有

y1,y2≥2

(15)

4)運量約束

天窗設置方案應滿足朔黃鐵路遠期5億t運量目標，則

(16)

5.4 模型的構建與求解

綜上得朔黃鐵路天窗設置方案優化模型如下

minθ=θ1+θ2

約束條件為

運用遺傳算法，借助MATLAB軟件解得

θ=3.314 2×104min

在目前大機設備和人員組織相對不變的情況下，由于維修工作量的增長，天窗作業次數和時長將大大增加。要達到5億t年運量目標，對應天窗設置優化方案見表9。

表9 朔黃鐵路天窗設置優化方案

對應表9的天窗設置優化方案，給出朔黃鐵路各類列車比例與運量情況見表10，其中2萬t列車比例至少40%才能達到運量目標，同時為充分利用由于天窗產生的空費三角區，需保證萬t列車至少有25對。

表10 朔黃鐵路天窗優化后行車量

6 建議

本文確定了5億t年運量目標下朔黃鐵路天窗設置的優化方案，即春、秋季每周開設5次，每次5 h；夏季每周3次，每次4 h；冬季每周1次，每次3 h。該方案相較朔黃鐵路現行天窗設置方案，由于維修工作量的增長，天窗作業次數和時長將大大增加。隨著朔黃鐵路運能的提升，維修施工工作量也要相應提升，因此對朔黃鐵路天窗額外提出如下建議。

1)充分利用天窗前空費時間。為保證行車安全，綜合維修天窗調度命令一般提前20 min下發，命令下發后線路上禁止任何列車運行，致使這20 min被空耗。

2)壓縮各季節天窗作業時間，主要壓縮冬季天窗。冬季天窗作業內容少，作業難度小，可合理進行壓縮，其他季節天窗過長大多是由于施工維修組織不充分，導致天窗利用率低，同樣可進行合理壓縮。

3)加強施工維修協調組織。提前做好施工和維修組織計劃，加強預判，充分利用天窗時間；此外工隊應集中力量進行作業，加強工隊間的協調組織。

4)增加設備臺數和人員數量，升級設備技術水平，以提高每個天窗時長內的作業量。

5)探索延長相關修程修制的措施。