高速鐵路綜合維修段布局方法研究

謝曉敏，何最新，王 瑩，李海鷹

(1.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044；2. 中國國家鐵路集團有限公司 運輸統籌監督局，北京 100844； 3. 北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044)

經過多年高速鐵路(以下簡稱高鐵)建設，我國高鐵路網規模不斷擴大，已達世界領先水平。為了進一步提升高鐵生產力水平，鐵路基礎設施養修單位除了需要不斷提高技術以外，還應該考慮如何對傳統的 “檢養修”管理模式進行改進，以適應我國鐵路發展的要求。許多學者借鑒了其他國家高鐵基礎設施維修管理的經驗[1]并結合我國高鐵檢修養護作業的特點，提出了工務、電務、供電“三位一體”的檢養修綜合管理模式。目前，該模式已在多個鐵路局取得了一定的成效[2-3]，未來工電供“三位一體”的綜合維修模式將全面應用于高鐵基礎設施維修管理。

然而，當前關于鐵路基礎設施綜合維修管理的研究還存在一定不足：一是主要集中在綜合維修管理模式分析的層面[4]，研究其布局方法的相對較少且研究對象大多為傳統的專業段[5-7]，高鐵及綜合維修的特點沒有得以體現；二是目前已有的布局方法均是對段層面的布局進行優化，對工區(車間)等生產層面的優化研究較少；三是現有研究的模型中，可量化的約束實際限制的是生產作業范圍，更適用于工區(車間)等生產層面作業單元的布局，而段一層級的管理單位布局受管理模式等較難定量描述的因素影響較多，更適用于采用評價比選的方法。

結合研究現狀，本文以高鐵的綜合維修為研究對象，提出一種能夠同時考慮作業生產與管理兩個層面的布局方法。該方法主要包括車間(工區)設置模型與綜合維修段設段方案比選兩部分，即首先建立模型對車間(工區)等生產單元的布局求解，并得出可行的綜合維修段設置方案，然后對所有可行方案比選后得到最佳布局方案。

1 高鐵綜合維修段布局特點

1.1 高鐵綜合維修管理特點

基礎設施維修綜合維修模式是以實現檢養修分開、減少結合部、不斷提高基礎設施維護和運營管理水平為主要目標的管理模式。與傳統的管理模式相比，它具有效率高、成本低、集成性強等優點。一般來說，基礎設施的綜合維修主要包含3個層面：一是線橋隧、供電、通信信號3類設施設備的維修養護人員在統一調度指揮下，同時在天窗內完成各項線上作業；二是各專業人員在同一維修基地(工區(車間))堆放作業工具、材料，停放大型維修機具，共用生產生活設施；三是各級管理機構均包含3類專業人員，管理機構設在同一地點[8]。

為了實現安全穩定、設備優良、節約資源、效益提升的目的，高鐵綜合維修段在設置時，應遵循以下原則：

(1) 確保安全質量。強化綜合管理與專業管理，生產組織層面實行同級綜合管理，綜合管理層面以需求為導向合理設置機構，確保設備質量和安全技術管控能力提升以及綜合檢養修工作高效可靠。

(2) 突出集約高效。充分利用高鐵裝備技術先進的特點，加強專業融合，減少專業結合部，統籌生產生活資源、人力資源的利用，提高管理效能、裝備使用率、勞動生產率、資源利用率，提升高鐵運營效率效益。

(3) 統籌高鐵資源。綜合維修管理機構原則上應設于銜接高鐵方向較多的樞紐地區，并盡可能利用既有資源。

1.2 高速鐵路綜合維修作業特點

高鐵和普速鐵路的基礎設施綜合維修管理與作業均是以“段—車間—工區”的組織結構進行的。工區、車間等基本作業單位一般設立在線路沿線的相關車站處，既可以減少建設成本，又可以利用公路網運輸維修過程需要的小型備件，其作業類型均可分為計劃性養修和突發事故的臨時性搶修兩種。此外，高鐵基礎設施綜合維修還具有以下幾個特點：

(1) 由于線橋隧、供電、通信等設備與普速鐵路存在一定的區別，高鐵的維修養護以“嚴修慎修、精檢精修”為基本原則，內容相對簡單，維修標準較高。

(2) 高鐵區間綜合巡檢等作業大都集中在00:00之后的綜合維修天窗內。天窗時間通常為4 h，其中直接作業時間約占3 h，1 h用于開行確認車。由于線路檢養修工作所需時間比電務、供電專業較長，因此在有限的天窗時間內不僅需要3個專業互相配合、平行作業[11]，還需要人工與巡檢機具、動態與靜態檢查3方面的相互配合。為了保證檢修養護作業時間及質量，高鐵綜合維修工區(車間)之間的距離和每日天窗的作業量的控制相對比較嚴格。

(3) 高鐵運行圖的鋪畫較普速鐵路更為密集，一旦基礎設施設備發生故障就會造成列車大面積晚點，所以對維修人員的到達和搶修時間進行了嚴格的規定與限制。

(4) 高鐵檢養修作業中需要大量使用大型維修機具[1-3]，維修機具的使用率較普速鐵路高。每日綜合維修天窗時間開始后，大型養路機械由停放點走行至計劃作業地點，并于確認車開行前返回最近的維修工區(車間)，從而減少大型養路機械的走行距離，提高作業效率。為與之相配合，現行鐵路設計規范中均有綜合工區(車間)或車站內宜設立沿線大型養路機械停放線和軌道車停放線的規定。

綜上，高鐵綜合維修段的布局研究實際是對綜合維修段及其下轄各作業單元的設置位置、設置數量等方面科學求解方法的研究，是一種特殊的選址問題。由于高鐵綜合維修的作業特點與管理需求，該選址問題在節點覆蓋約束、優化目標設置等方面與一般選址問題有較大差異，需結合問題特點建立相應的優化模型。

本文考慮建立可同時得到綜合維修工區(車間)布局與大型維修機具配置方案的模型，以服務可靠度最高作為生產層面優化目標，并結合高鐵綜合維修的特點設立約束條件；進而按照線路分布、管轄數量等因素對模型所求得的配置結果劃分綜合維修段可行方案，得到可行方案集，最后從管理效率、人員成本、資源利用率等因素出發，建立評價指標體系并對可行方案進行比選。

2 綜合維修段布局方法

2.1 工區(車間)設置與大型維修機械配置模型

2.1.1 模型假設

由于工區(車間)和大型維修機具的設置方案涉及因素較多, 為方便模型求解, 作以下假設:

(1) 由于每臺大型維修機具在任意時刻僅能接受一個維修任務，同時為了保證每日計劃性維修均能有至少一臺大型機具予以配合，因此當一臺維修機具接受了一個任務之后，無論其他任務緊急性有多高也不再接受新的任務。

(2) 每個大型維修機具的停放條件均相同，且每個工區(車間)最多僅可停放一臺大型維修機具。

2.1.2 參數和變量

為表達基本生產單位備選點對線路的管轄情況，將線路與工區(車間)都視作位置不同的點，各維修工區(車間)備選點與各線路點之間的關系即為某段線路的管轄歸屬情況。由于各備選點通常建立在車站處，因此車站j的集合J即為維修工區(車間)備選點集合。而線路點則需將相應區域內的線路網按一定距離進行離散化處理，將離散處理后的每段線路視作一個獨立的點i，除位置外其他條件均相同，集合為I。

xj為0-1變量，表示是否在j處設立綜合維修工區(車間)，當在j處設立綜合維修工區(車間)時為1，否則為0；yij為0-1變量，表示綜合維修工區(車間)j是否管理線路離散點i的日常“檢養修”工作，當綜合維修工區(車間)j管理線路離散點i時為1，否則為0；zjk為0-1變量，表示大型維修機具k是否將綜合維修工區(車間)j作為日常停放工區(車間)，是則為1,否則為0；l為每個綜合維修工區(車間)最多可管理的線路離散點數；dij為綜合維修工區(車間)j與線路離散點i之間的距離，km；N為綜合維修工區(車間)設立數量；Mj為綜合維修工區(車間)j最多可管理的線路離散點數；V為維修作業車運行速度，km/h；tmin為發生故障時到達現場處置的最小時間限制，h。

2.1.3 優化模型

(1)目標函數

綜合維修工區(車間)的設置是一個選址問題，此類問題一般均采用整數規劃模型來表述。典型的選址模型包括集覆蓋、最大覆蓋、p-中心、p-中位等，目前已有的鐵路生產力布局方法均是在這些模型的基礎上進行改進的[9-10]，這些選址模型通常考慮服務平衡、運輸費用、覆蓋能力等問題，所以其目標函數多是覆蓋范圍最大、總時間或總成本最小[20]。然而，高鐵“檢養修”作業不僅要求時間短、成本低，最重要的是要保證檢養修工作的效果好，僅考慮時間或成本最優不能直觀地體現出作業的效果。

因此，本文考慮以服務可靠度最大作為目標函數，該指標可量化表達一定條件下各維修工區(車間)完成規定檢修養護任務的能力，直觀地體現檢養修作業的效果。由于高鐵綜合維修的特點之一是多項大中修的作業均依靠大型檢修機具完成，因此對于每個綜合維修工區(車間)，其服務可靠度可分為兩部分：一是基本檢養修服務可靠度，指服務線路檢查養護和小型維修的可靠度；二是大型維修服務可靠度，指服務使用大型維修機具的大、中修的可靠度。

式中：aij為綜合維修工區(車間)j相對于線路離散點i的服務可靠度，查閱文獻并借鑒相關行業經驗，aij=P(tij≤Tij)，tij為維修工區j到線路離散點i的實際到達時刻，Tij為維修工區j到線路離散點i的規定到達時刻，服從負指數分布。

式中：ajk為綜合維修工區(車間)j關于大型維修機具k的服務可靠度，查閱文獻并借鑒相關行業經驗，ajk=P(tij≤Tij)，tjk為維修機具k從維修工區j到達作業點的實際到達時刻，Tjk為維修機具k在維修工區j到達作業點的規定到達時刻，服從正態分布；K為機具總數。

綜上，該模型的目標函數為

(1)

(2)約束條件

結合高鐵綜合維修的作業特點，設置以下約束條件：

①線路管轄約束，保證每段線路均有且僅有1個綜合維修工區(車間)負責管理日常“檢養修”工作，并且只有選址點j被選建立工區(車間)后才能管轄線路離散點i。

(2)

yij≤xj?i∈I?j∈J

(3)

②工區(車間)正常運轉約束，保證至少有一個線路離散點i被j處建立的工區(車間)管轄。

(4)

③工區(車間)最大管轄范圍約束，保證管轄的線路離散點數量在合理的范圍內。

(5)

④大型維修機具固定停放管轄約束，不僅保證只有選址點j被選建立工區(車間)后才能成為大型維修機具k的固定停放點，還保證每個大型維修機具k均有且僅有一個固定停放的綜合維修工區(車間)；

zjk≤xj?j∈J

(6)

(7)

⑤搶修時間約束，根據搶修時間的要求對工區(車間)設置做出的限制，確保線路故障時，負責管轄的工區(車間)能在規定時間內排除到達現場維修。

(8)

⑥綜合維修工區設置總數為N。

(9)

⑦兼顧計劃修和臨時搶修約束，設配備的大型維修機具總數為K，任意時刻至多有e輛大型維修機具參與緊急搶修任務，s輛大型維修機具在相應的工區(車間)停放點等待天窗時間內保障計劃性維修工作，則有

K=e+s

(10)

由于臨時性的搶修任務具有隨機性，則在相應工區(車間)停放點待命的維修機具應當完成當日的維修計劃，因此必須滿足

K≥e+1

(11)

即

(12)

⑧取值約束。xj，yij，zjk三者均為0-1變量；

xj∈{0,1} ?j∈J

(13)

yij∈{0,1} ?i∈I?j∈J

(14)

zjk∈{0,1} ?j∈J?k∈K

(15)

通過遺傳算法求解得到維修工區(車間)的分布與大型維修機具的配置方案后，進一步考慮線路速度等級、管轄歸屬、地理位置、車間設置數量等因素對所求得的工區分布與維修機具配置情況進行綜合維修段(基地)管轄劃分，得到設立綜合維修段(基地)的所有可行方案。

2.1.4 模型的求解

該模型是一個具有指數復雜度的NP問題。采用商業軟件或者分支定界法、割平面法、松弛法等方法求解該類問題雖結果較優但耗時較長。因此，本文考慮采用遺傳算法進行求解。

為了提高遺傳算法的求解速度，目前一部分學者是通過改進交叉、選擇算子等方式來實現的[19],也有相關研究針對幾類典型的選址模型的特點給出了保留最優個體等策略[20]。因此，本文在相關研究的基礎上結合該模型在實際求解中決策變量可達數百個等問題對傳統的遺傳算法進行了改進，即利用各決策變量之間的取值約束，篩選掉一部分不可行解，避免因其參與后續計算從而增加計算量。設有m個線路離散點，n個車站，k輛大型維修機具，改進的遺傳算法具體實現步驟如下：

Step1編碼。將染色體分為3部分，第一部分為綜合維修工區(車間)的情況，第二部分為線路被工區(車間)管轄情況，第三部分為大型維修機具的停放情況，即code={x1,x2,…,xn|y11,y12,…,y1j,…ymn|z11,z12,…,z1k,…，zjk}，每個位置隨機取值0或1，一條染色體代表一種方案。

Step2產生初始種群。由于某個車站沒有被選為綜合維修車間時，所有線路點都不會被該車站管轄，所有的大型維修機具也不會選擇此處為配置點。所以，若第一部分的第j個基因取值為0時(即選址點j沒有被選為維修工區)，而位于第二部分中的第j,n+j,…,(m-1)n+j個、與第三部分中的第j,n+j,…,(k-1)n+j個基因取值為1，則該染色體為不可行解，返回第一步重新生成個體；同理，若在第二部分中的yi1,yi2,…,yij或第三部分中的zk1,zk2,…,zkj同時存在兩個及以上基因取值為1，則該染色體仍為不可行解，需返回第一步重新生成個體；重復以上步驟直至生成L個可行個體作為初始種群。

Step3計算適應度函數。以目標函數作為適應度函數。

Step4精英個體保留。初始種群中適應度函數值最大的個體保留到下一代，不參與本輪選擇、交叉與變異。

Step5選擇。采用輪盤賭的概率選擇方法。

Step6交叉與變異。采用雙點交叉方法，檢驗交叉后是否滿足Step2中對于基因取值的限制，如果任何一項檢驗沒通過則本次交叉操作沒有獲得可行解，種群不發生任何變化；同理，采用單點變異法，隨機選擇一個基因進行0-1替換，檢驗通過后方可成為新的變異個體加入種群，否則須一直重復該操作直至產生符合要求的個體形成新種群。

Step7算法終止。本文采取的遺傳算法終止條件為進化200代。

2.2 綜合維修管理方案比選模型

對設段方案進行比選，本文首先考慮建立評價體系，然后采用通過一定的方法對比各待選評價方案的綜合關聯度，給出相對公平客觀的比選結果。

TOPSIS方法對于解決評價指標之間差別較小、部分指標主觀性較強的方案比選問題較為有效，然而多項研究表明該方法在實際使用時會出現兩個方案正負理想解相等從而無法判斷待比選方案優劣的問題[15]，但結合灰色關聯分析后，就可以在避免這一問題的同時更加客觀、有效地對待選方案進行比選[16-17]。因此本文采用基于灰色關聯度分析的TOPSIS方法對綜合維修段可行設段方案進行比選。

(1)建立評價指標矩陣

結合高速鐵路綜合維修的管理特點，從人員管理、成本管理、組織管理、作業負荷4個方面考慮建立評價指標體系。構建a個樣本、b個評價指標的矩陣R=[rpq]a×b，p為一級指標，q為二級指標。

評價指標可分為成本型與效益型兩類，前者越大越優而后者越小越優。

表1 綜合維修管理設置方案評價指標體系

其中，機關辦公用房場地數以設段數衡量，每設一個段占用一個場地設機關；平均車間數、線路數相關指標指的是各段管轄車間數量和線路離散點數。

按照指標的類型，分別對各項指標進行無量綱化處理得到矩陣Z=[zpq]a×b，然后將矩陣Z進行歸一化處理得到矩陣Y=[ypq]a×b。

(2)計算評價指標權重

對評價指標矩陣進行無量綱化和歸一化處理后，利用熵權法為評價指標權重賦值。熵越高信息有效性越大，權重就越高。因此，可通過評價指標q的信息熵Hq計算該指標的權重wq。

(16)

在得出個指標的權重后，對評價矩陣進行修正，帶入各指標權重得到加權評價矩陣X=(xpq)a×b=(ypq×wq)a×b。

(3)基于灰色關聯度分析的TOPSIS方法進行方案比選

確定評價指標的正理想解和負理想解。確定每個指標的最大值X+和最小值X-，將效益性指標b+將最大值作為正理想解，最小值作為負理想解；成本性指標b-則反之，最小值為正理想解，最大值為負理想解。。

(17)

(18)

式中：ρ為分辨系數，ρ∈[0,1]，一般取值為0.5。

因此，每種方案p關于正、負理想解的關聯度為

(19)

(20)

(4)計算相對貼近度

(21)

(22)

式中：β+γ=1，且β,γ∈[0,1]，通常取β=γ=0.5。

在得到綜合管理關聯度的基礎上，進一步計算每種方案p的相對貼近度

(23)

τp的值越大，表示方案越接近正理想解、方案越好，反之越接近負理想解，方案越差。

綜上，采用結合不同指標間灰色關聯度分析的TOPSIS方法對綜合維修段設置可行方案進行比選，可以有效結合高速鐵路綜合維修管理的基本特點，更加客觀、直觀地篩選出最合理的高速鐵路綜合維修段的管理設置方案。

3 實例分析

3.1 案例基本情況

本文選取A鐵路局進行實例分析，對該局內管內設計速度為350 km/h高速鐵路制定合理的綜合維修段設置方案。資料顯示，A局共有4條該類型的高速鐵路。其中，線路H、G為兩條跨局線路，起點分別為BX站和BN站；線路J、Q則均為A局完全管轄，起點分別為BN站、TX站，終點分別為T站和QH站。根據現場作業的經驗，將線路以20 km為一段進行劃分，以線路離散點表示原線路。A局管內速度350 km/h線路、線路離散點與車站位置示意見圖1。

目前，A局管內速度350 km/h高速鐵路網基礎設施維修的管理是按照傳統模式，按專業進行分工的。現有管理方案具體情況見表2。

即A局管內速度350 km/h高鐵網，按專業分別對高速鐵路各項基礎設施進行管理，除工務專業成立單獨的高鐵段外其余專業均與普速鐵路混合管理，各車間分布在9個維修段內；同一線路點單次檢養修作業至少需要3個單位協助完成，G3、G5、T、Q4處同時存在3個專業的車間，各車間的管轄范圍按照管理設備劃分，互不相同；大型維修機輛由各段分別管理、調配與使用。

3.2 車間設置與大型維修機械配置方案

由于A局內速度350 km/h高速鐵路線路數量多、里程長，需要設置的工區較多，因此，本文僅求解車間的設置數量、位置以及大型維修機具的配置情況。

該局目前管內速度350 km/h線路長度為1 257.5 km，共配置大型維修機具11臺。現有較為先進的高速鐵路綜合維修段中，綜合維修車間管轄范圍均在180～200 km。按照該標準進行初步估算，A局管內速度350 km/h高速鐵路需要設置7～8個綜合維修車間較為合適，因此取車間總數N=7或8，大型維修機具配置數量K=11作為參數帶入模型，采用Matlab軟件進行計算，其結果對比見表3。

圖1 A局內速度350 km/h高鐵線路及車站分布情況

表2 A局速度350 km/h高鐵線路網現有維修管理方案

表3 不同車間數情況下車間設置計算結果對比

由于設置7個車間時線路J上的線路離散點完全由不在該線路上的TX站管轄，實際操作困難，且設置7個車間時服務可靠度更小，因此本文選擇設置8個車間時的結果作為該局速度350 km/h線路車間設置方案。該方案求解時迭代進程見圖2，由圖2可知，迭代至第70代左右時結果基本穩定，此時最大服務可靠度為0.243 66。

圖2 最優目標函數進化結果

因此，A局管內速度350 km/h線路的綜合維修車間與大型機具配置方案為：共設置綜合維修車間8個，配置大型檢修機具11輛，其中同一時刻最多可有3輛大型維修機具參與緊急任務搶修，路網服務可靠度為0.243 66。各車間具體位置、管轄離散線路點以及大型檢修機具的具體配置位置情況見表4。

3.3 綜合維修管理可行方案比選

綜合維修段管理設置方案分為兩種：一種是綜合維修段負責全部級別的基礎設施“檢養修”工作，除各基本作業車間外，各段還單獨設立負責大型維修的大修車間并管理固定停放在個作業車間的大型維修機具；另一種是成立大修段，綜合維修段僅負責中修及以下的維修工作和全部檢查養護工作，而大修段專門負責各項基礎設施的大修及大型維修機具的管理與使用工作，大修段各作業車間與綜合維修段作業車間共用場地。

表4 車間設置與大型維修機械配置方案

由于本文選取的實例均為A局管內速度350 km/h線路，在綜合維修段管理設置方案的兩種思路下，根據上文中得到的綜合維修車間設置與大型維修機具配置方案，按線路分布、地理位置和各段所轄車間數量進行劃分，可以得到表5所示的4種綜合維修管理可行方案。

按照表1的評價指標體系，采集包括現有管理方案在內的所有可行方案的指標值，對每個方案的各項指標進行歸一化處理并計算熵權值作為各指標權值，見表5。

根據表7的結果，可得出以下結論：

與現有方案相比，除方案F2外其他方案的相對貼近度均大于現有管理方案，即綜合維修模式下的高速鐵路維修管理方案相對于按專業分工的傳統管理方案更優。

而在各可行的綜合維修管理方案中，方案F1的相對貼近度最高，在4個方案中評價最好。即針對A局350 km/h高速鐵路網，僅設立1個綜合維修段，除負責行政管理的職能科室以外，該段設1個大修車間負責大修工作和大型維修機具的管理使用，設8個綜合維修車間負責日常的基礎設施“檢養修”工作，分別位于G3、G5、G9、H1、H3、T、TX、Q4處，大型維修機具統一管理分散停放在各維修車間，除G5、T、TX處固定停放兩輛大型維修機輛外，其余車間均固定停放一輛大型維修機輛。

表5 A局速度350 km/h高速鐵路線路網綜合維修管理可行方案

表6 各指標權值

表7 各方案相對貼近度

方案F1與現有方案相比，單次作業涉及的相關單位由至少3個減少為至少1個；各專業不再按專業設備各自劃分工區管轄范圍，而在統一劃分的車間內共同作業，實現了真正意義上的綜合管理，配合程度高；由于綜合維修管理方案中僅設置一個綜合維修段，因此機關行政管理人員、職能人員規模較現有方案大幅壓縮，從而使得綜合維修方案中生產作業人員比率提高、辦公生活用房和占地減少。

綜上，針對A局管內速度350 km/h高速鐵路網得出的綜合維修方案不僅直觀地體現了綜合維修管理模式在高速鐵路基礎設施檢養修工作中的優勢，也驗證了綜合維修管理方案制定方法的有效性。

4 結束語

隨著我國高鐵路網日益完善，工務、供電、電務專業融合的綜合維修管理模式提高了高鐵基礎設施檢養修工作的效率與質量，充分保障了列車開行密度較高的高鐵行車安全。本文在綜合維修管理模式研究的基礎上，結合作業特點和管理特點，從生產與管理兩個角度對綜合維修段的確定方法進行了研究，既能夠一次性得出工區(車間)等基本生產單位的具體設置數量、位置以及大型維修機具的配置數量及合理停放位置，又實現了從人員管理、生產生活用房、組織結構、作業負荷等多個管理因素角度對綜合維修段方案進行客觀篩選。為未來研究不同速度等級鐵路混合的鐵路網基礎設施綜合維修的可行性與管理方案的設置方法、基礎設施綜合維修機構間職能的進一步劃分，以及未來基礎設施綜合維修管理體制的改進均提供了參考。