基于子系統(tǒng)劃分的鐵路樞紐能力利用率評價(jià)方法

姜大元，徐一鳴，鄧連波，梅宏達(dá),

（1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路站場設(shè)計(jì)研究處，武漢 430063；2. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通大數(shù)據(jù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410075）

鐵路樞紐是鐵路路網(wǎng)技術(shù)作業(yè)高度集中的關(guān)鍵區(qū)域。當(dāng)前，全國樞紐總圖方案正在進(jìn)行新一輪調(diào)整和布局，對鐵路樞紐規(guī)劃和設(shè)計(jì)提出新的要求，鐵路樞紐能力評價(jià)可為鐵路樞紐總圖方案設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。研究鐵路樞紐能力利用的評價(jià)方法，是鐵路樞紐規(guī)劃和總圖設(shè)計(jì)的核心問題之一，對實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)和樞紐合理布局、提升運(yùn)輸效率和品質(zhì)具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

針對鐵路樞紐總圖評價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者開展不少的相關(guān)研究工作。何世偉等人[1]提出路網(wǎng)總體運(yùn)輸能力及有效能力、潛在能力的概念；何志工[2]立足于鐵路樞紐總圖內(nèi)涵，從功能定位以及客運(yùn)、貨運(yùn)、編解、樞紐能力等方面提出鐵路樞紐規(guī)劃方案的評價(jià)指標(biāo)體系；雷中林[3]采用主觀權(quán)重和熵權(quán)結(jié)合法構(gòu)建鐵路樞紐規(guī)劃方案的指標(biāo)體系和評價(jià)方法；黃隆飛[4]采取功能綜合分析和定量定性結(jié)合方法建立鐵路樞紐從宏觀層面到微觀層面的評價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊分析方法進(jìn)行評價(jià)；文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[7]分別采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、多級優(yōu)度物元方法、VISSIM仿真對地鐵車站、地鐵換乘站和客運(yùn)樞紐進(jìn)行評價(jià)；文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別探討綜合客運(yùn)樞紐的總體架構(gòu)和樞紐調(diào)度指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。

可以看出，較多研究均關(guān)注到鐵路樞紐作業(yè)環(huán)節(jié)繁多、能力構(gòu)成要素復(fù)雜的問題。如何使評價(jià)方法覆蓋主要作業(yè)環(huán)節(jié)和能力構(gòu)成要素，且對不同規(guī)模等級和不同客貨運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的鐵路樞紐具有普適性，是鐵路樞紐能力利用率評價(jià)的難點(diǎn)所在。

1 鐵路樞紐能力利用率評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)原則

從鐵路樞紐能力利用率評價(jià)問題出發(fā)，評價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)需遵循以下原則。

（1）全面反映鐵路樞紐能力利用的狀況：評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)服務(wù)于鐵路樞紐總圖規(guī)劃的設(shè)計(jì)目標(biāo)，每項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)應(yīng)能反映鐵路樞紐系統(tǒng)運(yùn)輸能力在某一方面的典型特征，指標(biāo)間具有互補(bǔ)性，整體能夠綜合反映鐵路樞紐運(yùn)輸系統(tǒng)的能力利用狀態(tài)；

（2）具有與鐵路樞紐能力要素構(gòu)成相對應(yīng)的層次性：指標(biāo)體系具有逐層展開的層次性特征，每項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)及所屬的子系統(tǒng)、樞紐元素間具備明確的從屬關(guān)系和嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu)；

（3）評價(jià)指標(biāo)的數(shù)量規(guī)模適度：評價(jià)指標(biāo)的選擇不應(yīng)過于龐雜，要注意區(qū)別主次與輕重，選取能夠反映鐵路樞紐總圖規(guī)劃整體狀況、作業(yè)特點(diǎn)的指標(biāo)項(xiàng)，保持評價(jià)指標(biāo)體系的簡潔性；

（4）評價(jià)指標(biāo)定義和口徑明確：每項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)應(yīng)定義明確，規(guī)定其具體統(tǒng)計(jì)方式和統(tǒng)計(jì)范圍，便于數(shù)據(jù)收集和量化處理。

1.2 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建思路

按照作業(yè)性質(zhì)，鐵路樞紐可劃分為客運(yùn)、貨運(yùn)、行車、編解等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又包括若干個(gè)車站、區(qū)間等構(gòu)成要素。樞紐內(nèi)的能力利用率可按照各構(gòu)成要素所包含的作業(yè)環(huán)節(jié)設(shè)置評價(jià)指標(biāo)。目前，尚無普遍公認(rèn)的鐵路樞紐能力利用率評價(jià)指標(biāo)體系，但鐵路運(yùn)輸管理部門已形成針對鐵路各作業(yè)環(huán)節(jié)較為完備的能力利用狀況統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。以這些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)建鐵路樞紐能力利用率評價(jià)體系的基本思路如下：

（1）兼顧客貨運(yùn)輸和不同鐵路樞紐的特點(diǎn)，依據(jù)樞紐子系統(tǒng)的構(gòu)成要素和作業(yè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)，使得評價(jià)指標(biāo)能夠更全面的反映樞紐整體狀況并發(fā)現(xiàn)樞紐存在的問題；

（2）重視點(diǎn)線能力協(xié)調(diào)和樞紐編解作業(yè)，將行車子系統(tǒng)劃分為車站和線路區(qū)間2個(gè)組成部分，從兩者關(guān)系角度突出點(diǎn)線能力，并從樞紐編解子系統(tǒng)角度著重考察樞紐編解作業(yè)均衡性；

（3）針對樞紐子系統(tǒng)，從其包含的車站、區(qū)間等樞紐要素，以及相關(guān)的技術(shù)設(shè)備、作業(yè)環(huán)節(jié)出發(fā)，選取具體的能力利用率指標(biāo)項(xiàng)。

為此，從鐵路樞紐的客運(yùn)、貨運(yùn)、解編子系統(tǒng)以及行車子系統(tǒng)的區(qū)間和車站5個(gè)方面提出評價(jià)指標(biāo)集，形成樞紐子系統(tǒng)—構(gòu)成要素—評價(jià)指標(biāo)3個(gè)層次的樞紐能力利用率評價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

2 鐵路樞紐能力利用率評價(jià)方法

2.1 能力利用率指標(biāo)的評價(jià)得分設(shè)計(jì)

一般評價(jià)問題的指標(biāo)項(xiàng)按其理想值位置和優(yōu)劣分布規(guī)律，一般分為成本型、效益型、適中型3類。而鐵路樞紐能力利用率均屬于適中型指標(biāo)，取值區(qū)間為[0 ,100%]。

相對于能力利用率具體數(shù)值，通常評價(jià)者關(guān)心的是能力利用的合理程度。各指標(biāo)項(xiàng)能力利用率均存在最理想的取值區(qū)間，能力利用率的評價(jià)得分值從理想取值區(qū)間向大小兩側(cè)降低。為此,可基于能力利用率的適中型特征構(gòu)造指標(biāo)的分段得分函數(shù)。對某一指標(biāo)項(xiàng)的能力利用率x，其理想值為取值空間為其得分函數(shù)r(x)可構(gòu)造如下：

圖1 鐵路樞紐能力利用率指標(biāo)體系

其中，k為得分函數(shù)的分段數(shù)；r1,···,rk為各分段的得分值；r?為最理想得分值。

考慮到指標(biāo)項(xiàng)的實(shí)際含義和能力特點(diǎn)，理想取值區(qū)間、得分函數(shù)可按指標(biāo)項(xiàng)區(qū)別設(shè)置。表1為某指標(biāo)的五分制得分函數(shù)取值表。在表中，對每一量度值引入“+”、“-”符號(hào)標(biāo)明其與理想值的偏離方向，以便能夠直觀準(zhǔn)確判斷出樞紐能力利用率存在問題。這些符號(hào)并不參與評價(jià)計(jì)算，以避免相互抵消的問題發(fā)生。

表1 某指標(biāo)項(xiàng)的評價(jià)得分取值

2.2 層次化的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重設(shè)計(jì)

對上述鐵路樞紐能力利用率評價(jià)指標(biāo)體系，可按層次設(shè)置分層權(quán)重體系，以便有效降低權(quán)重設(shè)置難度。分層權(quán)重體系主要包括各子系統(tǒng)間評價(jià)權(quán)重、各子系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)成要素的權(quán)重和子系統(tǒng)指標(biāo)項(xiàng)間權(quán)重。

客運(yùn)、貨運(yùn)、行車（車站、區(qū)間）和編解等子系統(tǒng)權(quán)重之和為1。各子系統(tǒng)間的評價(jià)權(quán)重可參考運(yùn)輸量（客運(yùn)量、貨運(yùn)量、改編車流比重）來綜合標(biāo)定。

每一子系統(tǒng)內(nèi)各構(gòu)成要素的權(quán)重，可按照某種運(yùn)輸量標(biāo)準(zhǔn)確定。如客運(yùn)子系統(tǒng)內(nèi)各客運(yùn)站的權(quán)重可按照其到發(fā)旅客量占比設(shè)置；貨運(yùn)子系統(tǒng)內(nèi)貨運(yùn)站的權(quán)重可按照其裝卸貨物量占比設(shè)置；行車子系統(tǒng)各車站依據(jù)接發(fā)列車數(shù)設(shè)置各車站權(quán)重，依據(jù)區(qū)間行車量設(shè)置各線路區(qū)間權(quán)重。

指標(biāo)權(quán)重可按照子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置。每一子系統(tǒng)內(nèi)各指標(biāo)間權(quán)重之和為1，每一指標(biāo)權(quán)重可根據(jù)作業(yè)地位、作用和評價(jià)目的進(jìn)行設(shè)置。

2.3 評價(jià)算法

根據(jù)問題特征和指標(biāo)體系特點(diǎn)，以基于各指標(biāo)的評價(jià)得分和層次化的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)鐵路樞紐能力利用率評價(jià)方法，具體步驟為：

（1）搜集和確定鐵路樞紐各構(gòu)成元素的每一評價(jià)指標(biāo)的能力利用率，并根據(jù)利用率數(shù)據(jù)標(biāo)定評價(jià)得分；

（2）建立鐵路樞紐內(nèi)子系統(tǒng)、構(gòu)成要素和指標(biāo)項(xiàng)的層次關(guān)系，設(shè)置各層次權(quán)重；

（3）逐個(gè)計(jì)算鐵路樞紐每一子系統(tǒng)評價(jià)得分，對子系統(tǒng)各構(gòu)成要素指標(biāo)的得分加權(quán)求和即可獲得該子系統(tǒng)的評價(jià)得分，并累加記錄各構(gòu)成要素每一指標(biāo)在子系統(tǒng)評價(jià)得分中的貢獻(xiàn)率；

（4）按照各個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)，對各子系統(tǒng)評價(jià)得分的加權(quán)求和即可獲得鐵路樞紐能力利用率的總體評價(jià)得分，輸出的評價(jià)結(jié)果包括樞紐總體評分、各子系統(tǒng)得分、具有較大貢獻(xiàn)率的能力利用瓶頸點(diǎn)數(shù)量、位置和排序等內(nèi)容。

鐵路樞紐能力利用率評價(jià)方法的算法流程如圖2所示。

圖2 鐵路樞紐能力利用率評價(jià)方法的算法流程

3 實(shí)例分析

采用C#語言設(shè)計(jì)開發(fā)了鐵路樞紐能力利用率評價(jià)軟件，包括能力利用率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、多層次權(quán)重設(shè)置和能力利用率綜合評價(jià)3個(gè)功能模塊。

以鄭州樞紐某一年度總圖方案為例，依據(jù)客貨運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用本文提出的評價(jià)方法，評價(jià)分析其能力利用率。

鄭州樞紐是由京廣線、隴海線、京廣客運(yùn)專線、徐蘭客運(yùn)專線等干線交匯形成雙十字形鐵路樞紐，在路網(wǎng)中具有舉足輕重的地位。根據(jù)各子系統(tǒng)在樞紐中的作用和作業(yè)量，適當(dāng)突出編解、行車子系統(tǒng)的影響，設(shè)置客運(yùn)、貨運(yùn)、編解子系統(tǒng)以及行車子系統(tǒng)中的車站和線路區(qū)間權(quán)重分別為0.20、0.10、0.30、0.20、0.20。

計(jì)算車站和線路區(qū)間評分分別為3.03和1.86，按其權(quán)重加權(quán)可計(jì)算樞紐內(nèi)行車子系統(tǒng)的得分為2.44。同理，計(jì)算各子系統(tǒng)和樞紐整體的評價(jià)得分，結(jié)果如圖3所示。樞紐總體評價(jià)得分為2.33，能力利用率均值為57.24%。根據(jù)最終的評價(jià)得分可以看出，雖然鄭州樞紐能力利用率總體能力利用率均值并不高，但各子系統(tǒng)能力得分差異較大。

圖3 鄭州樞紐各子系統(tǒng)和樞紐總體評價(jià)得分

將各樞紐作業(yè)環(huán)節(jié)按其對樞紐總體評價(jià)得分的貢獻(xiàn)率進(jìn)行排序，確定樞紐能力的瓶頸點(diǎn)。鄭州樞紐能力瓶頸點(diǎn)的能力利用率和貢獻(xiàn)率及其排序見表2。

表2 鄭州樞紐的能力瓶頸點(diǎn)情況分析

可以看出，這些瓶頸點(diǎn)的能力利用率均超過90%，各瓶頸點(diǎn)的能力利用率大小和貢獻(xiàn)率排序存在較大差別。利用率最高的隴海線鐵爐至關(guān)帝廟區(qū)間的通過能力，其貢獻(xiàn)率僅列第3，而鄭州北站下、上行駝峰解體能力的貢獻(xiàn)率最高，對樞紐能力的制約作用較為明顯。

4 結(jié)束語

將鐵路樞紐劃分為客運(yùn)、貨運(yùn)、行車、編解等子系統(tǒng)，構(gòu)建子系統(tǒng)-構(gòu)成要素-評價(jià)指標(biāo)3個(gè)層次的指標(biāo)體系；根據(jù)鐵路樞紐的層次化結(jié)構(gòu)特征，提出指標(biāo)項(xiàng)評價(jià)得分函數(shù)和層次化權(quán)重設(shè)置方法，建立基于子系統(tǒng)劃分的鐵路樞紐能力利用率評價(jià)方法。

基于所設(shè)計(jì)的評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)方法，開發(fā)了鐵路樞紐能力利用率評價(jià)軟件，利用該軟件對鄭州樞紐能力利用率進(jìn)行計(jì)算和分析。

本文提出的評價(jià)方法能夠克服鐵路樞紐系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、作業(yè)環(huán)節(jié)眾多的困難，全面分析評價(jià)鐵路樞紐能力利用狀況，有效識(shí)別制約鐵路樞紐能力的瓶頸。但評價(jià)方法中權(quán)重參數(shù)的合理設(shè)置問題，以及如何將客、貨車流徑路等能力要素引入評價(jià)方法，均尚需進(jìn)一步研究。