鐵路到達重車超卸車能力分級預(yù)警研究

桂 欣，劉志新，張 璐，孫 妍，秦志鵬

（1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844）

0 引言

卸車是鐵路運輸中的重要環(huán)節(jié)，其調(diào)度管理直接影響鐵路貨運運營水平、車底周轉(zhuǎn)效率以及貨運服務(wù)水平。目前，全路調(diào)度生產(chǎn)信息系統(tǒng)在卸車方面存在短板，對于部分區(qū)域車站待卸貨車積壓情況提前響應(yīng)不足，增加了貨車周轉(zhuǎn)時間，影響貨運組織，出現(xiàn)途中保留甚至停限裝情況。對此，學(xué)者不斷研究調(diào)度組織中存在的問題，依托鐵路運輸生產(chǎn)相關(guān)信息，研究車流并嘗試構(gòu)建相關(guān)模型和應(yīng)用系統(tǒng)原型，對貨運作業(yè)優(yōu)化起到了一定的輔助決策作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用的日臻成熟，鐵路對貨運信息電子化、自動化、智能化的要求越來越高，構(gòu)建與鐵路統(tǒng)計、管理相結(jié)合的到達重車超卸車能力分級預(yù)警系統(tǒng)，成為新的研究方向。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 要素與條件

貨流、車流和列流是行車組織的重要基本概念，也是重車推算的主要理論基礎(chǔ)。路網(wǎng)中具有到發(fā)方向的流動稱為流，貨流在裝車點裝車形成重車流，按開行方案組織成列流，按編組計劃有調(diào)或無調(diào)中轉(zhuǎn)，最終到達卸車點成為到卸重車流。到達重車超卸車能力本質(zhì)是綜合路網(wǎng)中的貨流、車流與列流，側(cè)重把握節(jié)點的裝卸能力與路網(wǎng)一段時間流量的能力匹配關(guān)系，其與貨物、車輛、列車、節(jié)點、路網(wǎng)等要素有著密不可分的關(guān)系。具體如圖1所示。

圖1 到重超卸考慮的基本要素與條件

1.2 貨車周轉(zhuǎn)過程

在裝車站至卸車站的運輸生產(chǎn)過程中，貨車主要經(jīng)歷貨物裝車、發(fā)送作業(yè)、途中運行與中轉(zhuǎn)、卸車站終到作業(yè)等作業(yè)環(huán)節(jié)，并依據(jù)開行方案、節(jié)點性質(zhì)等分為不同的情況。依據(jù)列車在路局管內(nèi)編組、解體情況，分為始發(fā)終到、始發(fā)交出、接入終到以及接入交出列車四類；按照貨車途徑車站性質(zhì)，分為中間站、區(qū)段站與編組站三類中轉(zhuǎn)作業(yè)流程。2007-2017年全路貨車周轉(zhuǎn)時間統(tǒng)計分析結(jié)果指出，鐵路貨車周轉(zhuǎn)影響因素主要為貨車全周轉(zhuǎn)距離、貨物列車旅行速度、貨車中轉(zhuǎn)距離、貨車中轉(zhuǎn)停留時間、管內(nèi)裝卸率和一次貨物作業(yè)時間，如圖2所示。

圖2 鐵路貨車周轉(zhuǎn)影響因素

2 車流推算

2.1 基本理念

車流推算是制定運輸工作日常計劃的需要，是進行車流調(diào)整的重要依據(jù)。鐵路現(xiàn)行的車流推算方法主要根據(jù)裝車統(tǒng)計和車流統(tǒng)計，目的是為增強車流調(diào)整的預(yù)見性與計劃性，一般包括2天近期車流推算和3-7天遠期車流推算。目前課題研究及應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)基本圍繞“運送期限”和“各日到達參數(shù)”兩個概念模型進行擴展和完善。

2.2 推算模型

有限狀態(tài)自動機（FSM）模型是一種具有離散輸入、輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其接受一定的輸入，執(zhí)行一定的動作，產(chǎn)生一定的結(jié)果，使用狀態(tài)遷移描述整個工作過程。車流推算本質(zhì)是依據(jù)運輸生產(chǎn)過程，推斷某一時刻車輛在路網(wǎng)中的分布情況；結(jié)合應(yīng)用程序的開發(fā)需要，有限狀態(tài)自動機模型具有描繪重車周轉(zhuǎn)過程和易于編程實現(xiàn)的雙面適應(yīng)性。車流推算模型形式化表達為(Σ)，具體見表1與圖3。

表1 車流推算自動機理論的形式化表達

圖3 車流推算自動機理論的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.3 推算方法

以影響要素與條件確定數(shù)據(jù)源及推算條件，通過貨車周轉(zhuǎn)過程劃分推算階段，依據(jù)“運送期限”和“各日到達參數(shù)”模型確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)。遵循“分析、統(tǒng)計、預(yù)警、決策”的原則，建立了分模塊、分步驟、多源的重車推算方法體系。具體如圖4所示。

圖4 重車推算方法體系

推算方法體系本質(zhì)以作業(yè)過程消耗時間為統(tǒng)計基礎(chǔ)，參照運輸統(tǒng)計規(guī)則和貨車統(tǒng)計規(guī)則，將作業(yè)過程歸結(jié)為常見貨車周轉(zhuǎn)過程，依據(jù)鐵路節(jié)點設(shè)施設(shè)備條件，進一步整合為場站、作業(yè)場所等分類推算模塊，達到和鐵路管理組織相適應(yīng)。實際編制應(yīng)用系統(tǒng)時，基本以國鐵集團及路局的運輸集成信息平臺為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的推算知識庫，同時考慮節(jié)點的差異，在推算起始時間、起始位置、運行時間等時會采取不同的處理辦法，為時間跨度、天氣等影響因素提供一定的彈性機制。

3 卸車能力

3.1 基本理念

卸車作為鐵路貨運組織工作的基礎(chǔ)和核心，具有多工種協(xié)同、多因素制約、多環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)等特征。在鐵路物流基地設(shè)計過程中，通常依據(jù)系統(tǒng)理論分為三個層級考慮，包括運輸通道、樞紐作業(yè)和貨運作業(yè)。理論研究中對港口、礦山等的大宗散貨快速集散地關(guān)注較高，考慮車場布置、機械配備、作業(yè)過程等因素，以能力適應(yīng)、流程解析、數(shù)據(jù)分析為切入角度展開研究。在實踐中衍生出理論計算能力、上報能力、統(tǒng)計分析能力三個層次的基本理念。

理論計算能力的核心在于依據(jù)系統(tǒng)的觀點，考慮線路節(jié)點設(shè)施設(shè)備配置、貨物空間時間占用，依據(jù)到達、取送、卸車、堆存、短倒等多環(huán)節(jié)的限制因素，計算得出的作業(yè)能力作為卸車站的卸車能力，可以用于理論分析和整體卸車能力提升研究。

上報能力是依據(jù)車站生產(chǎn)人員對車站情況的經(jīng)驗判斷，以日常運營為基礎(chǔ)，通過站上報、段審核、局確認，判定車站應(yīng)該具有的卸車能力。此種方式避免了復(fù)雜的理論計算，依據(jù)運營人員的經(jīng)驗，同時上報審批修正，較為可靠，可廣泛應(yīng)用。

統(tǒng)計分析能力則是依據(jù)數(shù)據(jù)分析的概念，通過對各站卸車累計卸車數(shù)據(jù)進行分析，尤其是對出現(xiàn)超卸車能力的車站卸車高峰時期進行數(shù)據(jù)挖掘，通過統(tǒng)計指標彌補理論計算和經(jīng)驗判定的不足。相比較而言，統(tǒng)計分析能力更能客觀反映卸車情況，可以用于校核上報能力。

3.2 能力模型

以理論計算能力為基礎(chǔ)，從能力適應(yīng)和流程解析的角度，將卸車站分為列車到發(fā)、解編、取送、裝卸、堆存等多項作業(yè)子系統(tǒng)，通過要素分析單項能力最低的子作業(yè)系統(tǒng)，得到卸車能力。卸車站卸車能力的概念模型如下：

其中，區(qū)間通過能力、車站通過能力、車站改編能力、車站取送車能力、車站裝卸能力、車站堆存能力由設(shè)計規(guī)范或經(jīng)驗公式確定，車站裝卸能力、車站堆存能力等還可以根據(jù)設(shè)計文件，得到更貼切的設(shè)計能力數(shù)據(jù)。

3.3 能力計算

在到重超卸車能力分級預(yù)警研究中，根據(jù)調(diào)研實際運營情況，采取“理論計算+站段上報+統(tǒng)計校核”相結(jié)合的形式，以站段上報能力為基礎(chǔ)，采取統(tǒng)計校核的手段修正，必要時以理論計算分析需補強的短板，從而得到實際運營可用的卸車能力參考值。

4 分級預(yù)警

4.1 分級預(yù)警

集中到達產(chǎn)生卸車高峰對卸車站的影響，反映在峰值和峰值持續(xù)時間，根據(jù)調(diào)研和生產(chǎn)運營反饋，設(shè)立0.8倍、1倍、1.2倍、1.5倍于卸車站卸車能力的標準，對比當日、次日、三日這樣的調(diào)度日計劃的時長內(nèi)平均、最高預(yù)警待卸車量，用以反映卸車高峰的特征。結(jié)合影響的范圍在站段、局管、路網(wǎng)的差別，制定鐵路到達重車超卸車能力分級預(yù)警的標準，規(guī)劃從零級到三級的預(yù)警機制，應(yīng)對不同的重車流情況。

短時間內(nèi)的卸車高峰，特別是車站作業(yè)計劃內(nèi)卸車高峰，可以通過預(yù)警車站增加卸車設(shè)備、提高調(diào)車效率等措施，在車站管理范圍內(nèi)進行優(yōu)化；較長時間的卸車高峰，則需要預(yù)警路局層面關(guān)注協(xié)調(diào)，整合局管內(nèi)資源；影響時間長且易形成大范圍的卸車高峰，預(yù)警國鐵集團關(guān)注，對涉及路局、沿線車站協(xié)同管理，具體見表2。

表2 分級預(yù)警級別制定標準及預(yù)警對象

4.2 優(yōu)化調(diào)整策略

根據(jù)制定的四級預(yù)警級別和預(yù)警機制，參考氣象預(yù)警，對不同預(yù)警級別進行顏色區(qū)別，便于區(qū)分和可視化，針對不同預(yù)警級別提出相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整策略。

（1）零級藍色預(yù)警。零級情況下，到達車流接近于卸車站卸車能力，此時系統(tǒng)發(fā)布藍色預(yù)警給車站層面，提醒作業(yè)沿線車站注重保證卸車作業(yè)組織效率，確保卸車計劃順利完成。

（2）三級黃色預(yù)警。三級情況下，進行提示，提醒鐵路局注意，但不需提出優(yōu)化策略，由卸車局、卸車站通過挖潛提效，盡快消化到達重車，或適當增加待卸車，或短時少量積壓進行平衡。

（3）二級橙色預(yù)警。二級情況下，進行預(yù)警，提醒鐵路局注意，平均數(shù)達到預(yù)警標準時，應(yīng)提出優(yōu)化重車輸送、加強卸車組織及控制鐵路局管內(nèi)到該站的裝車等優(yōu)化策略；單日達到預(yù)警標準時，應(yīng)提出調(diào)整在途重車輸送節(jié)奏、車站短時突擊卸車的優(yōu)化策略。

（4）一級紅色預(yù)警。一級情況下，進行預(yù)警，提醒國鐵集團注意，并在二級預(yù)警的基礎(chǔ)上，提出全路到該站該品類貨物停裝、跨局輸送重車調(diào)整的優(yōu)化建議。

5 結(jié)語

依據(jù)車流推算和卸車能力理論建立的分級預(yù)警策略，實現(xiàn)了重車流時空分布同設(shè)施設(shè)備作業(yè)能力相適應(yīng)性分析，結(jié)合路網(wǎng)、節(jié)點和規(guī)章制度、理論方法等維度，形成了成體系的鐵路到達重車分級預(yù)警方法以及機制。下一步應(yīng)在現(xiàn)行鐵路統(tǒng)計規(guī)章的基礎(chǔ)上，整合既有路局的資源，建設(shè)具有收集、監(jiān)控、分析、預(yù)警、決策功能，具備國鐵集團、路局、站段分層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)集中、分散自律的全路應(yīng)用系統(tǒng)。