重載鐵路貨運產品開行方案優化設計

符佳芯

（西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 611756）

0 引言

我國經濟的飛速發展推動了鐵路運輸的繁榮，重載鐵路運輸以大運量、低成本等優勢成為我國鐵路貨物運輸的發展趨勢。為了增加重載鐵路的運輸能力和運輸效益，應對重載鐵路貨運產品的開行方案進行研究，合理配置鐵路運輸資源，提高重載鐵路的競爭力。

郭帥，等[1]以北京局集團公司快捷貨物運輸為例，通過建立標準化作業、拓展直達運輸業務等方式構建快捷的貨物運輸網絡。秦勝，等[2]通過分析目前長江沿岸貨運市場的供求情況，設計了沿江鐵路貨運產品優化方案。王波，等[3]分析了鐵路貨運產品的多樣性，在此基礎上提出了差異化的運輸產品設計理念。王永成[4]從影響既有線開行重載列車的影響因素出發，分析了重載列車組織形式，并提出了既有線重載運輸組織方案。段力偉[5]分析了不同市場細分、不同客戶需求的特點，設計了有針對性和差異性的鐵路貨運產品，來滿足貨運市場的運輸需求并降低鐵路運輸費用。宗巖[6]在分析國外鐵路的貨運產品設計的基礎上，認為我國可以借鑒其先進發展經驗，從貨運需求和市場競爭的角度出發，開發“定制化、準時化、個性化、多樣化”的鐵路特色貨運產品，并加強對鐵路運營的管理，以達到增強鐵路競爭力的目的。王宏亮[7]設計了差異化和定制化的鐵路貨運產品，指出優先組織大宗貨物列車運行、靈活定價、提高附加值貨運產品的市場份額是提高鐵路運輸效益的有效途徑。許振東，等[8]認為通過建立集疏運一體化的貨運組織模式和客戶服務中心，可以提高貨物運輸效率和運輸服務質量。武軼杰[9]分析朔黃鐵路近遠期運量增長的情況，通過建立目標規劃模型，在線路運量最大、機車車輛數量最少、不超過線路平均通過能力等約束條件下對該問題進行了求解。伍夢歡[10]研究了既有線開行重載列車需要具備的條件，通過計算年貨運量、既有線通過能力，建立滿足旅客運輸需求的既有線列車開行數量優化模型。

為實現重載鐵路貨運的健康發展，應通過對傳統的貨運產品種類、數量、路徑等屬性進行分析，構建與貨運市場和自身優勢相適應的貨運產品體系，滿足多樣化的運輸需求。同時貨運產品開行方案的設計應滿足線路的年輸送能力、機車車輛運輸數量的限制以及線路日常列車運行調整的需要，不僅可以起到優化運輸資源配置的作用，還有利于運輸成本的降低和運輸效益的提升。

1 鐵路現有貨運產品分析

1.1 貨運產品的形式與分類

鐵路貨運產品是指以列車為載體，實現貨物在空間上的位移，即貨物從約定起點至約定終點的運輸服務，及其鐵路運輸過程中產生的各種延伸服務，如信息查詢服務、質量保證等。

鐵路貨運產品按照不同的開行方式、列車編組方式、運輸貨物品類、列車開行技術條件等運營組織管理因素可劃分為多種。我國傳統的鐵路貨運產品是運能緊張情況下開行的低附加值的貨運產品形式，主要用于保障基礎的運輸需求，所以其形式單一，主要有：直達列車、直通列車、區段列車、摘掛列車、小運轉列車等。

隨著我國工業產業結構的調整優化，貨運產品的差異性也愈加明顯。為滿足多樣化的貨運需求和運輸時效性的要求，出現了一些新形式的貨運產品，主要有特快貨物班列、快運貨物列車、“五定班列”、冷藏列車等。這些貨運產品提高了鐵路的運輸效益。

根據鐵路貨運產品的特征構建不同系列的產品體系，可增加貨運產品品種多樣性，提高產品開發的速度，幫助重載鐵路快速響應市場需求。

（1）基于貨物的產品體系。鐵路運輸的貨物主要分為高附加值商品與大宗商品兩大類。其中高附加值的商品包括商品車、橡膠、紙品等，大宗貨物包括煤炭、鋼鐵、糧食等。針對不同品類的貨物，可開發設計的貨運產品包括煤炭專列、糧食專列、集裝箱專列、鮮活貨物班列等。

（2）基于運輸組織形式的產品體系。針對不同的貨物運輸組織形式和途中作業內容，貨運產品包括大宗貨物直達班列、組織中轉班列、一站直達列車、途中甩掛列車、途中卸車列車等。

（3）基于時效性的產品體系。按照不同貨物列車運行速度，貨運產品可分為特快貨物班列、快速貨物班列、普速貨物班列，按貨物送達時間可分為當日達列車、次日達列車和規定期限列車。

1.2 貨主對鐵路貨運產品的需求分析

貨主對鐵路貨運的需求是在滿足產品“位移”的基礎上，對產品功能、附加服務等方面提出的要求。在進行重載鐵路貨運產品創新設計時，應從所運送貨物的特點出發，結合重載鐵路自身優勢和線路特征，注重客戶需求，開發設計適應鐵路發展的一體化貨運產品，以增加鐵路貨運的多樣性，滿足不同客戶需求。

（1）經濟性。運輸經濟性是指運輸成本或運輸費用。傳統的運輸成本主要指每單位重量公里的運費，與貨物運量、運距等因素有關。現在客戶一般期望購買整體服務，即包括接取送達、運輸、裝卸等服務，運輸成本指的是運輸過程中的總費用。在服務質量相同的條件下，客戶往往傾向于選擇運輸費用低的貨運產品。

（2）安全性。貨物運輸的基本要求是保證貨物完好無損、安全送達目的地，這也是衡量運輸服務的標準之一。鐵路運輸企業通常以貨運責任事故數、萬元賠償率等指標反映貨物運輸的安全性。目前，鐵路運輸企業運用科學化管理、標準化作業等手段，大大提高了各種貨運產品的安全性。

（3）時效性。現在，貨主對貨運產品的時效性要求越來越高，提高貨運產品的時效性主要體現在縮短送達時間并準時交貨。在鐵路運輸組織中，時效性用貨物運到期限體現。運到期限由貨物發送時間、運輸時間和特殊作業時間三部分組成。其中貨物發送時間規定為1天，運輸時間和特殊作業時間與運輸條件、貨物種類等因素有關。貨運產品的時效性主要受既有設備設施、運輸組織水平等因素的影響，不同的貨物對時效性的要求也不盡相同。

（4）便捷性。貨物運輸的便捷性主要體現在客戶辦理手續方便快捷、信息服務暢通高效等方面。鐵路運輸企業通過網絡化經營簡化客戶作業手續、縮短貨物運送時間、提高準時交貨率、加強信息技術支持等方式提高運輸服務水平。便捷性是貨運產品一體化設計需要考慮的重要因素。

2 重載鐵路貨運產品開行方案設計

2.1 重載列車組織形式

重載運輸是指在一定的鐵路技術設備條件下，擴大列車編組，提高列車牽引重量的運輸方式。重載運輸是鐵路運輸的發展趨勢，也是鐵路運輸發展現代化的標志之一。按照組織形式，重載列車主要分為單元式、整列式和組合式重載列車。

（1）單元式重載列車。單元式重載列車是指由固定的機車車輛（大功率機車和一定輛數的同一類型的專用車輛）組成一個運輸單元，以此作為運營計費單位。

組織單元式重載列車要求裝車、運行和卸車等環節協調配合，各項設備實施配套齊全，組織形式要求較高，需要滿足以下條件：貨運量較大且貨流穩定，流向集中，列車固定編組和固定的作業時間標準，在固定的裝卸站之間往返運輸貨物，途中不需要解編作業；運用大功率機車和專用貨車，以及相應的機車交路和乘務制度，保障列車正常運行；具有良好的裝卸能力，實現快速貨物作業；合理有效的運營管理體制。大秦線采用了此類重載列車。

（2）整列式重載列車。整列式重載列車是指由大功率機車或雙機牽引，不同類型的車輛混合編組，并達到規定重量標準的列車。

整列式重載列車的貨物作業、換掛作業等與普通貨物列車相似，在運行途中還可進行改編作業。組織整列式重載列車要求貨運量較大且貨流穩定，車站到發線有效長需要延長至1 050m以上。朔黃鐵路采用了此類列車。

（3）組合式重載列車。組合式重載列車是將兩列及以上同方向運行的列車首尾相連，合并組成的重載列車，機車掛于列車的頭部和中部。

開行組合式重載列車利于增加列車編組輛數和牽引重量，節省運行線，有效緩解線路運輸能力緊張，提高鐵路線路能力、設備設施利用效率和運輸效益。組織組合式重載列車需要考慮線路的繁忙程度、貨流來源以及裝卸站的位置，合理組合和分解列車，提高貨物運輸效率。

隨著重載鐵路技術設備逐步完善以及大型貨車的發展，根據鐵路運輸需要，規劃不同重量、組織形式的重載列車貨運產品方案，最大限度地提高重載鐵路的運輸能力和運輸效益，成為鐵路運貨工作面臨的重大課題。

2.2 重載鐵路貨運產品開行方案模型的構建

2.2.1 約束條件。為滿足重載鐵路年輸送能力要求，充分利用線路能力，本文通過建模選擇合理的重載鐵路貨運產品開行方案。確定鐵路上開行的重載列車主要包括5 000t、8 000t、10 000t、20 000t四種類型。模型應滿足的約束條件如下：

（1）重載鐵路年貨運量不少于需求運輸能力；

（2）考慮實際運輸組織過程中列車運行圖調整的需要，線路通過能力利用率不高于80%；

（3）每日運用的機車總臺數應少于日均配置數量；

（4）C80型貨車用于20 000t重載列車，數量有限。

約束條件（1）是由決策者提出的關于貨運量的硬性要求，是模型追求的最主要的優化目標，為第一優先級，用P1表示；約束條件（2）是對線路能力的要求，預留線路能力進行運行調整，為第二優先級，用P2表示；約束條件（3）是由于機車數量有限，以提高機車運用效率為目標，為第三優先級，用P3表示；約束條件（4）是由于貨車數量有限，在開行方案中以實現貨車數量最少為目標，為第四優先級，用P4表示。

2.2.2 目標函數。鐵路上開行牽引重量為Qi的列車數量為xi，i=1,2,3,4，根據貨物列車開行對數的公式，開行對數為：

式中，G—年設計貨運量；Kb—貨運波動系數；φi—牽引重量為Qi的載重系數。

根據平行運行圖計算公式：

式中，Tc—天窗維修時間；

Ii—重量為Qi的列車的追蹤間隔時間。

根據非平行運行圖的計算得到的開行對數：

式中，nk—線路上開行的旅客列車數；εk—開行旅客列車的扣除系數。

在我國鐵路線路上，開行一列20 000t重載列車需4臺電力機車牽引，10 000t和8 000t需2臺機車，5 000t需1臺機車。機車周轉時間為θj，需要系數為Kj，機車日均運用臺數為N，則：

式中，tb—機車在基本段停留時間；tz—機車在折返段停留時間；ts—在區間單方向純運行時間。

根據約束條件（1）：

根據約束條件（2）：

根據約束條件（3）：

根據約束條件（4），20 000t重載列車編組輛數m，貨車周轉時間是θh，C80貨車日均配備m臺，則：

綜上所述，重載鐵路貨運產品開行方案的多目標模型為：

本文建立的重載列車開行組合方案模型為多目標規劃模型，利用LINGO軟件，將多目標拆分為幾個單目標問題，并按優先等級第一至第四依次求解，將結果輸出并加以分析。

3 案例分析

結合大秦線的運營經驗，假設我國某重載鐵路20 000t列車追蹤間隔時間為12min，10 000t列車追蹤間隔時間為10min，8 000t與5 000t列車追蹤間隔時間為8min。采用V型維修天窗，作業時間為180min，貨運波動系數為1.1，雙線預留0.15的后備能力，根據設計要求，該鐵路線路上每日運行10對旅客列車，旅客扣除系數為2.6，機車每日可運用420臺，在基本段與折返段停留時間為180min，C80貨車編組輛數為200輛，貨車周轉時間θh為3d。表1是三類貨車的技術參數：

表1 三種貨車技術參數

根據本文建立的優化模型，結合相關的技術參數，根據公式（9），得到的多目標規劃模型為：

運用LINGO軟件，求出此多目標模型的解，表2為最終開行方案。

表2 重載列車開行組合方案

從表2可以看到，四種方案都滿足該重載鐵路設計年運量和線路能力的要求。

方案1是只開行5 000t重載列車，便于運輸組織，但需要增加機車運用臺數，該組織方案不利于鐵路運輸效率的提高。

方案2開行了5 000t和20 000t的重載列車，但需要增加C80型貨車數量。

方案3開行了5 000t、8 000t和20 000t的重載列車，也需要增加C80型貨車數量。

方案4開行5 000t、8 000t、10 000t和20 000t的重載列車，同時滿足了四個優化目標，較為合理。

由此可知，對于該重載鐵路，方案4的開行組合方案較為理想，但在未來，隨著貨運量的增加和技術設備不斷創新，線路可以只開行10 000t和20 000t的列車，便于降低運輸組織和調度工作的難度，提高貨物運輸效率和效益。

4 結語

本文提出的重載鐵路貨運產品開行方案優化方法，滿足了重載鐵路多樣化的運輸需求，并對運輸資源配置起到了優化作用。另外，本文在進行優化設計時，只考慮了重載鐵路的年運量、線路能力、機車車輛數量等，還需要進一步對“天窗”設置方式、到發線使用、通信等設備配置方案進行研究，以提高重載鐵路運輸效率。