新线条件下动车运用所布局优化研究

钱继磊，李海鹰，王 莹，李 健

（1.北京交通大学交通运输学院，北京100044；2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044）

新线条件下动车运用所布局优化研究

钱继磊1，李海鹰2，王 莹1，李 健1

（1.北京交通大学交通运输学院，北京100044；2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044）

随着我国高速铁路新线的大规模建设与投入运营，原有的动车运用所布局和检修能力难以满足高速铁路路网的发展需求，因而有必要结合高速铁路网络规划，提前对新线条件下动车运用所布局进行优化。在分析新线建设对动车运用所布局影响的基础上，将动车组运用检修过程转化为一类有资源约束的多基地车辆路径问题(MD-VRP)，构建多检修点的动车组运用检修优化模型，计算不同布局方案下动车组的运用情况，对新线条件下动车运用所的各布局方案进行比选。最后，以某区域的高速铁路网络为例，设计了2种运用所的布局方案，通过计算比较各方案近远期的动车组运用情况，给出该区域动车运用所的推荐布局方案。

高速铁路；动车组检修；MD-VRP；路网结构

1.1检修任务作业量

在接入新建线路后，路网运输能力、通达性和列车开行量大幅增长[7]，检修需求也显著增加，当检修工作量超过原有动车运用所的设计检修能力时，需要结合路网结构和检修需求，考虑对原有动车运用所扩能或新设动车运用所。

1.2检修分工方式

新线的接入改变了路网结构，导致列车运行径路变更，从而改变了原有各动车运用所检修工作的分配方案。新线的引入可在网络结构中形成路网内部闭环，实现两车站间更短线路连接，不必再绕行其它节点，提高了路网连通度，同时也可能降低某些车站的通过行车量。受此影响，部分列车的始发终到车站将会调整，列车运行径路也将变更，从而需要改变区域检修点的布局和检修工作的分配方案。

1.3成网运营时的检修点布局方式

检修点的布局需要适应路网结构和列车开行结构的变化。仅开通单一线路时，列车按线运用，采用在线路两端设置检修点或一线多点形式，即可满足检修需求；更多线路开通时，选择区位优势较好的交叉点等枢纽处，动车组采用周期性[8]或簇式[9]运用方式，在衔接多个方向、数条线路的枢纽设置检修点，所有线路上的动车组全部回中心点集中检修。

目前高速铁路已由最初的单一线路发展为网络化运营，将来网络连通度还将进一步提高，如部分区域中高速铁路线路多、密度大，并且存在多个线路交叉点、各交叉点均开行一定数量的始发终到列车，动车组可不再只按线运用，而采用环形交路的按区域运用的方式，从而提高动车组运用效率和灵活性。此时整个区域内检修工作量大并且较为分散，可在网络中设置多个检修点，实现动车组的及时检修，保证运用检修衔接的顺畅性。新线分阶段建设带来的影响如表1 所示。

0　引言

目前我国基本建成了以“四纵四横”为骨架的高速铁路网，截至 2016年8月，高速铁路运营里程超过 1.9 万 km，投入运营的动车组已有 2 470 组，每天开行动车组列车 4 200 多列。根据《十三五规划纲要》和《中长期铁路网规划》(2016年修编)，未来还将修建 1 万多公里高速铁路新线，形成以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网，实现省会城市高速铁路通达、区际之间高效便捷相连。每一条高速铁路新线的引入，都将改变路网拓扑结构，增开大量的跨线列车，对原路网中动车运用所的检修能力和布局提出新的要求。

动车运用所占地大、检修设备多、投资数额大、建设周期长，其设置数量和设置位置应有充分的前瞻性，需要按照新线开通计划，提前进行新线配套检修能力建设和扩能改造[1]。针对动车组检修工作的研究，国内学者主要集中在运用检修计划的优化组织、动车组运用检修机构的微观布局上，对动车运用所宏观布局优化的研究还比较少。例如，沈志军[2]、邱绍峰[3]等分析日、法、德等国外动车组的检修布局，提出适用我国布局的原则；曹克非等[4]从走行里程、检修位数量等方面提出建设成都检修基地的必要性；白海波[5]具体分析西安动车段的管理结构和检修组织模式；王鑫[6]对如何提高动车组运用检修能力进行探讨。因此，有必要着眼于未来几年我国高速铁路网的建设，研究动车组检修资源的布局优化方法。由于动车段和三级修以上检修的建设投资大，目前全路已有规划，主要以承担一二级检修任务的动车运用所的布局数量、选址和设置时间为研究对象。

1　新线建设对动车运用所布局的影响

我国高速铁路网建设规模庞大，由最初几条相互独立的线路逐渐发展成网，随着新线不断开通，路网行车量和动车组检修需求随之增加，造成现有检修能力接近饱和；列车开行路径的变更和始发终到车站的调整，要求在新开行动车组的地区配套建设动车运用所；同时，未来高速铁路网络连通度较

表1　新线分阶段建设对路网结构和检修布局的影响

2　动车运用所布局优化方案

2.1设计思路

由于我国各区域的高速铁路路网发展程度不同，其网络结构也不同，动车运用所布局的优化应根据新线带来的新增检修需求及未来区域路网的结构特点，设计该区域中动车运用所的布局方案。

当出现一定量的新增动车检修需求时，主要有 2 类解决方案：①由现有动车运用所检修，不新设动车运用所。②随新线开通在某处新设动车运用所。在现有动车运用所检修能力能够满足检修需求的情况下，第 1 种方案是最经济的方案；但当现有动车运用所检修能力紧张或临近饱和时，需要采用第 2 种方案，通过建立动车组运用检修优化模型，得到在不同地点设置动车运用所时的动车组运用指标 (包括需配属的动车组数量和运用效率等)，进而对比分析各个方案的近远期效果，可筛选出较优的布局方案。

2.2多检修点的动车组运用检修优化模型

在某一动车组运用所布局中，动车组的运用检修全过程为在动车组检修合格后，从动车运用所(以下简称为动车所) 出发，承担一系列列车运行任务后，在修程修制规定范围内返回动车所。将列车运行任务视为客户需求，将承担列车运行任务间的可行接续关系视为潜在可行的路径，将动车所视为车库，则动车组运用检修优化模型可视为一类有资源约束的多基地车辆路径问题 (MD-VRP)，即对一系列运输需求点，组织适当的行驶路线使车辆从不同的车库出发，有序地访问若干需求点后返回相应的车库，在满足车辆检修标准最大运行里程和运行时间约束的条件下，以最少的车辆访问所有的运输需求点。

假定新线开通后近远期的客运量预测值为已知，但具体的列车开行方案和时刻表未知，因而按照一定的原则将近远期的客运量转化为列车开行区段和列车开行数量，并据此建立动车组运用检修优化模型。

2.2.1建立动车组运用检修接续网络

为降低网络规模，将1组具有相同起讫点的列车开行区段抽象视为1个运输节点，列车开行数量为该节点的运输需求量；1 个动车运用所视为 1 个车库。在此基础上，以列车运行线的可行接续为弧，建立动车组检修运用接续网络，具体步骤如下。

步骤 1：建立运输节点。为每组具有相同起讫点的列车开行区段建立 1 个节点，集合记为 V。每个节点 i (∀i ∈ V ) 具有属性，li，ti和 gi，分别表示该节点对应的列车开行区段的起点站、终点站、运行里程、运行时间和开行的列车数量。

步骤 2：建立车库节点。每个动车运用所建立车库节点 h (∀h ∈ H )，检修能力 Nh。

步骤 3：建立接续弧。对于任意 2 个运输节点 i，当前一节点的终点站与下一节点的起点站相同，即时，可建立 1 条有向弧 (i，j)，弧长记为 tij，表示 i 至j 的接续时间，tij取最小列车接续时间 15 min，有向弧集合记为 Q。当运输节点 i 的始发 (终到) 车站位置与车库节点 h 的设置位置相同时，可建立出 (入) 段弧 (h，i) 或 (i，h)。

依据上述设定并拟定各地间列车开行对数，建立动车组运用检修接续网络如图1所示。

在图1中，椭圆形表示运输节点，具有运输需求，表示该列车开行区段某一方向 (上/下行) 开行的列车数量；方形表示运用段所车库节点；连接线表示可行的接续关系弧，箭头方向为接续方向。一个完整交路过程是，动车组从某一动车运用所出发，按接续关系担当数个运输节点对应的列车运行任务，并返回该动车运用所进行检修。

2.2.2构建模型

以担当所有列车运行线需要的动车组数量最少为目标，以 1 个完整交路需要安排 1 组 16 节编组的动车组计算，该目标可转化为求解满足运输需求的最少交路数。由于每个动车组均由动车运用所发出并返回该动车运用所，则总的交路数可用各车库节点出段弧的选择次数之和来表示。

式中：m 为车库节点集合 H 中的个数；n 为运输节点集合 V 中的个数；K 是交路集合；为决策变量，表示第 k 条交路选择弧 (i，j) 的次数， i，j ∈ (V ∪ H )，特别地，对于 i ∈ H，表示第 k 条交路选择出段弧 (i，j)，否则未选择；和分别为以节点 i 为起点和终点的弧的集合，即节点 i 的出边和入边集合；Q 为有向弧 (i，j) 的集合；li，ti和 gi分别表示运输节点 i 的运行里程、运行时间和运输需求；L 为动车组一级检修周期的累计运行里程标准，4 000 km；T 为动车组一级检修周期的累计运行时间标准，48 h；网络中多个节点和接续弧可组成闭合的圈，将其中不包含车库节点 h 的称为子圈，其集合用 R 表示，对任一子圈 r ∈ R，令 Vr表示 r 覆盖的点集；M 为一个足够大的正整数，用来消除非线性约束；Nh为车库节点 h (∀h ∈ H ) 的检修能力。

⑵ 式为运输需求约束，任意节点 i 的出边选择次数等于 gi，表示运输任务被遍历访问；⑶ 式为守恒约束，任意节点 i 的出边总数等于入边总数，可保证每个动车组交路是一个从运用所出发并最终返回运用所的回路；⑷ 式为检修周期的里程约束；⑸式为去除非运行时间 (6 h) 和 (15 min) 接续时间后的检修时间周期约束；⑹ 式为消除孤岛约束，保证每一个子圈均与外界相连；⑺ 式为检修能力约束，表示各运用所发出的动车组数量不超过其检修能力。

3　算例分析

以某区域未来的动车运用所布局问题为研究对象，利用提出的多检修点的动车组运用检修优化模型，研究该区域近期和远期的动车运用所布局优化。

3.1区域路网基础数据

某区域中甲乙丙丁戊等地之间具有较大的客流运输需求，其中仅有戊尚未连入高速铁路网络，未来将通过多条快速铁路与其余 4 个城市连接，从而接入全国高速铁路网。基于该区域内已开通和拟开通的线路，构建动车组在各城市间的运用检修接续网络。区域内已开通和拟开通线路情况如表2所示。

表2　区域内已开通和拟开通线路情况

区域内现有动车运用所设计和预留总能力如下。甲所配有 4 线检查库，28 条存车线；乙所配有 8 线检查库，56 条存车线；丙所配有 4 线检查库，23 条存车线；丁所配有 6 线检查库，36 条存车线。为应对动车组检修需求的增长，设计 2 种动车运用所布局方案：①由现有动车运用所承担检修，未来能力不足时进行扩能改造，不新设动车运用所；②随新线开通，在戊处新设动车运用所。

预计区域内各列车开行区段近期和远期开行对数如表3 所示。

表3　区域内各列车开行区段近期和远期开行对数　　　　　　　　　　　　对

3.2方案比选

为测算 2 种方案的效果，采用预估的区域内各列车开行区段间近期和远期列车开行对数作为输入，得到区域内不同动车运用所布局方案的效果如表4 所示。

表4　区域内不同动车运用所布局方案的效果 　　组

对比这 2 个方案可以看出，采用在戊地新建运用所的优势更多，原因如下。

（1）在戊地布局检修资源比已有动车运用所扩能的成本低。由于新的“八纵八横”高速铁路路网规划比原有规模扩大许多，现有各动车运用所的原定设计和预留检修能力偏低，面对全国远期客流增长，甲所需扩能 66%，丙、丁所需扩能 30% 以上，改扩建成本较高；而新建戊所可以灵活解决现有能力饱和问题，分担各地的检修量，及时调整适应多条铁路全线开通并交叉组建成网的网络结构。

（2）满足运输需求所需的动车组数量更少。在以更低成本布局新增检修资源的同时，所需动车组的数量在近期可减少 4 组，远期可减少 2 组，从而降低车辆购置和运营成本。

（3）各个动车运用所之间的检修分工更加均衡，可避免单个动车运用所承担过多检修任务，造成动车组密集到达待检时的排队现象。

（4）由戊所发往客流更为成熟旺盛地区的动车组可在承担长途交路后在终到站附近开行短交路，形成长短交路套跑，提高动车组运用效率。

（5）对远期发展的适应性较好，有利于促进远期客流量和动车组开行对数的发展。

4　结束语

结合高速铁路大规模建设和网络化运营的实际需求，为解决新线条件下原有动车运用所检修能力不足、需要合理布局新增检修资源的问题，分析新线建设对路网结构和动车运用所布局的影响，建立基于 MD-VRP 的动车组运用检修优化模型，以新线建设阶段化特征明显的某区域为例，设计并对比2 种布局方案在模型中的结果，筛选出新线条件下动车运用所的合理布局模式。算例分析表明，上述方法能够较好地对比每个方案中所需最少动车组数量和各运用所的检修任务分工，便于提前合理配置检修资源，配合新线建设同步投入使用，提高运输组织的协调性、动车组的利用率和检修效率，可以为新线条件下动车运用所的布局优化提供参考。

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责任编辑：吴文娟

Study on Layout Optimization of EMU Operation Depot for New Railway Lines

QIAN Ji-lei1，LI Hai-ying2，WANG Ying1，LI Jian1

(1.School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China; 2.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

With the large-scale construction and operation of high-speed railway lines in China, it is difficult to meet the demand of the developing high-speed railway network under the original layout and maintenance capacity of EMU operation depot. Therefore, it is necessary to optimize the layout for new railway lines in advance combining with the high-speed railway network plan. In this paper, the influence of new lines on the layout is analyzed and a multi maintenance spots optimization model for EMU operation and maintenance are built by applying Multi-depots Vehicle Routing Problem with resource constraints. Taking the high-speed railway network in a certain area as an example, this paper designs two layout schemes for the operation depot, and finally the recommended layout scheme of EMU for this region is given by calculating and comparing the use of EMU in the short and long term.

High-Speed Railway; EMU Maintenance; MD-VRP; Railway Network Structure高，内部形成许多闭环，动车组可在部分重点线路采用按线路运用的同时，更多采用按区域运用，使运用更灵活。因此，承担检修任务的运用所布局也需要相应调整，以适应网络结构的变化和客流发展的需要。影响动车运用所布局的主要有以下因素。

1003-1421(2016)11-0077-06

U269

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.11.16

2016-07-29

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015F020)