基于既有运行图的高铁行包运输方案优化*

刘 勇 朱晓宁 闫柏丞 刘 潇

(深圳市城市交通规划设计研究中心1) 深圳 518021) (北京交通大学交通运输学院2) 北京 100044)

基于既有运行图的高铁行包运输方案优化*

刘 勇1,2)朱晓宁2)闫柏丞2)刘 潇2)

(深圳市城市交通规划设计研究中心1)深圳 518021) (北京交通大学交通运输学院2)北京 100044)

基于既有旅客列车运行图下的高速铁路行包运输组织方案建立了优化模型，利用LINGO9.0平台对模型进行了求解，并以京沪高铁为背景设计了算例对模型的有效性进行了验证.结果表明，模型对高速铁路快运组织方案设计问题具有良好的适用性和优化效果.通过给出高速铁路快运停站方案和装卸车作业计划，能为高速铁路货物运输组织提供一定的决策支持.

铁路运输；快运组织方案；非线性整数规划；高铁快运；既有运行图

0 引 言

当前关于高铁快运的研究主要集中在产品设计与定价、运量预测分配、列车货运技术、车站布局和作业流程设计等方面[1-4]，而对高铁快运列车运输方案研究较少[5-7].少量的研究也集中于研究既有铁路货运组织方式在高速铁路中的应用，且多针对高铁货运班列，单一从货运视角出发，未充分考虑当前高速铁路网以客运列车为核心服务对象的客观条件，以及未考虑结合既有运行图合理安排列车时空分布，一定程度上脱离实际需求，对企业实践缺乏指导意义.

文中着眼于既有高速铁路运行图，综合考虑快运市场多样化需求，通过建立基于既有运行图的高速铁路快运组织方案优化模型，提出1种快运组织方案的编制方法，为高铁货物运输提供理论依据和决策支持.

1 问题描述与模型建立

1.1 问题描述

在当前运营水平下，装备技术条件仍未达到以高频次开行高铁货运班列的要求，旅客运输仍是高速铁路运输的核心任务.因此，高速铁路快运组织方案是在既有高铁客运组织的基础上进行的货运作业组织，其核心是合理调配高铁快运的运输能力，确定高铁快运的停站组织方案和货物装卸车计划，既满足高铁货物的运输需求，又尽可能地减少对高铁客运组织的影响.高铁货物运输组织的示意图见图1.

图1 高铁货运组织方案示意图

由图1可知，高速铁路组织快捷货物运输停站方案是在客运停站方案的基础上，依据沿线高铁货运需求、设施设备条件和客运高铁列车在沿线车站客运组织时间等因素进行优化设计的结果.与高铁货物专列开行方案不同，高铁货运组织方案是高铁旅客运输组织的附属方案，着重于满足以小件货物为主要货运对象的小批量、灵活性和时效性要求，在方案属性上具有灵活性和实时性特征，是针对具体的货物运输需求制定的具有时效性的停站方案和装卸车作业计划.

1.2 基本假设

依据问题描述，结合现场实际情况，现对问题给出如下假设.

1) 列车同质性假设 对于在办理点经停的高铁列车，均可纳入办理高铁快运业务列车的备选集.现阶段，我国高铁列车主要利用车厢两端大件行李处搭载定制的专业化集装设备，对于办理货物业务而言，可以提供的运输条件基本相同.

2) 高铁车站货运作业可行性假设 办理点均具备提供高铁货运服务的基础技术条件，不同等级的高铁站依据经停列车的总停站时间不同，所容许办理的最大货运业务量有所差异，且在货运作业能力上与高铁客运作业能力相匹配.

3) 运输能力假设 在计划期内，运输部门所投放的动车组运力能满足所有的高铁货物运输需求.操作过程中，货运部门可通过设计不同时效性的货运产品，通过在时间维度上分散客户的货运需求来保障货运服务的能力充足.

4) 运输直达假设 高铁货物运输组织方案采取站到站一次直达本线运输的方式，不存在中转情况.由于货物的装卸作业会对高铁客运组织产生影响.因此，在高铁货物作业组织过程中以满足货物直达运输需求为主.

5) 车站货运装卸作业时间假设 在选定货运办理点的列车停站时间，扣除正常旅客乘降时间要求外，其时间长度满足高铁列车装卸随车搭载的快件货物的时间要求.

1.3 符号说明

1.4 目标函数

高铁货物运输组织方案是在高铁旅客运输组织方案的基础上，综合考虑动车组列车、办理车站及货运需求等因素的综合方案.高铁快运业务是以图定旅客列车开行情况为基础，且车站货运作业的办理势必会对正常客运作业产生影响.因此，高铁货物运输组织方案优化的目标为最小化高速列车办理货运作业总次数，减少货运作业对高铁旅客运输组织的影响.由此可知，模型的目标为

(1)

1.5 约束条件

高铁货物运输组织方案主要受到高铁旅客运输组织方案的影响，此外，还受到货物运输属性、动车组列车运输能力及高铁站作业能力的影响.具体约束如下.

1) 高铁货运办理站点约束 对于备选集内的高铁站点，都是高铁货运业务的服务对象，即高铁快运办理点至少有1列高铁列车经停该站办理货运作业.

∀j∈K

(2)

2) 货物运输总量约束 在计划期内，动车组的投放比例是充足的，计划期内的高铁货物可以全部运完.对单个货物而言，每件货物有且仅有一列客运列车搭载.

∀j,k∈K,m∈M

(3)

3) 高铁运输能力约束 高铁主要以旅客运输为主，每节车厢所留有的运输空间是有限的，因此，每列车运输货物的总数不能超过单列车的运载总容量.即对于每列车在任何一个站，在经过一次装卸车后其货物的保有量不能超过该列车的运载容量.

∀v∈K,i∈N

(4)

4) 运输时限约束 高铁货运主要面向的是时效性强、附加值高的货物，为满足货物运输的时限要求，对单个货物而言，成功运输的前提条件是运载货物的高铁列车到站时刻不能晚于货物最晚运到的承诺时间.

∀j,k∈K,i∈N，m∈M

(5)

5) 列车办理站数量约束 在高铁客运车站进行货运作业会对车站客流乘降组织产生影响.因此，对任意选定搭载货物的旅客列车，其办理货物业务的总数应该得到控制，即任何列车其办理货运业务的站点个数不能超过允许办理站点的最大值.

∀i∈N

(6)

6) 列车办理站约束 高铁货运业务是在客运业务的基础上开展的，对单次列车而言，其货运业务的办理站点只能是在客运业务办理站点上选择的结果；对单个站点而言，只有当列车停站时才能办理相应的货运作业.

xij·(zij-1)=0,∀j∈K,i∈N

(7)

7) 货物运输方案与货运站业务办理方案约束 只有在办理高铁货运业务的办理站，才能进行货物的运输.

∀j,k∈K,i∈N,m∈M

(8)

8) 决策变量0-1约束

(xij-1)·xij=0,∀j∈K,i∈N

(9)

∀j,k∈K,i∈N,m∈M

(10)

2 模型求解与算例分析

2.1 算例描述

以京沪高铁为高铁快运组织方案为算例背景，选取京沪线上客货运量较大、列车经停时间总和较长且车站货运作业条件较好的7个高铁站作为办理货运业务的备选集，并选取京沪线上开行时刻和停站时长较符合要求的13列高铁作为办理货运业务的列车备选集.以京沪高铁下行方向的高铁货运需求为例，要求在计划期满足内京沪线上共110个集装单元货物的快运需求.其中，设定每列动车组可容许装卸的最大集装单元个数为10个；单次列车容许办理货运作业的站点数不超过5个，计划内各站货运产品见表1.

表1 高铁货运服务产品运输时限

对当日达和次晨达产品而言，其截单时间在当天中午12：00，运输时间在当天完成；而对于次日达产品而言，截单时间为当天22：00，运输时间为次日白天完成.因此，在装卸车作业计划编制上主要分为两个计划时段，当天12：00的计划主要面向的是当日达和次晨达的货运需求；当天22：00的计划主要面向的是次日达产品.本次算例主要针对的是当日达(A)和次晨达(B)的12：00计划，计划期内各地间货运需求总量分布见表2，备选集内列车停站方案和运行时刻见表3～4.

表2 京沪线12:00计划期内高铁快运需求量(A-B)

注：快运量统计以集装单元为单位.

2.2 算例求解及分析

分析可知，高速铁路快运组织方案优化模型为非线性整数规划问题.文中重点在问题描述和优化方案生成，求解算法的选择以能获得满意解为出发点，以算法求解速度为基本原则，尽可能选择通用求解方法，在对问题进行小规模算例验证比较的基础上，选择LINGO9.0对问题进行求解.将基础数据代入模型，利用LINGO9.0求解工具，求解可得求解结果见表5～6，依据求解结果，综合列车既有客运停站方案，可得列车货运组织方案见图2.

表4 选定京沪线高铁客运时刻表

表5 高铁货运停站方案(下行)

表6 高铁货物装卸车作业计划(数量-车次)

图2 高铁货物运输组织方案

由以上高铁货物运输组织方案可以看出：

1) 在满足货运需求方面，时段内当日达和次晨达货物均按时运出，未出现滞留.

2) 共有9列高铁列车投入下行方向货物运输，沿线共启用货运办理点27次，占备选停站总数的38.57%，有效控制了利用既有高铁开行列车开展快件运输对高铁既有客运的影响.

3) 以办理点使用率(使用办理点数/备选办理点数)为指标，可看出天津西站高铁货运对天津西站和苏州站干扰较大，使用率分别达66.67%和50%，南京、徐州、济南客运受干扰程度控制较好.

4) 在能力利用上，计划期内，平均单次列车运输的货物为12.22个，能力复用率达122.2%；从周转量来看，高铁货运组织方案的货运周转量为420(集装单元数量乘以运输区段数量)，相较运力投放总量540(集装单元数量乘以运输区段数量)而言，总运力利用率达77.78%.

3 结 束 语

针对当前热点的高铁快运方案设计问题，在总结实践和理论研究成果的基础上，给出了适应于当前情况下解决高速铁路快运组织问题的新思路和新方法.通过将高速铁路快运组织方案分解为快运列车停站方案和装卸车作业计划，提出了适用于已知高速铁路快运办理点条件下的快运组织方案优化模型，利用LINGO9.0平台对模型进行了求解，并通过算例对模型进行验证.结果表明，模型对现实问题具有良好的适用性和优化作用，通过给出高速铁路快运停站方案和装卸车作业计划，为高速铁路货物运输组织提供决策支持.然而，高铁快运的实施不仅需要对运输组织方案进行优化设计，还需要对货运组织流程、装载搬运器械标准、场站设施布局等配套工程进行一体化优化改进，车辆与货物及车站与货物间的同步配合是进一步研究的方向.

[1]张涛.中铁快运开展高铁快递业务的研究[D].北京：北京交通大学,2014.

[2]梁皓妍.高铁快递产品优化配置研究[D].北京：北京交通大学,2015.

[3]米晓芳.高铁快递业务运作方案设计-以华东地区为例[D].北京：北京交通大学,2015.

[4]宫强.哈尔滨铁路局高铁快递运营管理研究[D].长春:吉林大学,2015.

[5]JEONG S J, LEE C G, BOOKBINGER J H. The European freight railway system as a hub-and-spoke network[J].Transportation Research Part A: Policy and Practice，2007,41(6):523-536.

[6]PAZOUR J A, MELLER R D, POHL L M. A model to design a national high-speed rail network for freight distribution[J]. Transportation Research Part A： Policy & Practice,2010,44(3):119-135.

[7]董凯凌.高速铁路快捷货物运输组织相关问题研究[D].成都：西南交通大学,2014.

Express Freight Transportation Plan Optimization Based on Existed High Speed Railway Timetable

LIU Yong1,2)ZHU Xiaoning2)YAN Baichen2)LIU Xiao2)

(ShenzhenUrbanTransportPlanningCenter,Shenzhen518021,China)1)(SchoolofTrafficandTransportation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)2)

An optimization model is established for the transportation organization scheme of high speed railway based on the existing high-speed railway timetable. This model is solved using LINGO9.0 platform. By using Beijing-Shanghai High Speed Railway as the background, a case study is designed to validate the rational of the established model. The results show that the model has a good adaptability and optimized effects in solving the design problems of transportation organization scheme of high speed railway. Moreover, through the proposed model, an optimized express freight transport plan and loading and unloading scheme are acquired, which could guide practice to some extent.

railway transportation; express freight transport plan; nonlinear integer programming; express of EMUs; existed high-speed railway timetable

2016-10-24

*国家自然科学基金重大项目资助(71390332)

U294.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.019

刘勇(1990—)：男，硕士，助理工程师，主要研究领域为轨道交通运输组织优化