西南环线开通下的天津南环铁路车流组织优化研究

冉 锋，孟令云，穆 策，龙思慧

（1. 天津南环铁路有限公司 总工室，天津 300202；2. 北京交通大学 交通运输学院，北京 100044；3. 中国铁路设计集团有限公司 线站院，天津 300142；4. 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)

0 引言

车流组织优化是铁路网规划、运输组织优化、运输资源配置的基础依据，车流径路选择优化是车流组织优化的重要组成部分之一。在既有研究中，高旭敏等[1］以路网运营总费用最小为优化目标、以弧段能力及节点能力为约束条件构建铁路网径路选择的线性优化模型；卢新明和郑时德等[2-3］基于通路集合构建了以总走行里程最小的铁路最优径路问题模型；温旭红、田亚明等[4-7］将多商品流的思想融入到铁路网车流分配和径路选择优化模型中；景龙刚等[8］构建以重载列车组合作业时间及在途运行消耗之和最小的装车地直达车流组织优化模型，采用改进果蝇算法来求解优化问题；杜进有等[9］在双向路网上建立了同时考虑重、空车流的多目标径路优化模型，采用多目标优化算法对模型进行求解，为求解铁路网车流径路优化问题拓展了新的思路；关健[10］比较不同运输组织方式下商品物流时效性，提出促进铁路商品车运输服务质量的提高措施。由此可见，这些研究为车流组织优化提供了理论指导，但还不能完全适应新线接入后的铁路车流组织优化。铁路车流组织与运输能力相辅相成，由于铁路网车流量受区段、技术站通过能力、改编能力的限制，因而只有充分利用路网运输能力，才能合理安排车流方案，尽可能使路网流量均衡分布。以天津南环铁路新建的西南环线而引发的车流组织变化为例，构建基于多商品流和虚拟弧的车流分配弧－路组织优化模型，挖掘南环铁路潜在运能，对铁路的运输资源进行优化配置，满足其运输市场需求均衡运输条件，不断提升南环铁路的竞争力。

1 天津南环铁路车流组织模型构建

1.1 现状分析

天津是我国铁路交通干线京沪线的必经之地，与国家干线铁路津山线交汇，是津霸线(天津北—霸州)、津蓟线(天津北—蓟县)的起点。天津铁路枢纽衔接了北京、山海关、上海、霸州、黄骅、蓟县6个方向，是我国华东与东北、西北、内蒙等地区交流的咽喉要道，承担着关内外地区的客货中转及天津地区客货的到发作业，是一个客货混合、路港联运的大型铁路枢纽，现有天津站、天津西站2个大型客运站。天津南环铁路是天津铁路枢纽中重要的运输通道，既有线路主要包括李港线、津南线、津官线和周芦线(西南环线)，连接了京沪(北京—上海)、朔黄(神池南—黄骅港)、津山(天津南仓—山海关)、北环(汉沟镇—张庄线路所)等国家铁路干线。西南环线经扩能改造开通后，在天津铁路枢纽外围形成了一个大能力的基本闭合的枢纽环线，既为天津港集疏运提供了强大的通路，又给天津铁路枢纽西南霸州、济南方向与东北的山海关方向提供了快捷便利的货运通道，大大增加了天津铁路枢纽运输组织的灵活性，提高了车站接发车及咽喉能力，促进了天津市滨海新区经济发展。西南环线平面示意图如图1所示。

由图1可见，天津西南环线建成后，由于天津南环铁路通过能力的限制，往往会产生运输能力与需求不匹配的情况，在能力较为紧张的区段，会产生运输需求之间竞争的现象，必然使部分车流运输需求得不到满足。如何决定舍弃的车流以达到理想的运输效益显得尤为重要。因此，需要对南环铁路车流组织优化进行研究。

1.2 模型构建

依据基于多商品流和虚拟弧的车流分配弧-路模型[4］，以路网弧段、OD车流径路为研究对象，当某股车流OD为不可行流时，将其直接分配至对应虚拟弧上。弧－路模型的优点：通过优化结果可以直接获取各支车流的走行径路；便于对各支车流的走行径路要求进行设置；模型为0-1规划模型，可满足车流不可拆分的约束。弧－路模型局限性：铁路网结构的复杂性使得初始可选径路集较难确定，容易出现多条径路共用同一弧段的结果，因此，初始径路集的设置直接影响模型求解结果。综上所述，当铁路车流数较少时，可选径路容易确定，模型求解效率较高，推荐采用弧－路模型。天津南环铁路车流备选径路较易获取，并且车流组织优化结果主要关注于各支车流走行径路与相关不可行OD量，因而建立基于多商品流和虚拟弧的弧－路模型的车流组织优化模型以合理规划车流径路。

模型假设：路网车流OD已知；铁路网车站通过能力已知，区间通过能力已知；路段里程已知。

图1 西南环线平面示意图Fig.1 Sketch map of southwest circle capacity expansion and transformation

具体模型计算公式为

式中：P= {1，2，…，i，…，j，…，N}表示车站集合，其中N表示路网中所有车站的数量；E= {1，2，…，m，…，M}表示路网上的弧段集合，其中M表示路网中所有弧段的数量；L(i，j) = {1，2，…，l，…，Wi,j}表示i→j的可能径路集合，其中Wi,j表示i→j的所有可能径路的数量；nij表示车站i→j的车流量，车；bm表示弧段m的通过能力，车；rm表示弧段m上车流的阻抗系数；cm表示车站i→j的车流单位广义运输成本，元/车；φ表示不可行流的运输成本，即不可行流的惩罚因子，φ≫cm，元/车；表示车流nij是否选择径路l运输，是取1，否取0；表示不可行车流，是否选择虚拟弧进行运输，是取1，否取0；表示车站i→j的车流是否选择路径l中m弧段进行运输，是取1，否取0。

由公式 ⑴ 可以看出，当车流nij采用径路l运输时，运输费用为表示通过既有弧段运输的可行流总费用，表示通过虚拟弧运输的不可行流总费用，运输费用为既有弧和虚拟弧总费用最小。公式 ⑵ 表示若车站i→j的车流为不可行流时，车流通过虚拟弧运抵终点；若其为可行流，选择惟一的既有径路进行运输；公式 ⑶ 表示弧段运输的总车流需满足该弧段能力的限制。

由于所建模型属于线性规划模型，利用数学优化软件CPLEX进行求解，可直观确定不可行OD，为南环铁路车流组织改进做出理论支持。

2 案例分析

2.1 路网基础数据

图2 天津南环铁路结构示意图Fig.2 Railwaynetwork structure of south circle railway

天津南环铁路结构示意图如图2所示，黑色圆环车站为主要车流OD发生/吸引点，案例将针对7个重要车流OD发生/吸引点(周李庄站、独流站、万家码头站、南港站、山岭子站、北塘西站以及东大沽站)及其站间区间进行分析。近期(2020年)和远期(2030年)预测OD车流矩阵如表1所示。

表1 近远期预测OD车流矩阵 车Tab.1 OD flow matrix predicted in short and long term

根据天津南环铁路枢纽规划，除民生村—北塘西通过能力为1 045车外，其他区间通过能力均为9 900车。东大沽站为南环铁路最大的技术站，是整个枢纽车站通过能力的限制车站，可以作为南环铁路车站通过能力约束，其一昼夜的通过能力为110列，重车编组辆数平均为55车。路网区段相关参数如表2所示。

表2 路网区段相关参数Tab.2 Model parameters of railway network

2.2 计算分析

利用所建立弧－路模型求得的可行OD车流径路(括号内为近期和远期不可行车流)：独流→万家码头(远期450车)，独流→南港，独流→北塘西(近期151车，远期930车)，周李庄→万家码头(远期200车)，周李庄→南港，周李庄→东大沽，万家码头→独流(远期303车)，万家码头→周李庄(远期150车)，万家码头→北塘西(远期467车)，万家码头→东大沽(远期206车)，南港站→独流，南港站→周李庄，北塘西→独流(远期679车)，北塘西→万家码头(远期498车)，北塘西→东大沽(远期543车)，山岭子→万家码头(远期388车)，山岭子→南港，山岭子→东大沽，东大沽→独流(远期146车)，东大沽→周李庄(远期123车)，东大沽→万家码头(远期220车)，东大沽→北塘西(远期501车)，东大沽→山岭子(远期338车)。依据上述分配结果，近期车流预测情况下目标函数为2 124 406.59元，其中可行流总费用为614 406.59元，不可行流总费用为1 510 000元；远期车流预测情况下目标函数为62 360 681.61元，其中可行流总费用为940 681.6元，不可行流总费用为61 420 000元。

根据计算结果，区间通过能力适应性如图3所示。

图3 区间通过能力适应性Fig.3 Flexibility of flow capacity between sections

从图3可看出，民生村至北塘西为全线惟一单线区段，区间通过能力最为紧张，已经不能满足近期预测车流量。因此，应进一步加强以下方面。

（1）北金联络线复线电气化改造。天津南环铁路西南环线扩能改造开通后为双线电气化铁路，但与西南环线、北环线衔接的北金联络线(蓟港公司管辖)为单线内燃牵引铁路，线路长度约为6.3 km。该线路是东北方向与华东方向车流经西南环线运输的必经之路，目前相邻线路均已完成电气化改造。东北与华东方向互通车流均为电力机车牵引，若维持现行机车交路(仍然采用内燃机车牵引)，因与邻线间牵引质量、牵引方式不匹配，给运输组织带来极大的不便，西南环线在枢纽中的作用和功能也将大大降低，从而影响枢纽整体功能的发挥。因此，应加快北金联络线的电气化改造。

（2）豆双、汊周联络线建设。豆双、汊周联络线是天津南环铁路西南环线的配套工程，是北京方向、霸州方向货物列车经西南环线到达天津南港区合理的径路，也是天津港南疆港区后方的重要通路。建设项目是保证天津港和天津南港可持续发展的战略决策，也是完善天津铁路枢纽总体布局，优化区域路网结构，提高枢纽通过能力的重要工程，可以将京沪线、津霸线、枢纽西南环线在枢纽外围衔接起来，极大提升天津港、天津南港的集疏运能力，同时缓解了枢纽编组站南仓站的作业压力，优化了京沪、津霸线到发和通过车流在枢纽内的运输路径。减少了货物列车因穿越枢纽主要客运站天津西站，对客站能力和城市环境造成的不利影响，如不实施该项目的建设，枢纽西侧环线不闭合，西南环线和南港铁路在天津铁路枢纽的疏解作用将大大降低，而且严重制约了枢纽内干线的运输效率。

（3）主要衔接方向货物交流。天津南环铁路西南环线开通后，按照设计功能及建设意义，唐山、秦皇岛地区与华东地区、石家庄及以远的货物交流；东北地区与华东地区、石家庄及其以远的货物交流；津蓟线与南疆港区的货物交流；京沪线丰台西及其以远与南疆港区及临港工业区货物交流经西南环线运输，从而达到充分发挥新线效能，缓解天津铁路枢纽的压力，提高港口集疏运能力的目的。

3 结束语

在新建线路情况下，对车流组织进行优化，既有利于发挥新建线路的运输能力，又能提高枢纽整体运输能力，是企业提高效益、节约成本的重要措施。基于多商品流和虚拟弧的车流分配弧－路组织优化模型能够依据近远期OD车流，对新线接入后的车流进行组织优化，并获取各支车流走行径路与相关不可行OD量，计算结果对新线接入后的铁路线路的车流组织具有一定参考。然而，还应结合与该铁路衔接的路网外部车流进行分析，以得到全局最优的车流组织优化方案，加强区间通过能力较紧张的区段进行深入研究，分析车流组织的瓶颈，从而进一步提高铁路枢纽能力。