包神铁路能力计算与瓶颈识别疏解研究

关 达，石 磊，孔 亮，曹 瑞，杨育龙，赵 杰

（神华包神铁路集团有限责任公司 运输管理部，内蒙古 包头 014000)

0 引言

包神铁路(万水泉南—神东)是神华集团有限责任公司(简称“神华集团”)“西煤东运”通道的重要组成部分，煤炭装车量占神华集团煤炭外运装车总量的60%以上。包神铁路以东胜站为界，分为北线和南线。北线(万水泉南—东胜)为电气化单线区段，南线(东胜—神东)为电气化双线区段，其中南线运输能力较为紧张。随着新准铁路(新街—点岱沟)、塔韩铁路(塔河—韩家园)及甘泉铁路(甘其毛都—万水泉南)的修建，包神铁路将逐步由现在的装煤线转变为神华煤炭运输通道的核心干线，预计包神铁路的运输需求量将进一步增长，仅通过列车组织优化挖掘潜在能力，难以满足将来的货运需求，而如果对全线进行改造扩能，需要投入大量的人力物力，难以在短期内收到成效，缺乏可行性和必要性。为此，研究包神铁路通过能力计算方法，借鉴“瓶颈理论”识别包神铁路通过能力瓶颈，研究突破能力瓶颈的方法，实现能力瓶颈转移或疏解，从而提升线路运输能力。

国内外学者在运输能力计算和能力瓶颈识别方面进行了大量研究。于伯良等[1]将铁路通过能力定义为“在一定的机车车辆类型、信号设备和行车组织方法条件下，铁路区段内各项固定设备在单位时间内所能通过的最大列车数”。马孟祺[2]将目前较为成熟的通过能力计算方法分为分析计算法、图解法以及模拟仿真法，分析各方法的适用性和优缺点。杨浩[3]和马彩雯[4]提出铁路区间通过能力，车站通过能力、解编能力及装卸能力的计算方法，给出能力计算参数的查定方法。单征等[5]将能力瓶颈定义为“交通系统在没有加载客、货流条件下，运力资源配置最小，或在实际运输生产过程中，满负荷运转的车站或线路”。Kuo 等[6]利用生产线的生产率指标进行“灵敏度”分析，将对系统整体影响最高的机器定义为系统的瓶颈，并通过实时监测，获得机器的待料和阻碍概率，进行瓶颈辨识。何文中等[7]基于TOC 理论和串并联生产系统OTE 计算公式，识别瓶颈设备，优化生产瓶颈。王刚等[8]认为传统瓶颈识别独立于调度优化之外，不能保证瓶颈识别的有效性，为此提出瓶颈分级识别框架，采用遗传算法和Plant-Simulation 优化仿真结合的方法，利用给出的工序级瓶颈识别指标进行瓶颈识别，克服传统瓶颈识别考虑因素欠缺、识别指标片面的问题。

包神铁路线路条件复杂，沿线车站布局和功能不同，与一般的单线铁路和双线铁路有一定的区别。为此，采用分析计算法中的利用率计算法，计算包神铁路通过能力。考虑各项能力度量指标，应用通行能力法[9]，从车站及线路动态瓶颈2 方面对包神铁路能力瓶颈进行识别。

1 铁路能力计算及瓶颈识别方法

1.1 能力计算和瓶颈识别步骤

在铁路运输生产过程中，将超出自身最大可用能力(以最大可利用率衡量)的设施设备定义为“能力瓶颈”[5]。能力瓶颈的识别方法和步骤如下。

步骤1：能力计算参数查定。车站股道占用时间与到发线通过能力利用率的计算涉及参数较多，参数取值的随机性较大，通过科学的数据统计处理、拟合，得到较为合理的参数，是后续分析计算的基础。

步骤2：铁路通过能力计算分析。从TDCS系统中采集实际列车运行数据，对包神铁路全线车站的正线、到发线、道岔(组)的日均利用率及全天内利用率的变化情况、车流不均衡情况进行统计和计算。

步骤3：能力瓶颈识别。根据设施设备通过能力利用情况，判别是否存在车站或线路动态能力瓶颈。

1.2 铁路通过能力计算的利用率法

采用利用率法计算铁路通过能力时，首先计算各固定设备(正线、到发线、咽喉、区间等)的利用率，然后计算车站一昼夜最大通过列车数。车站一昼夜最大通过列车数为各类或各方向列车数除以利用率得到的列车数再加上固定作业时间作业的列车数。

设一昼夜内某种设备的实际总消耗数量为A总(或全部作业实际占用该设备的总时间为T）；某种设备一昼夜所能提供的可用数量为A(或该设备一昼夜的总工作时间，取1440min)；一昼夜固定作业(不因主要作业量变化而增减的作业)消耗的设备数量为A固(或占用该设备的总时间为t固)；由于列车到达不均衡、作业间不协调或设备故障等技术原因引起的损耗，用空费系数α表示；可平行进行同一种作业，或生产同种产品的设备数量为M。

基于利用率的能力计算公式为

式中：ni为第i种货物列车的数量(或进行第i项技术作业的累积次数)；ai为第i种货物列车的消耗设备的定额；ti为第i项技术作业每次占用设备时间标准；k为计数变量，表示共有k种列车。

根据A总或T，可以按以下公式计算通过能力利用率

或

式中：K为设备的通过能力利用率。

然后，可以按以下公式计算该项设备的通过能力

式中：N为该项设备的通过能力；Ni为第i种货物列车(或第i项技术作业)分摊的通过能力；n固为固定作业所需要的通过能力。

1.3 铁路能力瓶颈识别方法

1.3.1 车站能力

车站内部设施的利用情况不仅与列车数量相关，而且与站内作业进路密切相关。因此，根据作业进路，确定进、出站列车通过的设施，然后根据设施通过能力利用情况，判别是否存在动态能力瓶颈。构建以下车站能力瓶颈动态识别模型

式中：d为规划周期(如远、中、近期)内的不同阶段；BNk,m为线路k的车站m中的动态能力瓶颈设施集合；bNk,m,n为线路k的车站m中动态能力瓶颈设施；Qd,k,m,n为阶段d线路k的车站m中，设施n预计需要承担的接发列车数量；ηk,m,n为线路k的车站m中，设施n接发能力的最大利用率；Fk,m,n为线路k上车站m中，设施n的通过能力；χ为规划周期的阶段总数。

1.3.2 线路能力

当通过线路区间的列车数超过区间各设施设备所能提供的通过能力时，则认为该线路区间出现能力瓶颈。考虑线路平纵断面条件，如果线路条件(坡度、曲线等)限制了列车运行速度，导致区间能力实际值小于期望值时，该区间为线路瓶颈区间，构建以下线路能力瓶颈动态识别模型

式中：d为规划周期(如远、中、近期)内的不同阶段；BNk为线路k上的动态能力瓶颈区间集合；bNk,m为线路k上的动态能力瓶颈区间m；Qd,k,m为阶段d线路k上区间m预计通过列车数量，可从列车运行图中统计得到；ηk,m为线路k上区间m通过能力的最大利用率；Fk,m为线路k上区间m的通过能力；χ为规划周期所分的阶段总数。

2 包神铁路能力利用分析与瓶颈识别

基于能力计算方法和能力瓶颈识别方法，对包神铁路通过能力进行统计分析和瓶颈识别，寻找突破能力瓶颈的方法，力求使得瓶颈转移或消失，为包神铁路进一步挖潜扩能提供依据。

2.1 能力利用分析

通过提取和分析包神铁路2016—2017年60余万条TDCS 数据，得出区间列车运行时分、车站咽喉及到发线占用时间、车站的繁忙时段等相关参数。

2.1.1 车站能力利用分析

使用能力计算的利用率法，计算包神铁路全线各车站的正线、到发线、道岔组的日均利用率，分析1 d 内利用率的变化情况、车流不均衡情况，得到2016—2017年包神铁路车站正线最高利用率如图1 所示；2016—2017年包神铁路车站到发线最高利用率如图2 所示；2016—2017年包神铁路车站道岔最高利用率如图3 所示。

由图1 至图3 可知，万水泉南、东胜、瓷窑湾和神东车站的正线利用率均大于60%；沙坝子、石圪台、瓷窑湾、乌兰木伦和神东车站的到发线最高利用率均大于80%；咽喉区道岔能力利用率均较低，仅石圪台车站的道岔能力利用率大于60%，各车站咽喉区能力较为富余。同时，各车站正线、到发线、道岔最高利用率有较大差异，反映各车站作业负荷不均衡。在运输组织中，应组织设备利用率较低的车站分担更多运输负荷，减缓设备损耗速度。同时，在将来的设备维护、改造、新建过程中，应加强对利用率较高的设备的维护更新。

图1 2016—2017年包神铁路车站正线最高利用率Fig.1 Maximum main track utilization rate of stations on Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

图2 2016—2017年包神铁路车站到发线最高利用率Fig.2 Maximum departure-receiving track utilization rate of stations on Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

图3 2016—2017年包神铁路车站道岔最高利用率Fig.3 Maximum turnout utilization rate of stations on Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

2.1.2 区间通过能力利用分析

采用车流径路识别与归类算法处理TDCS 数据，得到016—2017年包神铁路所有列车流的OD 路径合计约280种。2016—2017年包神铁路主要车流径路列车数量如图4所示。2016—2017年主要车流径路列车数量示意图如图5所示。图5 中，不同颜色用于区分车流径路的起始站，不同线宽表示车流量大小。

从区间通过能力看，包神铁路北线各区间通过能力的利用率不高，且能力利用较为均衡。包神铁路能力的限制区间主要集中在南线，特别是巴图塔至大柳塔沿线区间的通过能力尤为紧张。

由图5 可知，包神铁路以巴图塔(红色)、乌兰木伦(绿色)、大柳塔(黄色) 3 个车站(或车站方向)作为始发终到站的列车较多。此外，流量较大的车流径路(如巴图塔—神东)途经的区段相对集中，包神铁路南线的运输压力明显大于北线。

图4 2016—2017年包神铁路主要车流径路列车数量Fig.4 Trains operated on main routes of Baotou-Shenhua Railway from 2016 to 2017

图5 2016—2017年主要车流径路列车数量示意图Fig.5 Diagram of train quantity in main flow path in 2016 to 2017

2.2 能力瓶颈识别

利用能力瓶颈识别关键技术，计算得到包神铁路能力瓶颈。包神铁路车站通过能力瓶颈如表1 所示；包神铁路区间通过能力瓶颈如表2 所示。

表1 包神铁路车站通过能力瓶颈Tab.1 Station passing capacity bottleneck of Baotou-Shenhua Railway

2.3 能力瓶颈消解措施

（1）在困难区间增设线路所。该措施可以有效压缩列车间隔时间，提升区间通过能力。包神铁路沙沙圪台—巴图塔区间的列车运行时分较长，一定程度上制约了巴图塔以北车站装车的车流输送。因此，可以在此区间增设线路所，以提高通过能力。

（2）区间自动闭塞改造。应用自动闭塞的区段上，列车可以以较小的间隔时间追踪运行，大大提高区间通过能力。同时，自动闭塞区间安装了连续的轨道电路，可以自动检查轨道的完整性，提高行车安全性。包神铁路能力的限制区间主要集中在南线，可以针对南线的实际运能需求，制订自动闭塞改造方案，以缓解能力紧张的局面。

表2 包神铁路区间通过能力瓶颈Tab.2 Section passing capacity bottleneck of Baotou-Shenhua Railway

（3）增建区间复线。增建复线后，上、下行列车不需要停车会让，旅行速度加快，可以大幅度提高区间通过能力。增建双线应分阶段逐步进行，可以考虑先增建限制区间的复线。包神铁路南线运能最紧张的区间是瓷窑湾—神东区间，该区间改造为双线后，东胜—神东区段将成为双线区段。近期可以组织乌兰木伦车流按照迂回径路运输，远期可以将瓷窑湾、乌兰木伦、神东、石圪台4 个车站改造为万吨站。届时，乌兰木伦站可以开行万吨列车，直接到达或通过神东站，而不通过神瓷区间。瓷窑湾、石圪台站可以组织开行万吨列车，使包神铁路东线在较长的时间内保持运能充足。

（4）车站到发线改造。车站到发线资源的配置对线路的运输能力有很大的影响。将瓷窑湾改造为万吨组合站，既可以组合本站重车成为万吨列车，也可以将包神铁路南线装车站发来的“小列”组合成万吨列车，石圪台站组合的万吨列车也可以直接通过。货物列车平均静载重将得到提升，在不增加列车对数的情况下，也可以实现扩能的目的。

3 研究结论

（1）采用利用率计算法对包神铁路通过能力进行评估计算，从车站通过能力和线路区间通过能力2 方面，对包神铁路能力瓶颈进行识别和分析，发现石圪台、瓷窑湾和神东车站，以及沙沙圪台—巴图塔区间通过能力尤为紧张，是包神铁路通过能力的瓶颈。

（2）结合包神铁路实际运营状况和线路条件，在车站的扩建改造、增建区间复线、区间行车闭塞方法和相关设备更新升级等方面，对包神铁路能力瓶颈的消解提出建议，为包神铁路后续的挖潜扩能和科学组织决策提供依据。