蔣繼磊，楊志杰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，北京 100081）

1 動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃

動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃是根據(jù)給定的列車運(yùn)行圖，相關(guān)動(dòng)車組修程、修制的規(guī)定和檢修基地限制條件等，對動(dòng)車組的運(yùn)用作出具體安排。動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃包括動(dòng)車組交路計(jì)劃、動(dòng)車組分配計(jì)劃、動(dòng)車組檢修計(jì)劃和動(dòng)車組接運(yùn)回送計(jì)劃。動(dòng)車組交路計(jì)劃不涉及動(dòng)車組實(shí)體，而分配計(jì)劃和檢修計(jì)劃具體到動(dòng)車組實(shí)體，與動(dòng)車組的歸屬段所、狀態(tài)和檢修基地的檢修能力有關(guān)。

1.1 動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃優(yōu)化目標(biāo)

（1）車底使用量越少越好。鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益最大化要求鐵路設(shè)備投入盡可能少，動(dòng)車組是完成客運(yùn)專線運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)的最基本要素，在鐵路設(shè)備投資中占有較大比重。因此，在編制給定數(shù)量列車運(yùn)行線、完成給定運(yùn)輸任務(wù)的前提下，通過提高車底使用效率以減少車底使用數(shù)量，有利于降低運(yùn)營成本。

（2）檢修次數(shù)越少越好?？紤]到維修需花費(fèi)人力、時(shí)間、材料等各類資源，在滿足修程、修制條件并保證運(yùn)輸安全的前提下，動(dòng)車組檢修次數(shù)越少越好。因此，減少檢修次數(shù)也是動(dòng)車組運(yùn)用追求的目標(biāo)之一[1]。

1.2 動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的分類

1.2.1 按照編制部門、編制內(nèi)容的分類

（1）動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃。動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃是由相關(guān)計(jì)劃編制部門(鐵道部中心計(jì)劃編制部門或調(diào)度所計(jì)劃編制部門)編制。動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃與列車運(yùn)行基本計(jì)劃相對應(yīng)，當(dāng)列車運(yùn)行基本計(jì)劃發(fā)生變動(dòng)時(shí)，動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃也要隨之變化。

（2）動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃。動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃是由調(diào)度所計(jì)劃編制部門編制。動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃與列車運(yùn)行實(shí)施計(jì)劃相對應(yīng)，調(diào)度所計(jì)劃編制部門每編制一次列車運(yùn)行實(shí)施計(jì)劃，也要相應(yīng)的編制動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃。動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃除了編制動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)關(guān)系外，還要根據(jù)動(dòng)車組修程、修制和動(dòng)車組履歷信息編制動(dòng)車組分配計(jì)劃與動(dòng)車組檢修計(jì)劃。

（3）動(dòng)車組運(yùn)用調(diào)整計(jì)劃。動(dòng)車組運(yùn)用調(diào)整計(jì)劃是由調(diào)度所動(dòng)車調(diào)度員負(fù)責(zé)編制。當(dāng)動(dòng)車組出現(xiàn)故障或列車運(yùn)行計(jì)劃發(fā)生調(diào)整影響到動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)時(shí)，動(dòng)車調(diào)度員根據(jù)實(shí)際情況編制動(dòng)車組運(yùn)用調(diào)整計(jì)劃。動(dòng)車組運(yùn)用調(diào)整計(jì)劃主要用于動(dòng)車組的更換、動(dòng)車組備用與解除備用和動(dòng)車組檢修調(diào)整。

1.2.2 按照旅客需求、動(dòng)車組歸屬、動(dòng)車組種類的分類

（1）平日動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃與假日動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。為適應(yīng)平日和節(jié)假日旅客需求的不同，應(yīng)分別采用不同的運(yùn)行圖，動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃也分為平日運(yùn)用計(jì)劃與節(jié)假日運(yùn)用計(jì)劃。為保證動(dòng)車組在平日與節(jié)假日之間過渡和檢修計(jì)劃的實(shí)施，應(yīng)編制相應(yīng)的動(dòng)車組運(yùn)用過渡實(shí)施方案。

（2）單基地與多基地動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。當(dāng)列車運(yùn)行圖由一個(gè)動(dòng)車基地配屬的動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)，所編制的運(yùn)用計(jì)劃為單基地動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。如果列車運(yùn)行圖由兩個(gè)以上基地配屬的動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)，相應(yīng)的計(jì)劃為多基地動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。在編制多基地動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，一般由編制人員綜合考慮各基地的情況和動(dòng)車組的運(yùn)用效率，決定各基地動(dòng)車組列車擔(dān)當(dāng)?shù)倪\(yùn)行圖中的各列車車次。

（3）單車種與多車種動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。列車運(yùn)行圖上的列車采用同一種類型的動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)時(shí)，所對應(yīng)的計(jì)劃為單車種類動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。如果運(yùn)行圖上的列車由不同種類的動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)，所對應(yīng)的計(jì)劃為多車種動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃。在編制多車種動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，一般由編制人員綜合考慮各基地的情況和動(dòng)車組的運(yùn)用效率，決定由不同種類的動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)運(yùn)行圖中相應(yīng)的列車車次。

（4）各種動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的組合。動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃還可以是以上各種運(yùn)用計(jì)劃的組合，如單車種單基地平日動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃、單車種多基地假日動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃等。

2 動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制的影響因素

2.1 列車運(yùn)行計(jì)劃約束

列車運(yùn)行圖規(guī)定所有列車必須分配到一個(gè)運(yùn)用狀態(tài)良好的動(dòng)車組，而且列車的始發(fā)、終到時(shí)刻，以及始發(fā)、終到車站不能有任何變動(dòng)。但是，如果對始發(fā)、終到時(shí)刻僅僅進(jìn)行微小變動(dòng)，并能夠明顯改變動(dòng)車組的運(yùn)用效率時(shí)，也可以向運(yùn)行圖編制人員提出建議進(jìn)行調(diào)整[2]。

2.2 檢修約束

（1）檢修地點(diǎn)約束。①檢修位置約束。在編制動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，所安排的動(dòng)車組檢修車站必須是有動(dòng)車基地(所)的車站。②檢修能力約束。由于動(dòng)車基地(所)檢修設(shè)備的限制，一晝夜最大能檢修動(dòng)車組數(shù)是固定的，因而在編制動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，分配給動(dòng)車基地(所)的檢修動(dòng)車組數(shù)不應(yīng)超過該動(dòng)車基地(所)的檢修能力[3]。③檢修型號(hào)約束。不同的動(dòng)車基地(所)能夠檢修的動(dòng)車組型號(hào)不同，在編制動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，不應(yīng)給動(dòng)車基地(所)安排超出其所能檢修型號(hào)以外的動(dòng)車組型號(hào)的檢修[4]。④檢修等級約束。不同的動(dòng)車基地(所)最高檢修等級不同，在編制動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，不應(yīng)給動(dòng)車基地(所)安排超出其所能承擔(dān)檢修等級以外等級的檢修[4]。

（2）檢修組織模式約束。所謂檢修組織模式約束，是指動(dòng)車組一級修可以在任何具有檢修能力的動(dòng)車運(yùn)用所進(jìn)行，二級以上級別的檢修則需要回到動(dòng)車組歸屬段所進(jìn)行。不同的檢修組織模式對動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制有著較大影響[3]。

2.3 動(dòng)車組運(yùn)用模式約束

（1）固定運(yùn)行區(qū)段。固定運(yùn)行區(qū)段是指動(dòng)車組在給定的線路上運(yùn)行，并且其運(yùn)行區(qū)段也是固定的。該使用方式便于客運(yùn)專線的運(yùn)輸組織，也便于動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的編制，但不利于提高動(dòng)車組的運(yùn)用效率，也不利于減少動(dòng)車組的使用數(shù)量。

（2）不固定運(yùn)行區(qū)段。不固定運(yùn)行區(qū)段是指不限制動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)?shù)倪\(yùn)行區(qū)段，與固定運(yùn)行區(qū)段相比，有利于提高動(dòng)車組的運(yùn)用效率，減少動(dòng)車組的使用數(shù)量。但是，不固定運(yùn)行區(qū)段的動(dòng)車組接續(xù)安排比較緊密，出現(xiàn)較大運(yùn)行干擾時(shí)，動(dòng)車組運(yùn)用會(huì)受到較大影響，動(dòng)車組的運(yùn)用調(diào)整比較困難。另外，由于這種運(yùn)用方式比較靈活，增加了動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制的難度[5]。

3 動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制流程

3.1 動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃編制

列車運(yùn)行基本計(jì)劃編制完成后，需要編制相應(yīng)的動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃。鐵道部下達(dá)編制基本計(jì)劃的命令后，相應(yīng)計(jì)劃編制部門(鐵道部或調(diào)度所)根據(jù)列車運(yùn)行基本計(jì)劃，按照動(dòng)車組信息，動(dòng)車組修程、修制，檢修地點(diǎn)，檢修能力限制條件等要求，編制動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃。

3.2 動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃編制

動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃編制完成后，客運(yùn)專線調(diào)度所計(jì)劃編制人員根據(jù)鐵路部門相應(yīng)列車運(yùn)行實(shí)施計(jì)劃，動(dòng)車組運(yùn)用基本計(jì)劃，動(dòng)車組修程、修制要求，檢修地點(diǎn)、檢修能力等信息，負(fù)責(zé)編制管轄范圍內(nèi)的動(dòng)車組運(yùn)用實(shí)施計(jì)劃，包括動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)實(shí)施計(jì)劃、動(dòng)車組分配實(shí)施計(jì)劃和動(dòng)車組檢修實(shí)施計(jì)劃。

4 動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃優(yōu)化方案

動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃不僅關(guān)系到能否按照圖定計(jì)劃組織行車，還直接影響到整個(gè)鐵路運(yùn)輸成本，是鐵路運(yùn)輸組織的基本計(jì)劃。動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃包括動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)、動(dòng)車組分配計(jì)劃和動(dòng)車組檢修計(jì)劃，目前主要是針對動(dòng)車組接續(xù)周轉(zhuǎn)進(jìn)行研究，因而全面分析動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃且實(shí)施優(yōu)化方案具有十分重要的意義。

4.1 相關(guān)概念引入

（1）交路段。按照一定的接續(xù)標(biāo)準(zhǔn)，即滿足最小接續(xù)時(shí)間、在同一車站接續(xù)、車型和座位數(shù)相同、運(yùn)用總里程或總時(shí)間滿足一級修限制，將某些運(yùn)行線形成一組動(dòng)車組在一天范圍內(nèi)擔(dān)當(dāng)?shù)挠行蜍嚧渭戏Q為一個(gè)交路段。

（2）交路。將一個(gè)或幾個(gè)交路段按照規(guī)則接續(xù)，即同一車站接續(xù)、滿足最小接續(xù)時(shí)間、車型或座位數(shù)相等，而形成的動(dòng)車組運(yùn)用周期稱為一個(gè)完整的動(dòng)車組交路。

4.2 基于“約束提前、分步優(yōu)化”的動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制模型

在有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，采用“約束提前、分步優(yōu)化”的研究思路完成動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的編制。所謂“約束提前”，是指在初始生成交路段時(shí)要求交路段要滿足一級修作業(yè)的約束條件，這樣在后續(xù)編制動(dòng)車組分配和檢修計(jì)劃時(shí)，將會(huì)減少很多條件約束，降低動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制的復(fù)雜性。所謂“分步優(yōu)化”，是指按照步驟首先編制動(dòng)車組周轉(zhuǎn)接續(xù)計(jì)劃，然后編制動(dòng)車組分配計(jì)劃和檢修計(jì)劃并分別進(jìn)行優(yōu)化。動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制模型的算法步驟如下。

（1）生成交路段集合。把符合同一車站接續(xù)、滿足最小接續(xù)時(shí)間、運(yùn)用總里程或總時(shí)間滿足一級修限制接續(xù)規(guī)則的運(yùn)行線，連接成一組動(dòng)車組一次一級修范圍內(nèi)的有序集合，形成一個(gè)交路段，直到所有運(yùn)行線都包括在交路段中，即形成交路段集合。生成交路段的優(yōu)化目標(biāo)是在運(yùn)行圖固定的前提下生成的交路段越少越好。由于交路段的數(shù)量決定了動(dòng)車組的使用數(shù)量，該問題是一個(gè) NP 問題，沒有切實(shí)可行的辦法求得最優(yōu)解，只能利用一些啟發(fā)式算法求得近似最優(yōu)解。

（2）由交路段組合成交路。把交路段集合按規(guī)則接續(xù)而形成若干個(gè)動(dòng)車組運(yùn)用周期交路，即動(dòng)車組交路集合。為便于動(dòng)車組運(yùn)用、維修和管理，動(dòng)車組交路周期長度應(yīng)盡量均衡，并且交路周期越短越好。

（3）編制動(dòng)車組分配和動(dòng)車組檢修計(jì)劃。根據(jù)編制完成的動(dòng)車組交路，為每個(gè)交路分配動(dòng)車組并編制相應(yīng)的檢修計(jì)劃，可以采用固定和不固定動(dòng)車組的分配方法。①采用固定動(dòng)車組分配時(shí)，由幾個(gè)交路段構(gòu)成的交路應(yīng)為該交路固定分配幾組動(dòng)車組，并且這幾組動(dòng)車組只負(fù)責(zé)擔(dān)當(dāng)該交路。當(dāng)某一組動(dòng)車組需要三級以上檢修時(shí)，采用備用動(dòng)車組臨時(shí)代替[6]。②采用不固定動(dòng)車組分配時(shí)，由幾個(gè)交路段構(gòu)成的交路應(yīng)為該交路分配幾組動(dòng)車組，并且這幾組動(dòng)車組也可以被分配擔(dān)當(dāng)其他交路。當(dāng)某一組動(dòng)車組需要三級以上檢修時(shí)，采用備用動(dòng)車組臨時(shí)代替[6]。以上兩種動(dòng)車組分配方式各有利弊，固定動(dòng)車組分配簡單易行，但需要使用更多的動(dòng)車組車底，而不固定動(dòng)車組分配可以顯著提高動(dòng)車組的使用效率，但分配方式較為復(fù)雜。

4.3 系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)評價(jià)分析

基于“約束提前、分步優(yōu)化”的動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制思路，開發(fā)動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制系統(tǒng)。

模擬條件是以設(shè)計(jì)速度為350km/h的客運(yùn)專線A—G為背景，全長1200km，沿線分別設(shè)A、B、C、D、E、F、G共7個(gè)車站。其中A、D、G站具有二級修檢修能力，其余4個(gè)站只具有一級修檢修能力。設(shè)定動(dòng)車組每走行4000km進(jìn)行一次一級修作業(yè)，每次需耗時(shí)1.5h；動(dòng)車組每走行30000km進(jìn)行一次二級修作業(yè)，每次需耗時(shí)4h。動(dòng)車組的立折時(shí)間設(shè)定為25min，動(dòng)車組運(yùn)用方式采用固定區(qū)段運(yùn)用，列車運(yùn)行圖為成對運(yùn)行圖(50對)。

根據(jù)模擬條件，人工編制與計(jì)算機(jī)編制動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的評價(jià)指標(biāo)如表1所示。

在改變維修作業(yè)時(shí)間的情況下，其余模擬條件保持不變，得到動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的評價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表1 人工編制與計(jì)算機(jī)編制動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的評價(jià)指標(biāo)

表2 不同維修條件下動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方案Ⅰ：一級修作業(yè)時(shí)間為1.5h，二級修作業(yè)時(shí)間為4h，立折時(shí)間為25min；方案Ⅱ：一級修作業(yè)時(shí)間為1.2h，二級修作業(yè)時(shí)間為3.5h，立折時(shí)間為20min；方案Ⅲ：一級修作業(yè)時(shí)間為1h，二級修作業(yè)時(shí)間為3h，立折時(shí)間為20min。

在改變動(dòng)車組運(yùn)用模式的情況下，其余模擬條件保持不變，得到動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的評價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表3 不同動(dòng)車組運(yùn)用模式條件下動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)以上動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃的評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

（1）運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)并且選擇合適的編制算法可以有效提高動(dòng)車組的運(yùn)用效率，相比較而言，人工編制效果不如計(jì)算機(jī)編制。

（2）維修時(shí)間的縮短并不能顯著地提高動(dòng)車組的運(yùn)用效率。

（3）即使在不考慮維修條件的情況下，不固定運(yùn)行區(qū)段的動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃所需要的動(dòng)車組數(shù)量也明顯少于固定運(yùn)行區(qū)段的動(dòng)車組數(shù)量。

5 結(jié)束語

“約束提前、分步優(yōu)化”的動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃優(yōu)化思路，對動(dòng)車組運(yùn)用計(jì)劃編制流程進(jìn)行有效分解，在保證動(dòng)車組使用數(shù)量最少的前提下，降低了動(dòng)車組分配計(jì)劃和檢修計(jì)劃的編制難度，提高了動(dòng)車組的利用率，有效降低了運(yùn)輸成本。

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