,,,,,

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北 肅寧 062350；3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯(lián)，東至河北省黃驊市黃驊港站，總長約614km，設(shè)計(jì)為國家I級雙線電氣化重載鐵路，2016年完成運(yùn)量2.72億t，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年運(yùn)量為5億t[1]。目前運(yùn)量條件下朔黃鐵路通過能力已很緊張，為滿足遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)運(yùn)能，只有逐步增大列車軸重和壓縮天窗時(shí)間2種方法。但從施工維修的角度出發(fā)，運(yùn)量增加必然對應(yīng)著綜合維修時(shí)間的延長，即天窗時(shí)間增加，二者互相矛盾。本文由此出發(fā)，嘗試在滿足施工維修需求的前提下盡量優(yōu)化天窗設(shè)置方案，從而滿足遠(yuǎn)期運(yùn)量設(shè)計(jì)。

有關(guān)朔黃鐵路運(yùn)營及維修施工的研究較為豐富，但關(guān)于運(yùn)營的研究主要集中在大運(yùn)量目標(biāo)下運(yùn)輸組織[2]、管理模式[3]、設(shè)備改造[4]等運(yùn)輸層面問題的研究中，對維修施工的研究也僅從換軌技術(shù)[5]、施工干擾[6]、機(jī)械清篩[7]等天窗施工影響因素出發(fā)進(jìn)行分析，并未將運(yùn)營、維修施工2方面問題有效地結(jié)合起來，故而對線路天窗設(shè)置方案的研究也只停留在淺層，僅對維修施工成本、作業(yè)安全、現(xiàn)場操作等因素[8]進(jìn)行了定性分析，未能深入剖析天窗設(shè)置方案優(yōu)化問題。本文將線路行車和維修施工中對天窗產(chǎn)生影響的因素有機(jī)地結(jié)合起來，以明確天窗作業(yè)內(nèi)容和開設(shè)時(shí)長、提高天窗內(nèi)作業(yè)效率、分析天窗開設(shè)對運(yùn)量影響為目標(biāo)，對朔黃鐵路天窗設(shè)置方案優(yōu)化問題進(jìn)行深入研究。

1 天窗設(shè)置現(xiàn)狀及作業(yè)內(nèi)容

1.1 天窗設(shè)置現(xiàn)狀

目前朔黃鐵路采用的維修模式為綜合天窗維修和日常養(yǎng)護(hù)，其中天窗是綜合天窗，由電務(wù)、供電和工務(wù)共同利用。天窗應(yīng)選用垂直矩形形式，原因?yàn)椋孩偎伏S鐵路為無縫線路，且東西跨度較大。無縫線路的相關(guān)作業(yè)需滿足軌溫條件，而采用除矩形天窗外其他形式的天窗均易超出鎖定軌溫。②朔黃鐵路所屬神華集團(tuán)有限責(zé)任公司是集煤炭產(chǎn)、運(yùn)、銷為一體的企業(yè)，天窗開設(shè)形式直接影響到煤礦、港口的生產(chǎn)活動(dòng)，為便于協(xié)調(diào)和統(tǒng)一指揮，宜采用垂直矩形天窗。

重載鐵路天窗設(shè)置方案應(yīng)與線路特點(diǎn)相結(jié)合。朔黃鐵路天窗的設(shè)置因季節(jié)不同差異較大[1-3]，由于地處華北地區(qū)，冬季道床凍結(jié)，清篩、搗固等作業(yè)無法進(jìn)行，因此冬季天窗時(shí)間較短，次數(shù)也最少；春、秋季由于溫度比較溫和，符合作業(yè)所需溫度的時(shí)段長，因此每周天窗開設(shè)次數(shù)最多，每次開設(shè)的時(shí)長也最長。當(dāng)前天窗設(shè)置方案見表1?？芍?，每年3 h天窗共計(jì)開設(shè)22次；4 h天窗共計(jì)開設(shè)69次。

表1 朔黃鐵路天窗開設(shè)現(xiàn)狀

1.2 天窗內(nèi)工務(wù)作業(yè)內(nèi)容

統(tǒng)計(jì)朔黃鐵路春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)天窗作業(yè)內(nèi)容，如表2所示，朔黃鐵路春、夏、秋季的工務(wù)作業(yè)內(nèi)容主要為換軌、清篩、搗固等大中修施工作業(yè)，而冬季主要為線路、道岔的維修保養(yǎng)。

表2 朔黃鐵路各季節(jié)天窗內(nèi)的工務(wù)作業(yè)內(nèi)容

通過對2017年朔黃鐵路天窗內(nèi)作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知天窗內(nèi)(除冬季外)主要的大機(jī)作業(yè)和大中修施工作業(yè)項(xiàng)目為：①成段更換鋼軌；②清篩(線路、道岔、橋隧)；③搗固(線路、道岔)；④打磨、銑磨鋼軌。

2 天窗開設(shè)時(shí)長特點(diǎn)分析

天窗開設(shè)時(shí)間反映在2個(gè)方面，即開設(shè)時(shí)長和開設(shè)時(shí)段，這2方面的選擇都應(yīng)在滿足施工維修需求的前提下盡量減少對通過能力的影響。其中，天窗開設(shè)時(shí)段受溫度限制，難以調(diào)整，因此天窗開設(shè)時(shí)間的主要調(diào)整內(nèi)容為開設(shè)時(shí)長，開設(shè)時(shí)長必須滿足天窗內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)的需求。朔黃鐵路天窗由于采用垂直矩形天窗，因此非冬季天窗具有以下特點(diǎn)。

1)本線較長導(dǎo)致各類作業(yè)基本一直存在。天窗內(nèi)進(jìn)行的作業(yè)主要有搗固、清篩、換軌、打磨，對天窗內(nèi)實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)各綜合天窗內(nèi)均存在這4類作業(yè)。

2)朔黃鐵路天窗還需與神朔鐵路天窗保持一致，進(jìn)而導(dǎo)致各類作業(yè)均存在的概率更大。即便當(dāng)朔黃鐵路的某個(gè)天窗內(nèi)不含某項(xiàng)關(guān)鍵作業(yè)(如換軌)時(shí)，也很難保證神朔鐵路天窗內(nèi)沒有該項(xiàng)作業(yè)。因此，朔黃鐵路天窗的時(shí)長不僅受本線天窗作業(yè)的限制，還受到與其保持一致的線路天窗作業(yè)的限制。

3)同一施工季節(jié)內(nèi)天窗時(shí)長應(yīng)統(tǒng)一。為便于施工和運(yùn)輸組織，同一施工季節(jié)內(nèi)天窗開設(shè)應(yīng)盡量一致。

綜上，天窗作業(yè)方案的開設(shè)時(shí)長受到多方面因素的限制，但在天窗時(shí)間內(nèi)4類主要作業(yè)都存在。

3 天窗作業(yè)效率分析

3.1 線路維修施工作業(yè)周期分析

朔黃鐵路以重載煤炭運(yùn)輸為主，線路大修周期的制定過程中除了參考鐵運(yùn)[2006]146號《鐵路線路修理規(guī)則》(簡稱《修規(guī)》)等規(guī)章，還要綜合考慮朔黃鐵路自身運(yùn)營特點(diǎn)，具體為：①保證安全性，不能因鋼軌疲勞和超期服役造成行車事故；②追求經(jīng)濟(jì)性，要根據(jù)鋼軌疲勞傷損規(guī)律選擇適當(dāng)?shù)拇笮迺r(shí)機(jī)，避免因超前太多形成資產(chǎn)浪費(fèi)；③考慮資本投入的均勻性和施工對運(yùn)輸影響各年度的均衡性。由此按《修規(guī)》進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)延長維修施工作業(yè)周期，見表3。

表3 朔黃鐵路維修施工作業(yè)周期 年

3.2 鐵路大機(jī)作業(yè)效率分析

鐵路大機(jī)作業(yè)主要包括線路、橋隧、道岔的清篩作業(yè)以及搗固、鋼軌打磨(銑磨)5方面。

朔黃鐵路涉及大機(jī)作業(yè)的綜合維護(hù)業(yè)務(wù)主要由神華集團(tuán)公司軌道機(jī)械化維護(hù)分公司(簡稱神維公司)承擔(dān)。神維公司大型養(yǎng)路機(jī)械配備情況見表4。

表4 神維公司大型養(yǎng)路機(jī)械配備情況

通過對神維公司歷年作業(yè)內(nèi)容及作業(yè)時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各類作業(yè)內(nèi)容在4 h天窗內(nèi)的單機(jī)作業(yè)效率及輔助作業(yè)時(shí)間(換軌作業(yè)除外)，并根據(jù)前文所定作業(yè)周期及朔黃鐵路的設(shè)備情況，得到各類作業(yè)內(nèi)容每年應(yīng)完成的工作量，見表5。

表5 朔黃鐵路各維修作業(yè)項(xiàng)目4 h天窗內(nèi)單機(jī)效率、

3.3 線路換軌作業(yè)效率分析

換軌作業(yè)內(nèi)容繁多，需按順序進(jìn)行卸軌、焊軌、換軌和收軌工作，因此與其他作業(yè)項(xiàng)目不同的是，換軌作業(yè)每個(gè)天窗內(nèi)的作業(yè)內(nèi)容都不一樣，因此難以衡量出每個(gè)天窗的換軌作業(yè)效率。本文根據(jù)實(shí)際施工計(jì)劃來分析換軌作業(yè)效率。中鐵一局2016—2017年朔黃鐵路某大中修工程換軌施工計(jì)劃如圖1所示。

圖1 換軌施工計(jì)劃

由圖1可知，施工時(shí)間為14個(gè)月(其中2016年11月、12月及2017年1月、2月未施工)，施工天窗數(shù)約為120個(gè)，計(jì)算可得平均每1個(gè)天窗完成的換軌作業(yè)量為1.2 km。需要注意的是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中換軌作業(yè)還受到施工單位間協(xié)作程度、鋼軌供應(yīng)以及焊軌車數(shù)量的限制，因此實(shí)際換軌效率的確定更為復(fù)雜，此處不再考慮。

4 天窗設(shè)置對年運(yùn)量的影響分析

4.1 天窗設(shè)置下通過能力的影響因素

朔黃鐵路僅開行2萬t、萬t、普通3類貨物列車，2017年朔黃鐵路各區(qū)段圖定行車對數(shù)統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 朔黃鐵路各區(qū)段圖定行車對數(shù)統(tǒng)計(jì) 對/d

朔黃鐵路天窗對通過能力的可能影響因素主要有區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、起停車附加時(shí)分、列車追蹤時(shí)間間隔、到發(fā)線有效長及數(shù)量、裝卸時(shí)間、技術(shù)作業(yè)時(shí)間和施工后慢行。

朔黃鐵路全線共35個(gè)車站，除去線路起訖站外余下車站上、下行平均可用到發(fā)線數(shù)量分別為3.9和3.8。在朔黃鐵路實(shí)際運(yùn)行圖中，天窗前各類列車停站較為均勻，統(tǒng)計(jì)可知列車在各站天窗前停車為2～3對。因此到發(fā)線數(shù)量完全滿足天窗前停車需求，僅到發(fā)線有效長成為限制通過能力的因素。

同理，分析得出裝卸時(shí)間、技術(shù)作業(yè)時(shí)間均不構(gòu)成通過能力的限制因素。故朔黃鐵路天窗下通過能力的影響因素為區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、起停車附加時(shí)分、列車追蹤時(shí)間間隔、到發(fā)線有效長和施工后慢行。

4.2 天窗設(shè)置下通過能力計(jì)算

朔黃鐵路通過能力的計(jì)算方法為

n=(1 440-T天窗-T無效)/I

(1)

式中：n為線路通過能力，對/d ；T天窗為天窗開設(shè)時(shí)長，min；T無效為天窗前空費(fèi)三角區(qū)時(shí)長，min；I為列車追蹤時(shí)間間隔，min。

考慮到朔黃鐵路開行的不同種類列車對應(yīng)的追蹤時(shí)間間隔不同，將式(1)轉(zhuǎn)換為

(2)

(3)

表7 朔黃鐵路不同天窗設(shè)置且慢行情況下通過能力對/d

注：天窗開設(shè)0 h時(shí)無慢行。

4.3 考慮天窗的年運(yùn)量計(jì)算方法

結(jié)合以上研究，可由線路通過能力計(jì)算得出當(dāng)前朔黃鐵路天窗設(shè)置條件下最大日運(yùn)量,見表8。

表8 朔黃鐵路不同天窗設(shè)置條件下最大日運(yùn)量 萬t

由表8計(jì)算得到朔黃鐵路年總運(yùn)量為4.31億t，比實(shí)際年總運(yùn)量多0.81億t。需注意的是該數(shù)值未考慮到運(yùn)量增長后導(dǎo)致維修施工作業(yè)量增大，進(jìn)而要求增加天窗時(shí)長的問題，但該數(shù)值也足以說明目前朔黃鐵路對有效時(shí)間的利用并不充分。當(dāng)然，朔黃鐵路要在未來達(dá)到5億t的年運(yùn)量目標(biāo)，還需要對天窗進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)采取停止普通貨車開行，提升2萬t列車開行比例等措施。為能兼顧運(yùn)輸和天窗，需研究天窗設(shè)置與年運(yùn)量之間的關(guān)系。

年天窗總時(shí)長Tw與全年可供行車時(shí)間T行車的關(guān)系可表述為

(4)

式中：nw為線路全年開設(shè)天窗的次數(shù)。

年行車量N可由其表示為

N=T行車/∑(αPIP)

(5)

年運(yùn)量也由T行車確定，計(jì)算式為

Q=N∑(αPQP),P={a,b}

(6)

式中：Q為年運(yùn)量，萬t；QP對應(yīng)P類列車年運(yùn)量，萬t。

由此可得朔黃鐵路年運(yùn)量計(jì)算式為

(7)

5 朔黃鐵路天窗設(shè)置優(yōu)化模型

5.1 決策變量的選取

由于冬季(11，12，1—3月)天窗只進(jìn)行少量保養(yǎng)作業(yè)，因此模型優(yōu)化時(shí)不予考慮，僅對春、秋季(5，10月)和夏季(4，6—9月)天窗的每周開設(shè)次數(shù)和時(shí)長進(jìn)行優(yōu)化。因此可選取決策變量，設(shè)春、秋季單個(gè)天窗開設(shè)時(shí)長為x1，每周開設(shè)次數(shù)為y1；夏季單個(gè)天窗開設(shè)時(shí)長為x2，每周開設(shè)次數(shù)為y2。x1,x2單位為min。

5.2 目標(biāo)函數(shù)

在滿足維修施工作業(yè)量的前提下，應(yīng)以天窗對線路行車影響最小為目標(biāo)。天窗對線路行車的影響主要體現(xiàn)在無效時(shí)長及天窗開設(shè)時(shí)長。

每開設(shè)一個(gè)天窗就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)T無效，因此春、夏、秋季天窗三角區(qū)的影響θ1為

(8)

式中：ε1為春、秋季每月周數(shù)；ε2為夏季每月周數(shù)。

天窗開設(shè)時(shí)長的影響θ2為

θ2=2ε1x1y1+5ε2x2y2

(9)

以天窗開設(shè)對行車的影響θ最小為目標(biāo)，即

minθ=θ1+θ2

(10)

5.3 約束條件

1)決策變量約束

春、夏、秋季每周天窗開設(shè)數(shù)量應(yīng)滿足

0≤y1,y2≤7

(11)

由《修規(guī)》可知天窗開設(shè)時(shí)長應(yīng)滿足

180≤x1,x2≤300

(12)

且天窗開設(shè)時(shí)長應(yīng)滿足換軌作業(yè)要求，因此又有

x1,x2≥t軌min

(13)

式中:t軌min為換軌作業(yè)所需的最短時(shí)間，取210 min。

2)施工維修作業(yè)量約束

施工維修作業(yè)應(yīng)完成規(guī)定任務(wù)，則

2ε1y1(x1-tq)kq+5ε2y2(x2-tq)kq≥uq,

q∈Ω

(14)

式中：tq為各施工作業(yè)時(shí)間；kq為各施工作業(yè)效率；uq為各施工項(xiàng)目年工作總量；Ω為各施工項(xiàng)目的集合，具體數(shù)據(jù)參見表5。

3)工作疲勞約束

考慮到人工工作疲勞，規(guī)定施工維修不得太過集中。任務(wù)量過重時(shí)，為保證線路狀態(tài)，維護(hù)行車安全，一周任務(wù)量至少應(yīng)分2次天窗完成，則有

y1,y2≥2

(15)

4)運(yùn)量約束

天窗設(shè)置方案應(yīng)滿足朔黃鐵路遠(yuǎn)期5億t運(yùn)量目標(biāo)，則

(16)

5.4 模型的構(gòu)建與求解

綜上得朔黃鐵路天窗設(shè)置方案優(yōu)化模型如下

minθ=θ1+θ2

約束條件為

運(yùn)用遺傳算法，借助MATLAB軟件解得

θ=3.314 2×104min

在目前大機(jī)設(shè)備和人員組織相對不變的情況下，由于維修工作量的增長，天窗作業(yè)次數(shù)和時(shí)長將大大增加。要達(dá)到5億t年運(yùn)量目標(biāo)，對應(yīng)天窗設(shè)置優(yōu)化方案見表9。

表9 朔黃鐵路天窗設(shè)置優(yōu)化方案

對應(yīng)表9的天窗設(shè)置優(yōu)化方案，給出朔黃鐵路各類列車比例與運(yùn)量情況見表10，其中2萬t列車比例至少40%才能達(dá)到運(yùn)量目標(biāo)，同時(shí)為充分利用由于天窗產(chǎn)生的空費(fèi)三角區(qū)，需保證萬t列車至少有25對。

表10 朔黃鐵路天窗優(yōu)化后行車量

6 建議

本文確定了5億t年運(yùn)量目標(biāo)下朔黃鐵路天窗設(shè)置的優(yōu)化方案，即春、秋季每周開設(shè)5次，每次5 h；夏季每周3次，每次4 h；冬季每周1次，每次3 h。該方案相較朔黃鐵路現(xiàn)行天窗設(shè)置方案，由于維修工作量的增長，天窗作業(yè)次數(shù)和時(shí)長將大大增加。隨著朔黃鐵路運(yùn)能的提升，維修施工工作量也要相應(yīng)提升，因此對朔黃鐵路天窗額外提出如下建議。

1)充分利用天窗前空費(fèi)時(shí)間。為保證行車安全，綜合維修天窗調(diào)度命令一般提前20 min下發(fā)，命令下發(fā)后線路上禁止任何列車運(yùn)行，致使這20 min被空耗。

2)壓縮各季節(jié)天窗作業(yè)時(shí)間，主要壓縮冬季天窗。冬季天窗作業(yè)內(nèi)容少，作業(yè)難度小，可合理進(jìn)行壓縮，其他季節(jié)天窗過長大多是由于施工維修組織不充分，導(dǎo)致天窗利用率低，同樣可進(jìn)行合理壓縮。

3)加強(qiáng)施工維修協(xié)調(diào)組織。提前做好施工和維修組織計(jì)劃，加強(qiáng)預(yù)判，充分利用天窗時(shí)間；此外工隊(duì)?wèi)?yīng)集中力量進(jìn)行作業(yè)，加強(qiáng)工隊(duì)間的協(xié)調(diào)組織。

4)增加設(shè)備臺數(shù)和人員數(shù)量，升級設(shè)備技術(shù)水平，以提高每個(gè)天窗時(shí)長內(nèi)的作業(yè)量。

5)探索延長相關(guān)修程修制的措施。