編組站運輸能力查定計算方法的研究

吳 鑫，姚宇峰

（1.呼和浩特鐵路局 包頭西站，包頭 010010；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

編組站運輸能力查定計算方法的研究

吳 鑫1，姚宇峰2

（1.呼和浩特鐵路局 包頭西站，包頭 010010；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

本文結合編組站作業特點，基于編組站綜合自動化（SAM）系統的運營環境，利用SAM系統的作業過程數據，對編組站的到發線接發車能力、調車場解編能力、咽喉通過能力以及最終能力的查定計算方法展開研究。

能力查定；編組站；綜合自動化系統；空費率

新一代編組站綜合自動化（Synthetic Automation of Marshalling yard，SAM）系統由中國鐵道科學研究院與鐵路總公司信息技術中心聯合研制，它是將車站計劃調度系統和信號控制系統綜合集成的編組站管理與控制系統。其緊緊圍繞“局站一體化”、“管控一體化”、“運維結合”的設計思想，并以行車組織和貨運組織為主線，以運輸生產安全、高效為目標，充分協調各作業環節的工作，從而提高全員勞動生產率并提供更好的安全保障，提高我國編組站的總體技術水平。

編組站的作業能力直接影響到路網的暢通，伴隨著鐵路運輸市場化及高速鐵路運輸的高速發展，開行了大量快速列車、夕發朝至/朝發夕至列車和貨運“五定班列”，使編組站的作業組織、運轉設備承受了很大的壓力。

本文結合編組站作業的特點，基于編組站綜合自動化系統的運營環境，對編組站的到發線接發車能力、調車場解編能力、咽喉通過能力以及最終能力的查定計算方法展開研究。

SAM系統運營后，合理使用其豐富的數據資源完成編組站的能力查定，尋找編組站各項作業最薄弱環節，可以為編組站的科學管理、科學決策提供重要依據，以期使編組站的運能發展與鐵路運輸需求相適應，獲得更好的經濟效益。

1 國內外研究現狀

國外學者于數學、運籌學角度進行研究，更注重學術價值，而和實際的生產作業關聯并不密切。

國內學者在車站能力優化設計及設計評價方面先后經歷了圖解計算法、直接計算法、利用率計算法、排隊論方法、計算機模擬方法等，并取得了一些成果。但由于信息采集條件的限制，存在人工寫實工作量大、不確定因素多等問題，計算得到的數據準確度不高。

2 計算方法的研究

2.1 基礎參數計算

車站的《車站行車工作細則》（簡稱“站細”）里明確規定了車站各崗位工作人員的交接班、吃飯時間以及機車整備時間，同時，站細也規定了設備空費率[1]的取值范圍和作業的標準時間，但實際計算車站運輸能力值時，需要確定的設備空費值和準確的作業時間。因此，在完成能力計算前，需要統計以往作業數據獲得確定的設備空費值和作業時間值。

設備的空費率是設備一晝夜或者指定時間內良好狀態下空閑時間占設備可用時間的百分比。按照設備類別，對綜合自動化系統內編組站的歷史作業數據進行統計計算，獲得時間段內的設備空閑時間和設備可用時間，經計算得到此時段內的設備空費率，對各時間段內的空費率取加權平均值作為此設備的計算空費率。空費率的權重是根據計算空費率相對作業量的分布規律通過數據挖掘技術獲得，并結合站細規定的取值范圍。設備空費率計算公式如下：

式中：γj表示j類設備在n個統計班次或晝夜內的平均空費率； j表示j類設備；i表示統計的第i個班次或晝夜； n表示統計的班次或者晝夜數；wi表示統計的第i個班次或晝夜內設備的空費率值對平均空費率的貢獻權值；表示第i個班次或晝夜時間內j類設備的良好狀態下總的空閑時間；表示第 i個班次或晝夜時間內j類設備的良好狀態下總的可用時間。

車站人員進行運輸組織分析時，可通過比對實際的平均時間和站細規定的作業時間標準找出影響車站作業效率的瓶頸作業，采取對應的措施解決作業瓶頸。

2.2 設備能力值計算

車站的運輸能力由運輸生產各個環節的運輸設備的作業能力綜合體現，車站運輸能力具體表現為到發線的接發列車能力、咽喉區的通過能力、駝峰的解體能力和編尾牽出線的編組能力。

綜合國內外對車站運輸能力計算方法，針對編組站作業的不同環節采用不同的計算方法：以公式計算法為基礎，結合數理統計的理論，對能力查定計算基礎參數獲取算法進行優化，剔除或弱化能力計算基礎數據中影響運算準確性的偶然因素，充分考慮作業交叉、設備工作狀態等因素。

2.2.1 到發線接發列車能力計算

到發場的接發列車能力采用對每條到發線的到發能力匯總的方式獲得。計算每條到發線的利用率，根據到發線的作業量和利用率計算本線路的接發能力，最后匯總所有作業股道的能力作為到發場的接發能力。

（1）到發線利用率的計算。獲取統計時間內每條作業股道上列車或者車列的占用時間值作為股道主要作業時間值T列占，調車作業或者本務機走行占用股道的時間值作為主要作業的妨礙時間值T妨礙。計算每條股道在統計時間內可進行接發列車作業的總時間T總，即：

T總＝（1–γ空費）（1440–T妨礙），股道的利用率可通過下列公式獲得。

作業股道的空費系數γ空費根據《車站行車工作細則編制規則》規定，在0.15 ～ 0.20 范圍內取值。為了獲取較精確的到發線作業能力，按上述的統計方法獲得到發線空費率。

列車占用股道時間T列占是指由準備列車進路時起至列車完全出清作業股道時止。由計算機實現列車占用時間的統計公式如下：

式中，i表示占用股道的第 種作業； wi是整數規劃變量，表示占用股道的第i種作業是否是統計的作業類型，如果是則為2，否則為1；表示占用股道的第i種作業的列車、車列或者調機出清此股道的時刻；表示為占用股道的第i種作業開始準備進路的時刻。

應用上述公式進行妨礙作業時間的統計，僅需將改變變量wi所表示的屬性，改變其取值即可。

（2）到發線實際接發列車數統計。到發線實際接發列車數是以指定時間和作業股道為條件，從數據庫的列車作業結果數據表中獲得。統計公式如下：

式中， i表示到發場的第i條股道； ni表示到發場的第i條股道實際作業列車數； j表示占用到發場的第i條股道的所有作業數量；是0～1變量參數，表示占用到發場的第i條股道的作業 j的作業種類，如果作業類型為列車，取值為0，否則為1。

（3）到發線接發列車能力計算。到發線接發列車能力是通過統計的實際作業列車數與到發線的利用率進行商運算得到，某一股道作業能力的計算公式如下：

（4）到發場作業能力計算。獲得每一條作業股道的接發車能力后，對作業股道的能力進行加和運算即得到到發場的接發列車能力。計算公式為：

2.2.2 解編能力計算

編組站的解編作業錯綜復雜，根據對作業過程的分析，將解編作業抽象化。將解體作業過程抽象為工件搬運和工件加工問題，待解車列為工件，調機為搬運工人，駝峰為加工機器，作業進路抽象為搬運路徑，將編組作業抽象為工件搬運組裝過程，那么解編作業即可看成工件加工、組裝和搬運過程，作業平臺為駝峰和牽出線。通過計算加工平臺的利用率，將調機作為加工的約束條件實現解編能力的計算，復雜的作業過程即簡單、清晰化。解編能力計算可由2 步完成：計算設備的利用率和計算設備的作業能力。

2.2.2.1 設備利用率計算

（1）設備作業時間統計

駝峰的占用時間由解體推峰進路準備完畢時刻起至解體完畢調機回退至到達場折返股道時止，駝峰的空閑時間由解體調機走行至折返股道時刻至下一推峰進路準備好時刻止。如果出現調機下峰進行整場作業，駝峰停止解體溜放作業，此部分時間統計為駝峰的固定作業范疇內。對于調機的整備、調車組的吃飯、交接班則全部統計為駝峰的固定作業。

通過對編尾的編組作業分析可知，調機由折返位置經由牽出線的進路準備好時即為編組的開始時刻，當調機牽引編成車列至出發場股道時止為完成了一次編組列車作業。依據此作業過程進行統計牽出線的占用時間和空閑時間。

由計算機實現作業時間統計的計算公式為：

式中，i表示第i類設備，例如駝峰線XT1、牽出線 SQ1等；表示第i類設備作業的結束時刻；表示第i類設備開始作業的準備進路時刻；表示第i類設備在指定時間內的作業時間。

車站運輸設備空閑時間的統計計算公式為：

（2）設備利用率計算

2.2.2.2 設備作業能力計算

2.2.3 咽喉通過能力計算

咽喉區的通過能力是由選定的關鍵道岔或者道岔組的通過能力體現，在一晝夜或者指定時間段內，本咽喉區的關鍵道岔或者道岔組可以通過的列車數。所以，咽喉區的通過能力計算可分2 步進行。

2.2.3.1 咽喉區關鍵道岔或者道岔組的選定

咽喉區關鍵道岔或者道岔組選定的原則為：到達場或者出發場銜接兩個及其以上方向時，按照銜接方向分別確定接車進路或者發車進路上工作負荷最大的道岔或者道岔組作為本接車進路或者出發進路的關鍵道岔組。遵循上述原則，統計作業進路數據，獲得作業進路占用道岔或道岔組的負荷量，從而確定關鍵道岔或道岔組。能力計算軟件依據以下公式按照銜接方向別、進路別、道岔別（或道岔組）進行關鍵道岔或道岔組的確定。

式中，j表示到達場或出發場所銜接的n個作業方向中的第j個方向；r表示到達場或出發場銜接的第j個方向上所排布的m條進路中的第r條進路；表示到達場或出發場銜接的第j個方向上排布的第r條進路占用道岔或者道岔組S的時間； Sj表示到達場或出發場銜接的第j個方向的關鍵道岔或道岔組。

2.2.3.2 咽喉區通過能力計算

咽喉區通過能力的計算是對關鍵道岔或者道岔組占用、出清時間的統計，獲得道岔或者道岔組的利用率。結合實際作業列車列數和利用率獲得咽喉的通過能力。如果本作業場銜接兩個及其以上方向時，將各個方向的能力進行加和就為本咽喉區的通過能力；如果作業場僅銜接一個方向時，咽喉區的通過能力等于該方向上各條進路咽喉關鍵道岔或者道岔組的能力之和。

計算咽喉區關鍵道岔或者道岔組的利用率時，由于其作業負荷量包括調機、本務機走行，調機、本務機占用必然影響到列車進路的排布，因此計算利用率時將調機、本務機走行占用作為妨礙列車作業的固定作業。此時，利用率所反映的就是可用于接發列車的設備利用狀況。如有站間有車次的單機調移作業，那么接入到發場作業可看作是列車作業，計算利用率時按照列車占用統計。

獲得咽喉區關鍵道岔或者道岔組的利用率之后，按照銜接的方向分別對通過本咽喉區的列車數進行統計，用獲得的列車數與利用率求商，并將各個方向的通過能力值進行加和匯總得到本咽喉區的通過能力。實現計算的公式如下：

式中， j表示到發場銜接的第j方向；i表示銜接第j方向占用s道岔或道岔組的第i個作業項；nisj表示銜接第j方向占用s道岔或道岔組的第i個作業項的作業量；Ks表示銜接第j方向的作業進路所占用s道岔或道岔組的利用率； N是銜接到發場咽喉區的通過能力。

2.2.4 車站最終能力確定

將車站咽喉道岔、到發線的通過能力，駝峰、牽出線的改編作業能力進行匯總，得到在統計時間段內車站實際作業能力值。針對最大能力和較小能力進行詳細分析和綜合平衡，針對車站設備能力的薄弱環節，重新調整有關各項設備的作業分工，將繁忙部分擔當的作業，重新加以分配，分配給作業較少的部分擔當，以滿足全站較大行車量的需要。通過綜合平衡以及各有關設備能力的再分配后，所得的車站各車場每晝夜所能通過的最大貨物列車數，就是車站最終的作業能力。實現的計算公式如下：

2.2.5 數值檢驗

按照上述的計算方法，采集呼和浩特鐵路局包頭西站3個月的作業過程數據，得到編組站的各項作業能力。按照包頭西站所配屬的作業股道數以及列車占用股道作業的平均時間，查《GB13231-1991鐵路編組站到發線通過能力計算方法》，將獲得的能力值與附件表中所記載的能力值進行比對，檢驗獲得的計算值，計算值位于規定取值范圍內，滿足能力查定要求。

3 結束語

編組站運輸能力查定將編組站的設備信息、作業信息以及作業過程信息有機地融合，綜合展現運輸生產各個環節的作業能力，為運輸組織指揮人員調整運輸組織模式、站場改擴建提供準確的數據支持，使編組站運輸生產組織工作更合理、科學，有助于制定車站發展規劃，實現編組站綜合效益的最大化。

[1]孔慶鈴，劉其斌.鐵路運輸能力計算與加強[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2]楊介平.鐵路運輸能力的計算與利用[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]H?B?普拉夫金.車站配線及能力計算方法[M].劉其斌.北京：北方交通大學出版社，1986.

[4]李玉旦，彭 輝.車站技術作業過程和通過能力查定計算管理系統研究[J].鐵路計算機應用，1999，8（3）：11-13.

[5]劉 瀾，甘 靈.車站咽喉通過能力可視化計算集成系統的研究[J].數學的實踐與認識，2005，35（2）：80-86.

責任編輯 陳 蓉

圖4 兩種時間序列分別進行春運客運量預測分析圖

可以看出采用兩種不同的時間序列分析方法分別進行2010年客運量預測時與2010年實際客運量的差異。節前預售情況預測比較接近實際值，節后歷年客運量預測值比較接近實際值。這充分證明了前面的論述：客運量具有穩定的形態，可以在預測中相對較為平衡的保持客運量的波動形態?？推鳖A售情況預測在節后不太理想的主要原因經過分析，和預售期的調整有關，因為2007年、2008年、2009年的預售期與2010年調整的預售期不盡相同，這樣直接引起的就是預售規律的隨之破壞，從而導致預測結果的偏差。

圖5給出了采用HAP方法進行鐵路發送量預測的2010年預測案例，預測誤差整體小于5%，證明了HAP方法的有效性和可用性。

圖5 2010年鐵路春運客流預測曲線圖

3 結束語

本文從鐵路的客流規律研究出發，發現客流具有良好的穩定性、顯著的周期性和趨勢性，通過采用差分的方式自動識別客流規律，將歷史數據和實時產生的預售數據引入預測，并將重要的運輸能力因素引入預測，從而提高預測的精確性。實際的鐵路客運量預測結果表明了該方法在進行鐵路總量預測時的可用性和有效性。

參考文獻:

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[2]何 勇，鮑一丹．隨機型時間序列預測方法的研究[J]．系統工程理論與實踐，1997 （1）：36-43.

[3]王 燕．應用時間序列分析[M]．北京：中國人民大學出版社，2005．

責任編輯 陳 蓉

Calculation method of transportation capacity check for marshalling station

WU Xin1,YAO Yufeng2
( 1.Baotou West Station,Hohhot Railway Administration,Baotou 010010,China;2.Signal &Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This article combined with the characteristics of marshalling station operation,based on the operating environment of Synthetic Automation of Marshalling yard(SAM)System,used the process data of SAM System,researched on the capability of receiving and dispatching train,decoding ability of marshalling yard,the throat pass ability as well as the calculation method of transportation capacity check.

capacity check;marshalling station;Synthetic Automation of Marshalling yard(SAM)System;idle rate

U284.67∶TP39

A

1005-8451（2016）02-0007-05

2015-06-16

吳 鑫，工程師；姚宇峰，助理研究員。