貨物快運班列站停時間可靠度的研究

蔣玉國 上海鐵路局徐州車務(wù)段

貨物快運班列站停時間可靠度的研究

蔣玉國 上海鐵路局徐州車務(wù)段

貨物快運班列在全國的開行滿足了全路零散貨物的運輸需求，但也帶來了種種問題。為解決這些問題，引入時間可靠度這一量化指標來刻畫貨物快運班列的時效性特征。通過收集、去噪、分析大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合車站停留時間可靠度與其四個影響因素的影響作用函數(shù)。結(jié)合貨物快運班列時間可靠度計算結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，指出造成貨物快運班列時間可靠度不理想的制約因素以及貨物快運班列運營過程中存在的不足，提出提高時間可靠度的系列措施。

貨物快運班列；車站停留時間；時間可靠度；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

1 貨物快運班列的概況與問題

2016 年一季度，全國鐵路貨物發(fā)送量完成7.88億t，同比下降9.43%。在大宗貨物運輸量急劇縮水的同時，全路零散貨物同比逆勢增長28.5%。為了滿足不斷增長零散貨運輸需求，提高鐵路在小批量零散貨物物流市場占有率，2014年10月，中鐵總在全國范圍內(nèi)布局貨物快運業(yè)務(wù)。

貨物快運班列是指在固定發(fā)到站間，有固定的車次和運行線、明確的開行周期和運行時刻，按客車化模式組織開行的貨物列車。鐵路部門根據(jù)社會需求確定列車裝卸站，選擇最佳路徑，按照客車化組織方式編制列車運行圖，從裝車站到卸車站全程緊密銜接，努力確?？旖?、及時運輸貨物。貨物快運班列在眾快捷貨物運輸產(chǎn)品中具有開行車次最多、覆蓋范圍最廣、辦理站點最多、服務(wù)貨物品種最全的特點。

然而，貨物快運列車的開行給路方帶來了新的挑戰(zhàn)與難題。

（1）影響旅客列車的正點接發(fā)。

由于貨物快運班列在沿途的客運站辦理裝卸車業(yè)務(wù)，停站期間它占據(jù)了客運站的到發(fā)線，一旦裝卸的貨運量超出辦理站所能承受的閥值，裝卸貨的時間必然會超出圖定的貨物快運班列車站停留時間，這將會造成旅客列車的延誤。

（2）長距離運輸時效性過低。

據(jù)統(tǒng)計，貨物快運班列在循環(huán)開行線路上平均?？空军c超過50個，中間站過多嚴重影響了貨物運達的時效性。

2 貨物快運班列時間可靠度的定義

要解決以上兩個由貨物快運班列開行方式帶來的問題，首先應(yīng)對貨物快運班列的時效性進行深入量化的研究，找到各影響因素，量化因素對時效性的影響機制，再來探討提高貨物快運班列時效性的措施。

時間可靠度是指某個運輸系統(tǒng)在規(guī)定的條件下規(guī)定的時間內(nèi)，完成運輸任務(wù)的能力。時間可靠度可以有效將影響因素（規(guī)定的條件）與時效性（規(guī)定的時間）進行耦合，因此選用時間可靠度作為貨物快運班列的時效性的量化指標。

定義貨物快運班列時間可靠度，是指在貨物快運班列的某次運輸作業(yè)過程中，根據(jù)各影響因素計算得出的所用時間預(yù)期值對于其列車運行圖規(guī)定時間值的偏離程度。偏離程度越大，可靠度越低。

其中，R為貨物快運班列時間可靠度，TP為完成某次運輸作業(yè)的圖定時間，TE為所用時間的預(yù)期值，影響作用函數(shù)f(a1, a2,……an)表達了時間的預(yù)期值與時效性影響因素a1,a2,……an的函數(shù)關(guān)系。

3 貨物快運班列站停時間可靠度計算模型

3.1 停留時間結(jié)構(gòu)確定

貨物快運班列在整個車站停留時間的作業(yè)工序包括了車輛檢查、打開車門、搭設(shè)渡板、貨物裝卸、站臺堆碼、關(guān)閉車門、機具檢查整理。因此車站停留時間由車輛檢查時間tinspect、卸貨時間tdl、裝貨時間tul、出站等待時間tsw四部分組成。結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 車站停留時間結(jié)構(gòu)圖

3.2 車站停留時間可靠度影響因素

從以上作業(yè)內(nèi)容與質(zhì)量標準來看，可以確定影響這些工序完成時間的影響因素，量化處理過程如下。

（1）天氣（weather）wh。

陰天與晴天（晴好天氣）對貨物裝卸并沒有大的影響，而在雨雪天氣（惡劣天氣）中，貨物裝過程困難加大，對貨物裝卸的總時間有一定的影響。

（2）裝卸人員（workers）W。取裝卸工人數(shù)。

（3）卸貨量（uploading materials）mul與裝貨量（downloading materials）mdl。

（4）車站集裝化水平（container level）cl。

車站集裝化水平對裝卸效率影響較大。特別是貨物快運列車在客運站臨時開辟的場地進行裝卸作業(yè)，不同辦理站貨運作業(yè)條件參差不齊。一般而言，集裝化裝卸貨物程度越高的辦理站進行裝卸作業(yè)效率越高。利用模糊綜合評價法可以得到某站的集裝化水平，cl分為五個等級，分別對應(yīng)取值為1、2、3、4、5，其中1表示該站的集裝化水平表最低，5表示該站的集裝化水平表最高。

3.3 相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與處理

（1）數(shù)據(jù)收集與去噪。

通過現(xiàn)場收集時間數(shù)據(jù)與以上影響因素量化值，在對數(shù)據(jù)進行遺漏值填充、平滑噪聲、識別和清除異常值處理后，最終得到了200個可用數(shù)據(jù)樣本。

（2）時間的波動性檢查。

對車輛檢查時間、卸貨時間、裝貨時間、出站等待時間進行波動性檢查。利用差異系數(shù)反映數(shù)據(jù)的波動程度，計算可得車輛檢查時間、卸貨時間、裝貨時間、出站等待時間的差異系數(shù)分別為10.352，148.9189，181.2576，14.6329。發(fā)現(xiàn)車輛檢查時間與出站等待時間的差異系數(shù)過小，直接取其期望值加入車站停留時間預(yù)期值TE，不單獨進行時間可靠度分析。

通過以上分析可知，車站停留時間的預(yù)期值等于裝貨作業(yè)時間預(yù)期值與卸貨作業(yè)時間預(yù)期值的較大值加上車輛檢查時間常數(shù)期望E(tinspect)與出站等待時間的常數(shù)期望E(tsw)。

（3）數(shù)據(jù)集成。

將200組數(shù)據(jù)樣本集成為兩大類數(shù)據(jù)集合，裝貨數(shù)據(jù)類與卸貨數(shù)據(jù)類，每一類包含200個子集。裝貨時間及影響因素數(shù)據(jù)集合形式為{tul,wh,w,mul,cl}，卸貨時間及影響因素數(shù)據(jù)集合形式為{tdl,wh,w,mdl,cl}。

3.4 數(shù)據(jù)擬合過程

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以忽視影響因素之間的多重共線性問題，直接以影響因素作為輸入層數(shù)據(jù)，裝卸貨時間作為期望輸出層，訓練出一個魯棒性高、容錯性好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提取該模型的底層函數(shù)即得到裝卸貨時間的影響作用函數(shù)。

而以上的期望實現(xiàn)功能，其他分析方法無法完成，如因子分析法、主成分分析法等，它們主要強調(diào)對各影響因素進行影響程度排序及評價，無法量化對因變量的影響程度。因此在建立裝卸貨時間可靠度計算模型時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)勢顯著。

設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型選擇為三層有導(dǎo)師學習的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層為裝貨物時間的各影響因素數(shù)據(jù){wh,w,mul,cl}，輸出層為裝貨物時間{TE(tul)}，期望為對應(yīng)的實際裝貨物時間數(shù)據(jù)(tul)。采用 MATLAB軟件編寫 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型程序，中間層和輸出層傳遞函數(shù)采用Sigmoid，訓練函數(shù)采用 traingdx，閥值和權(quán)值向量的學習函數(shù)采用learngd，性能函數(shù)采用mse。訓練輪回達到1000次后網(wǎng)絡(luò)達到了較好的擬合精度，得到一個訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各參數(shù)如下：

輸入層到中間層的權(quán)值矩陣

中間層到輸出層權(quán)值矩陣

輸入層到中間層的閥值向量

θ1=[-0.86-0.40 0.18-0.59 0.27]T

中間層到輸出層的閥值向量

η1=[-0.16-0.38 0.39-0.82]T

卸貨時間的計算方法可采用與以上裝貨時間相同的計算方法，其訓練好的模型各參數(shù)如下：

輸入層到中間層的權(quán)值矩陣

中間層到輸出層權(quán)值矩陣

輸入層到中間層的閥值向量

θ2=[-0.32-0.87-0.22-0.45-0.69]T

中間層到輸出層的閥值向量

η2＝[-0.44 0.49-0.53 0.91]T

綜上，可得裝卸貨時間可靠度的影響作用函數(shù)ful、fd：

3.5 車站停留時間可靠度計算模型

車站停留時間的預(yù)期值為

其時間可靠度計算模型為

小結(jié)：要計算貨物快運班列在某一個辦理站的站停時間可靠度，首先收集并計算班列在該站完成這一次作業(yè)任務(wù)的圖定停車時間、車輛檢查時間的期望值、出站等待時間的期望值、四個影響因素（天氣，裝卸工人數(shù)，裝卸貨運量，車站集裝化水平）的量化值，然后代入至公式（6）與（7）中，最后可得到該辦理站停留時間可靠度RTS。

4 提高貨物快運班列時間可靠度措施

由上述分析可知，貨物快運班列時間可靠度過低會對旅客列車的正點接發(fā)造成嚴重威脅，還會直接影響貨物到達的時效性，降低托運人對貨物快運業(yè)務(wù)的滿意程度。在目前我國貨物快運班列時間可靠度普遍達不到預(yù)期的背景下，尋找貨物快運班列時間可靠度的提高措施具有重要的意義。

參考車站作業(yè)的影響因素與區(qū)間運行時分的影響因素，提出以下幾點提高貨物快運班列時間可靠度措施。

（1）建立惡劣（雨雪）天氣預(yù)警機制。

從上文的分析中可知，惡劣（雨雪）天氣的出現(xiàn)會降低車站作業(yè)的時間可靠度與區(qū)間運行的時間可靠度。利用現(xiàn)代發(fā)達的天氣預(yù)報技術(shù)，可以輕易地對貨物快運班列經(jīng)由區(qū)域的天氣狀況進行精準的預(yù)測。當車站接收到惡劣（雨雪）天氣預(yù)警時，可以借助時間可靠度影響作用函數(shù)的計算結(jié)果，開展相應(yīng)的調(diào)整措施以維持車站停留時間可靠度處在可接受的范圍內(nèi)，如車站減少裝卸一定數(shù)量的貨物、增加裝卸工人數(shù)。

（2）加快轉(zhuǎn)變路方經(jīng)營思路，將時間可靠度指標納入至從業(yè)人員考核體系。

目前，鐵路貨物快運產(chǎn)品的基本作業(yè)模式仍然沿用原有的鐵路貨物運輸作業(yè)流程和標準，過程復(fù)雜、手續(xù)繁瑣，產(chǎn)品設(shè)計依舊著眼于傳統(tǒng)的鐵路貨物運輸思維方式，雖然簡化了貨主辦理手續(xù)，但企業(yè)內(nèi)部作業(yè)并沒有根本性改變。面對快捷貨物運輸?shù)膫€性化等高要求，習慣于注重車輛使用效率等內(nèi)部指標的鐵路職工，作業(yè)強度和作業(yè)要求均達不到快捷貨物運輸?shù)囊蟆r間可靠度指標納入至從業(yè)人員考核體系非常必要。

（3）設(shè)立車站承運的貨物辦理量上限。

裝卸貨物量是影響車站停留時間可靠度的最主要因素。借助時間可靠度計算模型，不難推算出貨物快運班列的每個辦理站可以承辦的裝卸貨物量的具體上限值。貨物辦理量上限的設(shè)立，可以防止一些熱門站點無限量接受貨物辦理業(yè)務(wù)，導(dǎo)致其車站停留時間可靠度過低情況的發(fā)生。

（4）提升貨物快運業(yè)務(wù)辦理站的集裝化水平。

辦理站的集裝化水平的提升能使車站停留時間可靠度得到大幅提高。

提高辦理站集裝化水平具體舉措有：改造運載車輛、配備車載叉車、設(shè)計方便直接裝車的集裝籠、制訂集裝化器具合理周轉(zhuǎn)調(diào)配方案、加固運用托盤裝運的貨物、規(guī)范貨物的運輸包裝。

（5）適當減少貨物快運班列的途徑停站站點。

減少貨物快運班列的途徑停站站點是提升貨物快運班列時間可靠度最有效的途徑。對于某個車站作業(yè)站，采取上文提到的措施，只能在一定程度上降低所用時間預(yù)期值，從而提高時間可靠度。但當貨物快運班列途徑的某車站取消辦理快運業(yè)務(wù)時，班列在該取消辦理站的所用時間可靠度達到了100%。減少貨物快運班列的途徑停站站點還能有效提高班列旅行速度。

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責任編輯：王 華

來稿日期：2016-08-17