基于子系統劃分的鐵路樞紐能力利用率評價方法

姜大元，徐一鳴，鄧連波，梅宏達,

（1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路站場設計研究處，武漢 430063；2. 中南大學 交通運輸工程學院 軌道交通大數據湖南省重點實驗室，長沙 410075）

鐵路樞紐是鐵路路網技術作業高度集中的關鍵區域。當前，全國樞紐總圖方案正在進行新一輪調整和布局，對鐵路樞紐規劃和設計提出新的要求，鐵路樞紐能力評價可為鐵路樞紐總圖方案設計提供決策依據。研究鐵路樞紐能力利用的評價方法，是鐵路樞紐規劃和總圖設計的核心問題之一，對實現路網和樞紐合理布局、提升運輸效率和品質具有重要理論和現實意義。

針對鐵路樞紐總圖評價，國內外學者開展不少的相關研究工作。何世偉等人[1]提出路網總體運輸能力及有效能力、潛在能力的概念；何志工[2]立足于鐵路樞紐總圖內涵，從功能定位以及客運、貨運、編解、樞紐能力等方面提出鐵路樞紐規劃方案的評價指標體系；雷中林[3]采用主觀權重和熵權結合法構建鐵路樞紐規劃方案的指標體系和評價方法；黃隆飛[4]采取功能綜合分析和定量定性結合方法建立鐵路樞紐從宏觀層面到微觀層面的評價指標體系，采用模糊分析方法進行評價；文獻[5]～文獻[7]分別采用神經網絡方法、多級優度物元方法、VISSIM仿真對地鐵車站、地鐵換乘站和客運樞紐進行評價；文獻[8]和文獻[9]分別探討綜合客運樞紐的總體架構和樞紐調度指揮系統設計問題。

可以看出，較多研究均關注到鐵路樞紐作業環節繁多、能力構成要素復雜的問題。如何使評價方法覆蓋主要作業環節和能力構成要素，且對不同規模等級和不同客貨運輸結構的鐵路樞紐具有普適性，是鐵路樞紐能力利用率評價的難點所在。

1 鐵路樞紐能力利用率評價指標體系

1.1 評價指標體系設計原則

從鐵路樞紐能力利用率評價問題出發，評價指標體系設計需遵循以下原則。

（1）全面反映鐵路樞紐能力利用的狀況：評價指標體系應服務于鐵路樞紐總圖規劃的設計目標，每項評價指標應能反映鐵路樞紐系統運輸能力在某一方面的典型特征，指標間具有互補性，整體能夠綜合反映鐵路樞紐運輸系統的能力利用狀態；

（2）具有與鐵路樞紐能力要素構成相對應的層次性：指標體系具有逐層展開的層次性特征，每項評價指標及所屬的子系統、樞紐元素間具備明確的從屬關系和嚴格的層次結構；

（3）評價指標的數量規模適度：評價指標的選擇不應過于龐雜，要注意區別主次與輕重，選取能夠反映鐵路樞紐總圖規劃整體狀況、作業特點的指標項，保持評價指標體系的簡潔性；

（4）評價指標定義和口徑明確：每項評價指標應定義明確，規定其具體統計方式和統計范圍，便于數據收集和量化處理。

1.2 評價指標體系構建思路

按照作業性質，鐵路樞紐可劃分為客運、貨運、行車、編解等子系統，各子系統又包括若干個車站、區間等構成要素。樞紐內的能力利用率可按照各構成要素所包含的作業環節設置評價指標。目前，尚無普遍公認的鐵路樞紐能力利用率評價指標體系，但鐵路運輸管理部門已形成針對鐵路各作業環節較為完備的能力利用狀況統計指標。以這些統計指標為基礎，構建鐵路樞紐能力利用率評價體系的基本思路如下：

（1）兼顧客貨運輸和不同鐵路樞紐的特點，依據樞紐子系統的構成要素和作業環節設計評價指標，使得評價指標能夠更全面的反映樞紐整體狀況并發現樞紐存在的問題；

（2）重視點線能力協調和樞紐編解作業，將行車子系統劃分為車站和線路區間2個組成部分，從兩者關系角度突出點線能力，并從樞紐編解子系統角度著重考察樞紐編解作業均衡性；

（3）針對樞紐子系統，從其包含的車站、區間等樞紐要素，以及相關的技術設備、作業環節出發，選取具體的能力利用率指標項。

為此，從鐵路樞紐的客運、貨運、解編子系統以及行車子系統的區間和車站5個方面提出評價指標集，形成樞紐子系統—構成要素—評價指標3個層次的樞紐能力利用率評價指標體系，如圖1所示。

2 鐵路樞紐能力利用率評價方法

2.1 能力利用率指標的評價得分設計

一般評價問題的指標項按其理想值位置和優劣分布規律，一般分為成本型、效益型、適中型3類。而鐵路樞紐能力利用率均屬于適中型指標，取值區間為[0 ,100%]。

相對于能力利用率具體數值，通常評價者關心的是能力利用的合理程度。各指標項能力利用率均存在最理想的取值區間，能力利用率的評價得分值從理想取值區間向大小兩側降低。為此,可基于能力利用率的適中型特征構造指標的分段得分函數。對某一指標項的能力利用率x，其理想值為取值空間為其得分函數r(x)可構造如下：

圖1 鐵路樞紐能力利用率指標體系

其中，k為得分函數的分段數；r1,···,rk為各分段的得分值；r?為最理想得分值。

考慮到指標項的實際含義和能力特點，理想取值區間、得分函數可按指標項區別設置。表1為某指標的五分制得分函數取值表。在表中，對每一量度值引入“+”、“-”符號標明其與理想值的偏離方向，以便能夠直觀準確判斷出樞紐能力利用率存在問題。這些符號并不參與評價計算，以避免相互抵消的問題發生。

表1 某指標項的評價得分取值

2.2 層次化的評價指標權重設計

對上述鐵路樞紐能力利用率評價指標體系，可按層次設置分層權重體系，以便有效降低權重設置難度。分層權重體系主要包括各子系統間評價權重、各子系統內構成要素的權重和子系統指標項間權重。

客運、貨運、行車（車站、區間）和編解等子系統權重之和為1。各子系統間的評價權重可參考運輸量（客運量、貨運量、改編車流比重）來綜合標定。

每一子系統內各構成要素的權重，可按照某種運輸量標準確定。如客運子系統內各客運站的權重可按照其到發旅客量占比設置；貨運子系統內貨運站的權重可按照其裝卸貨物量占比設置；行車子系統各車站依據接發列車數設置各車站權重，依據區間行車量設置各線路區間權重。

指標權重可按照子系統獨立設置。每一子系統內各指標間權重之和為1，每一指標權重可根據作業地位、作用和評價目的進行設置。

2.3 評價算法

根據問題特征和指標體系特點，以基于各指標的評價得分和層次化的評價指標權重設計為基礎，設計鐵路樞紐能力利用率評價方法，具體步驟為：

（1）搜集和確定鐵路樞紐各構成元素的每一評價指標的能力利用率，并根據利用率數據標定評價得分；

（2）建立鐵路樞紐內子系統、構成要素和指標項的層次關系，設置各層次權重；

（3）逐個計算鐵路樞紐每一子系統評價得分，對子系統各構成要素指標的得分加權求和即可獲得該子系統的評價得分，并累加記錄各構成要素每一指標在子系統評價得分中的貢獻率；

（4）按照各個子系統的權重系數，對各子系統評價得分的加權求和即可獲得鐵路樞紐能力利用率的總體評價得分，輸出的評價結果包括樞紐總體評分、各子系統得分、具有較大貢獻率的能力利用瓶頸點數量、位置和排序等內容。

鐵路樞紐能力利用率評價方法的算法流程如圖2所示。

圖2 鐵路樞紐能力利用率評價方法的算法流程

3 實例分析

采用C#語言設計開發了鐵路樞紐能力利用率評價軟件，包括能力利用率基礎數據管理、多層次權重設置和能力利用率綜合評價3個功能模塊。

以鄭州樞紐某一年度總圖方案為例，依據客貨運輸相關數據，運用本文提出的評價方法，評價分析其能力利用率。

鄭州樞紐是由京廣線、隴海線、京廣客運專線、徐蘭客運專線等干線交匯形成雙十字形鐵路樞紐，在路網中具有舉足輕重的地位。根據各子系統在樞紐中的作用和作業量，適當突出編解、行車子系統的影響，設置客運、貨運、編解子系統以及行車子系統中的車站和線路區間權重分別為0.20、0.10、0.30、0.20、0.20。

計算車站和線路區間評分分別為3.03和1.86，按其權重加權可計算樞紐內行車子系統的得分為2.44。同理，計算各子系統和樞紐整體的評價得分，結果如圖3所示。樞紐總體評價得分為2.33，能力利用率均值為57.24%。根據最終的評價得分可以看出，雖然鄭州樞紐能力利用率總體能力利用率均值并不高，但各子系統能力得分差異較大。

圖3 鄭州樞紐各子系統和樞紐總體評價得分

將各樞紐作業環節按其對樞紐總體評價得分的貢獻率進行排序，確定樞紐能力的瓶頸點。鄭州樞紐能力瓶頸點的能力利用率和貢獻率及其排序見表2。

表2 鄭州樞紐的能力瓶頸點情況分析

可以看出，這些瓶頸點的能力利用率均超過90%，各瓶頸點的能力利用率大小和貢獻率排序存在較大差別。利用率最高的隴海線鐵爐至關帝廟區間的通過能力，其貢獻率僅列第3，而鄭州北站下、上行駝峰解體能力的貢獻率最高，對樞紐能力的制約作用較為明顯。

4 結束語

將鐵路樞紐劃分為客運、貨運、行車、編解等子系統，構建子系統-構成要素-評價指標3個層次的指標體系；根據鐵路樞紐的層次化結構特征，提出指標項評價得分函數和層次化權重設置方法，建立基于子系統劃分的鐵路樞紐能力利用率評價方法。

基于所設計的評價指標體系和評價方法，開發了鐵路樞紐能力利用率評價軟件，利用該軟件對鄭州樞紐能力利用率進行計算和分析。

本文提出的評價方法能夠克服鐵路樞紐系統構成復雜、作業環節眾多的困難，全面分析評價鐵路樞紐能力利用狀況，有效識別制約鐵路樞紐能力的瓶頸。但評價方法中權重參數的合理設置問題，以及如何將客、貨車流徑路等能力要素引入評價方法，均尚需進一步研究。