铁路阔大货物装载加固优化及决策支持研究

摘要

货物装载加固工作在保障铁路运输安全中起着非常重要的作用，是运输组织的重要组成部分，其主要作用是保证货物、车辆及行车安全，尤其是随着目前铁路物流的迅猛发展，个性化客户需求的涌现，对如何更好的利用铁路货车的载重力和体积，快速提供更加安全、合理、经济、便捷的装载加固方案是目前亟待解决的问题。
　　铁路运输与公路运输间的竞争日渐激烈，公路运输工具迅猛发展，运输技术也得到空前的提高，而且公路运输有着铁路运输做不到的优势，比如:灵活性和便利性等，铁路运输面临着极大的挑战，以往“铁老大”的垄断状态已经发生很大的改变，因此必须提高铁路在阔大货物运输中各方面的竞争力，才能得到更好的发展。
　　阔大货物由铁路运输时对运输条件要求高，同时随着铁路高速化进程地不断深入，货物列车的安全要求更上一个新的台阶。在大型货物的品类不断出新的情况下，为了减少阔大货物在运输途中由于装载加固的原因而带来的隐患，避免发生安全事故，对于运输的阔货物必须给出针对性的装载加固方案，保证货物运输安全，避免引起行车事故。阔大货物的装载加固方案制定时需要考虑若干因素的影响，工作量巨大，由人工测量装载加固所需参数并且计算方案需要时间长，而且容易存在误差，而且同种货物存在多个可行方案，从若干可行方案中确定最优方案又增加了大量的额外工作。阔大货物装载加固方案传统制定方式已经不再适合运输发展的需求，尤其是随着铁路信息化环境的日益成熟，人们越来越重视阔大货物装载加固信息化系统的研究与开发，期望使用计算机辅助手段快速、准确的确定装载加固方案。同时可以利用决策支持科学辅助工作人员科学、快速的判断最优或者条件最优方案，保障运输安全，提高运输效率，降低运输成本，提高客户的满意度，适应铁路物流发展的大趋势，因此开展阔大货物装载加固优化及决策支持研究是具有非常重要的理论意义及应用价值。
　　阔大货物装载加固方案制定是一项非常复杂、计算量大的工作，必须严格遵守铁路有关规章的规定和车辆的技术要求。最优或者条件最优的阔大货物装载加固方案应该是可行方案中最经济合理的方案，满足《铁路货物装载加固规则》要求，能够保证运输安全，又具备较好的经济指标，例如充分利用、匹配车辆载重、载容能力，货物装载后超限等级最低，减少游车使用数量，加固方法简便，易于实施，降低加固材料的使用费用等等，同时考虑客户的个性化需求，提高服务质量。
　　铁路阔大货物装载加固方案决策是典型的半结构化问题，影响方案确定的因素非常多，在制定过程中，需要工作人员的参与才能完成。论文采用决策支持系统的方法，通过人机交互友好界面，充分结合阔大货物装载加固算法和使用者的选择，快速准确得到一个条件最优的阔大货物装载加固方案。论文从分析阔大货物装载加固技术要素开始，结合空间几何理论，进一步的建立了基于货物轮廓的货物超限等级计算机判定方法;分析了列车运行速度对货物横向加速度的影响，为提速后货物装载加固方案的研究提供了基础;首次将客户满意度引入到阔大货物装载加固方案的评价算法中，对阔大货物装载加固方案进行了优化，给方案的使用者、运输企业提供了决策依据;研发设计了铁路阔大货物装载加固系统。论文重点建立了货物外形及其他参数的数学模型，并且设计了超限等级的计算机判定算法，分析了列车运行速度对货物横向加速度的影响，基于层次分析法建立了阔大货物装载加固方案多目标评价模型，系统的建立了货物装载的优化算法，完成了阔大货物装载加固方案辅助决策系统。主要研究成果如下:
　　(1)针对阔大货物装载加固的技术要素及国内外货物装载加固相关研究成果进行分析和总结。分析了阔大货物的特点，从货物的基础参数、货物装载位置、货物的受力三个方面对装载加固的技术要素进行了分析，总结了各技术要素对装载加固技术方案制定的影响。
　　(2)量化阔大货物外形，建立货物外形轮廓的数学模型，通过货物外形的精确量化，建立超限等级计算机判定算法，降低人工测量计算带来的误差。很多阔大货物的外形复杂不规则，这给检定断面以及计算点的判断带来很多麻烦，检定断面和计算点的判断不准确有可能使得货物是否超限或超限等级判断失误。利用精确量化阔大货物外形，可以更加准确的判断货物的检定断面以及计算点，并且铁路界限、机车界限及超限判断等级等都是有规律可循的，可以建立其数学模型，这样可以充分利用计算机软件的优势进行超限等级判断，大大减少判断误差，降低工作量。
　　(3)建立阔大货物装载加固优化算法。利用货物参数将运输车辆自动排序，便于制定方案时选择最合适或者最便于得到的车辆;通过货物参数自动计算选择一车负重或者跨装;通过人机交互选择是否选用特种车装载;选择合适的重心位置，通过货物重心的纵向偏移，减少游车使用数量，通过货物重心的横向偏移，降低超限等级，得到条件最优装载加固方案。
　　(4)列车运行速度对货物横向加速度的影响分析，利用simpack软件对运动状态下的货物横向加速度进行仿真，车体和货物所产生的加速度，主要决定于走行部分的结构（首先是车辆的弹簧悬挂装置）以及线路质量和列车走行速度，所以在列车运行中，列车的运行速度对惯性力的影响非常大，通过仿真得到运行速度对横向加速度的影响，为货车提速情况下货物横向惯性力的计算建立基础。
　　(5)基于层次分析法建立阔大货物装载加固方案的多目标评价模型。随着各种交通方式的快速发展，铁路运输面临的竞争压力越来越大，如何全方位的提高铁路运输的服务质量是亟需铁路企业解决的问题。本文首次将客户满意度加入到阔大货物装载加固方案评价目标之中，在满足运输安全的前提下，给提高阔大货物装载加固方案的客户满意度提供了理论支持，符合目前铁路物流发展以及提高铁路运输服务质量的趋势。
　　(6)设计完成阔大货物装载加固方案辅助决策系统。货物的装载加固方案的确定除了受货物各种参数、货车本身技术参数、列车运行速度、加固材料性能等必要的限制之外，还会受到一些客观条件的限制，比如目前能够调用的车辆，装车所在地现有的加固材料等，在实际应用中需要得到某些限制条件下最优的装载加固方案，而不是得到所有装载加固方案中的最优方案，充分考虑在确定装载加固现场各个方面的因素，在辅助决策系统中加以考虑，设计人性化的软件界面，增加人机互动，通过辅助决策支持系统中的友好人机交互界面选择某些条件来调整输出方案，完成阔大货物装载加固方案的制定，得到一定条件下的最优方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究的基本思路及主要内容

1．3．1 论文研究的基本思路

1．3．2 论文研究的主要内容

第2章 阔大货物装载加固技术要素分析

2．1 阔大货物装载技术要素分析

2．1．1 货物基础要素

2．1．2 货物超限等级

2．1．3 货物重心横向偏移

2．1．4 货物重心纵向偏移

2．1．5 货物重心高

2．1．6 其它技术因素

2．2 货物加固技术要素分析

2．2．1 货物受力分析

2．2．2 货物稳定性分析

2．3 本章小结

第3章 阔大货物装载优化算法及数学模型

3．1 阔大货物装载优化总则

3．1．1 装载优化总体原则

3．1．2 装载优化算法流程

3．2 超限等级的优化判别算法

3．2．1 阔大货物超限等级判定

3．2．2 阔大货物超限判断特点

3．2．3 量化货物外部轮廓

3．2．4 计算点及超限判定

3．2．5 算例分析

3．3 货物重心纵向偏移及游车优化

3．3．1 阔大货物装载方式分析

3．3．2 游车优化算法

3．4 本章小结

第4章 列车运行速度对货物纵向惯性力的影响

4．1 铁路货车动力学计算模型

4．1．1 车辆模型

4．1．2 轨道模型

4．1．3 轮轨空间动态耦合模型

4．1．4 车辆级／轨道耦合系统激振模式

4．2 列车速度对货物横向惯性力影响分析

4．2．1 仿真过程

4．2．2 算例分析

4．3 本章小结

第5章 阔大货物装载加固决策支持研究

5．1 阔大货物装载加固决策特点

5．2 阔大货物装载加固方案决策要素分析

5．2．1 技术因素

5．2．2 经济及需求因素

5．3 阔大货物装载加固方案多目标决策优化模型

5．3．1 多目标决策的模糊优化模型

5．3．2 阔大货物装载加固方案多目标决策优化问题

5．3．3 算例分析

5．4 阔大货物装载加固决策支持系统

5．4．1 系统的设计方法及原则

5．4．2 系统的功能分析

5．4．3 系统的算法与流程

5．4．4 系统数据库

5．4．5 系统算例

5．5 系统特点

5．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果