重载铁路通道车流吸引区域及始发直达重载化研究

摘要

随着能源短缺现象的日益明显，低能耗、大运量的铁路运输又重新受到人们的重视，尤其铁路重载运输更是倍受关注。虽然重载铁路在我国整个铁路网中占的比例并不大，但其承担的货运周转量仍然非常可观，因此研究铁路重载运输组织方式具有重要的实际意义。 为了充分利用重载线路的运能，必须确定合理的重载通道车流吸引区域。一方面，过于宽泛的吸引区域会使车流经重载通道产生的成本节省难于抵消由于车流绕道所增加的费用。另一方面，如果吸引区域过于狭小的话，重载通道将难于获得足够的车流来源，使得其能力得不到充分发挥。两者之间如何权衡，无论在理论层面上还是在实际应用中，都是亟待解决的问题。再者，对于吸引区域内大宗货物装车地而言，如何进行有效地车流组织也是一个复杂的优化问题。若始发直达列车仅限于在重载通道范围内开行，虽然避免了一部分换重作业的费用消耗，但会切割一些长程车流，从而增加了不必要的改编作业。反之，若长程车流按非重载通道牵引定数编组通过重载通道，又将浪费重载通道的运输能力。要两者兼顾，则在重载通道两端的换重作业又将增加车流组织成本。综之，如何融合上述运输组织模式，建立相关的优化模型，在铁路车流组织领域中具有重要的理论意义。 本文的主要研究内容和创新点如下： 一、提出了确定铁路重载运输通道吸引区域的三种方法。（1）按照纯最短径路方法，提出了重载通道两端一般吸引区域及核心吸引区域的确定方法；（2）从重载通道运输成本的角度，采用广义最短路算法，设计了重载通道吸引区域的确定方法；（3）采用阻尼系数法，转移部分非重载通道的运量至重载通道，研究了重载通道吸引区域的扩展方法，使得重载通道的能力利用到达最佳化。（4）以大秦线重载通道为例，对相关吸引区域进行了实例分析。 二、将车流走行径路的可选择性、线路的能力限制以及重载通道的端点换重情况纳入优化过程，分别构建了径路可选择的装车地直达优化模型和限制端点换重的装车地重载直达优化模型。针对模型规模随车流数目增加而急剧扩大且求解困难的特点，本文运用蚁群算法对模型进行求解，并以大秦铁路重载通道相关路网为背景做了实例计算。计算结果验证了模型的合理性和算法的有效性。 三、在装车地直达重载化方面，分别考虑了装车地位于重载通道和普通线路两种情况，构建了三种考虑换重影响的装车地直达优化模型。分别为：（1）装车地位于重载通道上，而始发长程车流部分经过重载通道，存在着一次减轴作业的可能，如何优化确定按照低牵引定数编组，还是以换重作业为代价开行部分区段的重载列车，是该模型的主要特点；（2）装车地位于非重载通道，而卸车地在重载通道上，始发长程车流可能进行一次补轴作业，该模型主要研究列车在途中换重的合理性；（3）装车地和卸车地均在非重载通道上，重载通道位于二者之间，长程车流在途中可能进行一次补轴作业，也可能同时进行补轴和减轴两次作业，模型中考虑了更多的实际因素。 四、从物流成本系统优化的角度研究装车地车流组织问题，考虑客户的利益，在物流系统的思想下分析货物收、发过程中的库存成本及消耗，实现铁路服务成本和客户成本的有机统一。以发货方生产、收货方消耗均匀连续为前提，构建了加载客户库存成本的装车地重载直达优化模型。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 铁路装车地直达研究现状

1.2.2 重载运输发展及研究现状

1.3 主要研究难点

1.4 本文研究思路

1.5 本文研究内容

2 装车地直达运输与重载运输基本组织原理

2.1 装车地直达列车的基本理论

2.1.1 装车地直达列车的概念与分类

2.2.2 组织装车地直达列车的作用和意义

2.2 装车地直达与非直达列车的关系研究

2.3 重载运输的主要组织形式

2.3.1 单元式重载列车

2.3.2 整列式重载列车

2.4 重载运输的组织特点

2.5 装车地重载直达运输的组织条件

2.5.1 组织重载直达运输的技术设备条件

2.5.2 组织重载直达运输的车流条件及能力要求

2.6 本章小结

3 基于广义最短径路的重载通道车流吸引区域研究

3.1 最短路径算法

3.2 里程最短下的运输通道吸引区域算法研究

3.3 大秦线吸引区域分析

3.3.1 大秦线湖东～柳村南段吸引区域研究

3.3.2 大秦线湖东～高各庄段吸引区域研究

3.3.3 大秦线湖东～段甲岭段吸引区域研究

3.3.4 大秦线湖东～蓟县西段吸引区域研究

3.3.5 大秦线柳村南～高各庄段吸引区域研究

3.3.6 大秦线柳村南～段甲岭段吸引区域研究

3.3.7 大秦线柳村南～蓟县西段吸引区域研究

3.4 综合费用最小化下的重载通道吸引区域

3.4.1 综合费用的定义及分类

3.4.2 综合费用最小的数学描述

3.4.3 综合费用最小化下的吸引区域研究

3.5 本章小结

4 线路能力约束对重载通道吸引区域的影响研究

4.1. 非重载通道能力限制下的流量转移

4.1.1 利用阻尼系数法进行流量转移

4.1.2 阻尼系数的模糊确定方法

4.1.3 利用先到先满足法和重要性法进行流量转移

4.1.4 非重载通道向重载通道的流量转移

4.2 重载通道能力约束条件下的吸引区域研究

4.3 重载通道负荷最佳化下的超范围流量吸引

4.4 重载通道扩能的潜在吸引区域

4.5 基于吸引区域的重载基地车流组织合理性研究

4.6 本章小结

5 一般装车地直达优化原理

5.1 装车地车流组织费用体系分析

5.1.1 装车地作业过程消耗

5.1.2 运行途中作业过程消耗

5.1.3 卸车地作业过程消耗

5.2 一般装车地直达列车编组计划优化模型

5.2.1 装车地车流组织方案分析

5.2.2 相关参数设定

5.2.3 一般优化模型的构建

5.3 阶梯直达列车组织及开行方案优化研究

5.4 本章小结

6 装车地重载直达优化模型研究

6.1 径路和技术站编组计划确定下的重载直达优化模型

6.1.1 决策变量和参数定义

6.1.2 建立模型

6.1.3 线性化处理

6.1.4 模型规模说明

6.2 考虑径路选择的重载直达优化模型

6.2.1 决策变量与参数定义

6.2.2 建模过程

6.3 考虑重载通道端点换重的重载直达优化模型

6.4 本章小结

7 基于蚁群算法的P_LTFP模型优化求解研究

7.1 模型复杂性分析和蚁群算法简介

7.2 蚁群算法的基本原理

7.3 P_LTFP模型求解分析

7.3.1 模型的解构造图表示

7.3.2 一类解构造图问题的蚁群算法求解过程分析

7.3.3 P_LTFP优化模型的解构造过程

7.3.4 信息素的更新

7.3.5 改进算法

7.4 实例分析和仿真计算研究

7.4.1 路网结构说明

7.4.2 相关车流及其参数数据

7.4.3 相关车流直达方案预处理

7.4.4 重载直达优化模型的构建

7.4.5 基于蚁群算法的模型仿真求解

7.4.6 算法特征分析

7.5 本章小结

8 考虑换重影响的装车地直达优化模型扩展

8.1 存在一次减轴作业对直达方案的影响分析

8.1.1 决策变量与相关参数的设定

8.1.2 目标函数分析

8.1.4 约束条件说明

8.1.5 完整模型的建立

8.2 存在一次补轴作业对直达方案的影响分析

8.2.1 区别分析

8.2.2 模型的构建

8.3 补轴和减轴同时存在对直达方案的影响分析

8.3.1 区别分析

8.3.2 模型的构建

8.4 本章小结

9 基于物流成本的装车地重载直达优化模型

9.1 从物流成本角度研究装车地重载直达优化问题的提出

9.2 相关的物流库存成本分析

9.3 库存成本在模型中的加载

9.3.1 前提假设

9.3.2 决策变量及相关参数说明

9.3.3 基于物流成本的目标函数修正

9.4 模型构建及特征分析

9.5 算例分析

9.6 本章小结

10 结论与展望

10.1 本文的主要研究内容和结论

10.2 本文的主要创新点

10.3 需要进一步研究的问题

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

作者简历

攻读博士期间参与的科研项目