（交通运输规划与管理专业论文）铁路编组站分阶段发展优化研究.pdf

摘要 摘要 在铁路编组站的规划设计过程孛，理应根据铁路运量增长和编组站运营需 求，有计划、有步骤地设计和建设初、近、远期工程，以- 节省投资，减少浪费。 因此，对编组站分阶段发展优化设计的研究，将为编组站设计、建设及改扩建 方案的选择提出理论思路，在保证编组站能力与运输需求和经济发展稿适应等 方面指导实践。 本文首先在概述国内外铁路编组站发展规划现状的基础上，对编组站系统 构成进行分析，明确了编组站内部单项设备的能力计算方法，研究解决了系统 内部子系统闻能力的协调问题，并提出了运输能力不能满足需求时常用的能力 加强措施。 以上述基本理论为基础，本文针对编组站分阶段发展优化设计需解决的问 题，结合编组站分盼段协调发展般觏律，从路网车流组织优化和编组站运营 费用优化两方面，建立了编组站分阶段发展双层规划模型。初步建立了适应路 网发展和运输能力要求的编组站分阶段发展优化设计方法。随后，本文对模型 提出了可行的求解思路，并对相关参数的取褥方法进行了较为详缨的探讨。 最后，本文应用上述模型对抗州铁路枢纽乔司编组站的分阶段发展规划方 案进行了研究，表明该模型具有一定的应用可行性。 关键词：铁路编组站，分阶段发展，优化，模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sr e c o m m e n d e dt h a tas y s t e m a t i cw a ys h o u l db et a k e nt ob u i l da n dd e s i g na m a r s h a l l i n gs t a t i o ns t e pb ys t e pi na c c o r d a n c ew i t ht h eg r o w i n go ft h et r a f f i cv o l u m e o nt h er a i l w a yn e t w o r ka n dt h ee x p e c t e dc a p a c i t yo ft h es t a t i o n , a si nt h i sw a y , t h e s u i t a b l el a y o u tc a nb es e l e c t e df o re a c ht r a n s p o r t a t i o nd e m a n dl e v e ls ot h a te x c e s s i n v e s t m e n tc a l lb es a v e da n du n n e c e s s a r yw o r kc a nb er e d u c e d u n d e rs u c h c i r c u m s t a n c e s ，t h i ss t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs t a g e dd e v e l o p m e n to f m a r s h a l l i n gs t a t i o n sw i l ln o to n l yp r o v i d eat h e o r e t i c a lw a yf o rt h el a y o u ts e l e c t i o n , b u ta l s os e r v ea st h eg u i d a n e eo ft h es t a t i o nd e v e l o p m e n ti nk e e p i n gt h ec a p a c i t yo f t h es t a t i o ni np a c e 、黼t ht h et r a n s p o r t a t i o nd e m a n da n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l ef i r s to fa l lr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to f m a r s h a l l i n gs t a t i o n sa th o m e a n da b r o a d 。t h e n ，t h es t r u c t u r eo ft h em a r s h a l l i n gs t a t i o nw a sa n a l y z e d , t h em e t h o d s o fc a p a c i t yc a l c u l a t i o nf o re a c hm o d u l ew e r er e a f f i r m e d ，a n dw a y so fc a p a c i t y s t r e n g t h e n i n gf o re a c hm o d u l ea n dc a p a c i t yb a l a n c i n ga m o n gt h es u b s y s t e m sw e r e e x p l a i n e d 。 w i t ht h ea b o v em e n t i o n e dt h e o r i e sa n dr e l a t e d p r i n c i p l e s ，a b i - l e v e l p r o g r a m m i n gm o d e lw a sb u i l tw i t ht h ea i mo fo p t i m i z i n gt r a i nf l o wo r g a n i z a t i o n so n t h er a i l w a yn e t w o r ka sw e l la st h ev e h i c l eo p e r a t i o n si nt h es t a t i o n ，w h i c hp r o v i d e d a no p t i m i z e dm e t h o dt od e a lw i t ht h ep r o b l e m si nd e s i g n i n gt h es t a g e dd e v e l o p m e n t o fam a r s h a l l i n gs t a t i o n p o s s i b l es o l u t i o n so ft h i sm o d e la n dw a y st oo b t a i nt h e p a r a m e t e r sw e r ea l s od i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e i nt h ee n d ，t h es t a g e dd e v e l o p m e n to fq i a os is t a t i o n si nh a n g z h o ur a i l w a y h u bw a sd e s i g n e dw i t ht h em o d e la sac a s et oi n v e s t i g a t ei t sf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：r a i l w a ym a r s h a l l i n gs t a t i o n ，s t a g e dd e v e l o p m e n t ，o p t i m i z a t i o n ，m o d e l i 重 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 丛珥毽 枷年多月小e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：梦磋 j 琊年多月l6 日 鹅1 章引言 1 。 研究背景 第1 章引言 铁路编组站是铁路运输的基本生产单位，是路网中车流的主要集散点，素 有货物列车酶“制造工厂挣之称。它对铁路运输生产、对枫车车辆周转帮赞携 送达起着极其重要熟作焉。在一般情况下，其作业量是隧饕铁路运量的增长蔼 逐步增长的。因此，按照路网发展规划和该编组站在路网中的地位和作用，根 据运量增长和运营需求i 近远结合，以近为主，统筹规划，有计划、有步骤地 设计和建设餐、近、远麓工程，使编组站静规模始终襄其所承担酶律鼗量糨适 应，满足社会运输和经济发展的需求。这一指导思想己经贯穿于我国较大部分 新建的编组站中，使我国新建的编组站的建设基本上形成了一个共同的规律， 郄都是默小妥大，分阶段发展起来的。 编缀站分阶段发展的主要工作是编组站各阶段规模的确定、布置翻阉型的 选择及技术设备合理数量的确定。其主要任务就是根据规划期内的预测车流量 的大小，确定具有合理改编能力的编组站站型。由于编组站的建设工程爨大， 投资多，髑翥长，若艇模选择不当，不仅会绘嚣家造藏基大浪费，同时会影响 到路嘲上其它编组站的功能和作业。因此对编组站分阶段的发展应该进行多角 度的论证，确保所选择编组站项嗣在实旄中能够最大限度地满足投资者爨标。 盎予编组靖规划工俸影响因素多，关系复杂，量翦主要是逶过定性分析完 成，即依靠工俸入员的知识和经验进行确定，缺乏有效的规划模型。随藉现代 数学方法和计算机技术在各个工程领域中的普遍应用和不断推广，势必簧对编 组站的建设和发展在现阶段出现的薪阕题、新情况给予清楚的认识翻合理的评 价，并将新麓设计方法和原则耀予编组嚣黧建设帮发震中去。 。2 研究曩的及意义 本论文拟在对编组站系统能力、作业组织等方面进行系统地分析，针对编 组站分阶段发展优化设计需解决的问题，借助数学方法构建编组站分阶段发展 第1 章引言 的优化设计模型，提寤可行的规划思路，为研究编组站合理的分阶段发展设计 方案提供借鉴。 编组站分阶段发展规划的研究可以为编组站设计、建设及改扩建方案的选 择提出一般理论方法，在解决编组站设备能力问题，减少改、扩建工作对正常 运营鹩干扰及废弃王程的可能镶，合理确定分阶段发展过程中的发展阶段数曩 及相应的投资数额，保证编组站发展速度与需要能力速度相适应等方面指导实 践。 1 3 主要研究内容 本论文主要由以下部分组成： ( 1 ) 编组站相关理论概述，包括论文的第2 章、第3 章。在充分分析国 内外铁路编组站发展规划概况的基础上，针对我国编组站建设过程中存在的问 题，从系统工程的角度出发，对编组站系统构成进行分析，明确了编组站内部 单顼设备的能力计算方法以及能力加强的一般途径。 ( 2 ) 编组站分阶段协调发展规律，即论文的第4 章。结合编组站发展需求 特点提出了分阶段发展需要解决的主要问题，即编组站合理的发展阶段数目的 确定和含理的发展方案穿列的选择。 ( 3 ) 编组站分阶段发展优化模型设计，即论文的第5 章。分析编组站分阶 段协调发展相关影响因素，确定优化目标，从路网车流组织优化和编组站运营 费用优化两方面，建立了编组站分阶段发展双层规划模型。随后对模型提出了 可行的求解愚路，并对相关参数的取得方法进行了较为详细的探讨。 ( 4 ) 编组站分阶段发展实例研究。即论文的第6 章。以杭州铁路枢纽乔司 编组站为例，运用前述模型进行了发展方案选择的实证分析。 2 第2 章囡内外编组站发展情况概述 第2 章国内外编组站发展情况概述 2 。1 国外编组站发展概况 二十世纪五十年代以前，经济发达国家随着各国铁路网的陆续建成，大量 和普遍建设各自的铁路编组站。先后建成的编组站多达3 0 0 0 余处，广泛分布在 主要车流集散地。傻由于缺乏科学和统一的规划，显受当时铁路科技水平的限 制，编组站布局和分工不尽合理，车站设计和作业组织都比较落后，改编作业 量较大( 每昼夜1 0 0 0 辆以上) 的主要编组站只占3 0 左右，难以充分发挥编组 站应有的功能。 进入二十世纪玉十年代以来，随着社会经济的发展，运量急剧增长，各种 交通运输方式蓬勃发展，为了提高铁路运输的竞争力和吸引力，各国不得不对 编组站的发展设计进行优化研究，采取了一系列改造措施，并注重了新技术、 新设备的引进和使用，从而在若干小型落后的编组站基础上形成了现代化的大 型编组站。这些编组站建设与发展的共性主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 编组站由一般采用的双向布置图型向单向布置图型发展，且多采用二 级式站型，以发挥其作业集中、无交换车、成本低的优势，同时节省了工程费 用和占地面积，提高了编组能力。 表2 1 各主要国家编组站分类数量表 国家统计数 单向编缝站数 双向编组站数 缀二缀三级小嚣一级二级三级小诗 美国 3 181 l62 5o246 前苏联 5 71 8873 3o71 72 4 英酲 1 9 王271 0 0 4 59 法国 2 52 1 28 2 21203 日本 1 12 3 51 00oll ( 2 车场设置较多的殷道以提高编组站的作业效率。到达场和出发场股道 数量一般在8 1 0 股及以上，调车场股道数量般均在3 2 股以上，4 0 6 0 股的占 较大比重。调车线有效长一般较短。如美国编组站的调车线长度多为到发线有 第2 章国内外编组站发展情况概述 效长的二分之一或三分之一，满足车流去向多，分组数多的特点。 表2 2 各主要国家编组站股道数表( 单位：条) 国家到达场出发场调车场。 最少最多 最少最多 最少最多 美国 81 572 23 59 0 前苏联 51 2 、 41 22 24 0 英国 91 0 81 04 05 0 法国91 091 41 63 2 日本5951 03 23 5 ( 3 ) 提高改编能力的主要措施是：实现驼峰自动化，采用驼峰双溜放；增 加调车场、到发场股道数量；实现调车场尾部编组列车现代化和自动化。目前 主要编组站已基本实现自动化作业。改编作业量较大的编组站( 一般每昼夜改 编作业在6 0 0 0 8 0 0 0 辆) 都设有机械化或自动化驼峰。 ( 4 ) 电子学、控制理论和电子计算技术新成果己越来越多地应用在编组站 的日常管理工作中，编组站的作业效率、作业安全质量和作业条件将得到进一 步的综合提高和改善。 近年来，世界各国铁路都非常重视编组站分阶段发展设计优化的研究工作， 并取得了很大进展。很多国家把铁路编组站分阶段发展设计优化工作作为编组 站扩能的一项重要措施，和编组站设计过程中一个不可缺少的步骤和内容。如 俄罗斯在设计编组站各部分设备时，依据运量的计算年度确定了几项原则，其 中一项为在满足运营需要的前提下，尽可能地分阶段逐步建成编组站，使基建 投资发挥最大效益，设计时应留有发展余地，以便规划好远期发展规模和用地 范围等等。 2 2 我国编组站发展规划的现状和问题 新中国成立以来，为适应国民经济发展和巩固国防的需要，我国铁路建设 有了很大发展，编组站的建设也随之取得了重大的成就。首先，新建和扩建了 一大批编组站，改变了旧中国铁路编组站存在的数量少、规模小、设备落后、 布置不合理、分布不均衡、作业效率低、安全条件差等基本问题。至2 0 0 2 年， 4 第2 章国内外编组站发展情况概述 我国铁路共有4 9 个编组站f l l ，如表2 3 。其中路网性编组熬1 5 个，占3 0 6 ； 区域性编组站1 7 个，占3 4 7 ；地方性编组站1 7 个，占3 4 7 。这些编组站为 完成历年来不断增长的车流组织任务，作出了重大贡献。 表2 。3 我国铁路编缀站汇总表 遗区路蜀 数量路鬻性编组站 区域性编缀站地方性编组站 哈尔滨 4 哈尔滨南三间房，哈尔滨牡丹江 寐北 沈阳 7 沈阳两、沈阳南、四平 长春、通辽南、 出海关梅河瑟 蠢艺京5丰台强、器家庄南仓、大曩西太原j 艺 华北 呼和浩 l 包头西 特 济南 3 济南瑗、徐州北青岛西 土海 7 嘉絮、南京东、琵出门、来舟、 华东 卑阳北乔司、淮南西 南昌l魔潭 郑州 7 郑州北、襄樊北江岸西、武昌南、安康东 鼹安东、宝鸡东 中南广舞 5 株渊北囱塘西、衡阳芤、怀纯南 广州北 柳州 l 柳州南 嚣筑兰州 3 兰： | 西迎水桥、武威蔫 鸟鲁木 l 乌鲁木齐遴 齐 西南成都3 成都东、贵阳南、 重庆嚣 昆明1昆明东 合计 4 91 51 71 7 其次，在全路重要枢纽地区建成一批能力强大的路刚性编组站，为保证全 路重要枢纽及其联结的主要干线的畅通，发挥了重要作用。我国铁路的重要枢 纽有：北京、郑州、徐州、沈阳、株洲、哈尔滨、济南、石家庄、上海、山海 关、南京、襄樊等处，这些枢纽，一般有3 - 4 个及以上主要于线雩；入，到达、 始发和通过的车流都很大，日均办理车大部分超过1 0 0 0 0 辆，日均改编车6 0 0 0 辆以上。为满足这些重要铁路枢纽及其联结线路方向车流组织的需要，在这些 第2 章国内外编组站发展情况概述 枢纽地区已经先后建成规模较大、布置合理、设备先进、能力强大的现代化路 网性编组站。如郑州北、徐州北、石家庄站都采用双向三级式站型，股道较多， 规模较大，并设有自动化或半自动化驼峰，办理能力接近或超过2 万辆日，改 编能力接近或超过万辆。 表2 4 所示为各编组站布置图型的选择情况。总体来说除运量较大、条件许 可的路网性编组站优先选择纵列式站型外，其余编组站以单向混合式站型居多， 以发挥其效率高、用地省、作业灵活的优点。 表2 4 全路编组站采用布置图型统计表 类型纵列式混合式横列式 调车系统双向单向双向单向双向单向 级 333322222l1l 场65 4 365443 4 32 车站数 8l54l35l l 5 222 比雷1 8 4 1 8 4 1 8 4 3 2 7 4 】8 2 第三，在全路的大宗货流的产生和消失地，已逐步建成一批规模、能力较 大的工业、矿区、港湾编组站，成为组织始发直达列车的基地，为发展和促进 铁路运输直达化创造了有利条件。 我国铁路的大宗货流，主要是煤炭、矿石、钢材、木材等，这些大宗货流 一般都在钢铁联合企业、煤矿、铁矿、港口产生和消失。为了组织直达运输以 加速车辆周转和货物送达，同时为工厂、矿区和港口货车作用服务，已逐步建 成一批工业编组站和港湾编组站，这些车站一般可达到7 0 0 0 - - 8 0 0 0 辆日的办理 能力和3 0 0 0 , - , 4 0 0 0 辆日的改编能力。 第四，- 编组站的调车设备有了长足发展，全路已建成一大批现代化驼峰， 从而大大提高了编组站的改编能力，改善了调车作用安全条件，减轻了调车人 员的劳动强度。 第五，编组站使用的调车机车和站内通信设备现代化有了很大进展，货车 信息管理自动化有了突破性进展，为全路实现运营管理自动化逐步奠定了基础。 总之，我国铁路新建和改建的编组站，多数站型选用恰当，平面布置紧凑， 纵断面设计合理，近年来装备日益先进，改编能力逐步增强，从而为高效完成 全路货物运输任务，加速车辆周转，做出了重大贡献。部分编组站的设计和建 6 第2 章网内外编组站发展情况概述 设达到了国内外先进水平。但是，由于编组站的建设与改造是一项投资大、时 闻长、范围广的系统工程，涉及面广，影响因素多。因而在我国编组站发展过 程中，也反映出了一些问题有待解决： ( 1 ) 对于既有编组站来说，由于形成时闻较长，随着国民经济的发展、所 在城市的建设和铁路露的变化，过去规划静结果已越来越不戆满足今天编组站 发展的需要，应对戴规模和等级重新进行科学、合理的研究。 ( 2 ) 编组站的改扩建项目缺乏整体的统筹的考虑。不少编组站存在内部子 系统及与新衔接线路的能力不协调闻题。如站内列车到发系统的通过能力与调 车系统的改编能力不匹配，驼峰、调车线、牵出线作业能力互不匹配等问题。 这从整体上也制约了编组站的通过能力和改编能力。 ( 3 ) 编组站建设和发展缺乏长远全面的总体规划。各个编组站的建设往往 存在不同程度的“各自为战 的现象，缺乏较长远的、全面的总体援划，以致 造成全路编组站建设规模、建设时机和铁路运输的发展与运量的增长不够合拍， 编组站综合能力不能适应运量的发展要求。 因此，如何根据编组站的位置、作用，运量增长，运营需求以及未来路嬲 和引入新线情况，统筹安排，使编组站发展速度与需要能力增长速度相适应， 不断提高各个编组站设备能力水平，以适应经济发展的需要，是编组站分阶段 发展需要解决的，也是值得进一步研究的核心闻题。 7 第3 章编组站系统分析 第3 章编组站系统分析 3 | l 编组站布置图壅 编组站车场、调车设备和其它各项设备相互位置不同，可构成不同的配置 图型，分别满足不同层次的解编能力需求。其中以四种站型：单向横列式一级 三场、单向混合式二级四场、单向纵列式三级三场和双向纵列式三级六场为站 规推荐的编组站建设和改造的基本图型 表3 1 编组站布置圈型表 站型解编俸业采用条件 量( 辆日) 双方向改编车流较均衡、勰编作业量不大或地 横列式一缀三场 3 2 0 0 - - 4 7 形条箨困难、远期又无大发展豹中小燮编组站， 也可作为其它大中型编组站的过渡网型 单向解编作业量较大且顺驼峰方向作业量占较大比 混合式二级四场 4 5 0 0 一5 2 耋熊，或地形困难的大中型编缀旗 顺驼峰方向改编车流较强，解编作业登大，衔 纵列式三级三场 6 5 0 0 - - 8 0 0 0 接方向较多的大型编组站 双向纵歹| 式三级六场1 4 0 0 0 一1 6 0 0 0双方向解编作业鬣大的大型编组站 此外，还有一些在上述基本图型基础上馆必要修改的派生图型，如单向二 级三场、三级四场、三级五场，双向二级六场等，以适应不同的车流特点和地 形条件。 编组站布置图的选择是编组站设计工作中最基本和最重要的环节。圈型选 择是否适当，不仅崖接影响工程投资的大小和编组站运输任务的完成质量，而 且对其未来发展、城市规划和当地经济发展都有很大影响。 图型选择涉及的因素很多，如编组站在路网枢纽中的地位和作用，衔接线 路的方向数，按路阏规划编组站分工所承担的作业量和作业性质，工程地质条 件，所在城市的经济地位和发展规划，编组站的作业特点以及原有设备可以利 第3 章编组站系统分析 用的程度等等。在上述诸因素中，作业量是髓铁路运量的增长面逐年增长的， 因此在选择编组站布置图型以及进行设计和建设时，必须注意远近结合，统筹 规划，兼顾运营和正程两方面的要求，因地制宜地选择运营方便、技术先进、 l 节省投资并能照顾将来发展的编组站布置图型。 3 2 编组站系统构成m 铁路编组站可以根据系统论和排队论的观点及车剜作业过程，分为三个裰 互联系的子系统，a p n 解子系统，编组子系统和出发子系统，各个子系统都具 有排队系统的基本组成部分即输入流、服务机构和所遵循的排队规则。以三级 三场编组站为例，其撵队系统的图解如图3 1 所示： 瓢解予系统编组子系统出发子系统 图3 1 编组站率列作业排队服务系统示意图 番予系统分褥热f # ( 1 ) 到解子系统 到解子系统自列车由区间到达时起，经过列检、推峰至车列解体完毕为止。 可视力二级串联排队服务系统：第一级为列检服务系统，列检组是服务员，列 检作韭时闻为服务时闻。改编列车到达时，若有空闲筋列裣组，则立郎进行列 检作业：若列检组不空，车列( 或列车) 必须在到达场或进站信号机外排队等 待。当有几个列检组时，可视为多通道排队服务系统。 第二级为解体服务系统，驼峰为服务员，车捌解体时闻为暇务时闻。列检 作业结束后，若驼峰空闲，可立即上峰解体；若驼峰不空，车列需在到达场排 队等待。当驼峰作业实行双推单溜作业组织方式解体时，可视为单通道排队服 9 第3 章编组站系统分析 务系统。 ( 2 ) 编组子系统 编组子系统包括车列自驼峰解体后，经过集结、编组形成新的车列的过程。 该系统的服务员是尾部牵出线和调车机车，服务时间是车列编组和转线时间。 车列集结完了时若牵出线调枫空闲，剃立即进行编组；若牵出线调机不空，则 车列在调车线上排队等待。当峰尾设多条牵出线并配有多台编组用调机作业时， 可视为一级多通道排队服务系统。 ( 3 ) 出发子系统 出发子系统由车列自调车场牵出( 中转列车为接车) 时起，经列检后向区 间出发时止。可视为二级排队服务系统，第一级为出发列检服务系统，列检组 是服务员，列检作业实际为服务时间。编组车列或无调中转列车进入出发场时， 若有空闲的列检组，则立即进行列检作用；否则，车列( 或列车) 必须在出发 场或进路信号机外方排队等待。当有几个列检组时，可视为多通道排队服务系 统。 第二级为出发激务系统。列检作监结束薏，若当时区闻内有运行线并有本 务机车，则列车可立即发往区间；否则须再出发场排队等待发车。这里的服务 员是各个出发区间，服务时间是往各出发区间的发车间隔时间。当出发场衔接 几个方向时，可视为多个单通道排队服务系统。 = 窿编组站改编豹列车，需颓次经过上述三个子系统，完成到达、解体、集 结、编组和出发等作业。各个予系统在实际工作中是密切相关的，编组站的最 终能力决不是单个设备能力的简单叠加，而是它们在运输过程中协调配合产生 的一秘综合能力。因此要想傻编组姑充分发挥作用，应旗系统豹角度去观察、 分析和协调好各子系统的作用。若某个子系统已不能适应作业量变化的需要而 成为薄弱环节，影响了编组站整体效益的发挥，则应考虑对该子系统进行改扩 建。 铁路编组站在路嬲系统中，也是一个属于更大系统的予系统，同样需要与 其它设施和部门形成良好的分工合作关系。当编组站已不能适应路网运量的变 化时，也应考虑对该编组站的改扩建。 l o 第3 章编组站系统分析 3 3 编组站能力的确定和能力加强的途径 无论是新建车站还是运营中的既有站，都应可通过计算其通过能力和改编 能力来检查该站是否能满足干线运量要求，并可找出设备和作业组织中的薄弱 环节，以便及时加强和改造。本节将分述编组站各项设备能力的确定方法。 3 3 1 编组站通过能力的确定 ( 1 ) 到达场到发线通过能力【i 】 到达场的主要任务是保证完成车列解体前的技术准备工作和不间断地自区 间接入解体列车。到发线通过能力( 到达能力) 是指驼峰能力、列检能力、列 车到达间隔与作业时间分布规律等一定的条件下，按照不问断接车可靠性的要 求，到发线一昼夜可能接入的最多列车数。由于列车到达的不均衡性，在一昼 夜的繁忙期，到达场可能满线，乃至延误一部分列车的接入。而在非繁忙期内， 又可能出现到达场内线路空闲，没有列车占用。因此计算其通过能力时应考虑 一定的空费时间。一般计算公式为： 挟：! ! 二型! 竺塑二型 ( 3 1 ) 刀蛩l 迭2 一= = = ：竺曼= 一 lj lj 钿占 其中力蛩i 达到达场到发线的通过能力，列； 煽到达场到发线的空费系数。即到发线未被利用的空闲时间与货物 列车占用线路的总时间之比。经验公式为： y 空= 0 2 0 3 0 0 1 2 m 重j + o 0 0 0 2 4 n 峰+ 0 1 6 3 v 到 y 鞫列车到达间隔的变异系数。根据数理统计，在一般情况下，到达 场衔接三个及以下方向时可取0 7 5 o 8 ，均值0 7 7 5 ，四个及以上方向时，取 0 8 5 0 9 0 ，均值0 8 7 5 ； m 驯扣除本务机车和调车机车走行线之后，到达场可用于办理列车 技术作业的线路数： 自接发旅客列车、定时取送车辆等固定作业占用到发线的时间， m i n ： f 剥占到发线利用程度达到饱和时每列解体列车平均占用到发线的时 间，m i n ，包括到达、解体技术作业占用到发线的时间和车列在到达场的等待时 第3 章编组站系统分析 间。 x 。 由于对一个具体车站，嘲、厶钿是确定值。技术作业平均占线时阆基本服 从正态分布，可通过统计或查定取其平均值。因此如何正确确定在与通过能力 相对巍的行车量情况下，列车的占线时间主要是待检、特解时闻) 和线路空 费系数的合理值，是到达场到发线逶过能力计算的关键。关于待检、待解时间 的讨论见5 2 4 。 ( 2 ) 出发场到发线通过能力【l 】 出发场( 含与其并列的通过场) 一端连接调车场尾部牵出线( 或联络线) 及外包调车场的站内正线，另一端连接各出发区段。其主要任务是正确及时地 完成车列出发前的技术准备工作，保证不间断接入中转列车和按运行图规定的 时刻发车，同时保证繁忙期间能从调车场不问断转入编成攀列，及时漓空调车 场线路，为驻峰的正常解体作业创造条件。 出发场的作业也经常是不稳定的，其客观因素是编成率列自调车场转入及 中转列车自区间到达的不均衡性。在一昼夜的繁忙期，出发线将会满线，乃至 延误一部分列车的接入或转入。两在菲繁忙期内，又会出现出发场志线路空阕， 没有歹| j 车占用。因此计算其通过能力时同样应考虑一定的空费时间。具体计算 可采用式3 2 ： ：璺二堕型兰堕二堂)嚣嘲餐= 。= o 二= o 二一 kj 。z ， “ f 发占 其中枯出发场到发线通过能力，列； m 静扣除本务机车及谰车机车走行线后，出发场可以用于办理技术 作业的线路数； 砖出发场线路的空费系数： 瑶七到发线利用程度达到饱和时，每列出发列车平均占用到发线时 闻，r a i n ，包括出发技术作进占线时阆和列车在焉发场的等待时间。 对一个具体车站，m 发、0 是确定值。技术作业平均占线时间基本服从 正态分布，可通过统计或查定取其平均值。而列车的占线时间( 待检、待发时 间) 和空费时问与很多随机因素有关，因此如何正确丽简便地推算出在定条 件下到发线通过能力利用程度达到饱和尚能保证出发场正常工作时的列车待发 和线路空费时间的合理值，是计算出发场到发线通过能力的关键。关于待检、 1 2 第3 章编组站系统分析 待发时闻的讨论见5 2 。4 。 ( 3 ) 编发线通过能力 1 9 9 1 年站细规定，编发线的发车能力按式3 3 计算： 露撞譬：! ! ：毽! ! ! 竺竺塑蕉二鱼：! ( 3 3 ) 美2 _ 黧瞄 j j ， l 绽发 其中m m 发编发线数量； 赡编发线空费系数，可取o 1 5 o 2 0 ； 缘发列列车平均占用编发线的时闻，m i n 上述公式只适用于车列在本线集结本线发车的情况。实际作业中编发线的 固定使用方案是多种多样的，故此计算方法有一定局限性。 3 3 2 驼峰解体能力【4 】 驼峰解体能力是在既有技术设备、作业组织方法及调军机车台数条件n 一昼夜能解体豹货物列车数或辆数。该能力与峰项配备的机车台数及作业组织 方式有誊接关系。 方案i ：当驼峰上使用一台机车进行单推单溜作业时，驼峰解体能力朋舻按 下式计算： 雅嚣：盟驾攀 ( 3 4 ) 式中y 萎空费系数。由予列车到达不均衡、作业间不协调等原因所引起 的驼峰无法利震的空费时闻占一昼夜时间的纥重，可取0 0 3 0 ，0 5 ； 辔固定作业占用驼峰的总时间，m i n ： 嗤磬采用单推单溜作业方式解体一个车列平均占用驼峰时间，r a i n ： 方案i i ：当驼峰上使用两台机车进行双推单溜作业时，驻峰解体能力嚣篙按 下式计算： 以嚣硼一刮( 1 4 4 0 觯- z t 等 ) + 垫学 ( 3 5 ) l麓鑫解占l 式中f 嚣采用双推单溜作业方式解体一个车列平均占用驼峰时间，m i n 。 第3 章编组站系统分析 3 3 ，3 尾部牵出线编组能力【1 】 编组站调车场尾部编组能力是在既有技术设备、作业组织方法及调车机车 台数等条件下。一昼夜能编组的货物列车数或车数。用直接计算法计算调车场 尾部编组能力如式3 。6 ： n u ：螋掣 r i m ( 3 6 ) 2 - 芝譬二。 l j o ) ；绽 式中掰尾部配备的编缀调机台数； 昼夜编组的摘挂列车数； 9 妨碍系数； 平均编组一拿车列的时阂，m i l l ； 尝固定作业总时分 3 3 。4 各子系统能力的协调 编组站各子系统中存在着众多的相互作用关系，要怒使编组站充分发挥作 用，在其发展过程中始终需要对系统的能力进行协调，使所有生产环节( 或各 项技术设备) 的能力均处于合理负荷状态，形成最佳的编组站综合能力。 ( 1 ) 到解予系统的协调 在保证一定的接车可靠性的条件下，到解子系统能力协调的基本条件是一 昼夜驼峰解体能力和列检作业能力均应大于到达解体的列车数。一般情况下， 当需要接入的列车数一定时，驻峰解体能力愈小，可能排队待解的车列愈多， 则到达场需要的到发线数愈多。因此一方面，有必要适当增加到达场( 和到发 场) 的容量，以协调驼峰解体作业与货运解体列车到达的矛盾；另一方面，到 发线需要的逶过能力也不宣大手驼峰的解体能力丽浪费投资。假设驻峰采用单 推单溜方式，则到达一解体能力协调的量比系数氏鸵为： 氏驼= 等 ( 3 7 ) n f t 有关研究表明f l 稍，岛骢l 5 是合适的。 ( 2 ) 编组子系统的协调 当调车场有足够的线路供集结车辆使用时，编组子系统能力的协调主要是 1 4 第3 章编组站系统分析 驼峰和峰尾牵出线能力的协调。应使解体车辆集结完毕后能及时地编组并转往 逃发场，以保证驼峰不闻断地解体，不延误到达场的接车作业。其协调的基本 条件是一昼夜编组系统能力应大于由车站集结的自编列车数。 当解体能力和编组能力相差较多时，可采取调整措施，增减调车机台数， 灵活使用机车协劲编组，或重新分配峰上、峰尾的作业量，使解体和编组能力 都不浪费，达到相互协调的蜀的。 ( 3 ) 出发子系统的协调 出发予系统能力协调的基本条件是一昼夜该系统具备的发车能力应大于系 统需要的发车能力和列检能力。否刘，出发场线路将被待发列车所充塞，从而 号臆；编组系统乃至到解系统工作的停顿。由于牵出线与驼峰具有相近的性质， 要维持牵引编组作业与区间出发作业的协调，也必须适当增加出发场( 或到发 场) 的容量，以解决区间发车与牵出线作娩之嗣的矛盾。编组一出发能力协调 的量比系数y 缩发为： 如茨2 等 ( 3 8 ) 有关研究表明h 1 ，氏发1 4 是合适的。 3 3 5 能力加强的一般途径 当编组站现有运输能力不能满足需求时，则需要对编组站进行能力加强的 改造，如图3 2 。首先可考虑采用相应的技术组织措施，其优点是可以节省姿金， 优化车站组织，提高运营效率，并且在编组站发展的任何一个阶段都可以采用。 缺点是实际扩能效果有限。 第3 章编组站系统分析 能力 ( n ) n s n 2 n s n o 0 ( c ) 图3 2 能力加强途径示意图 当采取技术组织措施达不到所要求的能力目标时，则需要采用改扩建措施， 如增加驼峰或编尾牵出线调机，铺设第二推送线或溜放线，增设车场线路等。 一般能够比较有效地加强车站内部薄弱环节。 改变编组站的站型( 改变车场相对位置、铺设新的车场等) 或实现调车设 备现代化的措施，能明显提高编组站的能力。但同时会引起较大的投资和工程 量。 1 6 第4 章编组站分阶段协调发展规律分析 第4 章编组站分阶段协调发展规律分析 4 1 编组站分阶段发展需求特点 对于新建铁路线，铁路运量呈慢速、渐进发展特征。一般情况下，铁路编 组站建成初期承担作业量不会很大。随着时间的推进和新线的引入，行经地区 及所在地区的工农业生产日益发展，铁路线路的运量也随之增加。铁路编组站 这种作业量的动态变化常用其设计近期、远期两个运量指标来反映若不受其 他环境条件制约时，编组站的建设原则是：设计规模按远期运量考虑；初期建 设依据近期运量需求先实施。 因此，我国绝大部分新建的编组站，都是从小到大，分阶段发展起来的。 在设计和新建编组站时，不仅要注意选择适合远期发展要求的合理布置图型， 而且要研究和确定编组站的分阶段发展方案。在车站建设刚一开始，就能够经 济地，一次拟就车站逐步发展的整套建设程序。即在车站建设开始，根据初期 运量要求及运量增长模型，确定车站的初期规模，并留有发展余地；随着运量 的逐步增长，在适当的时候，对车站进行适当的改造，以满足运输的需求；至 车站能力再次紧张时，就再一次进行改造。如此这般进行下去，按照设计有计 划、分阶段地进行车站建设。 4 2 编组站分阶段协调发展原理 编组站的发展阶段、运量曲线及车站能力关系图如图4 1 【3 】此图同时也反 映了编组站分阶段发展的一般过程。图中横坐标表示运营年份，纵坐标表示车 站能力( 通过能力和改编能力) 。 1 7 第4 章编组站分阶段协调发展规律分析 n n s n 2 n 1 n o 0 图4 1 编组站分阶段发展原理示意图 由图4 1 可知，编组站的每一个发展阶段结束时，设备的能力达到了一定水 平。当运量的不断增长使前一个阶段形成的储备生产能力( 图中的阴影部分) 逐渐减少到一定程度时，下一个发展阶段即可开始，以此动态满足运输需求。 对编组站进行分阶段发展规划的前提之一是编组站可以在发展初期就大致 确定其最终规模，无论多大规模的车站，其能力都不能无限制地扩大，它们都 是受土地与周围环境的影响而客观存在着最终的可能规模。这个最终规模可以 根据具体环境条件和本身发展可能性综合确定。 由于系统投资条件的限制，还必须确定对各发展阶段的最佳投资时机，这 种时机是指在确定编组站初始规模，或上一阶段的发展结束后，还必须寻找具 备何种条件( 运量水平与投资规模) 时才能对编组站进行下一阶段的扩能改造。 设备改造无疑会导致这段期间内编组站能力的减少，故各阶段的改建时机，理 论上应早于编组站能力的饱和年度，以缓和施工和运营的相互干扰，并保证改 建工程在能力饱和前交付使用。一般认为，编组站解编负荷达8 5 一9 0 时开始 改建为宜。 同时，由于区域网络中的车流在不同地点集散会有不同的车流组织结果， 故编组站的发展也应将该站放到所在区域路网中综合考虑。建设项目的选择应 该尽可能地使区域( 或路网) 车流组织优化，使车流的改编作业尽可能地在效率 高、车流集散的源汇地的编组站进行，从而达到各编组站能力得到最佳使用的效 果。 第4 章编组站分阶段协调发展规律分析 4 。3 编组站分阶段发展需要解决的主要问题 编组站由初始建设状态，经过若干阶段( 或步骤) ，发展到最终建设状态。 如果发展步骤过多，扩建间隔时间较短，将会影响车站乃至所衔接线路的正常 运输秩序，使车站陷入频繁改建的恶性循环；若发展步骤过少，必须会造成超 前投资，提前能力建设，使资金长期不能发挥效益。因此，确定合理的发展阶 段数目是编组站分阶段发展需要研究的问题之一。发展阶段的最大数目，应根 据具体的编组站扩熊嚣标确定。 编组站分阶段发展的实质，是分阶段扩能方案的实施。由于编组站在各个 发展阶段往往存在多种扩能措施的选择，而且各种措施的不同组合或合并，形 成车站分阶段发展的不同可能方案。考虑到不同方案的成本不同，而且车站前、 后阶段的扩能措施必须有效鬣接，以减少或避免废弃工程的出现。因此编组站 分阶段发展的主要问题之一便是确定扩能措施的合理组合，形成合理的发展方 案序列。 1 9 第5 章编组站分阶段发展优化模型研究 第5 章编组站分阶段发展优化模型研究 s 1 编组站分阶段发展优化模型构思 5 i 1 模型构思基础 ( 1 ) 编组站发展影响因素 编组站的分阶段发展涉及到很多方面的因素，既需要使站型的发展满足运 输能力不断发展的需求，又应将该编组站的发展放到区域网络中去考虑，考察 路弱车流组织效率的需要。同时还要从本地区继发，蹶应地区发展规划的需要 和地理条件要求，尊重政治、经济、社会发展的需要和运输组织传统。 ( 2 ) 编组站发展优化建模原则1 本次研究主罄是路网上某编组站的分阶段发展撬划的优纯阀题。对于选 定的编组站，应在该站现有建设舰模基础上，以保证经济效益和运行效率为前 提，合理拟定编组站分阶段发展方案，动态适应运输需求。一方面，不同的发 展方案往往意味着不同的建设规模，丽不同的建设规模将囊接带来不同的投资 水平和运营费用，编组站每阶段的发展方案，应尽可能因地制宣，避免不必要 的浪费；另一方面，由于路网上编组站的分工具有很高的关联性，某处编组站的 新建、自动化程度绒能力的变化会影响路网上其它编组站存在的意义和作用，所 以对编组站项雪的投资应当从路网整体优化的焦度进行论证。 ( 3 ) 编组站发展优化目标设定 综合考虑以上因素，本次研究将基于以下目标建立优化模型：从编组站微 观经济效益来说，要求编组站能以较小的投资支出和合理的作业成本满足运输 能力要求。从宏观角度看，编组站项目的投资应该使得整个路网的车流组织得到 改善，即大部分的车流都能在最有利的中转地点进行改编作业，并且各编组站 的能力得到较好利用。 为了研究方便本文仅放车流组织效率和经济效益的影响因素入手，帮对于 每个发展方案，从编组站改建投资、编组站运营费用和路网车流组织费用三个 方面进行评价。编组站改建投资主要与编组站的建设规模有关；编组站运营费 第5 章编组站分阶段发展优化模型研究 用中主要讨论经由本站的无调和有调车流在站内走行、停留和改编的费用；路 网车流组织费用指合理安排路网各编组站作业分工的费用，主要体现在各方向 车流在路网内的集结、中转和改编费用。 ( 4 ) 双层规划模型的选择 对于这样一种复杂的系统优化问题，存在着诸多的优化理论模型。例如， 可以采用传统的单目标规划方法，以车流组织费用或车站运营费用最小化为目 标函数，其余因素作为约束条件求解；也可采用动态规划的方法描述这种多阶 段的决策过程，各阶段的决策都是为了实现整个决策活动整体最优。但考虑到 以上两个目标不是独立的，而是相互影响的。当增加投资时，可能使车流组织费 用目标向有利方向变化，但投资费用目标却向不利方向变化，反之亦然。或者 说，各个技术站的建设规模与车流组织方案是相互影响的，不同的技术站建