（交通运输规划与管理专业论文）基于排队论与系统模拟的煤矿装车站系统能力分析.pdf

摘要 煤矿铁路装车站是煤矿生产的最后一环，也是煤炭进入流通销售 领域的第一个环节。准确评价分析煤矿装车站的能力对减少设备空费， 提高铁路全线运能，优化运输组织工作，缩短煤炭外运刷期，促进我 国社会经济发展意义重大。 。我国铁路车站能力的计算方法主要以传统的公式计算法和图解计 算法为主，以利用率计算为核心，缺乏对车站系统做整体考虑，作业 接续延误时间、空费系数都不好确定。本文研究的煤矿装车站是一种 货运站，其到达的不均衡性较大，导致车站实际作业的波动性较大， 传统车站能力计算方法与实际能力误差较大。本文通过排队论模型和 计算机模拟技术分析出的装车站系统能力克服了车站能力传统计算方 法的不足，更加符合实际情况，并且两种方法可以相互验证，互相补 充，减少了装车站能力确定上的误差。 本文利用系统分析方法提出了煤矿装车站系统能力的概念，系统 分析了煤矿装车站系统结构；模拟出典型装车站的各子系统的事件流， 采用排队论，考虑各系统在各项作业中的不均衡性及其产生的延误， 从整体上分析出了典型装车站的系统能力，提出了装车站系统扩能的 定量方法；以现场真实数据模拟的事件流和改变特征的事件流为基础， 用计算机模拟技术模拟了整个装车站系统的运行，定量求解出了典型 装车站系统能力并提出了其扩能方法；总结出了煤矿装车站系统能力 的影响因素及不同布置类型煤炭装车站的系统能力。 关键词：煤矿装车站，系统能力，系统分析，排队论，系统模拟 a bs t r a c t c o a ll o a d i n gi n i a i h ，a y s t a t i o ni st h e1 a s tp a no fc o a lp r o d u c t i o n ， w h i c hi sa l s ot h ef i r s t s t 印i nt h ef i e l d o fc o a li n t oc i r c u l a t i o na n d m a r k e t a c c u r a t ea s s e s s m e n ta n da n a l y s i so ft h ec a p a c i t yo fc o a li o a d i n g s t a t i o ne q u i p m e n tc a nr e d u c et h ev a c a n tc o e m c i e n to ft h ee q u i p m e n t s ， i m p r o v et h er a i l w a yt r a n s p o r tc 印a c i t y ，o p t i m i z et r a n s p o r to r g a n i z a t i o n ， s h o r t e nt h ec o a l t r a n s p o nc y c l e a n d h a sg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h e s o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fc h i n ar a i l w a ys t a t i o n sc a p a b i l i t i e sg i v e p r i o r i t yt ot r a d i t i o n a lf o r m u l am e t h o d sa n dg r a p h i c a lc a l c u l a t i o nt e c h n i q u e w i t hu t i l i z a t i o no fc o m p u t i n ga st h ec o r e ，l a c l ( i n gc o n s i d e r a t i o no ft h e s t a t i o ns y s t e ma saw h o l e t h e s em e t h o d sc a n td e t e m l i n eo p e r a t i o nd e l a y t i m ea n dt h el e i s u r ec o e m c i e n te a s i l y t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ec o a l l o a d i n gs t a t i o n s ，w h i c ha r es p e c i a l 矗e i g h ts t a t i o nw i t ht h ea 币v a lo f a g r e a t e ri m b a l a n c e ，1 e a d i n gt oag r e a t e rv o l a t i l i t yi nt h ea c t u a lo p e r a t i o no f t h es t a t i o n t h e s ep h e n o m e n o n st h r o u g ht h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o np r o d u c e g r e a t e re r r o ri nt h ea c t u a lc 印a c i t y t h et h e s i sa n a l y z e st h et h es t a t i o n s y s t e mc a p a c i t yt h r o u g hq u e u i n gt h e o 巧a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n i q u e s ，w h i c hc a no v e r c o m ei n s u f 五c i e n t so f t h et r a d i t i o n a lm e t h o di n t h ec a p a c i t ya n a l y s i so ft h el o a d i n gs t a t i o n t h e s et w on e wm e t h o d sa r e m o r ep r a c t i c a l t h ec a nv e r i 矽e a c ho t h e r ，c o m p l e m e n te a c ho t h e r ，a n d r e d u c et h ee r r o ri nd e t e m i n i n gt h e1 0 a d i n gs t a t i o n2 l b i l i t y i nt h et h e s i s ，t h ec o n c e p to fs y s t e mc a p a c i t yo fc o a ll o a d i n gs t a t i o ni s p r o p o s e d t l l ec o a l l o a d i n gs t a t i o ns y s t e ma r c h i t e c t l l r ei sa n a l y s e di nt h e m e t h o d so fs y s t e ma n a l y s e t h ee v e n ts t r e a m so ft h ev a r i o u ss u b s y s t e m s a r es i m u l a t e di nt h et y p i c a ll o a d i n gs t a t i o n s t h es y s t e mc a p a b i l i t i e so f t y p i c a l1 0 a d i n g s t a t i o n sa r ec o m p u t e do nt h ew h o l e b yq u e u i n gt h e o r y ， t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eo p e r a t i n gs y s t e mi ni m b a l a n c ea n dt h er e s u l t i n g d e l a y s o m eq u a n t i t a t i v em e a s u r e sa r ep r o p o s e dt oe x t e n dt h ec a p d b i l i t i e s o f l o a d i n gs t a t i o ns y s t e m t h em n n i n gs t a t eo f t h ew h o l el o a d i n gs t a t i o n s y s t e mi ss i m u l a t e do nm ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h e i i e v e n ts t r e a mn o w so ft h er e a ld a t aa n dt h ee v e n ts t r e a mf l o w sb yc h a n g i n g t h ec h a r a c t e r s t h es y s t e mc a p a c i t i e so ft y p i c a l l o a d i n gs t a t i o n sa r e c o p u t e dq u a n t i t a t i v e l y ，a n dt h ee x p a n s i o nm e t h o d s a r ep r o p s e d i nt h ee n d ， i n n u e n c i n gf a c t o r si nt h es y s t e mc a p a c i t i e so f t h ec o a l l o a d i n gs t a t i o n sa r e s u m m e du p ，a n dt h es y s t e mc a p a c i t yo fc o a ll o a d i n gs t a t i o ni nd i f f i e r e n t l a y o u tt y p e sa r ea l s os u m m a r i z e d k e yw o r d s ：c o a ll o a d i n gs t a t i o n ，s y s t e mc a p a c i t y ，s y s t e ma n a l y s i s ， q u e u i n gt h e o r y s y s t e ms i m u l a t i o n l 硕十学位论文第1 章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 由于2 0 0 8 年以来受全球金融危机的影响，我国经历了实体经济增长放缓，用 电量减少，全国对煤炭的需求减少的局面。但随着我国宏观经济政策的连续性调 整和一年多以来拉动内需的周期性建设，我国经济将保持稳定增长，内外需持续恢 复，将对能源需求形成有力支撑。我国经济长期平稳、快速发展带动了能源需求持 续快速增长，而“富煤、缺油、少气”的能源结构又决定了煤炭在我国能源消费 中的基础地位长期难以改变，因此，今后我国煤炭消费将持续保持旺盛增长势头。 “三西”地区( 陕西、山西、内蒙古西部) 是我国能源储备丰富的区域，根 据我国煤炭产业发展政策，在这些地区，3 0m t a _ _ 6 0m t a ( 每年百万吨) 的 大型矿井的建设己较普遍，而百座8 0m t a 一1 5 0m t a 以上特大型矿井的建设 也已经完成。但这些地区交通欠发达，煤炭等物资外运受限，包神铁路、神朔铁 路与朔黄铁路组成运煤主通道。煤矿铁路装车站是煤矿生产的最后一环，也是煤 炭进入流通销售领域的第一个环节。随着上游矿区采煤能力的加强，下游港口和 卸车站的发展建设，中游运输环节铁路主干线的新线夕l ：通及其扩能改造，煤矿铁 路装车站的能力逐渐成为限制煤炭外运的重要环节。 因此，如何总结出我国煤炭装车站的布置类型，对其系统能力进行分析，并 根据分析结果提出切实可行的扩能优化方案就成为我国当前能源合理调配，经济 快速发展背景下亟待解决的问题。 1 2 选题意义 煤矿铁路装车站是煤矿生产的最后一环，也是煤炭进入流通销售领域的第一 个环节。其系统能力既要满足煤矿生产能力，又要满足铁路运输生产的技术要求。 煤炭铁路装车站系统能力的分析及其扩能改造可以缩短煤炭产运销环节的时间， 加速货物及车辆周转，提高煤炭运输通道整体运输效率和效益，完善路网结构， 进而对保障我国的能源供应安全，保证国民经济和社会持续、稳定、健康发展具 有十分重要而深远的意义。 硕+ 学位论文 第l 章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外铁路车站通过能力计算方法 国外铁路车站能力相对充足，对车站咽喉和到发线能力计算方法的研究进展 缓慢，大都沿用早期的计算方法，其中应用较为广泛的有如下几种： ( 1 ) 咽喉通过能力计算方法 1 ) 波兰铁道科学院提出的方法 波兰p 巴尔托辛斯基于2 0 世纪5 0 年代提出采用概率的原理计算咽喉区各条 进路占用概率及其负荷，并在此基础上确定各进路的能力利用率和咽喉区的通过 能力。此法特点足分别按不同进路求得利用率k ，再按不同进路的利用率k 求出 该进路的通行能力，加总后得出整个咽喉的通过能力，计算出的结果比较符合实 际，不足是没有考虑空费时问。 2 ) 前苏联h b 普拉夫金教授提出的方法 此种方法试图用两个参数( 咽喉区平行作业同时发生的系数巾和时| 、j 损失系 数a 咽) 来扣除咽喉区产生的妨碍时间和空费时间，并按不同平行进路数规定一个 巾值和q 咽值，实际上咽喉道俞组妨碍时间和空费时间的计算是非常复杂的，很难 找出与平行进路数有关的规律。另外，该方法中没有按方向别接( 发) 车进路上 各个咽喉道岔计算能力，而是找出该咽喉区中利用率最大的一个咽喉道龠来计算 各方向的接( 发) 车能力，因而计算出的能力偏低。 ( 2 ) 到发线通过能力计算方法 1 ) 日本采用的计算方法 日本计算到发线通过能力的方法与我国基本相同，采用直接计算法，为适应 运量波动，提高车站工作的可靠性，引入了波动系数波，空费时i 、h j 按2 0 扣除。 应当指出，日本铁路即使负荷水平不高，列车长度也较短，但计算通过能力时仍 留有充分余地。 2 ) 前苏联沙巴林教授提出的计算方法 该方法认为，在输入流为泊松流、服务时间服从指数分布的前提下，由于系 统不能及时接车而产生的列车延误概率，等于出现列车数超过可供接车线路数( 技 术作业占用线路数除外，以用增表示) 的概率之和，这种到发线通过能力计算方法 的主要优点是考虑了系统的可靠性和相邻子系统问的相互协调与联系。它把输入 输出流的问隔视为随机过程，把历埔视为排队等待时问，从而，可以通过求解在车 场现有到发线数及规定的接车( 转线) 延误概率下，与之相匹配的输出通道( 驼 峰或区间) 能力利用率的方法来计算到发线可能办理的车数，在v 入、v 出、尸延误、 2 硕士学位论文 第l 章绪论 芒技等数值相对稳定的条件下，计算工作也相对简单。但是这一关系是在输入流为 泊松流，服务时间服从负指数分布的基础上对单通道系统推导出来的，不仅对车 辆的到、解、集、编、发等实际作业过程( 多阶段、多通道) 做了大量的简化， 同时也没有考虑人为控制的有利因素，由此得出的计算公式必然有一定误差。 1 3 2 国内铁路车站通过能力计算方法 国内对车站通过能力的研究开展较多，但对咽喉和到发线的研究基本是独立 的，近年将此二者综合考虑的研究开始增多。 ( 1 ) 咽喉通过能力计算方法 文献 3 中对此的研究较为详细，尽管没有提出统一的车站能力计算方法，但 运用图论和网络优化技术对车站咽喉布置、咽喉及车站作业过程进行了抽象建模， 建立了车站咽喉作业占用安排网络优化和咽喉作业能力复合递阶决策模型，以及 模型实现的计算机算法，在一定程度上考虑了到发线对咽喉能力计算的影响；在 车站咽喉道岔与进路安排对能力的影响研究中，文献 4 与文献 3 中相似的咽喉 网络模型，但提出了一种新的求解算法，给出了咽喉道龠占用优化的计算实例； 文献 5 采用图的形式表示技术站的咽喉区，通过在图上寻找最短径路来确定进路 的合理排列，并根据咽喉区作业进路的分类，推导得出通过能力计算中直接妨碍 道分组的确定方法，并据此进行程序处理，实现技术站能力查定中进路占用道岔 和直接妨碍道岔的自动确定；文献 6 利用图论与矩阵的方法计算给定咽喉中的平 行二进路、平行多进路的数量。 ( 2 ) 到发线通过能力计算方法 文献 8 对客运站到发线空费系数的计算方法展开了研究，提出了较好的插入 列车的计算方法，利用在空挡时间插入符合车站作业规律的随机列车，能够较好 地模拟列车到发的波动状况，得出更合理的空费系数，不足是没有考虑咽喉作业 对到发线能力的影响。 ( 3 ) 不均衡运输研究方面 文献 9 通过分析列车到达不均衡对编组站作业的不利影响，结合编组站作业 系统的特点，把编组站的工作时间分为忙、闲和普通三个阶段，以编组站的解体 作业作为计算能力的基础，并且同时考虑了其它设备能力的影响，提出用编组站 通过能力、编组站车流结构条件通过能力和驼峰小时解体能力三个概念来计算编 组站的能力，与传统的编组站能力计算方法相比，计算结果能更好地反映不均衡 运输条件下编组站的实际工作状况；文献 1 0 在分析铁路客运站列车到发不均衡 性的基础上，提出“空闲时段 的概念，根据空闲时段对车站通过能力的影响， 通过调整车站咽喉和到发线通过能力计算公式，并结合成都东的具体算例表明了 3 硕士学位论文 第1 章绪论 该方法的有效性。 ( 4 ) 车站综合能力研究方面 随着计算机技术的不断发展与普及应用，对车站能力计算综合系统开发的研 究也越来越深入。 文献 1 1 分析了我国铁路车站系统现行的能力计算查定公式及存在的问题， 结合目前我罔铁路运输的特点以及现场作业实际情况，总结了已有的研究，对计 算车站各部分能力的算法进行了改进与优化，同时针对咽喉区设计了一个利用计 算机动态求得其能力的模拟算法；文献 1 2 从系统工程的角度，运用排队论对编 组站各子系统设备数量及合理负荷的优化设计进行了探讨研究；文献 1 3 依据调 研得到的车流和有关作业时间分布函数，建立了排队论模型，对编组站各子系统 的协调条件、设备数量和系统能力进行了研究，得到了系统稳态下的数量指标。 文献 1 4 分析了客运专线客运站通过能力的各种影响因素，如客运站站型布 置类型、设各种类、行车组织、维修天窗等。该文提出了新的适应客运专线客运 站特点的计算机模拟方法，用来精确计算客运专线客运站通过能力。 文献 1 5 提出了前向环馈仿真方法，以前向环馈仿真理论、模型以及算法的 研究为基础，在编组站运营系统的应用层领域进行仿真研究，分析了线路层、作 业设备层、作业对象层和运营计划层的仿真模型和相关算法，并在此基础上以 a g e n t 建模方法及技术研究了各仿真层次的相关a g e n t 模型结构；文献 7 在理论 分析计算法的基础上，通过车站作业分析，运用排队理论和数理统计方法建立计 算模型，通过计算机模拟寻求列车在到发线上的停留时叫和线路空费时问的经验 参数，建立能反映二级四场编组站设备特点和技术作业特征的计算方法。通过对 二级四场编组站到达解体系统和编发系统1 0 0 个方案的模拟运行，得出了在一定 组合条件下等待时问和空费时问的数据；文献 1 7 利用计算机模拟法计算编组站 通过能力和改编能力的一般方法，包括到达流的生成、编组站技术作业过程的模 拟模型和车站最终能力的确定等三个方面，设计丌发了编组站通过能力和改编能 力模拟计算系统，并以郑州北编组站为背景，对在列车到发不均衡条件下编组站 通过能力和改编能力的适应性进行模拟实验，得到了一些有价值的研究结论；文 献 1 9 分析了我囤铁路运输的新特点，针对车站通过能力传统计算方法上的一些 弊端，提出了基于图解法的铁路车站通过能力计算方法，并按照软件工程规范完 成了铁路车站通过能力计算软件系统的需求与设计，重点介绍了系统的技术难点 和解决措施，最后结合案例对车站通过能力计算方法与软件系统功能进行了测试 与改进。 4 硕十学位论文第l 章绪论 1 3 3 现有研究不足 总体来说，国外大部分国家铁路运输能力与运输需求矛盾并不突出，铁路区 间及站点能力富足，而且其铁路运输客货分线，规律性较强，因此对车站能力研 究的上沿用前期理论较多，方法和工具比较陈旧；国内由于社会经济的大发展， 交通能力瓶颈作用越来越凸显，因此对铁路区间能力、站点能力，以及点线之间 的协调理论方面研究都比较多，技术方法也逐渐深入化和现代化，成果较多。但 是国内专家学者对于具体作业性质车站( 例如煤矿装车站等) 研究文献不多，研 究内容和深度不够，具体表现如下： ( 1 ) 装车站系统能力研究方面 。 现有文献大部分分开研究装车站的到发线通过能力和咽喉通过能力，然后算 得车站的最终能力，没有提出车站系统能力的概念，对系统能力的最终确定上面 研究比较模糊。 ( 2 ) 装车站能力计算方法与理论技术 利用直接计算法和利用率法求算车站通过能力时，由于仅仅考虑具体作业占 用该项设备的实际时间，忽略了不同作业之间的相互影响和接续，通过空费系数 来考虑各项作业的不连续性和不均衡性时，空费时间确定较困难，误差比较大， 所以传统算法计算出的车站能力与实际情况误差较大。在车站能力计算上面，基 于排队论建模理论有所应用，对装车站实际运行状况进行计算机仿真模拟的研究 也有初步进展，但是把两种结合起来，先用排队论计算车站系统能力和各项运行 指标，再用计算机模拟技术进行检验修正的研究较少。 1 4 研究目标与内容 根据国内外现有文献研究不足，本文拟从以下目标展开研究。 在理论层面上： ( 1 ) 系统分析煤矿装车站的特点，在分析车站布置类型、站线设备、装车设 备、列车在站作业特点、列车作业过程、作业时问等内容的基础上，定性分析出 煤矿装车站系统能力的主要影响因素。 ( 2 ) 建立一套适用于煤矿装车站系统能力计算的数学模型，提出基于排队论 模型的装车站系统能力计算方法，通过计算机模拟技术对装车站的系统能力进行 仿真模拟，定量分析出车站能力的影响因素，得出改变装车站影响因素前提下车 站的运行状况，为今后开发煤炭装车站运营动态仿真软件奠定基础。 在实践层面上： ( 1 ) 通过现场调研数据，利用排队论模型和计算机模拟理论，系统分析出双 5 硕+ 学位论文第l 章绪论 仓非环线纵列式代表补连塔站和双仓环线纵列式代表大柳塔站的系统能 力，并提出其系统能力主要影响因素及优化措施。 ( 2 ) 从我国煤炭需求强劲、运输能力不足的国情出发，寻找出整个煤炭运输 网络上的薄弱环节煤矿装车站，提出煤炭装车站系统能力分析和优化的一般 方法，为我国煤炭运输业能力的加强提供实践操作层面的方法论。 基于以上研究目标，本文将对以下内容展开研究： ( 1 ) 提出煤矿装车站系统能力的定义并分析其特殊性，提出改进的煤矿装车 站系统能力计算方法。 ( 2 ) 通过分析总结煤矿装车站的布置类型、站线设备、装车设备、列车在站 作业特点、列车作业过程等内容，剖析装车站的系统构成。 ( 3 ) 通过对装车站的系统分析，建立煤矿装车站的子系统串联排队模型，模 拟出各子系统到达车流和服务流的规律，由排队论的逼近公式近似计算出各子系 统的服务参数及各子系统延误概率。 ( 4 ) 在排队论公式计算出的服务参数基础上，根据串联排队系统的相关理论， 分别计算分析出两个典型装车站的系统能力，并定量提出了装车站系统扩能方案。 ( 5 ) 利用计算机模拟技术，模拟计算出装车站的系统能力，及在改变一定条 件下( 到达流强度、服务流强度、站线设备等) 装车站系统能力的变化。 ( 6 ) 通过排队论模型和计算机模拟分析的结果，总结提炼出煤矿装车站的主 要影响因素及典型装车站能力优化的关键环节，由建立的排队论模型参数和计算 机模拟分析，定性与定量得出装车站不同要素改变对装车站系统能力的影响状况。 ( 7 ) 基于典型装车站系统的数据资料，总结出了不同布置类型的煤矿装车站 的系统能力。 1 5 研究方法 ( 1 ) 系统工程理论与方法 从系统角度考虑，用系统的观点和方法，把煤矿装车站系统分解成三个串联 的子系统，分别分析每个子系统的运行状况，最后从整体上来把握整个装车站， 提出其优化方法；从工程实际出发，用工程的方法( 构思、原则、计算、试验、 设计等) 去改造原有的老系统，使其更加合理、更加完善、更加科学。 ( 2 ) 定性描述与定量分析相结合 由于煤矿装车站系统各项作业相互协调问题的复杂性，已有的单一定量化研 究理论无法直接解决问题。从定性分析上把握宏观框架、结构关系与本质，找出 影响系统能力的要素，从定量分析上找出各种要素的影响强度，进行结果、方案 6 硕+ 学位论文第1 章绪论 的优劣比选，定性与定量相结合地把握煤矿装车站系统内的各种关联关系，量化 所研究事物的变化规律，以实现研究成果的科学性和现实可行性。 ( 3 ) 概率论与数理统计、参数估计与假设检验理论 利用概率论和数理统计理论，求出各事件流( 主要为到达流和服务流) 的样 本均值、样本方差及其变异系数，对事件流分布进行参数估计，并用皮尔逊z 2 检 验理论进行检验，从而模拟出各系统的事件流分布，为排队论模型建立和计算机 模拟事件流的生成提供依据。 ( 4 ) 运筹学理论 利用运筹学理论中的排队论计算出各子系统及整体系统的运行参数及延误概 率，分析出整体系统的系统能力及不同到达流和服务流强度下的系统运行可靠性。 ( 5 ) 计算机模拟技术 计算机仿真技术是进行定量优化模型与算法的另一条量化研究途径，本文将 利用v i s u a lc # 计算机语言编程，构造一个模拟系统，对煤矿装车站系统进行综 合评估分析，得出装车站系统扩能的途径和策略。 运用以上研究方法和技术，本文将按如下思路结构图丌展研究。 论文研究背景、意义及 凼内外研究现状 j 夕 现阶段相关问题研 究存在的问题 义，夕 提出本文研究内容 及方法 弋。7 不同类型装乍站系统 的能力影响冈索及系 统扩能措施 图卜1 研究思路结构图 7 硕士学位论文 第2 章煤矿装车站作业与设备 第二章煤矿装车站作业与设备 煤矿装车站与一般铁路装车站具有很多共同的特征和作业，也存在它特有的 差异性。不同类型的煤矿装车站具有不同的功能和作业过程，装车站运营管理和 作业组织状况是研究车站的运营状况和分析其能力的基础。 2 1 煤矿专用铁路的概念及特点 煤矿专用铁路是指由煤矿企业投资兴建，主要为煤矿企业运煤服务，并由煤矿 企业自己经营管理的铁路支线。它既是国家铁路的重要组成部分，也是煤矿企业正 常生产的一项重要基础设施。煤矿专用铁路与一般铁路专用线相比有以下几个特 占 2 8 】 ，、 ( 1 ) 煤矿专用铁路有自己的机车，在煤矿专用铁路内的行车指挥和取送车作 业由煤矿企业自己管理。 ( 2 ) 煤矿专用铁路与国铁( 铁道部所管铁路) 相邻车站一般都建有交接站或 交接场，煤矿与国铁要进行车辆和货物交接。 ( 3 ) 煤矿专用铁路区间线路长度比一般铁路专用线要长，中问还可能设有车 站。煤矿专用铁路作为矿井建没的配套工程，其建设本身并不困难，但煤矿专用铁 路建成之后的开通运营问题，牵涉到的影响因素较多，是个大的复杂系统。 2 2 煤矿装车站的概念 装车站是货运站按工作性质分类的一种，它以办理货物的装车为主，需接入 大量空车，发出大量重车【2 8 】。 装车站有两种类型，其一是干线上的中问站或技术站，装车线是车站的专用 线，这种车站可能连接多条专用线，车站除了办理装车专用线的取送调车作业外， 还要大量的干线上的行车技术作业，如旅客列车的到发、通过货物列车的到发等。 其二是从干线车站分叉出来的专门车站，这类车站作业相对单纯，主要办理装车 列车的到发和装车调车作业。 煤矿装车站是在煤矿地区设置，专门用于办理空车接入、煤炭装车、重车发 出的一种货运站。煤矿装车站一般与煤矿专用铁路的技术站相连接。 硕士学位论文第2 章煤矿装车站作业与设备 2 3 煤矿装车站的分类 ( 1 ) 根据装车站矿区铁路线上的位置，可分为尽头站和通过站。 ( 2 ) 根据煤仓排数目可分为单排煤仓装车站、双排煤仓装车站及多排煤仓装 车站。 ( 3 ) 根据车站作业方式可分为送空取重装车站、单送单取装车站和等装装车 站。 送空取重：机车在运行的同一次既送去空列车又取回重列车，机车使用经济， 应用灵活，能力有富余，但工程量较大； 单送单取：机车运行一次单独送去空列车和单独取回重列车。机车走行次数 比送空取重走行次数多一倍，作业不灵活，但工程费用省，故当地形条件困难且 装车站离集配站( 或接轨站) 较近时采用： 等装：机车送空列车到装车站，等该空列车装车完毕后再牵引重列车返回。 机车停留等待时间长，但工程费用省，对于个别装车站距离接轨站远而车次又少 时采用。 ( 4 ) 按到发线与装车线的相对位置可分为纵列式装车站和横列式装车站。 ( 5 ) 根据装车站的布置形式可分为装车线为环形的装车站和非环形装车线的 普通装车站。 2 4 煤矿装车站作业 在矿区铁路运输系统中，煤矿装车站主要任务是完成矿区内各矿井煤炭的输 出任务，从而保证矿井生产的连续性。在我国多数矿区的装车站都是随矿井建设 的，装车站的数目基本上与矿井数目一致，故矿区运输系统中9 0 左右的车站均 属于煤矿装车站。此外，煤矿装车站还要完成矿用设备、材料的运输，部分装车 站还要进行矿区职工通勤客车的接发作业。 煤矿装车站是从干线车站分叉出来的专门车站，作业相对单纯，主要办理装 车列车的到发和装车调车作业。 担当装车调车作业的机车有两种情况，一种是单独配备一定数量的调车机车 负责专用线的调车作业。另一种是利用本务机车担当调车作业。尤其是调车作业 单纯、到发列车运行线接续好情况下，利用本务机车担当调车可减少调车机车占 用，降低运输成本。 根据专用线接轨段咽喉与空列车的入口咽喉关系可将装车站作业过程归类如 下： ( 1 ) 专用线接轨端咽喉是空列车的入口咽喉 9 硕十学位论文第2 章煤矿装车站作业与没备 调车机车作业条件下的本站作业车技术作业过程如表2 l 。 利用本务机车担当调车作业情况下的本站作业车技术作业过程如表2 2 。相对 调车机车作业，减少了表2 1 中3 、8 项作业过程。如果空列车到达与重列车出发 顺向，则无第7 项作业过程。 在实际的作业过程中，根据车站的作业交叉情况，在作业环节间还会出现等 待时问。车站行车、调车作业量越大，交叉的可能性与等待的时间越多。 表2 1 本站作业车技术作业过程 表2 2 本站作业车技术作业过程 ( 2 ) 专用线接轨端咽喉不是空列车到达的入口咽喉 调车机车作业条件下的本站作业车技术作业过程如表2 3 。 l o 硕士学位论文 第2 章煤矿装车站作业与没备 表2 3 本站作业车技术作业过程 利用本务机车担当调车作业情况下的本站作业车技术作业过程如表2 4 。如 果空列车到达与重列车出发反向，则无第7 项作业过程。 表2 4 本站作业车技术作业过程 类似地，在实际的作业过程中，根据车站的作业交义情况，在作业环节间还 会出现等待时间。 每个作业过程或环节的时i 日j 与车站的站线长度与咽喉结构、机车运行速度、 列车长度与单车装车时间等决定，同时车站的生产作业组织水平也是影响因素。 2 5 煤矿装车站设备 为完成煤矿装车站各项作业，需配置如下设备6 。 ( 1 ) 仓储设备装车仓( 多数跨线式) 、储煤仓、露天储煤场。 ( 2 ) 站内线路各类装车线路、矿井及运煤厂材料线、站修线、到发线、 煤泥线、油脂线、牵出线、机车线及客车线等站配线。 硕士学位论文第2 章煤矿装车站作业与设备 ( 3 ) 拉装设备带铁牛推拉车器的调车绞车装置；困难时也可采用无极绳 调车绞车装置；铁牛前牵式、后推式匀速机车等。 ( 4 ) 检斤计量设备轨道衡( 静态机械衡、动态电子衡) 、若轨道衡与装 车仓分设时，应修建添减煤设施、微机控制定量漏斗，龙门吊车。 ( 5 ) 排水设施完善的站场排水系统，通畅的选煤厂装车仓下线路排水设 施。 ( 6 ) 客运设备办理客运列车的矿区装车站，应设站台，根据需要设置候 车室，因客运量较大的车站，在站台上应设有风雨棚，横越线路应有人行过道， 必要时设天桥或地道。 ( 7 ) 照明设备在车站下列处所应装设足够的铁路照明设备。 ( 8 ) 其他设备客车、货车车底的洗刷、清扫、排污和处理没备( 应有固 定场所) 。 2 6 煤矿装车站装车线的布置形式 铁路煤矿装车站装车线布置形式主要有两种：煤站台装车线和筒仓装车线。 2 6 1 煤站台装车线 煤站台装车首先由附近煤矿通过汽车短途运输煤炭至装车站台堆放、配煤， 再使用装载机或皮带输送机装车。这种作业方式目前使用比较普遍，有占地多、 对环境污染大、经济效益和装车效率不高等不足【6 3 】。 2 6 2 筒仓装车线 筒仓装车在装车线上或旁边修建储煤筒仓，首先由设在附近的洗煤场将洗好的 煤炭通过皮带或管道输送至储煤筒仓存储，再通过装车仓装煤。这种作业方式优 点很明显，对环境污染小，煤炭装运损耗少【6 3 1 。 随着我国大型现代化矿井的建设，与之配套的专门化铁路装车站陆续建成并 投产运营。这些专门化车站都采取了整列装车直达运输组织模式，装备了先进的 定量漏斗仓装车系统。从建设与成功运营实践的现状来看，定量漏斗仓装煤站的 站场布置也有了基本模式，定量漏斗仓装车系统示意图如下。 1 2 硕士学位论文第2 章煤矿装车站作业与设备 、 ；妥一 一一一一 b ， 、b 缓冲仓 电r 秤 定量仓 串 h ，一h l 图2 1 定量漏斗仓装车系统示意图 在煤炭生产基地，组织单元或整列式重载运输是一种经济合理的运输模式。 装备先进的定量漏斗仓装车系统的装车专线是实现整列直达运输的必要技术条 件。一般情况下，整列或半列式装车专线直接与正线上的车站相连、或与从正线 车站接轨的独立站的车场连接。不管接轨车站的类型( 正线车站、非正线车站， 中间站、技术站) ，就装车专线与接轨车站的车场位置关系来讲，基本布置有两种： 横列式布置、纵列式布置。大型矿井装车专线( 5 0 0 万t a 及以上) 一般采取纵列 式布置。 纵列式装煤线是从装煤线车站一端咽喉引入与到发线纵向布置的方式。纵列式 布置的基本类型有单仓非环线纵列式整列装车线、单仓环线纵列式整列装车线、 双仓非环线纵列式整列装车线和双仓坏线纵列式整列装车线，以及受地形限制的 非环线纵列式半列装车线【3 0 j 。 ( 1 ) 单仓非环线纵列式整列装车线 单仓非环线纵列式整列装车线布置示意图见图2 2 。图中i 、i i 为正线，3 7 道为到发线，到发线有效长一般大于等于1 0 5 0m ，以满足重载运输要求。d 、仇 为把口调车信号，它是车站与装煤专线的分界点；l d 为定量漏斗仓所处位置；形 为装煤专线尾部车挡。设k 。为d 。至l d 中心点的距离( m ) ；k ：为l d 中心点 至w 的距离( m ) ；厶。为根据牵引定数确定的运煤车列长度( m ) ；为调车机长 度( m ) 。k ：必须大于( + + 3 0 ) ( m ) ，如果要考虑装车调车对到发线接发 车的影响，k 。也必须大于( 厶1 + + 3 0 ) ( m ) 。 硕士学位论文 第2 章煤矿装车站作业与设备 图2 2 单仓非环线、环线整列装车线 作业车的基本作业过程是：空车整列到达，本务机车或调车机车将空车列推 入装车线，再由机车牵出装车，然后转线至到发线发车。 如果本站终到的空车列车的到达、始发的重车列车的出发与装车调车作业的 径路同在车站的一端咽喉，k 小于( 厶。十厶+ 3 0 ) ( m ) 时，装车调车作业径路 与到发列车径路可能交叉，将影响装车作业过程和作业能力。如果没有调车作业 与到发作业的交叉，k 应尽可能缩短，以减少调车作业行程时间。 在重载运输组织模式下，这种装车专线的布置方式，可以实现1 0 0 0 万t a 的 装车量。从提高运输效率的角度来看，这种布置是大型矿井采用主要形式。 ( 2 ) 单仓环线纵列式整列装车线 单仓环线纵列式整列装车线布置示意图见图2 2 。图中将渺至形以半径r 大 于2 5 0m 的曲线沿虚线位置连接就构成了环线装车线。这种布置的技术特点与作 业组织与单仓非环线整列装车线类似。有所不同的是，空车列入线装车的方式是 “进出顺向”，如果配备2 台及以上调机，或利用本务机车调车时，漏斗仓的利用 率将有效提高，实现的装车能力要大，但相应的车站作业组织要复杂。 一台调车机车作业情况下，装车能力制约因素是调机的有效调车作业时间， 环线方式相对非环线方式，不仅机车转线要占用一股到发线，而且牵出走行的时 间会增加，装车的作业效率不会提高。 在到发线长度不具备组织万吨列车的条件下，环线装车线布置有利于组织万 吨列车。通过万吨列车组织，提高装车能力。正是这种原因，在组织万吨装载列 车的车站，经常采用单仓环线模式。在这种模式基础上还有一种变种，即“灯泡 线”，也就是把口信号机位置，出入装车线交会合并成一条线连接车站的到发场。 单仓环线纵列式整列装车线布置，配合万吨重载运输组织，能满足年产量 1 0 0 0 1 2 0 0 力- t a 大型矿井的运输要求。 ( 3 ) 双仓非环线纵列式整列装车线 双仓非环线纵列式整列装车线布置示意图见图2 3 。这种布置实质是两套平行 的单仓非环线纵列式整列装车线，运输生产与组织特点类似。相对单仓系统，装 车线与车站到发场接轨端咽喉，作业量增加、径路交叉多，一定程度影响定量漏 1 4 硕士学位论文第2 章煤矿装车站作业与设备 斗仓的利用率。同时不适应万吨列车组织。 双仓非坏线纵列式整列装车线布置与单仓比较，年运输量一般可以增加5 0 以上，最大可以达到1 7 0 0 万t a 。 ， ， 图2 3 双仓非环线纵列式装车线 ( 4 ) 双仓环线纵列式整列装车线 煤专1 煤专2 图2 4 双仓环线纵列式整列装车线 双仓环线纵列式整列装车线布置示意图见图2 4 。设备布置与作业与单仓环线 纵列式整列装车线布置类似，不同的是装车线与车站到发场接轨端咽喉，作业量 增加、径路交叉多，一定程度影响定量漏斗仓的利用率。这种靠置特别适合万吨 列车运输组织，最大年运输量可以达到2 0 0 0 万t 。 ( 5 ) 单双仓非环线纵列式半列装车线 单仓非环线纵列式半列装车线布置示意图见图2 5 。这类布置一般是受到地形 限制所采用的方式。与整列装车线相比，从把口信号机到装车线尾段的距离可减 少厶2 ，占地长度可缩短半个列车长度。装车作业过程是先将整列空车分解成 两部分，分别推送到装车线，然后牵出第一个半车列装车，装完后带重车再联挂 地二个半空车列牵出装车，如此完成整列装车。相对这种整列式布置，每完成一 列装车要增加3 0 分钟以上时间，装车能力减少2 0 以上。同时，调车作业量大。 一般在地形限制情况，年装车量5 0 0 万t 以下的可采用，最大装车量可实现5 0 0 8 0 0 万t a 。 这种布置与整列布置相比，调车作业量明显增加，不利于重载运输组织，从 系统的总效率和效益来看，应尽量不采用半列式的装车线布置。 硕十学位论文 第2 章煤矿装车站作业与设备 2 7 本章小结 图2 5 单仓非环线纵列式半列装车线 彬 w 2 本章主要给出了煤矿装车站的概念，提出煤矿装车站的分类，讨论了煤矿装 车站的布置形式，重点归纳了纵列式筒仓布置类型的特点，分析了不同类型车站 的作业状况，现将其能力及适用范围总结如下： ( 1 ) 单仓非环线纵列式整列装车线布置是装备定量漏斗仓装煤系统的大型煤 矿装车线的主要配置形式之一，年装车能力可达1 0 0 0 万t 。 ( 2 ) 单仓环线纵列式整列装车线布置也是装备定量漏斗仓装煤系统的大型煤 矿装车线的一种配置形式，特别是能方便力吨重载列车的组织，年装车能力可达 1 2 0 0 万t 。 ( 3 ) 双仓非环线纵列式整列装车线布置是装备定量漏斗仓装煤系统的特大型 煤矿装车线的主要配置形式之一，年装车能力可达17 0 0 万t 。 ( 4 ) 双仓坏线纵列式整列装车线布置也是装备定量漏斗仓装煤系统的特大型 煤矿装车线的一种配置形式，方便万吨重载列车的组织，年装车能力可达2 0 0 0 力t 。 ( 5 ) 整列式装车线与半列式装车线相比，装车效率和运输效率都要高，总体 系统的效率和效益也好。一般在不受地形条件限制情况下，装备定量漏斗仓装煤 系统的装车线应采取纵列整列布置形式。 ( 6 ) 组织力吨重载列车的车站的装车专线采取环线布置形式，有利于提高运 输生产效率和缩短占地长度。 在发展重载运输的大背景下，服务于矿井煤炭运输的铁路专门装车站普遍推 行重载运输组织，有条件的装车站积极组织万吨列车，极大地提高了铁路运输的 生产效率和效益。因此，配备现代化定量装车系统的整列式装车专线是大型、特 大型矿井装车专线的主要发展形式。本文主要以神东矿区的两个典型装车站( 补 连塔站和大柳塔站) 为案例，提出煤矿装车站系统能力的数学计算方法和计算机 模拟方法，探讨装车站的扩能措施。 1 6 硕士学位论文 第3 章煤矿装车站系统分析 第三章煤矿装车站系统分析 铁路运输系统是一个由车、机、工、电、辆、人等要素组成的一个庞大系统， 具有丌放性、非线性、随机性及随时问动态变化等基本特征，承担着全国大部分 旅客和货物的运输任务，其直接产品是旅客和货物的安全位移。煤矿装车站系统 是铁路运输巨系统中的一个子系统，具有铁路运输系统的很多相似特征，承担的 是煤矿地区煤炭的装车、外运等任务。 煤矿装车站是货运站按工作性质分类的一种，在煤矿区设置，专门用于办理 空车接入、煤炭装车、重车发出等作业。在煤矿装车站的运输管理和作业组织的 过程中，各项管理调度和运行作业相互影响，互相牵制。因此，