（交通运输规划与管理专业论文）编组站能力协调研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着社会经济的发展，国家对铁路基础设施建设的投资力度不断加大， 铁路先后进行了六次大面积的提速调图，既有旅客列车和货物列车的旅行速 度都有了一定的提高，并且由于客货共线，列车在编组站上的到发表现出阶 段性的不均衡，这对编组站的运输组织工作有较大的影响。 本文针对既有线列车提速以及各种运输产品的开行，导致列车不均衡到 达编组站的现状，研究编组站的能力协调，主要从两个方面来分析：编组站 内部各子系统之间的能力协调和区间与编组站到解系统的点线能力协调。 在不均衡运输条件下，研究编组站能力协调比较复杂，本文首先考虑编 组站系统内部各子系统的协调关系，计算到发线能力、解体能力、编组能力 等。 然后，通过对编组站各个衔接方向的列车到达间隔时间的统计分析，查 定各种技术作业时间标准，收集各种技术资料，运用排队论理论，计算确定 出编组站各种技术作业指标，确定设备应保有的最恰当的合理后备能力。此 能力保证编组站在高峰繁忙时期内能无延误的接入列车，保证编组站的日常 运输组织工作顺利进行。 最后，结合贵阳南编组站的具体实例，对其能力协调进行实证分析。研 究其系统内部各子系统之间的协调关系，分析协调程度。研究贵阳南站各衔 接方向的列车到达规律，特别是高峰时期，计算相关能力，分析点线能力的 协调程度。在充分利用既有设备的情况下，加强薄弱环节，提出一些切实可 行的措施，使编组站内部各子系统之间以及编组站与线路能力之间，达到充 分的协调一致，达到最佳的运营效果。这对以后铁路车站、线路的新建或扩 建具有较强的指导作用。 关键词：编组站；通过能力；改编能力；能力协调；列车到达规律 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , r a i l w a yi n f r a s t r u c t u r a li n v e s t m e n t i si n c r e a s i n gc o n t i n u a l l y , s p e e d r a i s i n ga n da d j u s t i n go p e r a t i o nd i a g r a m h a v eb e e n d o n es i xt i m e sb yn o wa n dt h et r a v e l i n gs p e e do fe x i s t i n gp a s s e n g e rt r a ma n d g o o d st r a i ni s i n c r e a s e do nas c a l e b e c a u s eo fp a s s e n g e rt r a i na n dg o o d st r a m 九m n i n go nt 1 1 es a m er a i l w a y , t h ea r r i v a la n dd e p a r t u r eo f t r a i no nt h em a r s h a l l i n g s t a t i o ni si m b a l a n c eb ys t a g e s ，w h i c hh a sab i ge f f e c t o nt h et r a n s p o r t a t i o n o r g a r a z a t i o no fm a r s h a l l i n gs t a t i o n t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ec a p a c i t yc o o r d i n a t i o no fm a r s h a l l i n gs t a t i o no nt h e b a c k g r o u n do ft h ec u r r e n ts t a t u st h a tt h ed e p a r t u r e a n da r r i v a lo ft r a i no nt h e m a r s h a i l i n gs t a t i o n b e c a u s e o ft h es p e e d - r a i s i n go ft h et r a i nr u n n i n g o nt h e e x i s t i n gr a i l w a y a n dt h eo p e r a t i o n o f t r a n s p o r t a t i o np r o d u c t s ，c 印a c l t ) ， c o o r d i n a t i o ni sa n a l y z e di nt w oa s p e c t s ：t h ec a p a c i t y c o o r d i n a t i o na m o n g s u b s y s t e m si nt h ei n n e ro fm a r s h a l l i n gs t a t i o ns y s t e ma n d c o o r d i n a t i o no fp o i n t a n dl i n ec a p a c i t yb e t w e e nt h ei n t e r v a lo fr a i l w a ya n da r r i v a l d e p a r t u r es y s t e mo f m a r s h a l l i n g s t a t i o n t h er e s e a r c ho fc a p a c i t yc o o r d i n a t i o ni sc o m p l e x o nt h eb a s i so fi m b a l a n c e t r a n s p o r t a t i o n f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e s t h ec o o r d i n a t i o nr e l a t i o n sa m o n g s u b s y s t e i r i so ft h em a r s h a l l i n gs t a t i o na n dc a l c u l a t e st h ec a p a c i t yo fa r r i v a l a n d d e p a r t u r et r a c k ，b r e a k i n g - u pc a p a c i t ya n dm a r s h a l l i n gc a p a c i t y , e t c s e c o n d l y ，b ya n a l y z i n g t h ei n t e r v a lt i m eo ft r a i na r r i v i n gf r o ma l l t h e d i r e c t i o l l sl i n k i n gu pt h em a r s h a l l i n gs t a t i o n , a s s e s s i n gt h et i m es t a n d a r d so fa l l i 曲d so ft e c h n i c a lo p e r a t i o n sa n dc o l l e c t i n gd i f f e r e n tt e c h n i c a li n f o r m a t i o n ，p r o p e r r e s e r v ec a p a c i t i e so fe q u i p m e n t sc a l lb em a d eb yc a l c u l a t i n gd i f f e r e n tt e c h n i c a l o p e r a t i o nc r i t e r i ao nt h eb a s i so fq u e u i n gt h e o r y t h er e s e r v ec a p a c i t y c a nm a k e s u 】t h et r a i nc a na r r i v ea tm a r s h a l l i n gs t a t i o ni nt h er u s hh o u rw i t hn od e l a ya n d e n s u r et h ed a i l yo p e r a t i o no r g a n i z a t i o nw e l l l a s t l y ，c a p a c i t y c o o r d i n a t i o no fg u i y a n gs o u t hm a r s h a l l i n g s t a t i o ni s i 一_ _ 一 a n a l y z e da s a l le x a m p l e t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ec o o r d i n a t i o n r e l a t i o n sa n d d e g r e ea m o n gs u b s y s t e m s t h ep a p e r r e s e a r c h e st h et r a ma r r i v a lr e g u l a t l o n ， e s p e c i a l l y i nt h er u s hh o u r , c a l c u l a t e sc o r r e l a t i v ec a p a c i t i e s a n da n a l y z e st h e c o o r d i n a t i o nd e g r e e s t oa c h i e v et h eb e s to p e r a t i o ne f f e c t ，c a p a c i t yc o o r d i n a t i o n a l t l o n gs u b s y s t e m sa n dc a p a c i t yc o o r d i n a t i o nb e t w e e nm a r s h a l l i n gs t a t i o n a n d r a i l w a yl i n es h o u l db em a d eb yr e i n f o r c i n gw e a ks e g m e n t sa n da d o p t i n g s o m e f e a s i b l em e a s u r e s ，w h i c hp l a y s ag u i d i n gr o l e o nt h ec o n s t r u c t i o n a n d r e c o n s t r u c t i o no fr a i l w a ys t a t i o n sa n dr a i l w a yt r a c k s k e yw o r d s ：m a r s h a l l i n gs t a t i o n , c a r r y i n gc a p a c i t y , r e s o r t i n gc a p a c i t y ，c a p a c i t y c o o r d i n a t i o n ，t r a i na r r i v a lr e g u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权收； 2 不保密衫适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 繇声寄 指导教师签名：蛮烘n 吼彤年占月夕日 眺2 矿归多月y 日 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和 集体，均已经在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本文的主要创新点如下： 应用概率论和排队论的有关理论和方法，研究列车到达规律，计算车站 相关技术指标。提出协调度的概念，并给出了具体的量化方法，将其应用于 铁路运输生产过程，研究车站内部各子系统的协调以及点线能力协调。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 铁路是我国重要的基础设施、国民经济的大动脉、交通运输体系的骨干， 是提高人民物质文化生活水平、满足人民旅行需要、加强国防建设的重要工 具，担负着主要的旅客和货物运输任务。 铁路在促进社会进步和推动经济发展的过程中发挥了重要作用。然而长 期以来，我国铁路运输能力不能满足旅客和货主日益增长的运输数量和质量 要求，列车速度过低，特别是旅客列车和快运货物列车的速度过低，严重影 响了铁路的运输质量。对此，铁道部提出了实现我国铁路快速发展的工作思 路，列车提速是实现铁路快速发展的战略重点之一。 迄今为止，我国铁路扩能改造已实施六次大面积提速，我国很多既有线 的最高时速己经达到了2 5 0 k m h ，动车组越来越多的在既有线上运行，区间线 路和车站能力都得到了一定的提高。 铁路通道由点( 车站) 、线( 区间) 联结而成。铁路通道的综合运输能力 取决于点、线能力的较小者。因此，要提高铁路通道的综合能力，发挥建设 投资的最大效益，必须做到点线能力相互匹配和彼此协调。 在我国以往铁路通道建设当中，因连接通道的各条线路和车站一般都是 分别列项和各自建设，往往造成车站建设滞后于线路建设，车站能力的限制 极大制约了区间能力的有效利用，同时也制约了列车提速的进程，制约了全 通道综合能力的提高。因此，在铁路线路和车站的新建或改扩建中，必须考 虑车站内部各子系统之间的协调和点与线的能力协调，将线路与车站作为一 个系统进行研究，车站综合能力必须适应路网客货运量快速增长的趋势并留 有适当储备，以充分发挥铁路网的整体能力。 按照点、线的联结，点线能力协调关系可分为区间与到解系统能力协调 关系和出发系统与区间能力协调关系。国民经济高速发展对铁路运输的基本 要求是安全正点、畅通无阻。铁路网上的点和线，两者互相关联，密不可分， 一同构成了铁路运输网络。正如上述的分析，车站内部各子系统能力或者点 线能力失调势必产生车流通道不畅、货物积压，影响国家经济建设，也影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 铁路企业的经济效益。做到车站能力匹配，使路网在合理的管理组织下，充 分发挥其设备能力，保证客货运输畅通，直接关系到铁路运输效率和经济利 益。所以，研究车站能力协调问题，具有重大的现实意义。 1 2 研究现状分析 关于车站能力协调的理论研究，国内学者做的比较多，且成果颇丰。 文献( 1 ) 通过对我国铁路点线能力的现状和问题的分析，论述了路网点 线能力协调的意义、原则和方法，并以西北路网中宝鸡中卫铁路为例， 说明了在运量增长的实际条件下，加强点线能力协调的具体措施。 文献( 2 ) 、( 3 ) 给出了计算合理股道数量与合理驼峰负荷的方法。 文献( 4 ) 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以 及合理负荷的优化设计进行了研究。 文献( 5 ) 依据调查实证后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，得出了系统稳态下的数量指标。 文献( 6 ) 利用计算机对编组站到达解体系统与区间通过能力进行了整体 模拟，得出了编组站的列车延误率和延误条件下的丢线概率，建立了蒙特卡 洛随机方法公式及协调模型，得出研究点线能力协调关系的结论和关系式。 文献( 7 ) 分析了编组站的作业过程，并运用概率论和数字模拟等方法导 出了编组站和区间最终通过能力的计算公式。 文献( 8 ) 根据点系统和线系统互相联动的特点，将点线系统内设备配置 的优化目标扩展为系统投资、运营费用、延误损失三个方面，提出了建模及 优化的初步思路。 文献( 9 ) 分析了点线能力协调存在的问题及其产生的原因，阐述了区间 与编组站及编组站内部各主要设备在运输生产过程中的地位与作用及各设备 间能力协调的基础，研究了设备间能力协调量比系数的确定方法，根据我国 铁路现有的组织水甲提出了设备间能力协调的量比值。 文献( 1 0 ) 从系统工程的角度出发，根据编组站各子系统的作业过程和 设备协调关系建立了编组站系统的排队模型，应用排队论计算编组站到、解、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 编、发各子系统合理的设备数量和负荷。 文献( 1 1 ) 、【1 2 ) 分析了提速干线上编组站货物列车到发时刻不均衡的 特征，运用排队论和随机过程理论，定量分析系统出现饱和状态的条件，对 出发子系统转场和接车可靠性、临界密集出发时间进行了计算分析。 文献( 1 3 ) 根据山海关编组站近、远期车流中以直通车流为主的特点， 结合铁路快速发展的总体部署要求，结合津秦沈电化工程，分析确定山海关 编组站在路网中的地位和作用，建议其改扩建方案宜在既有格局的基础上， 采用优化的西延方案。 铁道部刘志军部长在文献( 1 4 ) 中谈及铁路快速发展的目标时，也提到 要搞好点线能力配套，完善枢纽结构、强化主要车站，使铁路主要客运站、 编组站在路网中定位清楚、能力适应，满足路网的总体要求。 通过以上分析可知，铁路车站能力协调研究已取得积极进展，但如何结 合我国铁路列车提速的新形势，分析列车提速以及列车不均衡到达对线路及 车站能力的影响，特别是对编组站工作的影响，研究提速线路点线能力协调 的条件，从点线能力协调角度出发，指导点线设备的改造与能力加强，这些 工作还远远不够深入。因此，这一情形需要进行分析研究，优化铁路运输组 织。 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 研究铁路编组站能力协调，就是在列车提速、不均衡运输以及运量增长 的情况下，确保运输安全与效率，使编组站设备的作业能力与其邻接区间的 能力合理匹配、协调工作、同步建成。 目前铁路编组站能力协调研究主要集中在编组站内部各子系统之间的协 调优化和编组站能力与衔接线路能力之间的点线能力协调。 编组站内部各子系统的能力协调，指通过运输组织优化，达到各子系统 作业过程彼此协调、设备能力相互匹配，充分发挥技术设备作用，压缩非生 产时间，而且可使新建和改建编组站通过站场设计优化，达到最少的工程投 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 资和运营费用。 点线能力协调主要是随着路网的建设和发展规模的增大，相对于点的引 入线增多或线的能力增强，处理好点的各类配套设备、建筑的预留和建设时 序以及能力的匹配，并与城市综合交通枢纽和城市市政建设协调发展，同时 包含对既有运行系统采取有效的调整和控制，使运输工作均衡，点、线设备 能力充分利用“”。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 车站能力与协调 从理论上研究车站能力的计算方法、步骤及其表示形式。把车站看成一 个排队服务系统，应用排队论理论计算车站相关技术指标。提出协调的含义， 研究协调度，分析编组站内部到解子系统、编组子系统和出发子系统之间的 协调，研究点线能力协调。分析不均衡运输对编组站能力的影响。 ( 2 ) 列车到达规律研究 基于列车在编组站到达不均衡的条件，以到达车站的实际列车数据为基 础，应用概率论和排队论的有关理论和方法，研究列车到达规律。为深入研 究编组站能力的计算和利用、合理配置设备、改进编组站工作组织提供依据。 ( 3 ) 贵阳南站能力协调研究 结合贵阳南编组站具体实例，对其能力协调进行实证分析。研究贵阳南 站内部各子系统的协调，计算车站相关能力，研究点线能力协调，并提出一 些加强能力协调的措施。 1 4 研究方法 概率论方法。概率论是研究大量随机事件基本规律的学科。 数理统计方法。数理统计是以概率论为理论基础，根据实验或观察得到 的数据研究随机事件，并对研究对象的客观规律性做出合理的估计和判断。 数理统计主要包括两个方面的内容：( 1 ) 收集、整理数据资料；( 2 ) 对数据 资料进行分析、研究，从而对所研究对象的性质、特点做出推断。 排队论方法。排队论是研究服务系统因需求拥挤而产生等待排队的现象， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以及合理协调需求与服务关系的数学理论，也称随机服务系统理论。该理论 主要是通过对随机服务系统结构的剖析，运用概率论和随机过程等工具，对 系统性能指标进行研究。它是研究工商、交通、公用事业、军事等部门中随 机聚散现象及各种排队性质的理论，也是专门研究怎样合理设计和管理随机 服务系统的科学1 2 9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 车站能力 第2 章车站能力与协调 车站是铁路办理客、货运业务的主要场所，车站能力由车站通过能力和 改编能力两部分组成，是决定铁路通过能力的重要因素。 分析和计算铁路车站能力的目的在于：确定新建车站的能力，检查其是 否能满足计算年度运量的需求；查明既有车站能力的利用情况，根据运量增 长的需要，有计划、有步骤、分阶段地进行车站的改建与扩建，以适应不断 发展的需要；找出车站设备和工作组织中的薄弱环节，充分挖掘潜力，合理 而有效地运用技术设备，提高效益；查明车站各项设备间以及车站与区间通 过能力是否协调，以便制定加强措施1 4 7 j 。 2 1 1 车站通过能力 + 车站通过能力是车站现有设备条件下，采用合理的技术作业过程，一昼 夜能够接发各方向的货物列车数和运行图规定的旅客列车数。它包括车站 咽喉通过能力和到发线通过能力。 咽喉道岔通过能力的计算，宜采用利用率计算法。首先计算咽喉区各道 岔的总占用时间： 丁= 刀接嘻+ 力发t 发+ ，机+ 钿+ t 妨+ 钿 ( 2 1 ) 咽喉道岔通过能力利用率为： k = 瓦 2 ， 小e 万弓劫 汜。2 车站各衔接方向咽喉道岔通过能力为： 幌= 譬 ( 2 3 ) 咽喉区的通过能力为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 货= 心 ( 2 4 ) 到发线通过能力是指在驼峰能力、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，按照不间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。 到发线通过能力可用直接计算法确定，其计算公式为： ：鱼二趔竺竺丝二鱼! ( 2 - 5 ) 刀到2 一 f 到占 编发线的发车能力可按下列公式计算： n ：翌二型竺丝二型 ( 2 6 ) t a i n t 式中 发列车平均占用编发线胁t f q ，其f f i y 可： t 编发= 预占+ 咯解+ 壤占+ 噜编+ ，编+ 饭+ t 待发+ f 发+ 龟占 ( 2 7 ) 2 1 2 车站改编能力 在合理使用技术设备的条件下，车站调车设备一昼夜能够解体和编组的 货物列车数或车辆数称为车站的改编能力。车站改编能力由驼峰解体能力和 尾部编组能力组成。 驼峰解体能力是在现有技术设备、作业组织方法及调车机车数量条件下， 该驼峰一昼夜能够解体的货物列车数或车辆数。 在纵列式编组站上，驼峰一般只进行解体作业，其解体能力可根据不同 调车机车台数和作业组织方法采用直接计算法计算。 ( 1 ) 当峰上使用一台调车机进行单推单溜时，驼峰解体能力嚣单按下 式计算： 嚣单：坚堕黑掣( 2 - 8 ) z 解占 式中 f 嚣詈采用单推单溜作业方式解体一个车列平均占用驼峰的时间， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 按下式计算： f 嚣蓦= t 空程+ f 推+ f 分解+ f 禁溜+ f 整场+ f 妨 ( 2 9 ) ( 2 ) 当峰上采用两台机车实行双推单溜时，驼峰解体能力按下式计算： 磺：( 1 嘞费 f 挚+ 盈晦泣 ( 2 - 1 0 ) 、 解占解占 式中 f 嚣詈双推单溜作业方式解体一车列平均占用驼峰的时间，按下 式计算： 谨詈= 咯解+ 喙溜+ 磕场+ 嘞碍+ 碥黼 ( 2 1 1 ) ( 3 ) 当峰上采用三台调车机车实行双推单溜时，其解体能力按下式计算： 诺：( 1 一口空费) x 1 4 4 矿0 - t m ( 2 1 2 ) 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台数等 条件下，一昼夜能编组的货物列车数或车辆数，可用直接计算法或利用率计 算法进行计算。 ( 1 ) 直接计算法 心：世兰幽+ 1 3 ) ( 2 ) 利用率计算法 编= 导+ 摘 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 车站相关技术指标计算 2 2 1 排队论简介 排队论，又称随机服务系统理论，是一门研究拥挤现象( 排队、等待) 的科学。它研究的内容有下列三部分： ( 1 ) 性态问题，即研究各种排队系统的概率规律性，主要是研究队长分 布、等待时间分布和忙期分布等。 ( 2 ) 最优化问题，又分静态最优和动态最优，前者指最优设计，后者指 现有排队系统的最优运营。 ( 3 ) 排队系统的统计推断，即判断一个给定的排队系统符合于哪种类型， 以便根据排队理论进行分析研究。 排队系统的随机性造成某个阶段顾客排队较长，而另外一些时候服务员 又空闲无事。在这种情况下，如果增加服务设备，人力、物力的支出就较大， 有时出现空闲浪费现象；如果服务设备太少，顾客等待排队现象就会严重， 这给顾客个人和社会都带来不利影响。于是，顾客排队时间的长短与服务设 备规模的大小，就构成了随机服务系统中的一对矛盾。必须考虑如何在这两 者之间取得平衡，做到既保证一定的服务质量指标，又使服务设备费用经济 合理，恰当地解决顾客排队时间与服务设备费用大小这对矛盾。 一般的排队系统都有输入过程、排队规则和服务机构三个基本组成部分 i o ( 1 ) 输入过程。它指要求服务的顾客是按怎样的规律到达排队系统的， 可用到达间隔时间或单位时间内顾客到达数的概率分布来描述。常见的输入 过程有：泊松输入( 最简单流) 、定长输入、爱尔朗输入、一般独立输入和成 批到达输入。 ( 2 ) 排队规则。它反映服务台从队列中选取顾客进行服务的顺序，一般 分为损失制、等待制和混合制。 ( 3 ) 服务机构。服务机构指同一时刻有多少服务设备可接纳顾客，每一 设备可接纳多少顾客，以及对每一顾客服务多长时间。常见的服务时间分布 有负指数分布、定长分布、爱尔朗分布和一般服务时间分布等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 不同的排队特性，既导致不同的过程性能，也导致系统在分析上不同的 复杂性。解决排队问题的目的，是研究排队系统运行的效率，估计服务质量， 对系统进行调整和控制，确定系统参数的最优值，以决定系统结构是台合理， 研究设计改进措施等，所以必须确定用以判断系统运行优劣的摹本数量指标。 解排队问题就是求出这些数量指标的概率分布或特征数。 2 2 2 编组站排队服务系统 编组站是由到达场、驼峰、调车场、牵出线、出发场及其相应的技术设 备所组成，共同完成列车的到达、解体、集结、编组和出发作业。从列车、 车列或车辆在编组站上的技术作业过程上看，编组站实际上是个复杂的、串 联的、相互联系的各个子系统组成的排队服务系统，这些子系统一同构成了 二个串联排队网络。 假设在串联排队网络中共有力个节点，每个节点都是一个单级多服务台 的排队子系统，每个子系统的服务时间都服从一定的分布规律，服务台的个 数为c ，顾客以一定的规律从第一个节点进入串联排队网络系统，依次经过 第二个节点、第三个节点等等，一直到在第，2 个节点接受完服务后离开整个 系统。 铁路编组站是一个大的串联排队网络，依据“作业线 生产方式而建立， 它主要由三个子系统组成：到解子系统、编组子系统和出发子系统。它们之 间相互联系、相互制约，有机地组合在一起，都可以看作独立的排队服务系 统“，。 ( 1 ) 到解子系统 由列车白区间相继到达编组站时起，经列检、推峰至车列解体为止，可 视为两级排队服务系统。 第一级为到达作业系统，其输入流为各方向接入到达场的列车，服务机 构为办理到达作业的各种作业人员，其中主要是列检组，服务时间为列检作 业时间，排队规则为等待制。第二级为解体系统，列检等上峰准备作业完了 的车列组成该系统的输入流，服务机构为驼峰，服务时间为解体时间，排队 规则也是等待制。 ( 2 ) 编组子系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 车列由调车场集结完毕至调车机车将车列转线至出发场，此过程可视为 编组排队服务系统。在驼峰上解体的车组在各自的调车线上集结成新的车列， 这些集结完毕的车列组成编组子系统的输人流，担任编组作业的牵出线、调 机为该系统的服务机构，车列编组和转线时间是服务时间。 ( 3 ) 出发子系统 由自编车列转入出发场和无调中转列车接入出发场时起，至列车出发时 止，可视为两级排队服务系统。 第一级为出发作业系统，其输入流为自编列车和到达的无调中转列车， 它们在出发场进行发车前的准备作业。服务机构为办理出发作业的各种作业 人员，其中主要是列检组，服务时间为列检作业时间。第二级为发车系统， 它的输入流是技术检查完毕的车列，服务机构为出发场衔接的各区间，服务 时间是各区间的发车间隔时间。 在实际工作中，各个子系统之间是密切相关的，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种综 合能力。因此，要想使编组站充分发挥作用，应从系统的角度去观察、分析 和协调好各子系统之间的关系。若某个子系统已经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。 铁路车站在路网系统中，也是一个属于更大系统的子系统，同样需要与 其它设施和部门形成良好的分工合作关系。当车站已不能适应路网运量的变 化时，也应考虑对该车站进行必要的改扩建。 2 2 3 应用排队论计算车站相关技术指标 排队模型的优点是能够考虑系统中的各种随机因素，并能较为细致地描 述系统内部的各种复杂关系，基于排队模型，易于从概率和统计的角度分析 和优化各种过程性能。 建立排队模型的目的就是要规划一种为顾客提供服务的方式以实现一定 的运营效率，它并不像线性规划模型或者存贮模型那样追逐一个最小成本或 最大收益目标。具体来讲，排队模型的目的就是要确定排队系统的各项特征， 如各个子系统的负荷、平均等待时间、平均队长、设备利用率等等。这些平 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 均值是系统对顾客服务水平的标志，对系统的运营以及优化，具有较强的指 导作用。 利用排队论方法计算车站相关技术指标，首先要知道列车到达间隔时间 的规律。根据列车到达间隔时间的偏离系数，可以假设列车到达服从爱尔朗 分布i l oj 其密度函数为： 州= 糯p p 。 ( 2 - 1 6 ) 随着爱尔朗分布阶数k 的增加，计算工作量成指数增加，同时分布曲线 逐渐趋向对称。因此，当k 达到一定阶数后可以用正态分布近似表示。 从排队论的研究角度来说，设备负荷p 是指输入强度五与服务强度之 比，用公式表示为： p 2 瓦 ( 2 1 7 ) 式中c 设备数量。对车场来说是股道数量，对驼峰来说，实行单溜 放时c = 1 。 列车到达服从爱尔朗分布，这种排队模型的特征值如下： ( 1 ) 全部设备空闲等待的概率 异= 匡譬+ 去臀 - l ( 2 ) 系统内有刀个车列的概率 只：哔刖 c ( 2 - 2 0 ) ” c ! c ”一f o 。 ( 3 ) 平均排队长 厶= 器昂 ( 2 - 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 4 ) 平均排队等待时间 ( 5 ) 系统中车列甲均数 ( 6 ) 平均排队逗留时间 - - = q q 丸 上= 厶+ c p ( 7 ) 未被占用的设备平均数 ：三 a ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) c = c - c p ( 2 2 5 ) ( 8 ) 形成排队的概率 噜= 鹣r ( 2 - 2 6 ) 列车无延误地接入车站系统，是指车站在列车密集到达期间，以一定的 可靠程度将列车接入车站，& 应控制在一定的水平以下。根据随机服务系统 理论可知，魄越小，车站系统配置的技术设备数量越多，技术设备运用效率 越低。因此，经济有利地解决办法是允许有一定比例的列车延误等线。客观 上由于区间列车运行安排留有一定的余地，少量列车延误进站一般不会打乱 区间列车运行秩序。考虑到我国的实际情况，& 应控制在5 左右，且可按照 下式计算j ： 堍：a “华 ( 2 7 ) 2 - 2 7堍= a 卫( 由于列车密集到达是一昼夜中有限的某段时问，同时到解系统的排队容 量是一定的，因此系统可能出现在列车密集到达期间单位时间内完成的作业 量小于需要作业的到达量，单位时间服务机构的作业负荷会大于1 。实际上， 在这种情况下服务机构的持续密集作业时间要比列车密集到达时间长，需延 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 长到将所有等待作业的车流全部作业完毕为止，这样服务机构总的平均作业 负荷不会大于1 。根据排队论原理可知，p 越大，排队的队列就越长，当系统 其他条件一定时，p 大于某一个上限值，作业系统经过一定时间运行后，由 于排队车列过长将充满整个系统，造成接车延误，甚至出现“出一列、接一 列”的状态。显然，从系统运营可靠性来看，这种结果是不允许的。但是， 如果列车密集到达持续时间刚好在等待车列充满系统时结束，不会造成接车 延误，则这种系统状态又是允许的。 2 3 编组站能力协调 在外界环境一定的条件下，系统的整体功能取决于系统的内部结构和各 子系统之间的配合程度。只有各子系统密切配合、协同动作，才能充分发挥 系统的整体功能，否则，子系统之间不协调，或者运作不正常，都将影响整 个系统功能的发挥。在现代经济管理学中，有一个经典理论木桶理论， 其内容为：一个木桶的盛水量，不是取决于木桶最长的那块木板，而恰恰取 决于构成木桶最短的那块木板。 编组站是一个复杂的运输系统，各个子系统的需要能力及其工作状态相 互关联，一个环节出现问题就会影响邻接的环节，扩大到全站，进而影响衔 接区间的列车运行和邻站的运输工作。编组站工作的质量和能力，在很大程 度上与编组站各项技术作业之间的协调，以及编组站工作与区间列车运行之 间的配合有着密切的关系。 研究过程中，首先具体分析各子系统、各作业环节的能力情况，再以整 体最优原则综合分析研究，从中找出影响编组站整体能力不协调的因素，加 以重点解决，使各子系统、各个作业环节能力达到协调一致。 2 3 1 协调与协调度 协调是指为达到共同目标，有关系统、事物或工作之间的相互协作、相 互配合、相互促进，所形成的良性循环的发展态势，也就是协同动作、相互 配合的意思。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 一般来说，需要进行协调的系统往往包含茗干个相互矛盾或冲突的子系 统，这些子系统如果不能通过协调来妥善处理各种冲突，那么该系统总体功 能将由于系统宏观结构的失稳而无结果，甚至产生负效应，即出现系统的整 体功能小于各部分子系统功能之和。 系统协调的基本思想是，通过某种机制来组织和调控所研究的系统，寻 求解决矛盾或冲突的方案，使系统从无序转换到有序，达到协调或和谐的状 态。系统协调的目的就是减少系统的负效应，提高系统的整体输出功能和整 体效应。 整体性是系统的基本原理，产生理想的系统整体功能则是系统协调所追 求的目标。协调机制的建立能够使系统通过一定的方式使具有不同职能的部 门相互协作，共同为实现系统的整体功能做出贡献。 根据协调的含义，可以概括出协调具有如下几个特性： ( 1 ) 协调是以实现共同目标为目的的。没有共同目标，就无从组织协调。 共同目标主要表现为某一总体的规模、速度、数量关系或某种社会生产或生 活活动的运行、成果和效益等等。 ( 2 ) 协调是以各有关系统或事物为因素的。共同目标的实现是从各系统 或事物、各项工作间的进度、数量发展变动以及有关比例关系是否相互适应、 相互促进为基本条件的，只有全面掌握和科学划分总体中的系统、事物或工 作，并形成多层面、多方面协调体系，才能组织好协调工作。 ( 3 ) 协调是以组织各系统、各事物以及各项工作在实现总体目标过程中 的相互适应、相互配合、相互协作和相互促进为要求的。各系统间、各事物 间以及各项工作间数量规模相互适应，发展速度相互配合，数量比例关系合 理，工作进度相互促进，各种活动相互协作，从而形成相互统一的力量，在 各自完成本身目标的同时，确保实现共同的总体目标。 ( 4 ) 协调是相对的。它需要在完成总体目标的进程中，根据实际发展情 况，对各系统、各事物的目标随时加以不断地调控和修订，以保证总体目标 的实现。从一定意义上说，完全、绝对的协调是不存在的，协调是相对的基 本上的协调。 ( 5 ) 协调是可以计量的。协调作为各种事物间发展变动或静止状态的表 现，可以用数学语言来表达，因而它可以通过各种定量研究分析方法来计算， 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 并用数学形式来编制模型，以特定的指标来表明其协调程度。 协调是一个模糊的概念，它不是只有协调与不协调两种结果，而应该是 一个变量，可以用一个0 l 之间的数来表示，称之为协调度。协调和协调度 决定了系统由无序走向有序的趋势和程度。 协调度，是对系统协调性的度量，是反映客观事物的内外作用力与其发 展方向是否协调一致的数量指标。协调度是人们对某一事物或某一现象，在 心理上、主观上或经过科学的分析、计算基础上对其协调性、一致性的评判 的数量指标。协调度是在特定的条件下，对一种状态或一个方案的协调性的 度量。 系统的协调度是衡量各子系统之间以及系统与外部环境之间的协调关 系。通过协调度计算，可以分析系统整体的协调状况。 在铁路车站能力协调中，规定两个能力之间的后一能力除以前一能力的 结果为能力比值。 厂 办= 二二旦( 2 2 8 ) 前 式中h 能力比值 旨两个能力之间的后一能力 前两个能力之间的前一能力 由于铁路系统的特殊性，不均衡运输对车站能力有直接影响，所以并不 是h 值越接近1 说明能力协调得越好，能力不足或者富裕过大都是不协调的。 本文通过收集相关资料，并在车站现场与有关专家进行讨论，考虑了一个换 算方法，把能力比值换算为协调度的值，界定协调度的等级划分，得出了评 判车站能力协调情况的一个定量方法，具体见表2 - 1 。 表2 - 1 协调度的等级划分 协调度 0 ，0 4 0 4 1 ，0 6 o 6 1 ，0 8 0 8 1 ，0 9 0 9 1 ，1 协调 等级 失调初级协调中级协调良好协调优质协调 表中，协调度的等级划分并不是依照协调度的值平均划分，而是考虑到 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 铁路运输设备能力的具体情况，其在设备空闲的情况下，每增加一列列车， 对设备能力的影响并不大，而在设备能力紧张的情况下，每增加一列列车， 都会对车站设备能力产生较大的影响。 ( 1 ) 失调：协调度在 0 ，0 4 之间。当系统处于此状态时，能力浪费严 重或者能力完全饱和，这是最不利的情况。 ( 2 ) 初级协调：协调度在 0 4 1 ，0 6 之间，系统勉强处于协调状态。 此时，能力有一些浪费，或在繁忙时期车站就会发生排队现象，甚至出现堵 塞，列车接入延误，运行调整难度大。 ( 3 ) 中级协调：协调度在 0 6 1 ，o 8 之间，系统能较好的完成运输任 务，能力稍微有一点浪费，或在繁忙期间内能按照一定的接车延误率接入列 车。 ( 4 ) 良好协调：协调度在 0 8 1 ，0 9 之间，系统能很好的完成运输任 务，能力有一定的储备，存繁忙期间内能按照可接受的接车延误率接入列车。 ( 5 ) 优质协调：协调度在 0 9 1 ，1 3 之间，系统处于最佳的状态，保证 能力不浪费的情况下，无延误的完成各种运输任务，系统适应能力很强。 把能力比值换算为协调度的值，本文考虑以下的计算模型： c = h 口 降) 2 ( 2 2 9 ) 式中c 协调度 口换算系数，根据有关资料表明，在铁路车站能力协调中，后 一能力除以前一能力的比值为1 4 时最佳 刀调节系数，力2 ，本文根据具体情况，为增加协调度的区分 度，将”取值为7 由计算模型可看出，0 c 1 ，即c 的取值在o 1 之间，值越大则协调 状态越佳，反之则越不协调，即处于失调状态。 通过对不均衡运输的分析，可以发现列车到达的不均衡程度影响了协调 度计算模型中换算系数的取值。随着不均衡程度的增大，换算系数的取值也 不断增大。所以，这个换算系数要根据每个编组站的实际情况而定，具体可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 分析计算确定，也可以通过现场技术人员在总结列车到达规律的经验上人工 确定。 2 3 2 点能力分析 研究编组站能力协调，使之能力得到合理的匹配，才能使系统能力得到 最优的发挥。从能力匹配上来说，点的能力应当大于线的能力，这主要是由 于点能力形成的周期以及形成以后再进行能力扩充比较复杂。 点系统内部各子系统的协调对整个点系统能力有着一定的影响，从而对 点线能力产生影响，但点线能力协调的关键主要在于车站能力与区间能力的 协调，尤其是到解系统能力与衔接的线路区间能力的协调。为使点线能力达 到协调，保证及时处理来自车站各个衔接方向的车流，使整个路网不会由于 车站的问题造成堵塞，应要求点的能力大于线的能力，主要是基于以下几个 方面的考虑： ( 1 ) 区间能力的增强比车站能力的增强要快，并可大幅度地提高。一般 说来，单线改为复线，区间通过能力增加一倍，而车站能力的增加幅度较小， 而且还要受到各种因素的限制。 ( 2 ) 车站的建设与区间相比上马慢、施工期长，且多数位于大中城市， 其布局与城市规